新时代学校体育评价智慧大脑设计与构建研究

杨耿 梁俊威 蔡铁 李钦 郑家帆

(深圳信息职业技术学院 广东深圳 518000)

体育强国是新时期我国体育工作改革和发展的目标与任务。2019年9月，国务院印发的《体育强国建设纲要》提出，要推进全民健身智慧化：运用物联网、云计算等新信息技术，推进智慧体育建设。2020 年10 月，国务院印发的《关于全面加强和改进新时代学校体育工作的意见》指出，要积极完善体育评价机制：推进学校体育评价改革，完善体育教师岗位评价，健全教育督导评价体系。2021年10月，国家体育总局印发的《“十四五”体育发展规划》指出，要紧紧围绕体育强国建设目标，要求体育科研体系更加完备，科研创新机制更加灵活、保障能力进一步增强，信息技术在体育领域广泛应用。2022年6月，广东省委办公厅响应国务院《关于全面加强和改进新时代学校体育工作的意见》，印发了《广东省全面加强和改进新时代学校体育工作行动方案》，指出要全面改善办学条件，加强场地设施建设，建立全省学校体育工作信息化平台，推动学校体育智慧课堂和智能场馆建设；全面深化教学改革，利用现代技术手段促进客观公正评价，建立信息化测评系统，创新测评方法，到2035年，形成多样化、现代化、高质量的学校体育体系。国家对体育建设的推进力度不断加大，并在不断的成果凸显中完善学校体育建设的建议与实施。

国家大力推进体育强国的当下，充分利用新一代信息技术，尤其是人工智能、物联网、大数据技术打造“+体育”，能够引导高效地体育锻炼，促进体育强国中体育教学的智慧化发展。新时代学校体育评价智慧大脑的构建，可为新时代学校体育评价精准、实时、量化的智能化数据采集提供有效方法，为新时代学校体育评价可视、动态、多维度的要素分析提供有效工具；基于大数据分析的评价结果，可进一步支持新时代学校体育工作的决策，并实现多样化的体育扩展应用，并具备落地技术标准与实施方案。新时代学校体育评价智慧大脑的构建、应用与实施对体育教学应用价值以及激发拓展新研究方向的学术价值都发挥着重要作用。

1 新一代信息“技术+体育”研究现状

随着我国对体育强国政策的大力支持，很多研究者将新一代信息技术应用到体育行业项目中，推进“体育+”与“+体育”的打造。相比国外，我国在“新技术+体育”方面具有领先地位。实践证明，“新技术+体育”对体育强国发挥了重要作用。目前，先进的信息技术在体育领域的应用面十分广泛，而其中最为显著的是人工智能、大数据、物联网、区块链等方面的技术应用。

在人工智能方面，应用最多的是针对运动中的人体姿态估计，如陶树等［1］提出了结合姿态估计和时序分段网络分析的羽毛球视频动作识别方法，兼顾羽毛球动作时域定位与动作分类，满足了羽毛球教练针对球员单打视频中的动作进行辅助分析，以及用户欣赏每种击球动作的视频集锦等多元化需求；张伟等人［2］针对体育网球错误技术动作识别，提出了基于机器视觉技术的体育网球错误技术动作识别方法，提高了体育网球错误技术动作的识别能力。在乒乓球运动的应用中，张傲等人［3］针对乒乓球运动视频中人体动作的连续性，提出了改进深度神经网络，搭建时空双流卷积神经网络进行乒乓球动作识别。

另外，成凌霄等人［4］通过双目视觉图像定位系统对乒乓球挥拍动作进行了研究，从众多的乒乓球挥拍动作类型准确识别这些运动模式，对不同挥拍动作的分析发挥了重要作用。除了球类运动，在太极、舞蹈等方面，也有研究者展开了研究分析。如蔡兴泉等人［5］针对当前线上太极拳学习自然交互性差、缺乏学习反馈等问题，提出了一种面向太极拳学习的人体姿态估计及相似度计算方法，同时开发了一款应用系统，使得太极拳学员可根据反馈结果练习和改善不标准动作；马力辉等人［6］基于神经网络对传统太极拳动作进行识别分析，监测传统太极拳长期练习者和短期练习者的典型动作“搂膝拗步”的肌电信号，分析行拳过程中上下肢以及躯干的主要肌肉的肌电信号变化，以此为练习者水平提升提供指导和依据。在体育舞蹈方面，王瑞等人［7］基于姿态估计技术提出“三位一体教学辅助技术”模式，应用于舞蹈教学场景，以提高整体教学质量，同时作为评价分析系统用于舞蹈在线考试的评分。

此外，在人工智能的人脸识别方面，阮锋等人［8］基于深度卷积神经网络对传统乒乓球训练系统的人脸识别准确率和识别率进行了提升。在虚拟现实方面，王天奕等人［9］构建了一种传统赛艇训练的全新辅助训练模式，使用虚拟现实技术在虚拟场景中还原不同的风浪场景，结合智能外部设备为运动员提供虚拟的场景训练。在目标检测方面，徐克圣等人［10］改进YOLOv3的行人监测方法，将其应用到智慧足球场上，对足球场行人进行监测；包梓群等人［11］还针对深度学习技术在仰卧起坐测试领域的实时性较差的问题提出了一种改进目标检测网络的仰卧起坐测试计数算法，达到了较好的实时检测效果。

在大数据方面，为全面了解我国体育大数据领域研究动态、热点及发展趋势，杨晓峰等［12］利用大数据技术，基于CiteSpace，以中国知网文献为数据源构建了大数据知识图谱，并对体育领域的现状进行了分析；卢颖等人［13］从大数据视域，利用大数据分析技术解决体育场馆火灾风险评估动态指标不明确等问题，获得了较好的体育场馆动态火灾风险评估指标体系。在区块链方面，不少学者对其在体育行业多个方面的应用进行了评价和分析，如张惠彬等人［14］对区块链技术中的非同质通证融入体育产业进行了全面分析，评价了数字藏品、非同质通证门票、非同质通证游戏、虚拟制造等新型体育业态；鸦新颖等人［15］采用文献资料分析法等，将区块链技术应用于我国体育赛事网络版权保护，提出了区块链技术适用于体育赛事网络版权保护的思考和建议；王祥全等人［16］同样采用文献资料法等研究方法，对体育课程一体化建设中区块链技术的应用场景选择、架构设计和实现路径等进行研究，结合区块链和体育课程应用场景，构建多模块的多链组合系统架构，实现“区块链+体育”系统的共识、存储、传播和安全机制；苏坚贞等人［17］以学生体质健康测试区块链为研究对象，从平台架构、应用前景、现实挑战3 个向度进行分析。在物联网方面，李尚滨等人［18］面向实时体育教学活动，运用物联网技术、无线网络技术，结合传统校园网及IT 信息技术手段，提出了一种新型、动态、开放的体育网络教学平台设计，对促进学生对球类技术的理解、掌握和运用发挥重大作用。

然而，即使目前人工智能、大数据、区块链、物联网等技术在体育方面的应用逐渐广泛，但推进我国体育强国道路的进程还需要更多的交叉研究。目前新一代信息技术在体育领域的研究成果明显，但由于体育领域涉及面广泛，将先进技术全面引入体育领域各方面，尤其是新时代体育评价，仍然需要大量工作。

2 新时代体育评价智慧大脑设计与构建

2.1 新时代体育评价智慧大脑的价值分析

在体育强国目标下，在全面建设新时代学校体育事业的过程中，需要对学校体育工作进行评价，可通过评价来找到优势与短板，可通过评价来反向推动建设。因此，在学校体育评价工作上改革创新、面向未来，同样需要可落地应用的多样化、现代化、高质量的学校体育评价体系、评价方法与评价工具，这是新时代学校教育评价面临的首要问题，如图1所示。

图1 新时代学校体育评价发展目标

现有学校体育评价研究工作大多为体系研究、方法研究、方向研究、策略与对策研究，缺少具体可实施落地的标准与方案。除此之外，过去的学校体育评价过程，依然存在着许多共性问题，如体育基础设施状况与使用情况数据缺失，教学与训练过程没有记录，人工记录数据真实性和完整性欠缺，评价大多依托专家且带有一定的主观性，评价各要素内在联系缺少有效工具分析，缺少有效的决策支持，缺少可落地的技术标准与实施方案。国内外研究中，在教育与体育领域，智能感知与大数据分析技术崭露头角。通过物联网可穿戴设备与人工智能机器视觉技术，可实现智能化、自动化的体育活动过程与结果的数据记录；结合学生体检、医疗数据，可利用大数据分析技术对体育活动与学生健康关系进行研究，或对教学方法与学生体能技能增长关系进行研究，进一步为学校体育教学与管理提供决策支持，提高体育教学与管理工作质量。

尽管在智慧城市、智慧交通、智慧金融等领域已经能实现智慧大脑：可量化的数据采集、可视化的数据分析与数据挖掘、可应用和实施的技术标准与方案，但在学校体育评价工作中相应的应用方法与实施方案依然缺失。因此，在新时代学校体育评价工作中，为解决过去学校体育评价过程的共性问题，需要基于智能感知技术与大数据分析技术，构建新时代体育评价智慧大脑，包括研究适应新时代体育评价工作的可量化精准数据采集技术应用方法与标准、可视化动态要素分析技术应用方法与标准、智慧大脑的应用实施方案。

新时代学校体育评价智慧大脑的构建，可为新时代学校体育评价精准、实时、量化的智能化数据采集提供有效方法；为新时代学校体育评价可视、动态、多维度的要素分析提供有效工具；为所述工具与方法的实现提供可普及的应用实施标准与方案。基于大数据分析的评价结果，可进一步支持新时代学校体育工作的决策，实现多样化的体育扩展应用，并推进技术标准与实施方案落地。新时代体育评价智慧大脑可为新时代学校体育工作研究人员提供有效的数据基础、分析手段、新的研究方向，其应用价值与学术价值情况，如图2所示。

图2 智慧大脑应用价值与学术价值

2.2 新时代体育工作智慧大脑总体框架与主要内容

智慧大脑构建需要具备相应的核心内容，包括适应新时代体育评价工作的可量化精准数据采集技术应用方法与标准；适应新时代体育评价工作的可视化动态要素分析技术应用方法与标准；适应新时代体育评价工作的智慧大脑应用实施方案。智慧大脑所具备的内容并不是新一代信息技术本身，而是如何在实际中落地应用这些成熟技术，实现新时代体育评价工作的现代化、多样性、创新性与高质量。智慧大脑总体框架，如图3所示。

图3 智慧大脑总体框架

在构建新时代体育评价智慧大脑的过程中，存在数据问题，包括体育基础设施状况与使用情况数据缺失，教学与训练过程没有记录，人工记录数据真实性和完整性欠缺等。智慧大脑的构建需要对各级学校基础设施数字化情况、体育活动数据采集智能化与信息化手段情况进行调研分析，汇总实施智能化数字化数据采集技术的条件和经验。因此，智慧大脑关键组成部分之一是智能感知技术，包括数字传感技术、5G 通信技术、人脸识别技术、动作识别技术与可穿戴设备技术，如图4 所示。此类技术实时动态感知基础设施数据、体育过程数据的能力决定了智慧大脑的感知能力与数据采集的精准度。在此基础上，可以形成适应新时代体育评价工作的可量化精准数据采集技术应用方法与标准。

图4 智慧大脑智能感知与可量化精准数据采集

在构建新时代体育评价智慧大脑的过程中，存在方式问题，包括评价大多依托专家且带有一定的主观性，评价各要素内在联系缺少有效工具分析等。智慧大脑的构建需要对各级学校体育评价方法进行调研分析，汇总各类体育评价专家历史评价内容，形成知识库，并结合通过智能感知技术采集的可量化精准数据，利用人工智能与大数据分析技术成熟算法进行要素分析，如图5 所示。具体包括对历史知识库与历史评价方法进行学习，对可量化精准数据进行数据清洗、数据挖掘、数据关联、语义分析、机器学习、智能分析，有效分析各要素内在联系，形成多维度、多样化、高质量的学校评价方法与指标。最终形成适应新时代体育评价工作的可视化动态要素分析技术应用方法与标准。

图5 智慧大脑大数据分析与体育评价要素分析

在构建新时代体育评价智慧大脑的过程中，存在应用问题，包括缺少有效的决策支持，缺少可落地的实施方案。智慧大脑的构建需要在可量化精准数据采集技术与可视化动态要素分析技术应用方法与标准基础上，探索能够为体育教学、管理与活动提供有效的评价决策支持的方法，实现应急管理、选拔、教学管理、智能教练、决策分析等扩展应用。最终形成适应新时代各级学校体育评价工作的智慧大脑应用实施方案，包括目标要求、方式方法、技术规范、实施路径、部署步骤、应用指导等内容，如图6所示。

图6 智慧大脑实施方案与扩展应用

3 新时代体育工作智慧大脑人工智能属性

3.1 智慧大脑人工智能属性主要内容

真正令智慧大脑具备智慧属性的是人工智能技术，人工智能技术在体育教学、体能训练、体育评价与体育工作中承担着重要的任务。智慧大脑人工智能属性的意义在于探索大数据时代与人工智能时代现代教育技术应用，优化体育教学与体能训练教育技术手段，实现体育教学与体能训练信息化、网络化、互动互联化，提升学校体育教学与体能训练现代化水平。具体的人工智能技术属性应该包括身份鉴别方法、隐私保护方法、运动防损伤方法。

鉴别学生身份方法，需要利用人工智能技术解决体育教学与体能训练中学生身份的鉴别问题。在每年的体能测试、疫情应急情况下，需要有效鉴别学生的身份，研究应用人工智能技术中的机器视觉技术，实现学生身份鉴别，有效杜绝冒名顶替现象。保护学生隐私方法，需要利用人工智能技术，解决体育教学与体能训练中的学生隐私问题。近年来，公民身份信息不断被恶意泄露，给许多人带来了财产损失，甚至影响了人身安全，需要研究应用人工智能技术中的匿名识别技术与安全防护技术，保护学生身份信息，有效杜绝信息泄露。为防止学生运动损伤，需要利用人工智能技术解决体育教学与体能训练中的运动损伤问题。在学生体能训练与运动过程中，为防止运动损伤，防止事故发生，需要研究应用人工智能技术中动作识别技术，在运动前判定学生肢体与身体状况，有效防止运动损伤与事故发生。远程自主可控方法，在应急管理情况下，需要依托人工智能技术，实现远程自主体育教学与体能训练方法，实现有效身份识别、隐私保护、运动数据采集与运动防损伤。上述智慧大脑人工智能属性核心问题关系，如图7所示。

图7 智慧大脑人工智能属性核心问题关系图

3.2 智慧大脑人工智能技术方案

智慧大脑人工智能技术方案包括可分析构建体育教学与体能训练中的AI身份识别与隐私保护方法、AI动作识别防损伤方法与远程自主教学、训练方法。

可分析构建体育教学与体能训练中AI 身份识别与隐私保护方法。如图8 所示，人工智能技术中人脸识别、掌纹识别、指纹识别的特性，结合体育教学管理方法，可有效识别学生身份并保护学生隐私，构建体育教学与体能训练中身份识别与隐私保护方法。

图8 体育教学与体能训练中AI身份识别与隐私保护方法

可分析体育教学与体能训练中AI 动作识别防损伤方法。如图9 所示，通过人工智能技术中人体关节关键点识别技术、动作识别技术，结合运动处方、科学训练方案、运动防损伤方法，提供有效的AI 动作识别防损伤方法与智能化方案。

图9 体育教学与体能训练中AI动作识别防损伤方法

可采用AI 与新一代信息技术实现远程自主教学与训练方案。应急管理下能够依托人工智能技术实现远程自主体育教学与体能训练。如图10所示，在疫情和其他应急情况下，解决远程体育教学与体能训练现存问题，基于移动互联网在线课堂、AI 技术、科学评价与运动处方，通过人工智能技术实现应急管理下远程自主体育教学与体能训练。

图10 远程自主体育教学与体能训练

4 结语

新时代学校体育评价智慧大脑的构建，为新时代学校体育评价精准、实时、量化的智能化数据采集提供了有效方法，为新时代学校体育评价可视、动态、多维度的要素分析提供了有效工具。基于大数据分析的评价结果支持新时代学校体育工作的决策，实现多样化的体育扩展应用。新时代学校体育评价智慧大脑构建、应用与实施对体育教学应用价值以及激发拓展新研究方向的学术价值都发挥重要作用。目前新一代信息技术发展飞速，人工智能、大数据、区块链、物联网等领域均取得了大量先进成果，新一代信息技术在体育方面的应用越来越广泛，结合到体育评价工作中，优化体育工作是必然趋势。在大数据时代与人工智能时代的当下，利用新一代信息技术优化体育教学与体能训练教育技术手段，实现体育教学与体能训练信息化、网络化、互动互联化，提升体育教学与体能训练现代化水平具有关键意义。如今体育教学科目众多，体育活动种类众多，同时各级学校对体育教育的重视程度与投入存在较大差距。这些问题直接影响了学校体育评价工作过程中各阶段的运行，使学校体育工作评价的准确性和客观性难以保证。在体育评价智慧大脑构建过程中所形成的技术方法、标准与实施方案难以穷尽所有情况，对南北差异、大众学校的开办、符合国家体育教学要求的科目和种类进行研究，可将校内外体育工作统一在一起，设计一套多维度、多层次、兼容性强的体育评价智慧大脑实施方案。