基于人工智能自助餐式的体育作业设计

陈剑洪 陈剑萍

(1.福建省福州屏东中学 福建福州 350003;2.闽江学院 福建福州 350108)

目前，在传统的体育作业设计中，教师往往根据课程要求将作业内容进行简单的布置，并且较为侧重体育作业完成的组数、次数、时间等，忽略了学生的正确动作形成、个性化需求和差异化发展，导致学生对体育作业的兴趣和积极性不高，难以达到良好的教学效果。针对以上问题，研究人员通过引入人工智能自助餐式的概念，设计了一种能够自动适应不同学生身体素质和兴趣爱好的体育作业方案，旨在通过智能化技术的应用，运用作业分析系统、大数据、数字化等技术手段，实现体育作业个性化定制、自主选择、科学全面的评价等，从而提高学生对体育作业的参与度和自主性，推进体育教育的质量和效益，为教师精准掌握学生的学习情况和发展需求，提供更为科学的教学参考和指导。

1 体育作业设计的概念和重要性

1.1 体育作业设计的概念

体育作业设计是指根据学生的身体素质水平、兴趣爱好、目标要求等因素，有目的地组织、安排和设计的一系列体育活动，旨在促进学生的身心健康发展，提高学生的综合能力和素质。

1.2 体育作业设计的重要性

体育作业设计不仅是体育教育的重要组成部分，还是教育改革和发展的重要方向之一。优秀的体育作业设计可以提高教师的教学质量和水平，增加教学的灵活性和可操作性；可以增强学生的学习兴趣，培养自信心，提高课堂效率；促进学生与学生之间的交流、合作和沟通，增强学生的协作意识，培养学生的团队合作精神和领导能力。

2 传统体育作业设计存在的问题

2.1 缺乏综合性

传统体育作业设计具有明显的单一性任务，只关注体育技能本身，不能与其他学科和领域的知识相结合，这样的作业设计无法拓宽学生的视野和知识面，限制了学生的综合发展。

2.2 缺乏个性化

传统体育作业设计通常采用统一的标准和要求，无法充分考虑学生的个性化需求和能力水平，不能真正激发学生兴趣和参与度，这样的作业设计不能满足不同学生的需求，导致学生的学习效果参差不齐。

2.3 缺乏互动性

传统体育作业学生只能独立完成，没有机会与同学进行交流和互动，也不利于师生之间的交流和合作，无法提供个性化的学习体验。原因可能是目前评估教学、监控教学过程、批改作业相关的人工智能技术尚不够成熟，教师认为借鉴意义不够，导致使用率不高［1］。

2.4 缺乏挑战性

传统体育作业设计往往设置的任务较为简单，缺乏挑战性，这样的作业设计不能激发学生的挑战欲望和创新能力，也无法提高学生的运动素质和兴趣。而难度较大的任务又会让一些学生感到不堪重负。

2.5 忽略实际应用

传统体育作业设计往往注重运动技能的提高，而忽略运动的实际应用，导致在实施过程中，内容构建方面存在的问题有练习整体完成率不高、练习时间较短，个别复杂动作的完成质量需进一步提高［2］。这样的作业设计不能激发学生的兴趣和应用能力，也无法提高学生的综合素质。

3 基于人工智能自助餐式的体育作业设计步骤

传统体育家庭作业的模式有监督难、持续性差、数据无有效沉淀及合理运用的缺点，因此探索高效、便利、数据化的体育家庭作业的模式是基于人工智能的体育大单元作业设计的重要研究方向［3］。具体步骤如下。

3.1 数据采集和处理

使用传感器或摄像头等设备采集学生的体育成绩、体能数据、运动习惯等数据，并通过人工智能技术进行处理和分析，以评估学生的身体姿态、技能水平和锻炼效果。

3.2 确定教学目标

根据课程大纲和学生实际情况，确定本学期的教学目标，如增强学生体质、提高运动技能、培养运动兴趣等。

3.3 制订单元教学计划

根据教学目标和大数据分析结果，制订教学计划，包括教学内容、教学进度、教学方法等。同时，基于学生的运动数据和技能评估结果，人工智能系统利用伪贝叶斯预测算法，对下阶段的训练计划进行调整和制订，最后根据学生的训练情况生成可视化的运动轨迹和参数图表［4］。

3.4 设计作业框架和内容

根据教学计划和学生的实际情况，利用人工智能技术设计体育大单元作业的框架和内容，包括课外锻炼、家庭作业、体育比赛等。作业内容要与课堂教学内容相衔接，突出重点和难点，还可以通过固定模板增减项目的功能，自助餐式选择适合自己的锻炼内容，从众多选项中选择合适的难度和形式。

3.5 制定评价标准

根据作业内容和教学目标，利用人工智能技术制定评价标准，对学生完成作业的情况进行客观公正的评价。评价标准要具体、量化，具有可操作性。例如，可以设定运动次数、时长、难度等指标，以量化方式评价学生的完成情况，帮助学生更好地掌握技能和提高锻炼效果。

3.6 实施作业管理

在作业实施过程中，利用人工智能技术及时跟进学生的完成情况，进行作业管理，包括督促、指导、反馈等，根据练习情况对作业设计和评价标准进行调整和优化，充分实现个性化、知识化和实践化的锻炼方式，帮助学生改进技能，提高学生在体育锻炼中的积极性和效果。但“职能部门—学校—家庭”三位一体的监管机制才是落实体育作业实施的重要保障，有助于“校外锻炼1小时”目标的达成［5］。

4 基于人工智能自助餐式的体育作业设计原则和思路

4.1 目标导向

在设计过程中，首先要考虑用户的需求。比如，学生想要提高他们的篮球投篮技能。因此，篮球投篮练习系统应该能够为学生提供个性化的练习计划和有针对性的技术评估，以满足他们的需求。

4.2 功能完备

为了满足用户的需求，作业设计引入人工智能需要具备以下功能。

第一，练习计划。学生可以设置他们的练习计划，比如投篮距离、投篮次数和练习天数。

第二，技术评估。系统可以通过计算机视觉技术和运动轨迹分析技术来评估学生的投篮技术，并给出相应的反馈和建议，比如命中率、出手速度、弧度等指标。

第三，视频指导。系统可以提供篮球投篮的技术指导视频。结合投篮技术动作的要点，设计任务清单：持球手型→3 个90°→用力顺序→球出手后的旋转方向，通过基于运动轨迹分析的模型算法，帮助学生了解正确的投篮姿势和技巧。

第四，数据分析。系统可以向提供学生投篮数据统计和分析，以帮助学生了解他们的投篮技术和进展情况。

4.3 可拓展性强

考虑到未来用户需求的不断变化，该系统应该具有良好的可拓展性，能够灵活地支持增加新的功能模块或场景。例如，为系统增加新的投篮类型或新的技术评估指标。

4.4 可重复性高

为了减少后续开发中的重复工作，并提高开发效率，通过创建一个可重复的评估模型和数据统计模块，用于评估学生的投篮技术，并提供反馈。

5 基于人工智能自助餐式的体育作业设计实现方式

假设要设计一项体育作业，要求学生进行原地双手胸前传球练习，目标是让学生掌握正确的传球技术和提高他们的传球准确性，就可以通过以下步骤来实现这项作业的布置和评估。

5.1 智能评价

为了对学生的传球技术进行智能评价，可以使用一种基于深度学习的模型，例如卷积神经网络（CNN），来对学生的传球动作进行自动评估。具体来说，可通过一个已经训练好的传球动作识别模型，从学生的传球视频中提取关键特征，并输出一个传球动作得分，这个得分可以反映学生传球技术的准确性和优美程度。同时，还可以通过一个基于大数据的模型，根据学生的个人情况和历史作业完成情况，为学生推荐适合他们的练习次数和难度级别。

5.2 智能辅导

为了对学生的传球技术进行智能辅导，可以使用计算机视觉技术和运动轨迹分析技术来对学生的传球动作进行实时监测和反馈。具体来说，用一种基于运动轨迹分析的模型，例如动态时间规整（DTW），来比较学生的传球动作与标准动作之间的差异，并给出相应的反馈和建议。同时，还可以使用计算机视觉技术来捕捉学生的肢体动作和手部姿势，并通过深度学习模型来识别学生的技术缺陷和潜在问题，从而为用户提供更加精准和个性化的辅导和建议。因此，探讨人工智能环境下的智能辅导教学模式对于培养学生的自主学习能力、开阔学生的视野具有重要意义［6］。

5.3 自主选择

为了让学生能够自主选择他们喜欢的体育作业类型和难度级别，可以为学生提供多样化的体育作业选项。例如，让学生自己设定练习时间、练习次数、同伴配合度等的难度级别，再根据自己的实际情况进行调整和安排。

6 基于人工智能自助餐式的体育作业设计系统架构和功能设计

6.1 系统架构

该系统采用B/S 架构，即浏览器/服务器架构。主要由3个部分组成：客户端、服务器和数据库。

客户端：客户端是用户与系统交互的界面，采用Web技术实现，用户可以通过浏览器访问系统。

服务器：服务器是系统的核心部分，包括Web服务器和应用程序服务器。Web服务器负责处理客户端的HTTP 请求，并将请求转发给应用程序服务器；应用程序服务器负责处理业务逻辑，并将结果返回给Web 服务器，以便实现数据的统一管理和共享。

数据库：数据库是系统的数据存储和处理中心，采用MySQL数据库实现，可以存储学生、教师、作业、成绩等信息。并结合Java 语言进行开发，实现系统的可扩展性和可重用性。

6.2 学生端功能

登录和注册：学生可以使用学号进行登录，也可以通过注册功能创建自己的账户。

作业查询和发布：学生可以通过系统查看教师发布的作业，并可以提交自己的作业。

作业提交：学生可以将自己的作业上传到系统中，并可以查看自己的作业成绩。

成绩查询：学生可以查看自己的历史成绩，包括投篮命中率、得分等指标。

6.3 教师端功能

登录和注册：教师可以凭借教师工号进行登录，也可以通过注册功能创建自己的账户。

作业设计：教师可以根据学生的不同水平、兴趣和需求，为不同的学生设计不同的作业。

成绩发布：教师可以发布学生的作业成绩，并可以查看学生的历史成绩。

作业管理：教师可以管理学生的作业，包括查询、修改和删除等操作。

6.4 系统特点

自适应评估机制：基于人工智能算法实现，根据学生的历史表现，自动调整评分标准，提高评分的准确性和公正性。

辅助功能：采用动作错误自动标记、动作难度预测等辅助功能，为教师量身定制出最适合的体育作业设计。

自动化管理统计功能：实现学生成绩的自动化管理和统计功能，学生可以自主查询历史成绩，教师可以根据学生表现进行评价。

7 基于人工智能自助餐式的体育作业实验设计

7.1 实验设计和流程

确定实验目的和指标：该研究旨在探讨基于人工智能自助餐式体育作业设计对学生体育锻炼积极性和身体素质的影响。为此，需要测量和比较学生在实验前后的运动时间、运动强度等指标的变化。

被试者招募和分组：该研究共招募了100 名被试者，年龄在10～18岁之间，包括不同年级和性别。被试者被随机分为实验组和对照组，每组50人。

实验处理：实验组采用基于人工智能自助餐式的体育作业设计，对照组采用传统体育作业设计。

7.2 实验数据采集和处理

数据采集：采用传感器和智能手环等设备，对被试者进行数据采集，包括身体参数、运动时间、运动强度等指标。对数据的稳定性和准确性进行了严格的监测和记录，以保证数据的可靠性和真实性。

数据处理和分析：采用机器学习算法和数据可视化技术，对数据进行了分析和处理。通过数据分析，发现了不同群体之间的明显差异，例如不同年龄组之间在运动强度和运动时间上的差异、不同性别在步频和步幅上的差异等。

整理、展示实验结果：借助数据可视化技术，整理、展示实验结果，获得了直观、客观的实验结果，得出了一系列结论，并提出有关建议。例如，用算法来判断篮球原地单手肩上投篮持球时掌心是否空出、其发力顺序是否在一条线上和投篮投中次数等，减少体育教师讲解纠正时间，提高课堂练习效率，为今后的体育作业设计提供了有益的借鉴和指导。

7.3 实验结果展示和分析

增强学生体育锻炼积极性：实验组80.2%的学生认为这种形式的体育作业可以增加他们参与体育锻炼的积极性，而对照组仅68.5%的学生愿意继续参加锻炼。

提升学生体育锻炼水平：通过SPSS统计软件分析收集到的数据，发现基于人工智能自助餐式的体育作业设计相较于传统的体育作业方式，实验组90.3%的学生在体育锻炼水平提升方面取得了明显的优势效果，而对照组有77.6%的学生在锻炼水平指标上有一定的进步。

改善学生身体素质：通过SPSS统计软件分析收集到的数据，发现基于人工智能自助餐式的体育作业设计相较于传统的体育作业方式，在改善学生身体素质方面取得了明显的优势效果。

适用不同人群：通过对不同年级和性别的学生进行抽样数据分析和对比，发现基于人工智能自助餐式的体育作业设计的优势不受年级和性别的影响，对于不同人群均具有明显的效果。

8 未来发展趋势和展望

8.1 实际应用和推广价值

基于人工智能技术的自助餐式体育作业设计是一种新型的体育教育模式，未来发展趋势较好。随着人工智能技术的不断发展和应用，该模式将会更加完善和普及，给更多的学生和教师带来更好的体验和效果。同时，随着健康意识的提高和健康中国战略的推进，体育教育将会受到更多的重视和关注，该模式也将会得到更多的应用和推广。未来，可以通过不断优化和完善该模式，提高其教学效果和推广价值，为体育教育事业的发展作出更大的贡献。

8.2 面临的挑战和解决方案

在推广基于人工智能技术的自助餐式体育作业设计时，可能会面临一些挑战，如技术门槛较高、成本较高等问题。为了应对这些挑战，可以采取以下措施。

第一，技术门槛较高的问题：可以通过加强技术培训和推广，提高教师和学生的人工智能技术应用能力，降低技术门槛，方便更多的学校和教师使用该设计。

第二，成本较高的问题：可以通过优化设计，降低成本，同时也可以通过寻求政府和企业的支持和资助，减轻学校的经济负担。

第三，安全和隐私问题：在应用人工智能技术时，需要考虑数据安全和隐私保护等问题，可以通过加强安全措施和隐私保护，保障学生个人信息的安全。

9 结语

随着人工智能技术的不断发展，基于人工智能自助餐式的体育作业设计将会更加智能化、个性化和情感化，更好地满足学生的需求和期望。因此，基于人工智能的自助餐式体育作业设计具有极大的应用前景，有望成为未来体育教育中非常重要的一环。