可穿戴設(shè)備在校園足球訓(xùn)練和教學(xué)信息化改革中的運(yùn)用

劉慶廣 林晶

(1.同濟(jì)大學(xué)國(guó)際足球?qū)W院 上海 200082;2.上海松江二中(集團(tuán))初級(jí)中學(xué) 上海 201600)

2019 年，教育部已經(jīng)認(rèn)定了27000 多所校園足球特色校，參與校園足球活動(dòng)的中小學(xué)生將近2000多萬(wàn)。同時(shí)，教育部提出2022 年校園足球特色學(xué)校學(xué)生體質(zhì)健康合格率將達(dá)到95%以上以及中小學(xué)生經(jīng)常參加足球運(yùn)動(dòng)的人數(shù)超過(guò)3000萬(wàn)的工作目標(biāo)。全國(guó)校園足球運(yùn)動(dòng)的快速發(fā)展及校園足球賽事的迅速增多，迫切需要了解學(xué)生球員的訓(xùn)練負(fù)荷、體能狀況、技戰(zhàn)術(shù)能力、傷病預(yù)警等綜合情況，為校園足球的發(fā)展提供科學(xué)的評(píng)估數(shù)據(jù)，提高其發(fā)展質(zhì)量。

近年來(lái)，傳感和通信技術(shù)的發(fā)展使低成本和輕量化設(shè)備成為日常應(yīng)用的可能，這些設(shè)備可以測(cè)量和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)個(gè)人的重要生理體征和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，如運(yùn)動(dòng)、心電圖、溫度和血氧飽和度水平等。這些可穿戴設(shè)備正在競(jìng)技領(lǐng)域、大眾領(lǐng)域和體育科學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員和學(xué)生的訓(xùn)練及比賽數(shù)據(jù)的采集和大數(shù)據(jù)分析創(chuàng)造了條件?？纱┐鱾鞲衅骺梢再N在皮膚上或嵌入跑步者的衣服或鞋子中，可包含單個(gè)傳感器或者多個(gè)傳感器，如心率監(jiān)測(cè)器（HRM）、慣性傳感器（IMU）和全球定位系統(tǒng)（GPS）等。IMU由加速度計(jì)（感知分段加速度）、陀螺儀（感知角位移）和磁力計(jì)（感知方向）組成?？纱┐髟O(shè)備通常通過(guò)數(shù)據(jù)卡將訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，或通過(guò)藍(lán)牙、WiFi技術(shù)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)或移動(dòng)設(shè)備?？纱┐髟O(shè)備現(xiàn)已被普遍使用在國(guó)內(nèi)外足球運(yùn)動(dòng)的訓(xùn)練和競(jìng)賽實(shí)踐中，用以評(píng)估球員的身體素質(zhì)、運(yùn)動(dòng)機(jī)能、運(yùn)動(dòng)負(fù)荷等，從而可以合理、科學(xué)地評(píng)價(jià)與改善選手及其運(yùn)動(dòng)隊(duì)的訓(xùn)練質(zhì)量和競(jìng)賽成績(jī)。

同時(shí)，可穿戴技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)著學(xué)校體育教學(xué)信息化的改革創(chuàng)新?？纱┐骷夹g(shù)可作為一個(gè)很好的突破點(diǎn)與足球體育教學(xué)融合，通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和云端數(shù)據(jù)收集、整理、分析等功能，把學(xué)生足球體育活動(dòng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效收集，可以科學(xué)、準(zhǔn)確地反映學(xué)生的上課情況，給學(xué)生帶來(lái)更加科學(xué)的教學(xué)訓(xùn)練與比賽體驗(yàn)。數(shù)據(jù)化應(yīng)用、信息化技術(shù)教學(xué)正成為信息時(shí)代發(fā)展的主要特點(diǎn)，積極推進(jìn)現(xiàn)代信息化技術(shù)在教育界中的創(chuàng)新運(yùn)用，形成科學(xué)化、數(shù)字化、可視化的教育教學(xué)系統(tǒng)，完成教育信息化轉(zhuǎn)變升級(jí)任務(wù)，是應(yīng)對(duì)信息時(shí)代發(fā)展的必然抉擇。

1 可穿戴設(shè)備在足球運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用研究

足球是一項(xiàng)深受世界人民歡迎的運(yùn)動(dòng)，吸引了大量的金融投資，尤其是在歐洲。足球教練團(tuán)隊(duì)希望通過(guò)在球場(chǎng)上監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和生理數(shù)據(jù)，設(shè)置訓(xùn)練負(fù)荷的處方，最大限度地提高運(yùn)動(dòng)員的表現(xiàn)并降低受傷風(fēng)險(xiǎn)。媒體也渴望為大眾提供球員參數(shù)（心率、速度和加速度、碰撞水平等），提高觀眾的參與度。

長(zhǎng)期以來(lái)，體能教練和科研人員一直在嘗試使用各種生物醫(yī)學(xué)技術(shù)提升運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技水平。然而，大部分的身體測(cè)試和檢查是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的，獲得的結(jié)果可能與在比賽中觀察到的結(jié)果不一致。目前，科技的迅速發(fā)展帶動(dòng)了設(shè)備的輕量化、便攜化、低成本化等，促使一些監(jiān)測(cè)和檢查設(shè)備正在實(shí)現(xiàn)從訓(xùn)練中監(jiān)控運(yùn)動(dòng)員到比賽中監(jiān)控運(yùn)動(dòng)員的跨越，可在比賽期間對(duì)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和生理數(shù)據(jù)進(jìn)行非侵入式采集和實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸。GPS為更好地了解團(tuán)隊(duì)運(yùn)動(dòng)的特定位置和生理水平提供了幫助，可用于設(shè)計(jì)訓(xùn)練計(jì)劃，為運(yùn)動(dòng)員的比賽做好充分準(zhǔn)備，以優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)，專門(mén)用于足球運(yùn)動(dòng)的可穿戴設(shè)備在國(guó)內(nèi)外的競(jìng)技足球中已開(kāi)始廣泛應(yīng)用并發(fā)揮作用。

1.1 可穿戴設(shè)備在國(guó)外足球訓(xùn)練和比賽中的應(yīng)用

訓(xùn)練負(fù)荷的量化和監(jiān)控一直是許多運(yùn)動(dòng)科學(xué)研究的主題。可穿戴傳感器和跟蹤器（從背心到嵌入鞋中的GPS跟蹤器）能夠在訓(xùn)練課程中，甚至在比賽中獲取詳細(xì)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)健身、訓(xùn)練以及比賽的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，可視化顯示越來(lái)越得到人們的認(rèn)可。運(yùn)動(dòng)手環(huán)、運(yùn)動(dòng)手表、心率帶是運(yùn)動(dòng)健身領(lǐng)域的主流應(yīng)用。在足球領(lǐng)域，GPS 技術(shù)已成為比賽和訓(xùn)練期間監(jiān)控運(yùn)動(dòng)模式的標(biāo)準(zhǔn)工具，大量研究認(rèn)為10HzGPS 最適合監(jiān)測(cè)足球特定運(yùn)動(dòng)。Catapult、GPSports、STATsports、動(dòng)量科技等便攜可穿戴設(shè)備依靠GPS，測(cè)量受試者每秒鐘的位置，通過(guò)HRM監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員心率并將其與不同動(dòng)作和事件相關(guān)聯(lián)，通過(guò)IMU 在三個(gè)維度上記錄身體運(yùn)動(dòng)的加速度、反應(yīng)、靈敏等獲得訓(xùn)練負(fù)荷指標(biāo)，包括總距離、步行距離、慢跑距離、跑步距離、沖刺距離、高強(qiáng)度沖刺距離、運(yùn)動(dòng)員的負(fù)荷和沖刺次數(shù)等外部負(fù)荷和平均心率及最高心率等內(nèi)部負(fù)荷。

心率是足球運(yùn)動(dòng)中最常用的生理參數(shù)，在不同類型的足球運(yùn)動(dòng)和訓(xùn)練中作為內(nèi)部負(fù)荷的評(píng)估指標(biāo)，已得到驗(yàn)證［1-3］。訓(xùn)練負(fù)荷監(jiān)控可確保最佳工作負(fù)荷，以最大限度地提高身體素質(zhì)并防止受傷或疾病。通過(guò)對(duì)美國(guó)大學(xué)體育協(xié)會(huì)女子三級(jí)足球2019 賽季的22 場(chǎng)比賽監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)比賽引起了最大心率74%的心率響應(yīng)，峰值心率值相當(dāng)于101%最大心率［4］。Makaje 對(duì)比了職業(yè)五人制球員和大學(xué)五人制球員在兩場(chǎng)比賽中心率變化，職業(yè)球員顯示出更高的心率需求，從而為比賽做好準(zhǔn)備［5］。Nacho使用GPS和HR分析職業(yè)足球運(yùn)動(dòng)員的比賽運(yùn)行情況、連續(xù)15min 比賽的距離、心率和表現(xiàn)效率指數(shù)證實(shí)，球員在比賽結(jié)束時(shí)，在所有比賽位置上的表現(xiàn)都會(huì)下降，邊后衛(wèi)表現(xiàn)出最高和最健康的身體和生理水平，而中后衛(wèi)的身體和生理水平分別最低和最不健康。

GPS 系統(tǒng)能夠追蹤足球運(yùn)動(dòng)員的移動(dòng)距離、移動(dòng)速度、加速度等［6］，也因此日益得到了足球教練團(tuán)隊(duì)、足球體能團(tuán)隊(duì)與足球科研團(tuán)隊(duì)的重視和青睞。還有眾多研究人員對(duì)GPSports 與Catapult 提供了信效率和準(zhǔn)確度的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［7-10］，并廣泛應(yīng)用到U8～U20足球運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)和競(jìng)技分析中［11-14］，監(jiān)測(cè)不同位置、不同訓(xùn)練、不同競(jìng)技水平運(yùn)動(dòng)員高強(qiáng)度活動(dòng)的外部負(fù)荷概況，幫助管理球員負(fù)荷、優(yōu)化恢復(fù)、降低受傷風(fēng)險(xiǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，中場(chǎng)球員跑動(dòng)的絕對(duì)和相對(duì)總距離最大，并表現(xiàn)為最高的低強(qiáng)度活動(dòng)和每分鐘比賽的球員負(fù)荷。與中場(chǎng)球員相比，后衛(wèi)每分鐘比賽的相對(duì)跑動(dòng)距離和低強(qiáng)度活動(dòng)明顯減少。前鋒在高強(qiáng)度下的跑動(dòng)距離最長(zhǎng)，而防守者在高強(qiáng)度心率下的時(shí)間百分比最高。訓(xùn)練和比賽中的跑動(dòng)距離會(huì)影響青年足球運(yùn)動(dòng)員過(guò)度運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生率。教練應(yīng)該設(shè)法監(jiān)控球員的訓(xùn)練負(fù)荷，并將這一指標(biāo)納入決策中，以保護(hù)球員免受過(guò)度運(yùn)動(dòng)的傷害。

1.2 可穿戴設(shè)備在國(guó)內(nèi)足球訓(xùn)練和比賽中的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，GPS Catapult Optimeye S5裝備在測(cè)試足球運(yùn)動(dòng)員的跑動(dòng)距離時(shí)具備足夠的精確度和信效度，可用于科學(xué)研究與教練指導(dǎo)［15］。對(duì)于新型可穿戴電子設(shè)備運(yùn)用于校園足球訓(xùn)練與比賽負(fù)荷的評(píng)估，汪雄等提出了可穿戴GPS和HRM可用于監(jiān)測(cè)學(xué)生的外部負(fù)荷和內(nèi)部負(fù)荷，能科學(xué)、準(zhǔn)確地反映學(xué)生的訓(xùn)練與比賽狀況［16］。

國(guó)內(nèi)智能穿戴設(shè)備動(dòng)量MT-Sports 足球運(yùn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，利用GPS和HRM心率監(jiān)測(cè)背心或臂帶監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員外部負(fù)荷和內(nèi)部負(fù)荷，已開(kāi)始廣泛應(yīng)用于中小學(xué)足球訓(xùn)練和比賽的研究中。吳放認(rèn)為，MT-Sports具有較高的信效度水平，能滿足對(duì)足球訓(xùn)練和比賽負(fù)荷進(jìn)行研究的需要，提出了跑動(dòng)速度區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)、外部負(fù)荷隨年齡增長(zhǎng)規(guī)律、外部負(fù)荷明顯的位置特征等內(nèi)容［17］。劉林則通過(guò)動(dòng)量MT-Sports對(duì)國(guó)青U18國(guó)際教學(xué)比賽的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)國(guó)青比賽的場(chǎng)均跑動(dòng)距離約為9300m，平均心率為167 次/min，因位置不同，表現(xiàn)為不同的外部負(fù)荷特征［18］。周穎利用MT-sportsT2 剖析了2018年全國(guó)中學(xué)生足球錦標(biāo)賽高中男子組比賽負(fù)荷的特征，并把他們與高水平隊(duì)伍之間的差距進(jìn)行了對(duì)比，為校園足球教練員針對(duì)性訓(xùn)練提供了科學(xué)依據(jù)［19］。在校園足球的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中，目前可穿戴設(shè)備的研究還相對(duì)較少，科學(xué)、合理地利用可穿戴電子設(shè)備，將成為未來(lái)校園足球訓(xùn)練更加科學(xué)化的重要保障和發(fā)展趨勢(shì)。

2 足球體育教學(xué)信息化研究

世界衛(wèi)生組織建議5～17 歲的兒童和青少年每天應(yīng)參加60min的中度到劇烈的體力活動(dòng)，大多數(shù)研究使用HRM 和IMU 來(lái)測(cè)量中度到劇烈的體力活動(dòng)［20］。在國(guó)際上，只有20%的青少年符合這一建議［21］。學(xué)校在推廣青少年體育活動(dòng)方面發(fā)揮著重要作用，在學(xué)校體育教學(xué)活動(dòng)中，GPS、IMU、HRM、計(jì)步器等可以提取到每個(gè)人在練習(xí)中不同的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，如心率、速度、距離、軌跡等，這些數(shù)據(jù)可以用來(lái)分析學(xué)生的體育活動(dòng)類型，并對(duì)指導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、教師有效改進(jìn)教學(xué)方法、教學(xué)效果評(píng)價(jià)等都有很大的實(shí)用價(jià)值［21］。體育教師需運(yùn)用多種資源，創(chuàng)新教學(xué)形式，促進(jìn)學(xué)生對(duì)體育知識(shí)的理解，鼓勵(lì)他們加強(qiáng)體育鍛煉，養(yǎng)成良好的健身習(xí)慣。信息技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代為體育可視化教學(xué)與研究提供了更加便捷、廣闊的發(fā)展平臺(tái)。

在學(xué)校傳統(tǒng)體育教學(xué)中引進(jìn)信息化、數(shù)字化可以促進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)發(fā)展，促進(jìn)教學(xué)理念的更新［22］。以現(xiàn)代信息技術(shù)為基本的技術(shù)手段，將體育科學(xué)與信息技術(shù)的資源研究成果應(yīng)用到教育實(shí)踐與教學(xué)活動(dòng)中，對(duì)提高教師的教學(xué)質(zhì)量、學(xué)生的身體鍛煉、組織教學(xué)的管理和決策等具有積極意義［23］?？茖W(xué)研究表明，將可穿戴設(shè)備運(yùn)用到體育教學(xué)活動(dòng)中，使學(xué)習(xí)體育能夠可視化、數(shù)據(jù)分析更為豐富、精準(zhǔn)，對(duì)于烘托良好的運(yùn)動(dòng)課堂氣氛、監(jiān)測(cè)體育鍛煉強(qiáng)度、提升動(dòng)作技能、引起學(xué)生興趣、評(píng)價(jià)課堂教學(xué)、革新教學(xué)方法、培養(yǎng)教師研究與創(chuàng)新能力、防范運(yùn)動(dòng)傷害等具有重要價(jià)值和意義［24，25］。可穿戴感應(yīng)裝置主要用于學(xué)校的足球教學(xué)過(guò)程中，能更好地監(jiān)測(cè)團(tuán)隊(duì)運(yùn)動(dòng)不同位置的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷特征，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)技戰(zhàn)術(shù)、認(rèn)識(shí)足球體能有更形象的幫助，有助于教師進(jìn)一步科學(xué)合理地制訂教學(xué)方案。

體育教學(xué)信息化教學(xué)研究，以文獻(xiàn)調(diào)查法、邏輯分析法為主要研究方法，實(shí)驗(yàn)性研究偶有開(kāi)展，特別是校園足球的實(shí)驗(yàn)性研究更是極度缺乏。以運(yùn)動(dòng)大數(shù)據(jù)基因賦能校園足球發(fā)展新生態(tài)，加快信息技術(shù)在校園足球領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，共同推動(dòng)信息技術(shù)與體育教育的深度融合，已成為教育信息化2.0時(shí)代的首要任務(wù)。

3 可穿戴設(shè)備在校園足球運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用展望

3.1 普及校園足球人才，健全校園足球數(shù)據(jù)檔案

通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)學(xué)生日常教學(xué)、訓(xùn)練、聯(lián)賽等運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)跟蹤，形成學(xué)生個(gè)人和團(tuán)隊(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檔案。以此豐富完善校園足球數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，輔助建立青少年足球人才篩選模式，以促進(jìn)動(dòng)態(tài)考察和科學(xué)預(yù)測(cè)在人才選拔機(jī)制中發(fā)揮的作用，提供高效、準(zhǔn)確、快捷的人才選拔方案，建立具有特色的校園足球人才數(shù)據(jù)模型。

3.2 健全運(yùn)動(dòng)防護(hù)措施，提升教練隊(duì)伍的科學(xué)執(zhí)教水平

利用高度精準(zhǔn)的GPS 定位系統(tǒng)、HRM 等可穿戴設(shè)備，以實(shí)時(shí)可視化圖形展示足球教學(xué)測(cè)試、比賽和球員分析等數(shù)據(jù)信息，讓足球教練對(duì)球員跑動(dòng)距離、最高速度、體能消耗、活動(dòng)熱點(diǎn)圖、心率等進(jìn)行全方位的解讀，從而更加智能化、數(shù)據(jù)化地掌握球隊(duì)及球員在訓(xùn)練中的生理狀況和技戰(zhàn)術(shù)水平，確定與損傷相關(guān)的運(yùn)動(dòng)模式或訓(xùn)練負(fù)荷，識(shí)別有可能在未來(lái)受傷或再次受傷的球員，評(píng)估和監(jiān)控訓(xùn)練負(fù)荷及其結(jié)果，從而為青少年提供更為科學(xué)的足球訓(xùn)練方法，提升教練隊(duì)伍的科學(xué)執(zhí)教水平。

3.3 依托大數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)，提高校園足球建設(shè)水平

通過(guò)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，圖形化、數(shù)字化，展示各區(qū)域、各學(xué)校校園足球工作的開(kāi)展情況、水平差異以及學(xué)生運(yùn)動(dòng)成長(zhǎng)變化，推進(jìn)校園足球政策的落地，促進(jìn)學(xué)校足球在普及中持續(xù)提升，為學(xué)校體育及校園足球教學(xué)、科研、管理施政和人才評(píng)估等工作提供全方位的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

3.4 推動(dòng)學(xué)校體育教學(xué)信息化，實(shí)現(xiàn)學(xué)校課程改革

足球課教學(xué)、足球隊(duì)訓(xùn)練、精英球員選拔、科研教研等產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)，可通過(guò)可視化操作，讓更多青少年感受到足球的魅力，體驗(yàn)到足球運(yùn)動(dòng)的樂(lè)趣，從而助力校園足球運(yùn)動(dòng)的發(fā)展規(guī)模和教學(xué)質(zhì)量的提升。課程是促進(jìn)學(xué)生發(fā)展的最重要載體，把高新技術(shù)應(yīng)用到體育教學(xué)過(guò)程中，能促進(jìn)體育教學(xué)的可視化、數(shù)字化、智能化，從而提高整個(gè)體育教學(xué)的創(chuàng)新能力。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科技進(jìn)步和可穿戴技術(shù)的發(fā)展，可穿戴設(shè)備在校園足球中的應(yīng)用也越來(lái)越頻繁和深入，為探究校園足球運(yùn)動(dòng)和校園足球人才選拔提供了更加便捷、科學(xué)的途徑。同時(shí)，充分利用可穿戴設(shè)備對(duì)足球訓(xùn)練和教學(xué)實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，對(duì)體育教學(xué)者改進(jìn)訓(xùn)練計(jì)劃，合理制訂教學(xué)方案以及對(duì)校園足球的教學(xué)信息化改革均有著重要意義。