基于AI運動的課外體育鍛煉管理系統(tǒng)—北京大學課外體育鍛煉系統(tǒng)開發(fā)

文 / 李貴森，鄭重，焦晨曦

高校課外體育鍛煉是學校體育課程的重要組成部分，是大學生除體育課外強身健體的主要手段，課外體育鍛煉主要包括早操和課外活動。按照要求全日制本科學生必須達到一定的出勤次數(shù)。目前高校所采取的課外體育鍛煉管理模式為跑步軟件。通過記錄跑步次數(shù)和里程進行管理。雖然能夠解決考勤管理問題。但是這種模式只能以有氧運動（跑步）為主，缺少對力量練習（無氧運動）的監(jiān)控與管理。通過AI運動技術(shù)對力量練習（無氧運動）進行監(jiān)控，在利用人臉識別技術(shù)解決有效考勤的同時，使用動作識別技術(shù)對學生的動作技能進行指導，引導學生做正確的動作，養(yǎng)成科學鍛煉習慣，最終形成終身體育的鍛煉意識，從而實現(xiàn)大學體育教學的最終目的。

課外體育鍛煉應(yīng)包含：戶外跑步（有氧運動）和力量練習（無氧運動）。本文擬通過對目前使用的課外鍛煉APP系統(tǒng)升級來解決課外體育鍛煉缺少無氧運動的弊端。通過AI運動技術(shù)對力量練習（無氧運動）進行監(jiān)控，在利用人臉識別技術(shù)解決有效考勤的同時，使用動作識別技術(shù)對學生的動作技能進行指導，引導學生做正確的動作，養(yǎng)成科學鍛煉習慣，最終形成終身體育的鍛煉意識，從而實現(xiàn)大學體育教學的最終目的。通過系統(tǒng)在實際教學中的應(yīng)用與實踐，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能夠?qū)Ω鞣N方式的課外體育運動進行有效地監(jiān)控，同時由于不用局限于跑步這樣單一運動，從而能夠顯著提高學生進行課外體育鍛煉的積極性。對解決課外體育鍛煉的實效性和建設(shè)智慧校園具有一定建設(shè)性的意義。

1 課外體育鍛煉現(xiàn)狀

通過調(diào)查研究得出現(xiàn)狀，課外體育鍛煉管理系統(tǒng)主要包括以下幾種：APP軟件、生物識別、人工考勤、一卡通。教師員工監(jiān)督方式：這種方式為學校最常用的傳統(tǒng)方式，即由教師員工在運動場進行監(jiān)督，對到場學生進行記錄?？记跈C打卡方式：部分學校采用考勤機打卡方式，即學生持有 IC 卡，在到達運動場之后進行刷卡，以表示參加了一次體育鍛煉。在此基礎(chǔ)之上，還發(fā)展出更為復(fù)雜的方式，即在學生鍛煉運動路徑上設(shè)置多臺刷卡機（以下簡稱為“路徑刷卡方式”），學生運動通過此處時進行刷卡操作，以保證學生肯定進行了一定距離的體育鍛煉。但這種方式存在以下兩個方面的問題，一是無法避免代打卡的問題，參加運動的學生可以攜帶多張卡進行刷卡，從而使部分學生逃避了體育鍛煉。二是為了防止學生以抄近路方式減少運動量，路徑刷卡方式必須在關(guān)鍵路徑上設(shè)置多個地點進行刷卡，比如標準的400米跑道至少需要設(shè)置4個地點進行刷卡，途經(jīng)此處的學生必須停下來進行刷卡，在人多的時候還可能造成排隊現(xiàn)象，嚴重干擾了學生的鍛煉過程，降低了鍛煉的效果，更糟糕的是這種跑跑停停的方式會給身體健康帶來負面的影響。指紋機方式：這種方式與第二種方式類似，只是將刷卡改為了指紋識別，這樣可以避免代打卡的問題，但依然需要學生停下來進行指紋識別，同樣存在嚴重干擾學生體育鍛煉過程的問題。同時由于指紋識別率的問題，存在部分學生無法正確地識別指紋，在運動時手指出汗情況下更為嚴重，從而嚴重影響了使用的效果。手機APP方式是目前使用較為廣泛的方式，但基本上只能局限于對跑步的管理與監(jiān)控。生物識別方式是指使用指紋、靜脈識別對鍛煉者進行監(jiān)控的方式，但是這種方式對環(huán)境要求較高，運動出汗或手指脫皮會導致無法識別，或者誤判。人工考勤方式雖然準確，但是速度相對較慢，人力投入較大。一卡通方式雖然識別率高速度快，但是無法解決代打卡等作弊行為。

課外體育鍛煉開放式管理模式居多。管理模式即打卡簽到，達到一定時間或跑步距離后打卡簽退。記錄參加一次課外活動。課外體育鍛煉分為多個時段。每學期16周要達到一定出勤次數(shù)，設(shè)置及格標準、優(yōu)秀標準。課外體育鍛煉和體育課掛鉤，未完成的同學本學期體育課不及格（59分）。上述各系統(tǒng)雖然能夠解決考勤管理的問題，但無法對運動內(nèi)容進行有效監(jiān)控，也無法確認出勤者是否運動。

為督促北京大學學生進行適當?shù)捏w育鍛煉，體育教研部制定了現(xiàn)行的針對本科生的課外鍛煉考核方案，要求所有選修體育課的本科生在當學期必須完成累計一定量（男生63km，女生42km）的跑步，但此部分不計入體育課成績；未完成者則當學期體育課不及格。如學生參加其他形式的課外體育活動，如體育社團、院系或?qū)W校體育代表隊、體育比賽、校內(nèi)健身房/游泳館鍛煉等，則可申請抵扣一定量的跑步里程（通常有上限）。

北京大學課外體育鍛煉采用以下幾款跑步軟件進行管理：悅跑圈、PB、PKU、Runner4、樂動力。所采取的出勤管理模式為方便學生使用手機APP考勤系統(tǒng)，鍛煉內(nèi)容以跑步為主要的計算形式，系統(tǒng)能夠在一定程度上解決出勤的管理問題。但對除跑步外的其他運動形式無法進行有效的統(tǒng)計和分析。學校目前對課外體育鍛煉采取開放式管理，學生可以自主選擇出勤時間和運動項目，從而使得大多數(shù)出勤流于表面形式，學生往往為了達到學校出勤要求而通過各種方式湊次數(shù)。

2 運用先進的AI技術(shù)解決課外體育監(jiān)控的難題

在實際的管理中，我們發(fā)現(xiàn)課外體育鍛煉監(jiān)控存在兩大難題，一是真實考勤問題，即如何有效防止代跑作弊問題，二是多種運動方式（力量練習方式）問題，如何對除跑步外的多種運動方式進行有效的監(jiān)控。

通過實際的分析與調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)使用近些年高速發(fā)展的AI技術(shù)，可以有效地解決以上的兩部分難題。首先，使用動態(tài)人臉識別技術(shù)，可以有效地識別鍛煉者的身份，從而防止代打卡等作弊行為，切實解決真實考勤問題。其次通過AI動作識別技術(shù)解決多種運動方式（力量練習方式）的監(jiān)控問題，首先通過我們預(yù)先建立動作類型庫，可以為學生提供多種運動方式的選擇，在此基礎(chǔ)之上系統(tǒng)會對鍛煉者進行人體動作捕捉和分析，精確量化每次運動的運動量，再結(jié)合學生的各種身體指標（如身高體重等），為體育鍛煉提供大數(shù)據(jù)支持，輔助教師根據(jù)不同學生的身體條件，制定差別化的鍛煉計劃，從而能夠有效地提高學生的身體素質(zhì)，幫助學生逐漸養(yǎng)成良好的運動習慣，形成終身體育的鍛煉意識。

3 功能需求分析

3.1 問題提出及建設(shè)目標

通過對課外體育鍛煉現(xiàn)狀的分析，課外體育鍛煉應(yīng)包含：戶外跑步（有氧運動）和力量練習（無氧運動）。通過對目前使用的樂動力APP系統(tǒng)進行升級來解決課外體育鍛煉缺少無氧運動的弊端。通過AI運動技術(shù)對力量練習（無氧運動）進行監(jiān)控，解決有效考勤同時，利用人臉識別、動作識別技術(shù)對學生的動作技能進行指導。引導學生做正確的動作，養(yǎng)成科學鍛煉習慣。形成終身體育的鍛煉意識。

本系統(tǒng)的建設(shè)目標就是基于AI運動技術(shù)，對學生課外體育鍛煉情況進行良好的監(jiān)控，并為學生提供智能的技術(shù)指導。對相關(guān)的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，使教師能夠更好地監(jiān)控分析學生實際鍛煉狀況。

3.2 業(yè)務(wù)流程

根據(jù)對課外體育監(jiān)控系統(tǒng)進行的需求分析，我們可以將系統(tǒng)分為四部分，分別為登陸界面、項目選擇、動作要求、動作識別、動作采集、數(shù)據(jù)處理。

下面對各個部分的業(yè)務(wù)流程分析如下。

3.2.1 登陸界面

學生用戶將進行統(tǒng)一認證后在AI運動界面登陸。圖1所示。

圖1 用戶登陸界面

3.2.2 項目選擇

通過樂動力APP數(shù)據(jù)分析7個無氧運動項目參與人數(shù)。根據(jù)參與人數(shù)情況選定4個項目深蹲、開合跳、仰臥起坐、俯臥撐作為課外體育鍛煉無氧練習項目。圖2、圖3所示。

圖2 AI運動項目參與人數(shù)

圖3 AI運動項目選擇

3.2.3 動作要求

60秒深蹲項目要求：站立時兩腳略寬于肩，膝蓋與腳尖保持同一方向。下蹲時屈髖屈膝，下蹲至大腿平行于地面。動作全程腰背保持一條直線。圖4所示。

圖4 深蹲動作示范

60秒開合跳項目要求：原地站立、雙腳并攏、雙手放在身體兩側(cè)。向上起跳，雙腿向外打開，雙手在頭頂合實。再次起跳，雙腳向內(nèi)合并，雙手回到身體兩側(cè)。圖5所示。

圖5 開合跳動作示范

60秒仰臥起坐項目要求：雙腿屈膝，腳掌著地，仰臥于地墊上；兩手放于耳側(cè)，切勿十指交叉置于腦后。腹部發(fā)力帶動上半身完成動作。圖6所示。

圖6 仰臥起坐動作示范

60秒俯臥撐項目要求：雙手撐于肩膀下發(fā)，雙腳腳尖點地，支撐身體。保持身體呈一條斜線。下放時彎曲手臂至大臂平行地面后推起。圖7所示。

圖7 俯臥撐動作示范

3.2.4 動作識別與采集

學生在課外運動中通過手機訪問樂動力APP客戶端，調(diào)整手機角度擺放平穩(wěn)后退兩步，直到屏幕可以看見全身。通過統(tǒng)一身份認證，按照動作要求在單位時間內(nèi)完成最多次數(shù)。運動過程語音計數(shù)。動作識別計數(shù)過程人聲提示。APP會實時記錄運動的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲。動作識別與采集業(yè)務(wù)流程如圖8、圖9所示。

圖8 動作識別與采集流程圖

圖9 動作識別與采集界面

3.2.5 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)會對每次采集到的運動數(shù)據(jù)進行分析計算，生成運動報告，一方面推送給體育教師，使教師能夠真實掌握學生的課外體育鍛煉的情況，從而提供及時的運動指導。另一方面，學生也可以通過手機APP上的運動報告，真實地了解自己的運動能力提升，從而不斷激勵學生堅持進行課外體育鍛煉。

圖10 數(shù)據(jù)展示界面

4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

從課外體育鍛煉管理系統(tǒng)的使用者上分析，主要包括運營商、學生和教師三部分人群，其中學生的數(shù)量較大，而學生使用手機環(huán)境的多樣化，使得系統(tǒng)必須便于使用和維護。系統(tǒng)層次為經(jīng)典的三層結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)庫訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層、以及界面展現(xiàn)層。圖11、圖12所示。

圖11 課外體育鍛煉管理系統(tǒng)架構(gòu)

圖12 系統(tǒng)流程圖

5 結(jié)論與建議

通過對系統(tǒng)在實際體育教學中的使用分析，我們發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)的確可以有效地解決課外體育的監(jiān)控問題，并且可以為學生提供多種運動方式的選擇，有效地提高了學生課外體育鍛煉的積極性。同時體育教師也可以得到學生課外體育鍛煉的精確數(shù)據(jù)，從而可以為學生制定合理的鍛煉計劃，幫助學生養(yǎng)成良好的鍛煉運動習慣，為祖國培養(yǎng)全面發(fā)展的人才。

我們會持續(xù)研究AI技術(shù)在體育運動中的運用，從而支持更加豐富的運動方式，同時在系統(tǒng)使用中采集大量的運動數(shù)據(jù)，逐漸建設(shè)體育運動的大數(shù)據(jù)平臺，在此平臺上通過AI技術(shù)，持續(xù)對各種運動方式進行分析，完善大學生課外體育鍛煉模型，為切實有效地提高大學生身體素質(zhì)打下良好的基礎(chǔ)。