數(shù)字孿生技術(shù)在中小學(xué)體育教育教學(xué)中的應(yīng)用思考

文/王秋睿 張枝梅

隨著數(shù)字孿生技術(shù)的快速發(fā)展以及5G技術(shù)的逐步應(yīng)用，數(shù)字孿生技術(shù)越來越多地賦能于各行各業(yè)。數(shù)字孿生技術(shù)由美國(guó)密歇根大學(xué)的Michael Grieve教授于2003年提出，該技術(shù)是通過各類技術(shù)手段，完整準(zhǔn)確地描述目標(biāo)對(duì)象在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的運(yùn)行狀態(tài)，并以虛擬化的效果在數(shù)字管理系統(tǒng)中加以呈現(xiàn)的一種展示技術(shù)。2014年，數(shù)字孿生技術(shù)理論被美國(guó)國(guó)防部、NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）、法國(guó)達(dá)索、德國(guó)西門子等公司接受并加以推廣。數(shù)字孿生技術(shù)同樣影響著中小學(xué)體育教育與教學(xué)的活動(dòng)。本文通過對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)在中小學(xué)體育教育教學(xué)中的意義與方法的闡述，旨在推進(jìn)該技術(shù)在中小學(xué)體育教學(xué)中的進(jìn)一步應(yīng)用，助力中小學(xué)教育教學(xué)水平的進(jìn)一步提升。

一、數(shù)字孿生技術(shù)在中小學(xué)體育中的應(yīng)用意義

（一）體育教育教學(xué)對(duì)象將更加廣泛化

對(duì)于中小學(xué)而言，數(shù)字孿生技術(shù)擴(kuò)展了教學(xué)的場(chǎng)景，教師可以從更廣的層面獲取學(xué)生的動(dòng)態(tài)。以往體育教學(xué)只能通過教師與學(xué)生面對(duì)面進(jìn)行，而現(xiàn)在教師可以通過學(xué)生佩戴運(yùn)動(dòng)手環(huán)等可穿戴監(jiān)控設(shè)備，獲取實(shí)時(shí)的心率等運(yùn)動(dòng)體征，也可以在不佩戴可穿戴設(shè)備的情況下，通過視頻監(jiān)控分析學(xué)生的運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。通過數(shù)字孿生技術(shù)，教師可以遠(yuǎn)程獲取學(xué)生的運(yùn)動(dòng)情況，突破教學(xué)場(chǎng)地的限制。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用將使得育人場(chǎng)景移動(dòng)化、數(shù)據(jù)化、生活化，讓人們無(wú)時(shí)無(wú)刻不在體驗(yàn)數(shù)字孿生技術(shù)的服務(wù)，并享受其中的便利。同樣，在線教育根據(jù)其自身場(chǎng)景與特征，利用數(shù)字孿生技術(shù)擴(kuò)大了目標(biāo)對(duì)象的輻射范圍。

（二）體育教育教學(xué)對(duì)象將更加個(gè)性化

以往的數(shù)字化教學(xué)更加注重手段本身，往往忽略了目標(biāo)對(duì)象的接受能力和接受習(xí)慣，使得數(shù)據(jù)收集過程與教學(xué)應(yīng)用過程相脫節(jié)。解決這兩個(gè)過程的脫節(jié)問題，關(guān)鍵在于如何在學(xué)習(xí)環(huán)境中施加較小或不施加干擾的情況下伴隨式地采集學(xué)生數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步重塑學(xué)習(xí)環(huán)境的新形態(tài)。相關(guān)研究表明,目前數(shù)字化體育教學(xué)在中小學(xué)中應(yīng)用不理想的現(xiàn)狀，主要核心問題是收集數(shù)據(jù)的過程不完整、不規(guī)范，導(dǎo)致缺失全面連續(xù)的數(shù)據(jù)，沒有充分考慮多模態(tài)數(shù)據(jù)的融合。其建議利用人工智能手段，通過數(shù)字孿生方式進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，并進(jìn)一步升級(jí)以往的數(shù)字畫像技術(shù)，利用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)教學(xué)對(duì)象進(jìn)行刻畫，結(jié)合可穿戴技術(shù)、情感計(jì)算方法、機(jī)器學(xué)習(xí)方法等，收集整合多維數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)描摹目標(biāo)對(duì)象。通過協(xié)同探究混合教學(xué)模式，同時(shí)發(fā)揮教師、技術(shù)的各自長(zhǎng)處，使得兩者的結(jié)合產(chǎn)生“1+1>2”的效果。

體育教學(xué)也有同樣的問題。以往的中小學(xué)體育課，體育教師往往不得不針對(duì)一個(gè)班級(jí)的所有孩子安排同樣的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練任務(wù)。在數(shù)字孿生技術(shù)的助力下，每一名學(xué)生的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)情況都將上報(bào)系統(tǒng)。結(jié)合每名學(xué)生的歷史運(yùn)動(dòng)成績(jī)，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)會(huì)結(jié)合體育運(yùn)動(dòng)的專家系統(tǒng)，有針對(duì)性地分析每名學(xué)生的運(yùn)動(dòng)能力，給出不同的運(yùn)動(dòng)方式和強(qiáng)度建議。

（三）體育教育教學(xué)對(duì)象將更加系統(tǒng)化

數(shù)字孿生技術(shù)從宏觀、中觀、微觀三個(gè)層面對(duì)中小學(xué)體育教學(xué)對(duì)象施加影響。

在宏觀上，數(shù)字孿生技術(shù)將學(xué)校、學(xué)生、家長(zhǎng)這些子節(jié)點(diǎn)與社會(huì)總節(jié)點(diǎn)連接了起來，構(gòu)建了家校社協(xié)同教育系統(tǒng)。學(xué)生每天運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)，都可以通過數(shù)字孿生得到監(jiān)控，從而使教育決策者知曉學(xué)生是否缺少運(yùn)動(dòng)量，并制定政策保障學(xué)生的體育鍛煉時(shí)間，也讓家長(zhǎng)能夠根據(jù)孩子的實(shí)際情況安排不同的課余內(nèi)容。

在中觀上，通過數(shù)字孿生系統(tǒng)，學(xué)習(xí)者之間進(jìn)行廣泛交互，構(gòu)成了一個(gè)個(gè)新的群體。學(xué)生可以根據(jù)各自的興趣愛好組成不同的體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練小組，甚至可以打破學(xué)校的限制，在不同學(xué)校間組成共同的體育課程班級(jí)。尤其是針對(duì)一些小眾運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目而言，一所學(xué)校的學(xué)生很可能難以達(dá)到組成班級(jí)的最低人數(shù)，但是有了數(shù)字孿生系統(tǒng)，這些問題都將得到解決。

在微觀上，數(shù)字孿生系統(tǒng)本身可以根據(jù)用戶數(shù)據(jù)，以事理圖譜的展現(xiàn)形式，為學(xué)習(xí)者提供豐富多彩的個(gè)性化選擇。系統(tǒng)可以通過學(xué)生瀏覽不同在線體育教學(xué)課程，分析學(xué)生的運(yùn)動(dòng)喜好，并提供可供選擇的教學(xué)課程和名師推薦。

（四）體育教育教學(xué)對(duì)象將更具趣味性

趣味性在體育教學(xué)中是很有必要的。有研究表明，游戲化的學(xué)習(xí)路徑可以增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，并強(qiáng)調(diào)教育產(chǎn)品設(shè)計(jì)要遵循趣味性、游戲性，增強(qiáng)系統(tǒng)的吸引力與參與度。數(shù)字孿生系統(tǒng)不僅教學(xué)生體育課程，而且可以展示體育運(yùn)動(dòng)的背景知識(shí)、高水平比賽集錦、高水平運(yùn)動(dòng)員的成長(zhǎng)軌跡等，讓學(xué)生在“追星”的過程中完成對(duì)自身的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，增強(qiáng)體質(zhì)。

（五）實(shí)時(shí)反饋，提升體育教育教學(xué)質(zhì)量

數(shù)字孿生系統(tǒng)的提出就是為了更好地獲取用戶的反饋。智慧化體育場(chǎng)館可以利用數(shù)字孿生技術(shù)全面分析和預(yù)測(cè)場(chǎng)館中人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)，從而保證課程質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，從使用者的角度出發(fā)，分析教師、學(xué)生怎樣利用數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋，加強(qiáng)相互之間的聯(lián)系，破除提升教育教學(xué)方法的不利因素也是提升體育教學(xué)質(zhì)量的有益路徑。通過上述方法，可以更加確信數(shù)字孿生系統(tǒng)將改變現(xiàn)有的體育教育教學(xué)方式，從而促進(jìn)中小學(xué)體育教學(xué)質(zhì)量的提升。

二、數(shù)字孿生技術(shù)在中小學(xué)體育中的應(yīng)用方法與手段

筆者認(rèn)為，中小學(xué)體育教育中數(shù)字孿生系統(tǒng)的建立應(yīng)包括4個(gè)流程：重構(gòu)、建模、反饋、干預(yù)（圖1）。

圖1 中小學(xué)體育教育中數(shù)字孿生系統(tǒng)流程

（一）重構(gòu)教育教學(xué)方式

通過數(shù)字孿生技術(shù)，教學(xué)過程的重構(gòu)可以以教學(xué)組織方式、教育技術(shù)形態(tài)、教育覆蓋范圍、教學(xué)評(píng)價(jià)方式等進(jìn)行。在此過程中，教師需要利用數(shù)字孿生技術(shù)關(guān)注學(xué)生復(fù)雜的學(xué)習(xí)過程中所遇到的問題，營(yíng)造高效、輕松、愉快的學(xué)習(xí)環(huán)境。數(shù)字孿生系統(tǒng)若想在中小學(xué)起到實(shí)際的應(yīng)用作用，就需要對(duì)整個(gè)中小學(xué)體育教育的諸多要素進(jìn)行重構(gòu)，做到深化技術(shù)、工具、內(nèi)容的協(xié)同，達(dá)成虛擬與現(xiàn)實(shí)的融合，彌合虛實(shí)交互的界限，提升交互感知能力與水平，使得學(xué)生能夠深度沉浸其中，實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)的連續(xù)性。

具體而言，需要將學(xué)生個(gè)體的各體育預(yù)運(yùn)動(dòng)成績(jī)、身體機(jī)能指標(biāo)、運(yùn)動(dòng)喜好、實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、傷病與生病情況等指標(biāo)都作為系統(tǒng)的參數(shù)，同時(shí)考慮所有群體的狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間、完整地收集、整理、分析數(shù)據(jù)的內(nèi)容，形成豐富完整的數(shù)據(jù)支持。在此過程中，各類體感傳感設(shè)備、視頻捕捉設(shè)備、空間定位設(shè)備等都可以作為數(shù)據(jù)收集的輔助設(shè)備被納入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之中。

（二）對(duì)教學(xué)對(duì)象進(jìn)行建模

如果說數(shù)據(jù)的收集是利用數(shù)字孿生技術(shù)提升中小學(xué)體育教學(xué)水平的前提，那么對(duì)教學(xué)對(duì)象進(jìn)行建模就是必要的基礎(chǔ)工作。以往的數(shù)據(jù)僅包括了少數(shù)影響變量，而新的數(shù)據(jù)的獲取將需要新的模型對(duì)之進(jìn)行分析。新的數(shù)據(jù)可以有多種表示。從人機(jī)交互的角度而言，改變系統(tǒng)的界面某種程度上可以滿足不同學(xué)生的教學(xué)需求。進(jìn)一步，通過用戶界面的特征，興趣相近的學(xué)生可以通過用戶畫像等手段建立對(duì)學(xué)生的分組，從而實(shí)現(xiàn)用戶聚類，為教學(xué)對(duì)象的建模打下良好基礎(chǔ)。從算法內(nèi)容的角度而言，有研究表明，利用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析等手段，可以分析影響教學(xué)效果的各類因素，構(gòu)建多特征、多領(lǐng)、多尺度的融合模型。融合模型可以很好地表示在線“教”與“學(xué)”的不同特點(diǎn)，促進(jìn)“教”與“學(xué)”、“虛”與“實(shí)”深度融合的方式。

具體而言，需要將系統(tǒng)所需的個(gè)體的變量，作為參數(shù)輸入模型（圖2）。利用機(jī)器學(xué)習(xí)甚至深度學(xué)習(xí)的強(qiáng)大模型擬合能力，采用中小學(xué)生個(gè)體體育運(yùn)動(dòng)的多運(yùn)動(dòng)尺度、多時(shí)間尺度因素分析，并不斷通過系統(tǒng)的迭代學(xué)習(xí)，最終生成能夠準(zhǔn)確描述個(gè)體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的特征，該特征向量可以為后續(xù)階段的決策提供可靠依據(jù)。

圖2 數(shù)字孿生建模方法

（三）注重系統(tǒng)反饋

系統(tǒng)反饋是整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)承上啟下的一環(huán)，其為教育者提供了開展工作的數(shù)據(jù)內(nèi)容，反饋的形式可以是多種多樣的。在具體實(shí)際操作中，數(shù)字孿生技術(shù)是手段也是過程。要觸發(fā)學(xué)生真正的學(xué)習(xí)意愿，就要檢測(cè)教師、學(xué)生、數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建的新型教學(xué)共同體是否對(duì)學(xué)生有正面的促進(jìn)作用。促進(jìn)作用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)需要考慮其中的理論基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)環(huán)境、活動(dòng)內(nèi)容、教學(xué)模式的構(gòu)成要素等內(nèi)容，學(xué)習(xí)過程同樣要遵循驗(yàn)證性，要多維化、具體化。圖3展示了一個(gè)具體的基于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的數(shù)字孿生反饋系統(tǒng)樣例。我們可以看到，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)反饋人員在場(chǎng)上的分布、人員的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及位置、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景等內(nèi)容。該系統(tǒng)未來還可以進(jìn)一步升級(jí)，對(duì)每名學(xué)生的運(yùn)動(dòng)種類、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)控。有了這些信息，體育運(yùn)動(dòng)專家、教師與家長(zhǎng)可以直觀地掌握中小學(xué)生在場(chǎng)地運(yùn)動(dòng)的情況，為有針對(duì)性的運(yùn)動(dòng)教學(xué)與訓(xùn)練提供依據(jù)。

圖3 數(shù)字孿生反饋系統(tǒng)樣例

（四）注重實(shí)踐干預(yù)

有了之前的步驟和相關(guān)信息，教師以及政策的制定者可以更好地改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容。在具體操作層面，數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)具有虛實(shí)共生、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、友好交互、動(dòng)態(tài)更新的特點(diǎn)，尤其是要循證教學(xué)實(shí)踐原則。而教學(xué)實(shí)踐則離不開人工干預(yù)這種切實(shí)有效的手段的運(yùn)用，尤其是離不開基于人工智能自主決策、自主執(zhí)行的人工干預(yù)干預(yù)方法。

在人工干預(yù)方面，應(yīng)當(dāng)重視運(yùn)動(dòng)處方的作用。運(yùn)動(dòng)“處方”針對(duì)健康與非健康人群提供了定量的運(yùn)動(dòng)建議。當(dāng)前，針對(duì)成年人的運(yùn)動(dòng)處方的研究已經(jīng)比較深入，內(nèi)容也比較健全。但是中小學(xué)生由于生長(zhǎng)發(fā)育的進(jìn)程不一致性較大，針對(duì)同一年齡的學(xué)生不應(yīng)該同一標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)術(shù)領(lǐng)域也應(yīng)該加強(qiáng)針對(duì)中小學(xué)生的運(yùn)動(dòng)處方的研究。在基于人工智能的自主干預(yù)方面，系統(tǒng)可以建立在數(shù)字建模的基礎(chǔ)上，利用圖2中的個(gè)體運(yùn)動(dòng)特征，結(jié)合大量個(gè)體樣本，進(jìn)行群體聚類，然后結(jié)合運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)數(shù)據(jù)提升等因素，對(duì)自主干預(yù)模型進(jìn)行訓(xùn)練并不斷迭代，最終生成一套智能化的運(yùn)動(dòng)處方推薦系統(tǒng)。

三、結(jié)語(yǔ)

本文分析了數(shù)字孿生系統(tǒng)在中小學(xué)體育教育教學(xué)中的意義和作用，討論了建設(shè)中小學(xué)體育教學(xué)數(shù)字孿生系統(tǒng)的流程和方法。在利用智能化手段解決中小學(xué)體育教學(xué)過程中的問題已成為共識(shí)的大背景下，相信數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)于提升中小學(xué)生身體素質(zhì)、全面健康培養(yǎng)下一代會(huì)起到很好的示范與引領(lǐng)作用。