高爾夫智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)的研究與設(shè)計

2020年，由于疫情的影響，網(wǎng)絡(luò)教育已經(jīng)成為學(xué)校的主流教育形式，這對體育教學(xué)造成了很大的沖擊，所以加強學(xué)生的獨立性是非常必要的。基于這一特點，設(shè)計了高爾夫智能導(dǎo)學(xué)平臺，將在線教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機地結(jié)合在一起，既能提高學(xué)生的知識儲備，又能獨立練習(xí)。學(xué)生在具有自主學(xué)習(xí)能力時，也為老師合理安排教學(xué)內(nèi)容提供了強有力的輔助。

1 引言

1.1 選題背景

“人工智能”是研究和開發(fā)人類智能理論、方法、技術(shù)和應(yīng)用體系的一種新興學(xué)科。2020年新冠肺炎病毒性疫情期間，“人工智能+教育”顯得尤為重要。智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)（intelligent tutoring systems，ITS）是一種以人工智能和學(xué)習(xí)分析為基礎(chǔ)的智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)，它包含了學(xué)習(xí)內(nèi)容、教學(xué)策略和教學(xué)方式，能夠模仿人的教學(xué)行為。

高爾夫是一種通過使用不同的球桿（club）來使高爾夫球進入一個球洞（hole）的運動。高爾夫是一種獨特的運動，它使人在優(yōu)美的自然環(huán)境中鍛煉身體，陶冶情操，修身養(yǎng)性；溝通技巧，被稱為“高雅的時尚運動”。是在目前已有通過虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)室內(nèi)運動中，運用最成熟的一項運動。

目前我們國家需要全面的發(fā)展人才，所以體育課堂需要進行改革與創(chuàng)新——素質(zhì)教育。我國在新一代的人才的培育和全面推行素質(zhì)教育，是一個很有遠見卓識的戰(zhàn)略決定。不再只把重點放在“升學(xué)率”上，也不再把精力放在培養(yǎng)“書呆子”上。教育不僅指教授課本知識，而是從多方面培育學(xué)生綜合素質(zhì)：德、智、體、美、勞、科學(xué)、技術(shù)等全面發(fā)展。

1.2 選題目的與意義

在疫情期間，人們運動場地、范圍等很多都受到限制，因此中小學(xué)生以及大學(xué)生都需要一種適合室內(nèi)的社交運動。高爾夫課程開設(shè)符合學(xué)生全面發(fā)展的需要，增加高爾夫課程使體育課的內(nèi)容更具多樣性、娛樂性、文化性。高爾夫的特點與魅力均符合中小學(xué)的教育，高爾夫的引入能促進中小學(xué)教育。高爾夫的自身魅力吸引著學(xué)生，能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)體育的動機；高爾夫擁有著優(yōu)美的動作、豐厚的文化底蘊，高爾夫不僅是可以鍛煉身體，還能提升學(xué)生的學(xué)識和智慧，提高自身的思想道德修養(yǎng)，優(yōu)化學(xué)生的行為舉止。

同時，高爾夫運動是擊敗腰腹脂肪的有力武器，由于高爾夫的打法是一個整體的動作，它是由腰間的力量推動上臂來完成的，它是一個集協(xié)調(diào)、力量和爆發(fā)力于一體的整套動作。在打高爾夫球時，需要使用上肢的力氣，同時也可以通過訓(xùn)練胸肌和上臂的其他部分來鍛煉。長期坐在辦公桌前容易佝僂的人，可以通過打高爾夫球來調(diào)理腰椎，預(yù)防腰椎間盤突出。

1.3 智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)

智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)（ITS）是以人工智能、計算機科學(xué)、教育學(xué)、心理學(xué)、數(shù)學(xué)建模、腦神經(jīng)科學(xué)等為基礎(chǔ)形成的智能化學(xué)習(xí)環(huán)境。它通過對學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)進行聚類分析和智能評估，預(yù)測學(xué)習(xí)水平，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)問題，推薦個性化學(xué)習(xí)資源和策略，進而實現(xiàn)個性化精準(zhǔn)學(xué)習(xí)和輔導(dǎo)。

2 需求分析

人工智能技術(shù)逐漸成熟的時代背景下，根據(jù)目前研究可以知人類教師不會被取代，但是AI也將會強勢介入教育行業(yè)，教育將會會變成人類教育者與AI工作協(xié)作完成的社會活動。因此，會利用AI技術(shù)工具的老師，將替代不會使用AI工具的老師。其中繁瑣的，機械，重復(fù)沒有技術(shù)性的教學(xué)工作會被AI替代，因此教師需要的是的培育學(xué)生能力，主要重心放在設(shè)計學(xué)習(xí)資源、設(shè)計學(xué)習(xí)工具、設(shè)計學(xué)習(xí)活動、設(shè)計學(xué)習(xí)評價。而今后的學(xué)習(xí)形態(tài)，不是以課堂講授為主的單一形態(tài)，一定是學(xué)生線上學(xué)習(xí)，實踐領(lǐng)域問題解決導(dǎo)向的項目學(xué)習(xí)，教師線下的督促、管理、陪伴三位一體的形態(tài)。

本文將以高爾夫教學(xué)為例，對高爾夫智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)進行研究與設(shè)計，通過進過調(diào)查高爾夫教學(xué)需求，發(fā)現(xiàn)各方智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)需要滿足以下幾方面的需求：

（1）導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)的主要功能，包括：用戶登錄、身份識別、課程導(dǎo)學(xué)、訓(xùn)練練習(xí)、導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)界面設(shè)計等。

（2）高爾夫揮桿、推桿、轉(zhuǎn)體等動作，老師或教練很難通過肉眼捕捉，所以需要傳感器模塊采集學(xué)生相關(guān)數(shù)據(jù)，如通過陀螺儀傳感器和傾角傳感器采集揮桿中x、y、z軸方向的移動距離與角度，判斷學(xué)生揮桿動作是否規(guī)范。

（3）疫情期間人們對自身健康十分關(guān)注，在后疫情的體育課的期望不再僅僅滿足于成績達標(biāo)，更需要的是培養(yǎng)體育愛好，養(yǎng)成健康生活習(xí)慣，所以在學(xué)習(xí)者模塊需要通過ECG貼片、GSR手環(huán)等可穿戴式設(shè)備監(jiān)測學(xué)習(xí)者身體各項指標(biāo)數(shù)據(jù)，對學(xué)習(xí)者狀態(tài)進行評估，并根據(jù)結(jié)果推薦適量適合的運動訓(xùn)練計劃，實現(xiàn)個性化指導(dǎo)，增強學(xué)習(xí)者體質(zhì)，體現(xiàn)體育教學(xué)的健康價值。

（4）高爾夫是一種商務(wù)社交運動，除了需要對動作掌握外，還需要了解相關(guān)的運動文化、社交禮儀等。所以，在教學(xué)模塊中，我們采取了“課程+習(xí)題”的方式，在完成了課程之后，學(xué)生可以通過課堂上的練習(xí)來鞏固自己的知識，也可以通過常規(guī)的練習(xí)方式來完成課后的練習(xí)。系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生的知識狀況，給出相應(yīng)的問題，使其盡可能多地完成問題，從而達到最大程度的提高。

（5）在高爾夫運動學(xué)習(xí)中，除了有專業(yè)運動技能外，也有很多奇臺的技能需要，比如運動急救、運動營養(yǎng)、運動康復(fù)等技能。因此在專家模塊中也會根據(jù)學(xué)習(xí)者的興趣愛好，推薦相應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，打造“體育+”復(fù)合型人才。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

“高爾夫”智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)以Java語言對系統(tǒng)代碼進行撰寫，選擇SSM框架進行系統(tǒng)開發(fā)，基礎(chǔ)架構(gòu)為B/S（客戶端/瀏覽器）。其中前端頁面由靜態(tài)網(wǎng)頁CSS和JavaScript與動態(tài)網(wǎng)頁JSP開發(fā)技術(shù)結(jié)合，對于數(shù)據(jù)的存儲采用MySQL數(shù)據(jù)庫。

整個應(yīng)用程序在服務(wù)器端有三層從上到下分為：數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)層、應(yīng)用層。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，主要負責(zé)與數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)操作，解決數(shù)據(jù)的交互性工作。

業(yè)務(wù)邏輯層提供了信息集成的機制，包括快速定位、數(shù)據(jù)收集等。功能模塊易于添加和刪除，系統(tǒng)對靈活性和可擴展性要求很高。在軟件工程的要求中，系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計是為了滿足高內(nèi)聚和低耦合的要求，層間接觸緊密。

應(yīng)用層提供對高爾夫課程資源訪問和信息交換，提供瀏覽、檢索等功能。不同級別的用戶授予不同的權(quán)限，權(quán)限不同功能不同。

層之間的通信需要接口完成。數(shù)據(jù)服務(wù)層存儲館藏信息。包括文本信息和數(shù)字媒體信息。三層結(jié)構(gòu)模型：數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、業(yè)務(wù)邏輯和應(yīng)用，應(yīng)用層是客戶的顯示界面。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

該平臺使用的用戶主要是學(xué)生和教師，而系統(tǒng)的維護需要管理員來完成。本系統(tǒng)主要側(cè)重在四個方面的設(shè)計：一是，教學(xué)模塊，主要為實踐教學(xué)方面，通過接受學(xué)習(xí)者信息，調(diào)用高爾夫教學(xué)資源信息，指定學(xué)習(xí)策略并進行管理；二是，專家模塊，其可以對測試題進行按著不同階段能力，進行分類處理，為同學(xué)們提供高效的學(xué)習(xí)平臺；三是，傳感器模塊，對高爾夫動作進行信息交互、數(shù)據(jù)預(yù)處理與分析；四是，學(xué)習(xí)者模塊，主要為學(xué)習(xí)者信息管理、評估學(xué)習(xí)者狀態(tài)、評估學(xué)習(xí)者體質(zhì)健康、反饋教學(xué)質(zhì)量。高爾夫智能導(dǎo)學(xué)平臺的功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

4 系統(tǒng)運用

4.1 課前

學(xué)習(xí)過程是一種人人都能參加的具有創(chuàng)造性的實踐活動，學(xué)生可以從導(dǎo)學(xué)平臺上的高爾夫教材或視頻中了解到課程的內(nèi)容、重點、難點，并根據(jù)教學(xué)大綱進行預(yù)習(xí)；平時也可以在課堂前進行一些運動練習(xí)，也可以進行一些簡單的高爾夫?qū)嵅伲€有一些比較困難的動作，也會有針對性的進行引導(dǎo)和提示，讓學(xué)員們能夠根據(jù)自己的水平，提前進行訓(xùn)練。教師可以通過對學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和完成情況的分析，來靈活地把握課堂教學(xué)的速度。

4.2 課中

老師強調(diào)了動作要領(lǐng)，容易忽視了細節(jié)，需要留給學(xué)員自主學(xué)習(xí)和實踐的時間。首先，根據(jù)平臺上的數(shù)據(jù)，老師根據(jù)學(xué)生在課堂上的實際操作數(shù)據(jù)，對基本的運動問題進行提問，運用已有的經(jīng)驗進行練習(xí)，對新的運動問題進行分析與反思，并提出相應(yīng)的解決方案，并在實踐中進行實踐。其次，按照不同的學(xué)生特征，將不同的同學(xué)分成不同的學(xué)習(xí)群體，使他們能夠更好地利用自己的特長，在教學(xué)過程中，教師可以對學(xué)生進行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)和客觀評估，從而促進學(xué)生的自我意識，并最終掌握基本的高爾夫球運動。最后，老師將表現(xiàn)突出的學(xué)生的動作記錄下來，并將其上傳供其他學(xué)生參考。

4.3 課后

學(xué)生可以在任何時候登陸系統(tǒng)，按照每個人的身體素質(zhì)，進行各種級別的訓(xùn)練項目；老師根據(jù)問題對課程進行了相應(yīng)的調(diào)整，課堂上對教學(xué)內(nèi)容進行了修訂和改進，并對教學(xué)計劃進行了定期的調(diào)整。在課程實施中，運用問題為主導(dǎo)的教學(xué)方式，注重情境和問題的設(shè)置，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)進程，從而使學(xué)員對高爾夫球的學(xué)習(xí)更容易上傳，并激發(fā)其創(chuàng)造性的思考與實踐。通過對問題的解析與實踐，使學(xué)生了解并掌握課程所需的基礎(chǔ)運動及相關(guān)的基礎(chǔ)理論，體會到自由發(fā)揮的快樂。教師在面對問題時，力求提升自己的職業(yè)素養(yǎng)，從而提升自己的職業(yè)能力。

5 結(jié)論

目前國內(nèi)外在“AI+教育”（Artificial intelligence in education，AIED）上存在巨大差異，國外在這一領(lǐng)域的研究遠超國內(nèi)。在科學(xué)科研方面，從論文數(shù)量變化可以看出，國內(nèi)在2016年才開始重視對“AI+教育”引起了重視，而國外于2015年已經(jīng)有相關(guān)研究。當(dāng)國外的研究熱點已經(jīng)是“智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)”，而國內(nèi)的科研卻還停留在“探討AI與教育融合的理論研究”階段，缺少大規(guī)模應(yīng)用的成熟產(chǎn)品，缺乏對技術(shù)應(yīng)用效果的研究評估。

同樣在企業(yè)產(chǎn)品方面，中國和美國基本上集中了世界“AI+教育”公司。其中美國公司以自適應(yīng)技術(shù)為主和中國相比偏拍照應(yīng)試類的公司敏感度較低。中國因本土特色漢語、文化等原因，“AI+教育”主要重點應(yīng)用與語言學(xué)習(xí)和自適應(yīng)，在兩個方向最多，比較成熟技術(shù)服務(wù)商應(yīng)用目前主要是語音評測。但中國僅限于理論研究，自適應(yīng)教學(xué)的實際效果市面上的與宣傳相比，還缺少有說服力的驗證數(shù)據(jù)。

體育教育與文理教學(xué)很多相似點也有差異點，比如體育教育更應(yīng)該注重對學(xué)生的實際操作技能的培養(yǎng)與訓(xùn)練熟練度，但很多體育也有相應(yīng)的體育文化、體育理論學(xué)習(xí)。因此在未來的體育教學(xué)應(yīng)以適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+體育教育”的大背景，采用智慧引導(dǎo)教學(xué)展示、自由討論、疑惑問題共研等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)“線上線下緊密結(jié)合、課內(nèi)課外互為補充”的教學(xué)模式。在各環(huán)節(jié)考核之后，教師和學(xué)生就常見的一般問題進行了探討，給了他們一個思考的時間，讓他們進行更多的思考和聯(lián)系，實現(xiàn)“考、講、練結(jié)合，以能為本、以學(xué)為本”的教育目的。

本文主要以高爾夫?qū)I(yè)為樣本進行研究，希望智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)能在以后的發(fā)展中增加其他的體育項目，使之能夠持續(xù)地建立起一個更加合理的體育教學(xué)體系，從強大學(xué)生的實際操作和運動技能等方面入手，把體能與健康相結(jié)合，促進大學(xué)生體能的全面發(fā)展。同時也希望給中國在智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域，提供理論研究依據(jù)。

通訊作者：張潔

（作者單位：武漢體育學(xué)院體育工程與信息技術(shù)學(xué)院）