基于計算體育學的體育教育新模式探索與實踐

摘要：在科技引領時代發(fā)展的前提下，體育教育高質(zhì)量發(fā)展離不開智能技術的支持。該研究通過深入探究智慧體育模式構建的內(nèi)在邏輯，基于計算體育學理論尋求高效的體育教育創(chuàng)新發(fā)展模式，明確智慧體育模式的構建思路和時代價值。研究認為，當前構建智慧體育模式的基本條件已然具備，這種新模式將通過計算體育學和智慧體育應用模式，持續(xù)推動體育教育高質(zhì)量發(fā)展，促進青少年主動健康意識和能力，養(yǎng)成體育運動的習慣和技能，解決“小胖墩”“小綿羊”、脊柱側(cè)彎等青少年身心健康突出問題。通過厘清構建智慧體育模式的邏輯重點和運轉(zhuǎn)機理，設計出以學生身心成長數(shù)字檔案、學生身心成長數(shù)字畫像、學生身心成長運動處方、學生身心成長數(shù)字資源和基于開放系統(tǒng)融合的智慧空間五大功能為核心的智慧體育技術框架，并通過區(qū)域智慧體育實踐探索進行系統(tǒng)解析，為打造現(xiàn)代化體育綜合應用范式提供路徑借鑒。

關鍵詞：體育教育；計算體育學；智慧體育

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

* 本文系科技部國家重點研發(fā)計劃“青少年體育學習智能分析與個性化處方智能推薦技術研究”（項目編號：2023YFC3305804）研究成果。

進入智能時代，中國和西方的體育科學處在新的同一起跑線上，誰能更好地抓住并利用好當前的新思想、新方法、新技術，誰就能引領未來體育科學的發(fā)展方向。在國家科技部“青少年跨場域體育活動促進身心成長的研究與應用示范”重點研發(fā)專項資金資助下，本研究嘗試提出計算體育學，并基于此建立青少年身心成長促進智能支持的技術框架，探索大規(guī)模智慧體育應用模式，以期為各級各類學校和專業(yè)人員指導青少年開展科學健身提供支持，踐行健康中國行動，貫徹落實體育強國和教育強國深度融合。

一、計算體育學的理論釋義

本部分將剖析傳統(tǒng)體育教育在發(fā)展過程中所面臨的困境，揭示其在適應社會發(fā)展中的局限與不足，隨后聚焦國家政策與智能技術，探索體育智慧化轉(zhuǎn)型契機。一方面，國家政策在體育教育領域發(fā)揮著引領和推動作用，為計算體育學的興起提供了有力支撐；另一方面，智能技術的快速發(fā)展為體育教育的智慧化轉(zhuǎn)型注入了強大動力，為計算體育學的發(fā)展提供了無限可能。

（一）體育教育的發(fā)展困境與突破

體育是社會發(fā)展和人類進步的重要標志，是綜合國力和國家軟實力的重要體現(xiàn)。學校的體育教育是培養(yǎng)青少年運動習慣、增強身體素質(zhì)的主陣地，承擔著提高國民體質(zhì)健康水平和國民素質(zhì)的重要職責，但是體育教育低效問題依然突出。一是，日益嚴重的青少年身心健康問題映射出體育教育效能不足。近視、脊柱側(cè)彎、肥胖、肌無力、心理危機等問題長期威脅著青少年健康成長，且有越來越嚴重的發(fā)展趨勢。這與當前學校教育普遍存在的開不足、開不齊、開不好體育課以及每天鍛煉1小時難以有效落實存在直接聯(lián)系。二是，體育教學過度重視教什么、怎么教、怎么評等傳統(tǒng)教學問題，對學生情感、態(tài)度、人格發(fā)展等真實需求關注少，難以培養(yǎng)學生體育運動興趣和習慣。通常，學生能夠掌握體育知識和一定的技能，但鍛煉習慣、運動興趣、體育素養(yǎng)卻未能習得，導致“學生喜歡體育卻不喜歡體育課”，身心健康水平未能通過體育得到有效提升。三是，體育教學從主觀出發(fā)，忽略學生個體差異，從教學目標到教學內(nèi)容、教學方法，再到教學評價都“一刀切”，忽略了學生在學習能力、學習風格、體質(zhì)基礎、性格特征等方面的千差萬別。且以教師為中心依然是主流，體育動作講解與示范占據(jù)體育課大量時間，而受限于課程時長，學生難以內(nèi)化體育知識與技能，更難以提高技能、培養(yǎng)運動素養(yǎng)。四是，傳統(tǒng)體育的技術含量日漸落后，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設備、態(tài)勢感知、人工智能大模型、數(shù)字畫像、精準訓練、激勵獎賞機制、個性體育管理系統(tǒng)等，都方興未艾，新技術的全面賦能亟待促進體育科學研究和體育實踐的升級迭代。

經(jīng)過新世紀初10年的探索實踐，我國教育事業(yè)進入了以深化綜合改革和質(zhì)量提升為核心的新時期[1]。國家陸續(xù)出臺了一系列相關政策?！蛾P于深化體教融合促進青少年健康發(fā)展的意見》《關于全面加強和改進新時代學校體育工作的意見》等政策文件的出臺，為學校體育教育的發(fā)展提供了強有力的支撐和明確的發(fā)展方向。同時，隨著科技的快速發(fā)展，將科技與體育相結(jié)合已成為推動體育事業(yè)發(fā)展的重要趨勢。政策文件中對于學校體育教育的發(fā)展要求，也為“科技+體育”的融合提供了切入點與廣闊空間。

（二）智能技術賦能：體育智慧化轉(zhuǎn)型的新契機

隨著各類技術不斷改造體育運動方式和體育教學，特別是可穿戴技術、大數(shù)據(jù)技術、態(tài)勢感知技術和通用人工智能技術廣泛影響體育，科技的力量正以前所未有的方式滲透到競技體育、大眾健身、學校體育以及體育產(chǎn)業(yè)等各個體育領域，為體育教育的智慧化改造提供了嶄新的機遇。

第一，大數(shù)據(jù)技術促進體育訓練精準化、個性化。大數(shù)據(jù)技術已廣泛應用于運動員體能訓練，通過實時測量的數(shù)據(jù)監(jiān)測運動訓練質(zhì)量和競技狀態(tài)，對運動訓練過程進行調(diào)整。例如，足球比賽實時采集運動員的跑動距離、跑動速度、沖刺距離、沖刺次數(shù)和心率等數(shù)據(jù)，針對關鍵指標進行大數(shù)據(jù)分析，幫助教練制定更有效的訓練策略；在“國家乒乓球隊大數(shù)據(jù)采集分析及平臺建設”的項目研究中，通過大數(shù)據(jù)分析對手運動員的技術和戰(zhàn)術特征，制定針對性的訓練對策，從而在比賽中占據(jù)先機。國外關于體育大數(shù)據(jù)和人工智能的研究起步較早且已經(jīng)較為深入。眾多高科技數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)以及人工智能設備的廣泛應用有效提高了數(shù)據(jù)的應用效率，即通過高速攝影機、可穿戴設備（傳感器、GPS、陀螺儀、VR）、紅外線等采集到的數(shù)據(jù)實現(xiàn)了實時處理和實時反饋。無論是實時數(shù)據(jù)還是賽后數(shù)據(jù)，都能夠被有效利用，為運動員和教練團隊提供全面的信息支持。隨著大數(shù)據(jù)技術的不斷發(fā)展及其在體育教育領域的深入應用，體育訓練將更加精準、個性化。

第二，人工智能技術促進體育訓練科學、高效。體育一直是人工智能的天然“試驗場”[2]，人工智能技術正深刻改變著體育面貌。在競技體育領域，智能訓練反饋系統(tǒng)[3]、運動營養(yǎng)分析[4]、運動智能裝備開發(fā)[5]等都為運動員提供了更加科學、精準的訓練指導。人工智能還能輔助裁判，在足球、棒球以及許多奧運會賽事中發(fā)揮智能評分作用，人類裁判的作用僅限于賽場上運動員部分行為的管理，而將具體判罰決策交予人工智能處理[6]，這種“虛擬裁判”能夠及時修正錯誤、彌補人類的信息差、保持裁判的一致性、具有可預測性以及中立性等優(yōu)勢[7]。在大眾健身領域，人工智能在身心健康預警、體育成績預測、技術戰(zhàn)術決策輔助、運動動作識別評價等方面[8]都發(fā)揮著重要作用。例如，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型，預測和生成改善老年人骨密度的運動處方[9]；利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡和攝氧量動力學實現(xiàn)身體活動能量消耗預測[10]；利用計算機視覺的深度學習技術，自動識別運動生物力學研究中常用的人體模型關節(jié)點，實現(xiàn)人體運動的自動捕捉[11]。在體育教育領域，智慧運動評價與智能陪練技術[12]實現(xiàn)對體育教學數(shù)據(jù)和學生在校課外鍛煉數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，并據(jù)此進行個性化鍛煉指導和智能陪練，分析、管理學生體質(zhì)健康狀況。

第三，可穿戴設備技術實現(xiàn)體育運動數(shù)據(jù)實時感知?？纱┐髟O備是直接穿在人身上或能被整合進衣服、配件并記錄人體數(shù)據(jù)的移動智能設備[13]，是連接人體與智能設備的金鑰匙[14]。隨著技術不斷突破，可穿戴設備實現(xiàn)了對運動動作及數(shù)據(jù)的捕捉，并加入矢量分析與張量計算豐富了設備的數(shù)據(jù)處理能力[15]，更好地滿足了人們進行科學鍛煉和個性化定制健康服務的雙重需求[16]。目前，可穿戴技術在提升體育運動表現(xiàn)領域具有廣泛的應用，主要涉及運動學及動力學數(shù)據(jù)采集[17]、運動員機能狀態(tài)監(jiān)測、運動姿態(tài)估計[18]、運動軌跡追蹤[19]、人體動作建模[20]等?？纱┐髟O備能捕捉運動員肢體的各種運動，在運動訓練中也可以更加科學、高效地提升運動表現(xiàn)。

第四，物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)人與體育資源的緊密連接。物聯(lián)網(wǎng)技術是信息感知、信息傳輸、普適化支撐技術以及相關應用管理在內(nèi)的技術統(tǒng)稱[21]，被譽為信息產(chǎn)業(yè)的第三次創(chuàng)新。物聯(lián)網(wǎng)技術通過各種信息傳感設備，如射頻識別裝置、紅外傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描等，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合而形成的一個巨大網(wǎng)絡，使所有物品都與網(wǎng)絡連接在一起，使得識別和管理更加方便[22]。中國很早就已提出了“感知中國”的物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，并將其視為占領世界科技制高點的重大戰(zhàn)略部署之一，在各行各業(yè)大力推進。在體育領域，感知體育建立了體育物聯(lián)網(wǎng)，通過傳感設備和通信協(xié)議將體育因子（人、體育器材、體育場地、體育比賽、體育服裝、體育環(huán)境、體育競賽等）相連，實現(xiàn)體育系統(tǒng)內(nèi)部的識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理以便進行體育信息交流[23]。物聯(lián)網(wǎng)技術構建了一個高度互聯(lián)、智能化的體育生態(tài)系統(tǒng)。運動員訓練狀態(tài)、場館設施使用情況、體育教學計劃等，都可以實時地被感知、傳輸和處理，為體育精準管理提供了可能。通過對運動員的生理數(shù)據(jù)、運動表現(xiàn)等信息的收集和分析，物聯(lián)網(wǎng)技術能夠揭示每個運動員的獨特性，幫助教練制定更加科學、個性化的訓練計劃。運動員也能通過物聯(lián)網(wǎng)設備實時了解自己的訓練狀態(tài)，調(diào)整訓練節(jié)奏和方式，實現(xiàn)自我驅(qū)動和自我優(yōu)化。

綜上所述，新一代信息技術正在深度嵌入體育，體育智慧化改造的技術支撐體系已經(jīng)形成。這些技術不僅為體育教育的數(shù)據(jù)收集、分析與應用提供了強大的工具，更為體育教育的個性化、精準化、智能化發(fā)展提供了可能。但在體育智慧化改造的過程之中，依然存在許多挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在技術應用不成熟、復合型人才短缺、數(shù)據(jù)隱私保護問題、產(chǎn)品形態(tài)和內(nèi)容缺乏規(guī)范統(tǒng)一標準等問題。究其原因，體育教育的智慧化改造，不能簡單依靠直接或者間接經(jīng)驗的匯總，也不能重復低端勞動和大量試錯導致資源的浪費，而是要依靠規(guī)范的學科引領，需要體育科學研究范式協(xié)同進化。

（三）計算體育學的提出

進入21世紀以來，數(shù)據(jù)科學和大數(shù)據(jù)技術蓬勃發(fā)展，圖靈獎獲得者格雷（Gray，J.）提出了科學研究的第四種范式——數(shù)據(jù)密集型科學范式[24]。2009 年，哈佛大學的拉澤爾（Lazer，D.）等人提出了“計算社會科學”這一嶄新學科[25]。在大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術爆發(fā)式發(fā)展的推動下，各行各業(yè)正在經(jīng)歷著深刻的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，新一代智慧要素正全面替代農(nóng)業(yè)、工業(yè)及信息等傳統(tǒng)要素，成為引領智能時代變革的重要引擎，數(shù)據(jù)呈爆發(fā)式增長，計算無處不在。

在此背景下，計算社會科學成為社會科學發(fā)展的必然走向。計算社會科學，正在促成自然科學和社會科學走向融合發(fā)展，衍生出一種新型、跨學科“計算+”的研究范式。例如，在教育領域，隨著教、學、測、評、管以及研究等各個層面數(shù)據(jù)的沉淀與快速增長，催生出計算教育學[26]；在經(jīng)濟領域，信息技術與金融經(jīng)濟學等多學科交叉融合發(fā)展，形成了計算金融學……第三次科技革命正讓學科研究范式革新潛移默化地發(fā)生。

這種數(shù)據(jù)密集型科學范式的興起對體育科學發(fā)展提出了新的要求和前所未有的變革機遇。體育是一種根據(jù)人體生長發(fā)育、技能形成和機能提高等規(guī)律，以身體活動為基本手段，提高人的身體素質(zhì)和運動能力，改善生活方式，提高生活質(zhì)量，促進人的全面發(fā)展的社會活動。體育科學的核心是用科學的方法來探求體育的本質(zhì)和規(guī)律。從縱向發(fā)展來看，體育科學研究由經(jīng)驗判斷轉(zhuǎn)向基于實證數(shù)據(jù)、從抽樣調(diào)查轉(zhuǎn)向全樣本分析、從現(xiàn)象的局部觀察轉(zhuǎn)向全景式深度解構；從橫向融合來看，體育科學研究范式已經(jīng)出現(xiàn)了人文科學向社會科學轉(zhuǎn)向、社會科學向自然科學轉(zhuǎn)向、自然科學與人文科學交融的勢頭[27]。體育科學研究范式的轉(zhuǎn)變，正成為體育科學發(fā)展與實踐創(chuàng)新的重要加速器和助推器。數(shù)據(jù)驅(qū)動的體育科學研究范式在技術助力體育發(fā)展的浪潮中正逐漸形成學術共識，越來越多的學者希望借助這一新范式，探索人體生長發(fā)育、技能形成和機能提高的本質(zhì)和規(guī)律。正是體育科學研究范式的轉(zhuǎn)換，推動體育數(shù)據(jù)共享、多學科交叉聯(lián)合研究，并與信息技術進一步融合發(fā)展，同時催生出學科發(fā)展的新方向——計算體育學。

計算體育學是因應人工智能的范式革命，基于計算科學，并借鑒演化體育學、教育學、心理學等經(jīng)典理論，借助大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術，探求人體生長發(fā)育、技能形成和機能提高等體育科學規(guī)律，發(fā)展而形成的一種體育學與計算科學交叉的新型研究范式。計算體育學是體育高質(zhì)量發(fā)展的重要基石，支撐著運動人體科學、體育教育訓練學、體育人文社會學等體育學各分支領域的創(chuàng)新發(fā)展。本文側(cè)重于計算體育學在體育教育領域的探索，嘗試構建基于計算體育學的智慧體育新模式。

二、計算體育學驅(qū)動的智慧體育技術框架

在計算體育學研究范式興起的背景下，“人工智能+體育”已是大勢所趨。以“智慧體育”為導向，囊括大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設備等技術，重塑體育教育，是深化體育教育改革、引領體育教育學科高質(zhì)量發(fā)展、建設體育強國和教育強國的重大戰(zhàn)略先導。但是，體育教育領域資本回報周期長、受眾小，且牽涉到學科教學和教育政策，因而智能技術的融入較為有限。計算體育學驅(qū)動的智慧體育嘗試加速智能技術融入體育教育的進程，重點解決不同運動項目促進青少年身心健康的量效機制、青少年身心健康異常的分類指征捕捉及分級、運動處方矯正青少年身心健康異常等重大科學問題，從而實現(xiàn)跨場域、全時段的體育活動智能感知和青少年體育學習數(shù)字化管理，提升防范化解健康風險和心理危機能力，為青少年提供身心健康成長的伴隨式智慧指導服務，同時對體育教學、體育鍛煉、體質(zhì)健康管理等體育教育各個維度的需求做出智能化響應和智能化決策支持。本文結(jié)合體育教育的基本邏輯，將智慧體育的技術框架分解為數(shù)據(jù)隊列、數(shù)字畫像、運動處方、數(shù)字資源和智慧空間五個核心架構。

（一）意義和價值

目前，體育教育缺乏成熟的公共服務平臺，如何基于智能技術和平臺提高體育教育成效，解決青少年身心成長突出問題，提升身心健康水平，是當下亟待解決的重大問題。智慧體育利用技術賦能，實現(xiàn)體育教育的智慧化轉(zhuǎn)型，有助于推動體育教學走向個性、科學和高效，促進體育學科研究范式重塑。

1.個性

在計算體育學驅(qū)動的智慧體育中，“個性”得到了前所未有的凸顯和實質(zhì)性體現(xiàn)。智慧體育將超越基于主觀經(jīng)驗的決策模式，增強點對點和數(shù)字化的定量調(diào)控。每位運動員的身體狀況、技能水平、心理特征等都能被采集、量化，海量數(shù)據(jù)支撐科學決策，為運動員提供及時、個性化的反饋和支持。這意味著，體育鍛煉將因人而異、因時而進、因勢而新。無論是初學者還是高水平的專業(yè)運動員，都能得到最符合自身特點和需求的訓練指導，都能在最適合自己的路徑上實現(xiàn)最大潛能。這種智慧體育模式將運動員的需求、興趣和發(fā)展置于教學的核心位置，不僅關注運動技能和身體素質(zhì)，還關注情感和心理發(fā)展，強身健體的同時培養(yǎng)學生的自信心、毅力、團隊合作、勇于挑戰(zhàn)等體育精神，實現(xiàn)從“被動接受”走向“主動選擇”的個性化體育學習模式。

2.科學

智慧體育的基礎根植于科學理論之中，生理學、心理學、計算科學等多學科規(guī)律融入體育科學，共同構筑智慧體育的底層邏輯。在生理學方面，智慧體育能夠全面感知和分析運動員的生理狀態(tài)，如心率、呼吸、肌肉活動等，為教練和運動員提供及時、準確的反饋，根據(jù)個體差異和實時狀態(tài)調(diào)適訓練計劃，提高訓練效果，降低運動損傷。在心理學方面，智慧體育秉承身心一元、相互促進的原則，實時監(jiān)測和分析運動員的心理狀態(tài)，如情緒、壓力、自信心等，靈活調(diào)整訓練方式和方法，幫助運動員保持良好的心態(tài)，提高運動成效和競技表現(xiàn)。同時，智慧體育還運用動機理論、認知行為療法等心理學理論，優(yōu)化訓練過程，以體育心，激發(fā)運動員的內(nèi)在動力，提高他們的自信心和應對壓力的能力。在計算科學方面，智慧體育能夠更加精確地預測運動員的競技狀態(tài)、評估訓練效果、發(fā)現(xiàn)潛在問題，并為教練和運動員提供更加科學、個性化的訓練建議。

3.效率

智慧體育基于一套科學的評價指標體系建立量效模型，監(jiān)測、評估、反饋運動訓練的科學性和個性化，以保證體育運動和體育教學效率。量效模型為教練和運動員提供了精確的訓練效果反饋。教練可以根據(jù)量效模型反饋的運動量、運動方式、運動類型等與運動成效之間的定量關系，及時調(diào)整訓練計劃，確保運動員在最佳狀態(tài)下進行訓練。同時，運動員也能夠通過數(shù)據(jù)了解自己的訓練狀態(tài)，更好地調(diào)整自己的心態(tài)和訓練策略。這種綜合性的訓練方法，不僅能夠提高運動員的競技水平，更能夠促進他們的身心健康和全面發(fā)展。量效模型為我們提供的科學依據(jù)，使得教練和運動員能夠在追求效率的同時，確保訓練的安全性和有效性。整體而言，量效模型使得體育鍛煉過程變得更加高效、精準、人性化，以成效為導向透視運動訓練全過程，實現(xiàn)前所未有的效率提升。

4.科研范式的重塑

長期以來，體育科學研究以經(jīng)驗主義為主導，通過人的觀察、描述，總結(jié)和提煉出訓練方法、策略和研究成果，為體育科學發(fā)展做出了巨大貢獻。然而，隨著科技的飛速進步和數(shù)據(jù)的爆炸式增長，經(jīng)驗主義已無法滿足現(xiàn)代體育科學的發(fā)展需求。我們不僅需要“這樣做有效”的經(jīng)驗之談，更需要“為什么這樣做有效”的科學依據(jù)。計算體育學和智慧體育模式不再僅僅依賴人的經(jīng)驗或直覺，而是通過收集和分析大量的數(shù)據(jù)，利用科學的算法和模型，來揭示體育和身心發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律，減少了研究者主觀影響，能夠生成更加客觀、準確的結(jié)論。而且，計算和建模能夠深入挖掘數(shù)據(jù)中的隱藏信息，揭示出傳統(tǒng)方法難以發(fā)現(xiàn)的規(guī)律和趨勢，為發(fā)展趨勢預測和科學訓練決策提供支持。計算體育學正在與經(jīng)驗主義相結(jié)合，成為體育科研的發(fā)展趨勢。

（二）基于計算體育學的智慧體育技術框架

智慧體育的技術框架包含學生身心成長數(shù)字檔案、數(shù)字畫像、運動處方、數(shù)字資源和智慧空間五個核心系統(tǒng)，如下頁圖1所示。智慧體育遵循“家庭—學?！鐣笨鐖鲇騾f(xié)同集成服務的理念，采用“理論—技術—分析—服務—示范”的研究策略，通過構建基于大規(guī)模多模態(tài)時序數(shù)據(jù)的學生身心成長數(shù)據(jù)隊列，探索不同運動項目與身心成長問題的作用機制和問題預警；基于學生身心成長數(shù)字畫像，提供“健康生活+科學運動+心理調(diào)適”的運動綜合指導模式和個性化運動綜合處方靶向適配、智能推送與自適應調(diào)適服務，構建全鏈條、自主可控和數(shù)實融合的一體化跨場域服務模式，支撐智能技術促進學生身心成長的應用體系。

1.學生身心成長數(shù)字檔案

學生身心成長數(shù)字檔案是以數(shù)據(jù)為核心，圍繞學生身心成長，綜合采集課堂內(nèi)外、正式和非正式學習環(huán)境、線下和線上學習、學習活動和生活表現(xiàn)等多個視角客觀信息的數(shù)據(jù)檔案，涵蓋學生學習屬性及其從入學到畢業(yè)整個教育周期內(nèi)的體育活動、健康數(shù)據(jù)、課程安排、個人發(fā)展等多個維度的過程性和結(jié)果性數(shù)據(jù)，記錄保存在系統(tǒng)中，構建系統(tǒng)、完備的學生身心成長數(shù)字檔案，形成針對每一位學生的完整數(shù)據(jù)生態(tài)閉環(huán)，為制定針對性的教育策略和健康管理提供依據(jù)。學生身心成長數(shù)據(jù)隊列已經(jīng)具備良好的數(shù)據(jù)基礎，《國家體育鍛煉標準》《國家學生體質(zhì)健康標準》先后發(fā)布，各省市每年開展國家學生體質(zhì)健康測試，測試數(shù)據(jù)上傳國家學生體質(zhì)健康網(wǎng)。我國廣大學生的體質(zhì)健康有測試、有數(shù)據(jù)、有平臺，從某種意義上該閉環(huán)體系已經(jīng)具有智慧體育雛形。學生身心成長數(shù)字檔案通過測試和調(diào)查等多種方式獲取學生成長數(shù)據(jù)（如表1所示），同時與教學、管理等平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，提高數(shù)據(jù)處理的效率，也確保了信息的準確性和實時性。

大數(shù)據(jù)不僅追求獲得更大體量、更多樣的數(shù)據(jù)，還注重數(shù)據(jù)的價值與意義及其連續(xù)性。數(shù)據(jù)隊列是打破現(xiàn)有教育數(shù)據(jù)截斷式不足的新探索，為挖掘?qū)W生成長規(guī)律、關鍵事件的追蹤與溯源等提供基礎性的支撐。學生身心成長數(shù)字檔案正是遵循“數(shù)據(jù)隊列”這一思想，通過物聯(lián)網(wǎng)技術、大數(shù)據(jù)技術、人工智能等最新研究與應用成果，建立基于大規(guī)模多模態(tài)時序數(shù)據(jù)的青少年體育鍛煉與身心成長監(jiān)測數(shù)據(jù)隊列。并按照一定標準將人群分為不同的隊列，追蹤觀察不同隊列中個體的發(fā)展變化，比較不同隊列之間的差異。使用大數(shù)據(jù)挖掘、機器學習、深度學習等技術來處理和分析青少年身心健康數(shù)據(jù)，觀察不同隊列之間在健康狀況上的差異，找出體育鍛煉相關因素對身心健康的影響機制。

2.學生身心成長數(shù)字畫像

學生身心成長數(shù)字畫像是基于全面感知的物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設備、圖像識別等技術，以及青少年多模態(tài)、長時序的運動能力、生活方式、身體發(fā)育和心理健康等數(shù)字檔案，利用機器學習和高速的云計算體系，通過數(shù)據(jù)建模分析，生成全數(shù)字畫像，既包含過程性描述也包含總結(jié)性描述，既有定性描述，也有定量描述，可生成學生個體畫像和群體畫像，刻畫真實、可信的學生身心成長狀況。數(shù)字畫像提供多模態(tài)、不同時間尺度的青少年身心成長動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測與反饋服務，是設計學生個性化身心成長發(fā)展路徑的基礎，促進體育教育從經(jīng)驗走向科學。本研究基于中小學生體育育人目標，結(jié)合國家相關政策要求，確立了可直接測量的具體指標，初步形成中小學生體質(zhì)健康評價結(jié)構特征指標，畫像由高級標簽、模型標簽、事實標簽組成，如表2所示。

數(shù)字畫像是層次化的標簽體系，呈現(xiàn)出學生身心成長狀況的標簽，首先分類，再在各類別下進行逐層細分。上層標簽都是抽象的標簽集合，一般沒有實用意義，只有統(tǒng)計意義。底層標簽用于學生體質(zhì)健康數(shù)據(jù)分析和個性化推薦，每個標簽僅有一種含義且具有一定語義，便于計算和處理。基于原始數(shù)據(jù)首先構建的是事實標簽，事實標簽可以從數(shù)字檔案直接獲?。ㄈ缧彰?、學號等），或通過簡單的統(tǒng)計得到。模型標簽采用了機器學習和自然語言處理等智能技術，是數(shù)字畫像發(fā)揮價值的底層驅(qū)動力，也是標簽體系的核心。在事實標簽和模型標簽基礎上統(tǒng)計、建模得出高級標簽，與體質(zhì)健康評價指標緊密聯(lián)系，以人體3D模型數(shù)字圖、數(shù)據(jù)分析圖、個體情況雷達圖、正態(tài)分布雷達圖、綜合文字評價等多種形式呈現(xiàn)。

3.學生身心成長運動處方

“運動處方”于 1969 年被世界衛(wèi)生組織正式采用[28]，由運動鍛煉的目的、運動類型和運動的基本形式、運動強度、運動時長、運動頻率、運動鍛煉進展的速度構成[29]，運動方式、時間、頻率及強度是運動處方的四要素[30]。近年來，運動處方研究從“治已病”向“治未病”轉(zhuǎn)變[31]，以健康促進和疾病預防為研究導向，取得長足進步與發(fā)展。運動處方可有效防治癌癥、糖尿病、骨關節(jié)炎、代謝性疾病、肩周炎和頸椎病等疾病[32]，如運動提高非肺癌人群心肺耐力，降低心血管疾病的發(fā)病率和預防癌癥，對癌癥患者[33]和骨質(zhì)疏松患者[34]具有重要作用。未來醫(yī)生就診時，應評估體力活動情況及提供運動指導，借助運動處方改善患者的健康狀況[35]。在智能技術的加持下，運動處方的積極作用進一步放大。智能手表、智能手環(huán)等新型可穿戴設備，已應用運動處方有關研究，如健康相關的體適能測試和臨床運動測試等[36]，有效增加運動時間、距離等，從而增加能量消耗[37]。大數(shù)據(jù)與改善人體運動研究相結(jié)合，用于骨關節(jié)炎治療和體重管理等[38]。

目前，我國尚難以為大眾出具智能化、系統(tǒng)性、個性化的運動處方，促進國民身心健康[39]。為此，智慧體育技術框架嘗試將學生運動處方作為核心組成部分。針對體育教學與體育鍛煉過程性學習管理缺失，加之青少年身心基線、狀態(tài)特征和發(fā)展進程等存在個體差異，導致面向群體的體育教學和運動指導靶向性不足和個體效果不一等問題，智慧體育通過建立多模態(tài)多時間尺度青少年體育學習與鍛煉行為的特征表示，研究涉及情感、行為、效果等的青少年體育學習管理算法，形成面向個體特征的青少年精準化和動態(tài)化運動綜合處方智能推薦，創(chuàng)新變革體育教學與運動指導服務的范式，提高體育活動促進青少年身心成長的精準靶向、個體適應和管理效能。

具體而言，運動處方在促進強化學生體質(zhì)健康發(fā)展工作的基礎上，針對不同學生身體素質(zhì)及健康狀況的個體特點，基于頻率（Frequency，每周進行多少次）、強度（Intensity，單位時間內(nèi)身體活動的能耗水平或?qū)θ梭w生理刺激的程度）、時間（Time，持續(xù)時間或總時間）、方式（Type，模式或類型）四項維度，通過人工智能算法，尊重個體差異，為每一位青少年提供一份符合其特性的運動處方，包括體質(zhì)健康促進方案、運動技能指導、飲食營養(yǎng)建議、生活方式建議，輔助教師查缺補全，培養(yǎng)學生體育素養(yǎng)，提升青少年身心健康整體水平。

4.學生身心成長數(shù)字資源

智慧體育的應用核心是教與學，離不開數(shù)字教育資源支撐。智慧體育通過構建包含基礎運動技能、體能及專項運動技能的數(shù)字化體育教育資源庫，在推進實施體育新課標的同時，結(jié)合人工智能與信息化技術，引入社會優(yōu)質(zhì)資源，創(chuàng)新體育教育形態(tài)，并充分發(fā)揮創(chuàng)新數(shù)字資源供給模式的特點，提升信息化供應鏈水平，為學校提供更加豐富的數(shù)字化體育教育資源供給。

第一，構建青少年身心成長運動綜合處方資源。從體育鍛煉、技能學習、心理、生活方式等多個維度進行研究，綜合考慮內(nèi)容、量、強度和注意事項等方面因素，基于“健康生活+科學運動+心理調(diào)適”的“1+1+1”青少年運動綜合處方干預模式，研制面向不同性別、年齡、學段、身體機能、運動能力、心理狀態(tài)等的青少年運動綜合處方集，滿足跨場域下青少年身心成長促進指導需求。第二，構建青少年身心成長體育教學視頻資源。研究不同運動項目的適應人群、鍛煉內(nèi)容、鍛煉方法、易錯點等，基于課程要求，構建適合中國青少年身心發(fā)展目標和針對肥胖、近視、發(fā)育遲緩、脊柱側(cè)彎等重點關注人群調(diào)適的課外教學指導視頻資源，覆蓋健康知識、技能學習、運動鍛煉、運動防護等教學內(nèi)容，滿足青少年跨場域體育鍛煉需求。第三，構建青少年身心成長科學指導資源。構建穩(wěn)定、安全、高效、高彈性的青少年身心成長科學指導資源，并面向體育與健康知識結(jié)構和特點，實現(xiàn)對文本處理、影音處理、知識體系構建等內(nèi)容和知識資源的存儲、處理、共享等全生命周期管理。

5.基于開放系統(tǒng)融合的智慧空間

數(shù)字畫像、運動處方、數(shù)字資源等智慧體育教育服務通過智慧空間觸及每個學生、教師和家長，目標群、任務群、策略群以空間為紐帶，聯(lián)成一個完整的閉環(huán)，形成大規(guī)模優(yōu)質(zhì)體育教育資源和個性化成長路徑的“私人訂制”。基于學生個人數(shù)字檔案和數(shù)字畫像，個性化運動綜合處方通過線上的智慧空間，適配、推送給每個學生。第一，智慧空間整合了面向個體特征的青少年運動綜合處方靶向適配技術。針對青少年個體差異導致運動處方干預效果不一的問題，根據(jù)體育鍛煉行為特征與身心發(fā)展的量化效能模型，利用知識工程技術，研制多層次運動綜合處方特征編碼及標準，并建立基于深度學習的青少年個體基線與運動綜合處方特征匹配機制。第二，智慧空間提供基于數(shù)字畫像和圖神經(jīng)網(wǎng)絡的青少年運動綜合處方和數(shù)字化體育教學資源的精準推送服務。根據(jù)青少年成長數(shù)字畫像，構建適應個體發(fā)展的和面向移動終端、體育陪練系統(tǒng)等跨場域多類應用終端的青少年運動綜合處方精準推送服務，如圖2所示。第三，數(shù)據(jù)、畫像、處方和資源在大規(guī)模常態(tài)化教學應用中不斷迭代更新，通過智慧空間沉淀至智慧體育平臺。智慧體育模式以青少年各學段和年齡的機能和心理特征為約束，以滿足運動綜合處方目標各要素為導向，建立青少年運動綜合處方自適應動態(tài)調(diào)適機制，實現(xiàn)過量減荷、缺量增荷等調(diào)適模式，并滿足“小學興趣化、初中多樣化、高中專項化”的體育教學課程要求。

三、智慧體育的實踐路徑探索

智慧體育應用模式是以學生身心成長數(shù)據(jù)和模型為核心，以管理后臺、體育教學助手、體育家校通具體應用形式，實現(xiàn)了體型體態(tài)管理、運動能力評估、智能體測、智能教學、課堂運動負荷監(jiān)測、家庭鍛煉指導等功能，如下頁圖3所示。

（一）技術賦能實現(xiàn)全面數(shù)字化教學管理及智能測評

智慧體育首先需要建立感知體育的環(huán)境，將智能感知技術融入體育設備和運動環(huán)境中，自動感知學生體育鍛煉和運動數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能測評和全面數(shù)字化體育教學管理。首先，智能測評大幅提升體育課測和國測效率。當前，體育課程測試和國家青少年體測占據(jù)了體育教師大部分工作時間，測試是學生體質(zhì)健康狀況和運動能力的快照，是體育教育的起點也是體育教育的評價依據(jù)，但難以充分促進和提升學生的身體健康和體育素養(yǎng)。智能測評是智慧體育的基礎應用，通過壓縮測試的單次時間，增加測試頻次，提升測評效率。體育教師日常工作將通過數(shù)字化智能設備，實現(xiàn)學生運動數(shù)據(jù)的全面自動化采集，并依據(jù)數(shù)據(jù)反哺優(yōu)化體育測評環(huán)節(jié)及評價指標。未來體育教育將在虛擬與現(xiàn)實融合的環(huán)境中開展，是基于數(shù)據(jù)的治理，實現(xiàn)體育學習空間、學習內(nèi)容與教學方式的顛覆式創(chuàng)新。

大規(guī)模、常態(tài)化智能體育測評為全面數(shù)字化體育教學管理奠定了堅實的數(shù)據(jù)基礎，提高教學管理的個性化、科學性和效能性。依據(jù)班級、學校、區(qū)域三個層級，智慧體育應用模式建立了三級數(shù)據(jù)管理體系，支撐微觀、中觀、宏觀三個層級的體育教學管理，如圖4所示。在班級體育教學管理層面，第一等級由學生個體數(shù)據(jù)組成，讓體育教師從繁重冗余的簡單工作中解放出來，操作者變成觀察者、工作流程的優(yōu)化者，更多精力用于提升體育教學；在學校體育教學管理層面，第二級數(shù)據(jù)面向校級門戶與家長開放，體育教研組可以依據(jù)年級、班級、個人數(shù)據(jù)分析，進行跨班級、年級的分層分類體育教學；在區(qū)域體育教學管理層面，第三級數(shù)據(jù)可與區(qū)教育系統(tǒng)連接，支撐教學監(jiān)督、評估和督導，實現(xiàn)信息互通。

（二）跨場域數(shù)據(jù)協(xié)同實現(xiàn)學校、家庭、社區(qū)協(xié)同育人

受限于課時和教學時長，體育教育需要學校、家庭、社區(qū)三方協(xié)同，充分拓展學生參加體育鍛煉的空間和資源，結(jié)合學生課間活動、居家時間和社區(qū)活動，保障學生每天有效鍛煉1小時，構建青少年健康成長的“同心圓”。

家庭是青少年成長的第一場域，學生對于運動、鍛煉的最初啟蒙及運動習慣的早期形成始于家庭教育。在家庭，智慧體育平臺推送身心成長數(shù)字畫像給到學生家長，用詳實的數(shù)據(jù)和形象的展示方式，使家長充分了解孩子的真實狀況，輔助家長指導學生居家鍛煉；在線咨詢服務輔助解答家長的困惑，也為家長引導孩子身心成長提供科學指導。體育家庭作業(yè)則幫助孩子建立終身運動的習慣，體育教研組的老師們精心挑選的視頻，不僅有標準的示范動作，還有親子互動環(huán)節(jié)，使家長深入?yún)⑴c其中，共建家校共育的健康環(huán)境。

學校是青少年體育意識培養(yǎng)及運動技能學習的主要場域。在學校，基于學生身心成長數(shù)據(jù)的分析與診斷，針對地區(qū)、學校、年級、班級、學生薄弱項，完善學生運動評價，以運動評價來促進學生多場景鍛煉?；诰C合數(shù)據(jù)幫助學生建立運動健康計劃，例如基于體型數(shù)據(jù)推薦學生運動類型（下肢長利于長跑，臂長身高比值大利于游泳）；根據(jù)胸、腹、臀、腿推薦不同的減重計劃；監(jiān)督體態(tài)不良的學生堅持矯正訓練；患有某些疾病的學生避免參與不利于其健康的運動形式，而推薦有助于康復的其他運動。

社區(qū)是青少年成長的第三場域，學生體育習慣與所在社區(qū)體育活動組織和體育設施完備情況緊密相關?？鐖鲇驍?shù)據(jù)協(xié)同將社區(qū)活動納入記錄和治理范疇，教師可利用數(shù)據(jù)對學生進行社區(qū)運動干預，后臺設置學校、教師、家庭的雙向反饋通道，數(shù)據(jù)信息快速處理，為學生社區(qū)體育活動的追蹤、診斷、調(diào)控和管理決策提供現(xiàn)代化的基礎和數(shù)據(jù)條件，教師根據(jù)學生已有的運動能力和運動強度承受能力進行運動指導反饋，讓學生體驗更加科學合理的體育鍛煉活動。

（三）人工智能助力學生身心成長守護

完善身心智，首在體育。早在一百多年前，毛澤東在《體育之研究》便作出“無體無德智”的重要論述。體育是教育的基礎，促進青少年身心健康成長也是培養(yǎng)社會主義接班人和建設者的奠基性工程。在第三次科技革命與中國崛起的時代背景下，智能技術為中國青少年身心成長提供了強力支撐。智慧體育整合了人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設備等新一代信息技術，結(jié)合體育科學、生理學、心理學等專家經(jīng)驗，人技協(xié)同守護青少年身心成長。

本項目在上海市寶山區(qū)開展了智慧體育綜合應用示范，以學生身心成長數(shù)據(jù)和模型生成的數(shù)字畫像為紐帶，實現(xiàn)了學生體型體態(tài)管理、運動能力評估、智能體測、智能教學、課堂運動負荷監(jiān)測、家庭鍛煉指導等全流程數(shù)字化，整合科技和專業(yè)人才，全方位守護青少年身心成長。學生數(shù)字畫像由人體3D模型數(shù)字圖、數(shù)據(jù)分析圖、個體情況雷達圖、正態(tài)分布雷達圖、綜合文字評價五種類型組成，如圖5所示。3D模型數(shù)字圖直觀呈現(xiàn)學生多角度的體型體態(tài)、動作評估狀況、身體機能情況、身體素質(zhì)狀況。數(shù)據(jù)分析圖和個體情況圖呈現(xiàn)學生身體各個指標數(shù)據(jù)的“偏移差值”（體態(tài)、BMI等重要指標的偏離正常值圖示）、“指數(shù)分析”（體型、體態(tài)、柔韌性、靈活性、營養(yǎng)狀況等）、“趨勢折線圖”（各個身體長度、圍度、體重等周期生長發(fā)育折線圖）。綜合雷達圖包含學生BMI、肺活量、視力、跑步、坐位體前屈、跳繩、立定跳遠、仰臥起坐、體態(tài)、體型、柔韌性、靈活性等指標的綜合狀況在學校同年齡段的對比雷達圖。依據(jù)數(shù)字畫像，智慧體育平臺為每位學生訂制綜合處方建議。例如，該學生身體機能優(yōu)異，基本動作能力完成情況良好，日常有較好的作息和飲食習慣，但是運動習慣、爆發(fā)力、耐力訓練有待提升，腰圍超標準10cm；視力情況不佳，左右眼視力差400度，應改善用眼習慣；有脊柱側(cè)彎和高低肩癥狀，應引起重視，否則會影響身體機能水平。

四、結(jié)語

隨著我國開始向第二個百年奮斗目標奮勇前進，體育需要擁抱創(chuàng)新。無論是技術創(chuàng)新、模式創(chuàng)新還是理念創(chuàng)新，都需要更新理念，計算體育學將成為體育科學發(fā)展的重要領域?；谟嬎泱w育學的智慧體育模式將重塑體育教育方式，進一步豐富體育大數(shù)據(jù)，滋養(yǎng)計算體育學新發(fā)展和智慧體育教育新生長。智慧體育將秉持以人為本的核心理念，聚焦青少年身心成長，以跨場域體育活動為手段，解決青少年群體存在的“小眼鏡”“小胖墩”“小綿羊”和心理危機傾向等不良問題，以體促心，以體養(yǎng)德，以體促智，促進體育強國、教育強國和健康中國建設。

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作者簡介：

王繼紅：副研究員，博士，研究方向為數(shù)字化體育教育。

毛麗娟：教授，博士，研究方向為青少年體質(zhì)與健康促進。

張治：教授，博士，研究方向為計算教育學與教育的智能化改造。

Exploration and Practice of New Models of Physical Education Based on Computational Physical Education

Wang Jihong1， Mao Lijuan1， Zhang Zhi2

1.Shanghai Sport University， Shanghai 200438 2.Education Bureau of Baoshan District， Shanghai 201999

Abstract： Under the premise of technology leading the development of the times， the high-quality development of physical education cannot be achieved without the support of intelligent technology. By delving into the inherent logic of constructing a smart sports model and based on the theory of computational sports， we seek an efficient innovative development model for sports education， and clarify the construction ideas and era value of the smart sports model. Research suggests that the basic conditions for building a smart sports model are already in place， and with the development of computational sports and smart sports application， we will continue to promote the high-quality development of physical education， promote the active health awareness and ability of young people， cultivate sports habits and skills， and solve prominent physical and mental health problems such as obesity， myasthenia， and scoliosis in young people. By clarifying the logical focus and operational mechanism of constructing a smart sports model， a smart sports technology framework is designed with five core functions： student growth record system， physical health portrait system， personalized sports prescription system， smart sports resource system， and smart space based on open system integration. Through regional smart sports practice exploration， a systematic analysis is conducted to provide a path reference for building a modern sports comprehensive application paradigm.

Keywords： physical education； computational sports； smart sports

責任編輯：李雅瑄