“AI”智能“愛”運動

2024年7月19日，教育部懷進(jìn)鵬部長在介紹和解讀中共二十屆三中全會精神時再次表示，大力推進(jìn)智慧校園建設(shè)，打造中國版人工智能教育大模型，探索大規(guī)模因材施教、創(chuàng)新性與個性化教學(xué)，更好滿足群眾“上好學(xué)”的需要。隨著AI科技的快速迭代，新時代學(xué)校體育工作需要與時俱進(jìn)，植入“科技大腦”。人工智能賦能教育，將成為學(xué)校高品質(zhì)辦學(xué)的新質(zhì)生產(chǎn)力，進(jìn)一步激發(fā)全體學(xué)生的運動熱情、持久運動的積極性。筆者所在學(xué)校近幾年積極引進(jìn)AI智能科技，賦能學(xué)校體育建設(shè)，不斷嘗試新的實踐探索。

一、整體架構(gòu)，打造“一站式AI智慧體育系統(tǒng)”

學(xué)校體育是系統(tǒng)工程，需要用“一站式”思維，學(xué)生課后鍛煉的現(xiàn)場與系統(tǒng)外顯設(shè)備之間實現(xiàn)“所練即所見、所見即所得、所得即綜評”的效果，激發(fā)學(xué)生參與運動并持久堅持的動力。學(xué)校通過引入“一站式AI智慧體育系統(tǒng)”，采用物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算的方式部署，將計算和數(shù)據(jù)存儲交由物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通和智能化控制，由一臺服務(wù)器“大腦”指揮。學(xué)校將“一站式AI智慧體育系統(tǒng)”的各種設(shè)備分布在操場、教室廊道等處，建成AI智慧操場和AI運動吧、體測吧。AI智慧操場場地寬闊，目前可以進(jìn)行50m、100m、50m×8往返跑、800/1000m中長跑等跑類項目，還可以進(jìn)行仰臥起坐、引體向上項目。AI運動吧和體測吧建設(shè)在廊道內(nèi)，離學(xué)生教室更近，便于學(xué)生課間活動。AI運動吧可進(jìn)行跳繩、立定跳遠(yuǎn)、原地縱跳摸高、仰臥起坐、開合跳等項目，AI體測吧可進(jìn)行跳繩、立定跳遠(yuǎn)、仰臥起坐、肺活量、身高體重、坐位體前屈等項目（圖1～圖4）。

與傳統(tǒng)體育教育教學(xué)場景相比，“一站式AI智慧體育系統(tǒng)”所有設(shè)備一次性安裝調(diào)試完成后，使用時無須再進(jìn)行移動、組裝等，學(xué)生進(jìn)入攝像頭覆蓋的數(shù)據(jù)采集范圍，即可開展鍛煉或測試，省去了大量測評設(shè)備和人員配合等環(huán)節(jié)的人力成本和時間消耗?！耙徽臼紸I智慧體育系統(tǒng)”各場地設(shè)備占地少功能大，AI智慧操場在不同距離起點布置一個邊緣計算盒子、攝像頭，終點安裝一塊顯示屏，AI運動吧和體測吧在每個場地布置一個邊緣計算盒子、一個攝像頭和一塊顯示屏，系統(tǒng)依托計算機(jī)視覺深度學(xué)習(xí)算法，通過對攝像頭采集到的視頻進(jìn)行實時分析，計算人體關(guān)鍵點和動作識別，做到了一臺設(shè)備支持多人、多項運動。所有數(shù)據(jù)均能在一個“大腦”中處理，為后續(xù)數(shù)據(jù)自動歸類、統(tǒng)計、分析、存檔等奠定基礎(chǔ)。

二、高效算力，實現(xiàn)運動場景人機(jī)可視互動

高科技以算力的支撐、人與智能機(jī)器的可視互動使學(xué)校體育工作正在發(fā)生的改變?！耙徽臼?AI 智慧體育系統(tǒng)”裝備雖然數(shù)量少、個頭小，但功能強(qiáng)大，無論是系統(tǒng)的友好交互、界面設(shè)計、語音提示、練習(xí)場景、過程引導(dǎo)等，處處都體現(xiàn)著兒童視角，用學(xué)生容易理解、便于操作、樂意接受的方式，激發(fā)學(xué)生參與體育活動的興趣。

不僅如此，“一站式AI智慧體育系統(tǒng)”在體育課堂教學(xué)、大課間體鍛、體質(zhì)測試、課后自主鍛煉、期末項目測評等多種場景中的應(yīng)用都取得了突破。第一，“一站式AI智慧體育系統(tǒng)”采用無感人臉識別，學(xué)生只需站在對應(yīng)點位，無須其他操作，系統(tǒng)即可自動識別，匹配學(xué)生個人信息和運動檔案，實現(xiàn)毫秒識別，快速捕捉鎖定，并支持同場景內(nèi)多人同時人臉識別、多人同時測試，方便快捷。第二，“一站式AI智慧體育系統(tǒng)”支持智能手勢識別。系統(tǒng)內(nèi)貯存多種運動項目，學(xué)生站在系統(tǒng)指定的點位，舉手即可激活系統(tǒng)，開啟人機(jī)交互，通過揮臂動作就可以切換運動模式，根據(jù)個人喜好進(jìn)行項目切換，高效完成自主鍛煉。第三，“一站式AI智慧體育系統(tǒng)”可實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。以跳繩為例，首先，系統(tǒng)會判斷周邊環(huán)境是否符合練習(xí)要求，并對安全隱患進(jìn)行提醒，如提示請站在測試點上等；其次，學(xué)生按系統(tǒng)提示音開始跳繩，系統(tǒng)會在屏幕上即時更新運動成績，學(xué)生看到不斷跳動的數(shù)字，注意力更加集中，專注練習(xí)；再次，系統(tǒng)還能智能精準(zhǔn)判罰，支持實時犯規(guī)判斷，如果學(xué)生出現(xiàn)沒有用繩空手跳等的現(xiàn)象，系統(tǒng)會在屏幕上及時跳閃并標(biāo)紅“空跳”字樣，及時提醒學(xué)生遵守規(guī)則；最后，系統(tǒng)還能在學(xué)生練習(xí)結(jié)束后給出運動曲線的切片分析，幫助學(xué)生不斷提高練習(xí)質(zhì)量。第四，“一站式AI智慧體育系統(tǒng)”支持多人同時鍛煉或測試。有小伙伴陪伴的共同運動會讓學(xué)生更能體驗運動的樂趣，也更愿意參與其中，“一站式AI智慧體育系統(tǒng)”可以實現(xiàn)多名學(xué)生同時在場的運動情境，智能計時計數(shù)、成績即時呈現(xiàn)，學(xué)生隨進(jìn)隨出，高效智能。

三、科技賦能，輔助落實‘教會、勤練、常賽’

《義務(wù)教育體育與健康課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》［以下簡稱《義教課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》］要求，“依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和興趣愛好，面向全體學(xué)生，落實‘教會、勤練、常賽’，注重‘學(xué)、練、賽’一體化教學(xué)”。“一站式AI智慧體育系統(tǒng)”在落實“教會、勤練、常賽”上也能起到較好的輔助作用。

1.教會——以智助學(xué)，以智助教

《義教課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確提出每節(jié)課群體運動密度應(yīng)不低于75%，個體運動密度應(yīng)不低于50%；每節(jié)課應(yīng)達(dá)到中高運動強(qiáng)度，所有學(xué)生平均心率原則上在140～160次/min。傳統(tǒng)常態(tài)課教師只能憑經(jīng)驗估測，無法達(dá)到實時、精準(zhǔn)的要求?！耙徽臼紸I智慧體育系統(tǒng)”則可以成為教師的高級助手。體育課堂上，學(xué)生佩戴運動手環(huán)，實時顯示心率指標(biāo)，借助監(jiān)測數(shù)據(jù)與分析圖表反向促進(jìn)課堂教學(xué)優(yōu)化，實現(xiàn)以學(xué)定教。其次，AI 智慧體育系統(tǒng)的切片分析功能也能幫助學(xué)生更加快速、準(zhǔn)確地掌握動作技術(shù)。如，立定跳遠(yuǎn)教學(xué)時，學(xué)生較難真正體驗到空中手臂擺動和展體收腹動作的本體感受。借助AI智能體育系統(tǒng)，可以將學(xué)生跳躍過程進(jìn)行實時切片呈現(xiàn)，人機(jī)交互，逐幀解析運動姿態(tài)，教師現(xiàn)場演示分析，指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)動作，因材施教（圖5）。

2.勤練——以智促練，以智激趣

借助“一站式AI智慧體育系統(tǒng)”，課堂教學(xué)中組織練習(xí)時可用四列橫隊12人同時出發(fā)的方式，取代以往四路縱隊4人同時出發(fā)的隊形。等候?qū)W生同步開展相關(guān)輔助性練習(xí)，解決了學(xué)生練習(xí)密度較低的問題。利于貫徹“精講多練”的原則，學(xué)生通過屏幕可以進(jìn)行自主學(xué)練，縮減了教師講解示范的時間，讓教師有更多精力進(jìn)行精準(zhǔn)的個別指導(dǎo)。

除了課堂練習(xí)，“一站式AI智慧體育系統(tǒng)”還將學(xué)練延伸至課后，成為學(xué)生自主鍛煉的高級助手，幫助學(xué)生掌握技能、提升運動能力。首先，AI智慧操場通過面部自動識別和相關(guān)指令，幫助學(xué)生在自主鍛煉時快速實現(xiàn)50m、100m等各類徑賽類項目，以及仰臥起坐、引體向上等項目的課后自主鍛煉。其次，學(xué)生課間在AI運動吧根據(jù)個人需求開展1分鐘跳繩、仰臥起坐、開合跳、立定跳遠(yuǎn)、縱跳摸高五種練習(xí)，選擇自己感興趣的項目或薄弱項目進(jìn)行強(qiáng)化練習(xí)。無論是AI智慧操場還是AI運動吧，所有練習(xí)數(shù)據(jù)都能實時統(tǒng)計分析，運動狀態(tài)即時評價，幫助學(xué)生提升練習(xí)效率。此外，智慧體育系統(tǒng)還能在校外體育家庭作業(yè)環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用，教師在后臺選擇運動項目或自定義運動項目、運動時間，布置周期性體育家庭作業(yè)，學(xué)生在家通過App打卡完成作業(yè)，系統(tǒng)自動識別計數(shù)，自動生成運動報告，供家長和教師查閱，幫助學(xué)生鞏固學(xué)練成果，養(yǎng)成鍛煉習(xí)慣。

3.常賽——以智助賽，以賽促學(xué)

“一站式AI智慧體育系統(tǒng)”解決了以往賽事組織費時耗力難以常態(tài)開展的問題，在學(xué)校組織的每周運動參與文明班級評選、每月挑戰(zhàn)校園吉尼斯、冬季運動會等賽事中得到較多應(yīng)用，實現(xiàn)人人參與、處處參與、時時參與。智慧系統(tǒng)簡化了組織過程，提高效率，且成績判定更加精準(zhǔn)。智慧體育系統(tǒng)支持下的競賽，看不到大賽組織者和裁判員，但每時每刻都能感受裁判員的存在；多數(shù)學(xué)生可以在一段時間內(nèi)每天多次參賽，系統(tǒng)將取最優(yōu)成績參與項目名次排序；系統(tǒng)還能將學(xué)生參加項目比賽成績按不同統(tǒng)計方式進(jìn)行評比，在統(tǒng)計個人比賽名次方面，分設(shè)運動時長、參賽項目數(shù)量、堅持天數(shù)、挑戰(zhàn)校園吉尼斯活動等方面的評獎，在統(tǒng)計班級名次方面，分設(shè)參與率、均分率、打榜活動等方面的評獎。

此外，系統(tǒng)還可以在不同項目中按不同周期進(jìn)行評比。如，在每周評比中，對各班學(xué)生體育作業(yè)參與率、完成率進(jìn)行評比，結(jié)果納入每周文明班級評選加分項；在每月評比中，對挑戰(zhàn)校園吉尼斯、個人堅持天數(shù)、個人鍛煉項目、個人成長幅度等方面進(jìn)行評選，在每月集會時宣布評選結(jié)果，并通過頒發(fā)獎狀、獎?wù)录皩W(xué)校微信推送等方式給予表彰。通過以上多種方式，不斷發(fā)現(xiàn)新質(zhì)激趣點，讓學(xué)生積極投入到體育鍛煉中來。

四、未來理念，促進(jìn)學(xué)校體育持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展

“一站式AI智慧體育系統(tǒng)”雖然在學(xué)校體育中得到了有效的應(yīng)用，但其潛力還有待進(jìn)一步開發(fā)。

開放雙休校園，親情陪伴共運動。為進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)校未來學(xué)習(xí)（體育）中心建設(shè)，發(fā)揮AI智能更大作用，學(xué)校將在進(jìn)一步完善AI智慧運動場館的基礎(chǔ)上，積極做好家長信息錄入系統(tǒng)的前期準(zhǔn)備，爭取在雙休日對本校學(xué)生與家長免費開放，家長和孩子到學(xué)校開展自助鍛煉，系統(tǒng)自動錄入鍛煉數(shù)據(jù)，家長通過登錄App即時查看鍛煉場景視頻，學(xué)校將定期評價，表彰積極鍛煉家庭。

完善項目分析，提升運動高品質(zhì)。未來學(xué)校將對AI智慧操場、AI運動吧及AI體測吧的項目進(jìn)一步豐富，讓參與者有更多選擇。此外，加強(qiáng)系統(tǒng)對項目運動即時顯示切片分析能力，通過基礎(chǔ)大模型對比分析，讓學(xué)生即刻找到完善關(guān)鍵點，并給予訓(xùn)練處方指導(dǎo)，提高運動能力。

未來在資金允許的情況下，增添設(shè)備覆蓋，擴(kuò)大受益學(xué)生。未來將運動吧和體測吧的數(shù)量需要安裝到學(xué)生所在的每一幢樓，讓每一層都有活動空間，讓更多的學(xué)生受益，為學(xué)生終身運動打下堅實基礎(chǔ)。