人工智能+體育教學(xué)：關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用場景

摘要：人工智能技術(shù)在體育教學(xué)場景中發(fā)揮著重要的作用。體育教學(xué)領(lǐng)域的人工智能關(guān)鍵技術(shù)主要有大數(shù)據(jù)計算技術(shù)、知識圖譜、機器學(xué)習(xí)、自然語言處理技術(shù)等，應(yīng)用場景包括教學(xué)活動、練習(xí)活動、比賽活動和學(xué)習(xí)評價等。人工智能技術(shù)能夠更好地賦能體育與健康學(xué)科的學(xué)習(xí)活動、練習(xí)活動、比賽活動，并且助力學(xué)習(xí)評價更好地融入學(xué)、練、賽活動中；同時，體育教學(xué)實踐的深入也會進一步拓展人工智能技術(shù)在學(xué)、練、賽、評活動中的應(yīng)用場景和領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：人工智能；體育教學(xué)；關(guān)鍵技術(shù)；應(yīng)用場景2017年7月，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，強調(diào)利用智能技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式改革和教學(xué)方法改革，構(gòu)建新型教育體系。2018年4月，教育部印發(fā)《教育信息化2.0行動計劃》，指出大力推進智能教育，開展以學(xué)習(xí)者為中心的智能化教學(xué)支持環(huán)境建設(shè)，推動人工智能在教學(xué)、管理等方面的全流程應(yīng)用，利用智能技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法改革，探索泛在、靈活、智能的教育教學(xué)新環(huán)境建設(shè)與應(yīng)用模式[1]。人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域得到快速應(yīng)用，尤其是視覺識別、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)的應(yīng)用呈現(xiàn)快速增長的趨勢[2]。智能技術(shù)在體育教育教學(xué)領(lǐng)域也不斷涌現(xiàn)，伴隨大數(shù)據(jù)、云計算、虛擬現(xiàn)實和人工智能等新科技的發(fā)展和應(yīng)用，以及《義務(wù)教育體育與健康課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”）的頒布，加強運用現(xiàn)代信息技術(shù)開展實時和精準(zhǔn)的評價[3]，為義務(wù)教育階段“人工智能+體育教學(xué)”發(fā)展帶來了新契機。一、人工智能應(yīng)用于體育教學(xué)的內(nèi)涵與關(guān)鍵技術(shù)人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的基本思想是利用智能機器來模擬人的思維方法和操作程序，解決教育領(lǐng)域的實際問題。人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，就體育教學(xué)范疇而言，它包括運動表現(xiàn)實時識別、自動生成運動成績、自動生成教學(xué)課件、智能制訂訓(xùn)練計劃、智能運動評價等。人工智能自誕生以來，其理論和技術(shù)日益成熟，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，未來人工智能技術(shù)產(chǎn)品也將是人類智慧的“集合體和服務(wù)器”。目前，人工智能技術(shù)的一些關(guān)鍵技術(shù)在體育教學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用，諸如大數(shù)據(jù)計算、知識圖譜、機器學(xué)習(xí)、自然語言處理等。此類技術(shù)推動體育教學(xué)朝著智能化、精準(zhǔn)化的方向快速發(fā)展。（一）大數(shù)據(jù)計算技術(shù)助力學(xué)生個性化教育大數(shù)據(jù)計算技術(shù)是一種對龐大與復(fù)雜數(shù)據(jù)進行高效處理、管理和分析的先進技術(shù)。它涵蓋多個領(lǐng)域，包括數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、分析和可視化等，旨在從大規(guī)模數(shù)據(jù)中挖掘出有價值的信息，以支持決策制定、業(yè)務(wù)優(yōu)化和創(chuàng)新發(fā)展。大數(shù)據(jù)通常指的是具有海量數(shù)據(jù)、高速產(chǎn)生和變化以及多種類型和來源的數(shù)據(jù)，包括傳感器、社交媒體、日志文件、交易記錄等，從而形成龐大而復(fù)雜的數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)。在大數(shù)據(jù)時代，教育從“用經(jīng)驗說話”轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝脭?shù)據(jù)循證”，無疑推動了學(xué)生的個性化教育[4]。在體育與健康教學(xué)中，學(xué)生會產(chǎn)生海量的過程性運動數(shù)據(jù)和終結(jié)性考核數(shù)據(jù)，諸如身高、體重、肺活量、心率、跑動速度、跑動位置、投籃次數(shù)、投籃位置、投籃命中率等，具有多樣性、重復(fù)性和無規(guī)則變化性等特點?；诖髷?shù)據(jù)計算技術(shù)，教師可驅(qū)動體育教學(xué)朝著科學(xué)化、智能化方向轉(zhuǎn)變和發(fā)展。如基于學(xué)期進行分階段統(tǒng)計并及時更新數(shù)據(jù)，形成學(xué)生運動能力畫像。通過對比學(xué)期前、學(xué)期后的運動能力畫像，教師可以直觀地了解到學(xué)生運動能力的綜合變化和進步情況，以便進行精準(zhǔn)評價，也為后續(xù)進行運動干預(yù)提供有力支撐。（二）運用知識圖譜構(gòu)建可視化認知結(jié)構(gòu)圖知識圖譜作為一種語義網(wǎng)絡(luò)，憑借其語義化、結(jié)構(gòu)化的典型特征，已經(jīng)成為人工智能時代各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)之一。在教育領(lǐng)域，知識圖譜又稱教育知識圖譜或?qū)W科知識圖譜。有研究者從學(xué)科知識體系、知識學(xué)習(xí)導(dǎo)航、規(guī)模化資源組織、知識建模圖、認知圖式等視角對教育知識圖譜的內(nèi)涵進行了闡釋和界定[5]。2012年，谷歌推出面向互聯(lián)網(wǎng)搜索的大規(guī)模知識圖譜，開啟了用圖譜模型來描述知識和建模個體之間關(guān)系的新思路。在體育教學(xué)領(lǐng)域，因?qū)W生身體素質(zhì)之間存在關(guān)聯(lián)性和互補性特點，知識圖譜可“構(gòu)建”與學(xué)生認知水平相匹配的可視化認知結(jié)構(gòu)圖，從而為學(xué)生“推送”體育與健康知識、練習(xí)內(nèi)容、運動方案及計劃等，幫助學(xué)生制訂個性化的訓(xùn)練方案，促使學(xué)生養(yǎng)成自主鍛煉的健康習(xí)慣。（三）機器學(xué)習(xí)技術(shù)利于構(gòu)建各類數(shù)據(jù)庫機器學(xué)習(xí)是通過大數(shù)據(jù)來改進算法的研究，讓機器從大數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)和掌握規(guī)律，自動建構(gòu)模型并用于預(yù)測或提出方案。機器學(xué)習(xí)是一個始于大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計和學(xué)習(xí)的過程[6]，試圖通過數(shù)據(jù)分析并計算出規(guī)則，用于解釋當(dāng)前或預(yù)測未來數(shù)據(jù)。學(xué)習(xí)系統(tǒng)通過大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練后，初步具備了自我學(xué)習(xí)能力，即機器自學(xué)習(xí)能力。在實際應(yīng)用中，運用機器學(xué)習(xí)技術(shù)，教師可建立學(xué)生體質(zhì)健康數(shù)據(jù)庫和運動干預(yù)數(shù)據(jù)庫，針對不同體質(zhì)狀況確定鍛煉方法、重復(fù)次數(shù)、運動強度，并將數(shù)據(jù)上傳到智能數(shù)據(jù)平臺。這樣教師能夠?qū)W(xué)生的運動數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，時刻精準(zhǔn)把握學(xué)生運動前、運動中和運動后的數(shù)據(jù)，便于根據(jù)學(xué)生的運動情況制訂相應(yīng)的運動方案。同時，運用機器學(xué)習(xí)技術(shù)，教師能夠更快捷地獲取學(xué)生運動歷史數(shù)據(jù)和干預(yù)方案數(shù)據(jù)，構(gòu)建體質(zhì)健康數(shù)據(jù)庫、運動診斷數(shù)據(jù)庫、運動干預(yù)數(shù)據(jù)庫、運動效果監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，最終實現(xiàn)“一人一方案”。（四）自然語言處理技術(shù)搭建人機互動渠道自然語言處理技術(shù)（naturallanguageprocessing，NLP）是人工智能的重要技術(shù)手段之一，它基于機器學(xué)習(xí)算法對人類語言進行分析、理解、生成等。自然語言處理技術(shù)使人們能夠與計算機進行更為自然的交互，如人機語言交互、人工智能創(chuàng)作、智能翻譯等。作為NLP技術(shù)的杰出代表，智能聊天機器人自正式推出以來，便憑借出色的語言理解和生成能力在全球范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注和激烈討論。隨著自然語言處理技術(shù)的發(fā)展，它的主要應(yīng)用有搜索引擎的查詢理解與搜索結(jié)果排序、聊天機器人與智能助手、機器翻譯與多語言處理、情感分析與社交媒體監(jiān)測、語言識別與語音合成等[7]。在體育鍛煉過程中，通過自然語言處理技術(shù)搭建的多種人機互動渠道，教師和學(xué)生可以運用移動設(shè)備獲取所需的教學(xué)和學(xué)習(xí)資源，并且根據(jù)實際需要進行人機對話和交流，實現(xiàn)“一對一”教學(xué)、練習(xí)、比賽和評價。二、人工智能在體育教學(xué)中的應(yīng)用場景基于上述提及的人工智能技術(shù)，遵照課程標(biāo)準(zhǔn)精神與要求，筆者認為人工智能在體育教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用有四個典型場景，主要聚焦教學(xué)活動、練習(xí)活動、比賽活動和學(xué)習(xí)評價領(lǐng)域（如圖1）。一方面，人工智能技術(shù)賦能體育與健康學(xué)科的教學(xué)活動、練習(xí)活動、比賽活動，并且助力學(xué)習(xí)評價更好地融入學(xué)、練、賽活動中；另一方面，體育教學(xué)的深入也會拓展人工智能技術(shù)在學(xué)、練、賽、評活動中的應(yīng)用場景和領(lǐng)域。（一）教學(xué)活動：智能教研和智能管理體育與健康課程的教學(xué)活動是通過教學(xué)指導(dǎo)，讓學(xué)生真正掌握知識、運動技能，提高運動能力和體能，形成健康的生活方式，養(yǎng)成良好的體育品德。教師要讓學(xué)生在掌握單一知識和單個動作的基礎(chǔ)上，能夠掌握完整的知識和組合的技術(shù)動作，并結(jié)合具體學(xué)習(xí)和生活情境加以運用。當(dāng)前人工智能技術(shù)在教學(xué)活動中的應(yīng)用，一般體現(xiàn)在備課活動和課堂管理兩個環(huán)節(jié)。1.備課活動中的智能教研備課活動是體育與健康教師完成教學(xué)任務(wù)的主要環(huán)節(jié)和必需過程，是提升教師專業(yè)能力的主要途徑。借助人工智能技術(shù)，教師可以實現(xiàn)對體育與健康教材、教法和學(xué)情的自動分析，以及教案的自動生成等，為教研活動提質(zhì)增效。如基于知識圖譜和機器學(xué)習(xí)技術(shù)設(shè)計的智能聽評課系統(tǒng)，能夠記錄教師授課全過程，便于教師分析自身教與學(xué)生學(xué)的情況并將數(shù)據(jù)系統(tǒng)化，用數(shù)據(jù)形式提升教研活動效能?；趲熒忧闆r的數(shù)據(jù)分析，教師既可以獲得系統(tǒng)自動生成的學(xué)情分析數(shù)據(jù)，也可以基于數(shù)據(jù)開展教學(xué)反思，從而優(yōu)化課堂教學(xué)質(zhì)量。此外，基于在線集體備課活動，教師可以利用智能聽評課系統(tǒng)集合和整理其他教師的教學(xué)智慧，自動生成教案，再結(jié)合學(xué)情進行優(yōu)化，大幅度提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。2.課堂教學(xué)中的智能管理人工智能技術(shù)能夠幫助教師實現(xiàn)體育與健康課堂的高效管理，如制定精準(zhǔn)的教學(xué)目標(biāo)、設(shè)計適切的教學(xué)內(nèi)容、形成一體化的學(xué)習(xí)路徑、實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測。從教學(xué)操作層面看，基于大數(shù)據(jù)算法、知識圖譜技術(shù)，教師能夠?qū)W(xué)生的身體情況、運動技能掌握水平進行運動畫像，全面掌握學(xué)生學(xué)練活動中的重點和難點問題，準(zhǔn)確診斷出學(xué)生應(yīng)重點突破的關(guān)鍵點，對整體教學(xué)過程進行把控和決策。從育人縱向發(fā)展層面看，基于機器學(xué)習(xí)、自然語言處理等技術(shù)，教師能夠獲得過程性的動態(tài)數(shù)據(jù)，進行多維度評價，設(shè)計出個性化的訓(xùn)練方案，有針對性地開展激勵教育。這對于培養(yǎng)學(xué)生的運動能力、健康行為和體育品德都具有推動作用。（二）練習(xí)活動：課內(nèi)外鍛煉同步指導(dǎo)和個性化運動處方提供教師要加強課內(nèi)外活動的有機結(jié)合，在課堂教學(xué)中創(chuàng)設(shè)真實的練習(xí)情境，給予學(xué)生更多練習(xí)的時間，激發(fā)學(xué)生經(jīng)常性參與體育活動和健康活動的積極性，指導(dǎo)學(xué)生在課余體育鍛煉中強化課堂上學(xué)到的健康知識與技能。1.課內(nèi)與課外鍛煉同步指導(dǎo)在課內(nèi)，教師要實時監(jiān)控學(xué)生運動狀態(tài)，觀察學(xué)生身體情況。如運用智能穿戴設(shè)備對學(xué)生運動數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，便于教師及時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)并進行分析處理，減少運動傷害發(fā)生。在課外，學(xué)生跑步測試結(jié)束后，通過智能穿戴設(shè)備，他能夠?qū)Ρ刃穆屎退俣惹€變化情況，了解自身運動特點，調(diào)整運動方案，以便取得更好的成績。如人工智能視覺評測系統(tǒng)基于人工智能視覺算法等核心技術(shù)，通過運動攝像頭遠距離、無感采集運動過程并進行識別，實現(xiàn)體育活動的智能測試。監(jiān)測過程中，運用智能分析系統(tǒng)，教師還會實時分析學(xué)生運動過程中的關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)，給出專業(yè)的點評和鍛煉建議，有針對性地幫助學(xué)生提高測試成績（如圖2）。未來，學(xué)生的鍛煉數(shù)據(jù)將會從紙質(zhì)形式轉(zhuǎn)變成云端數(shù)據(jù)，教師、家長和學(xué)生都能夠通過移動設(shè)備查閱數(shù)據(jù)，并獲得移動設(shè)備推送的有關(guān)健康飲食和科學(xué)鍛煉類知識，實現(xiàn)體育鍛煉的同步性和科學(xué)性。2.提供個性化運動處方個性化運動處方是指有針對性地滿足學(xué)生相應(yīng)需求的體育鍛煉方案。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，面對運動訓(xùn)練中的問題，教師不應(yīng)只強調(diào)鍛煉與成績間的因果關(guān)系，更應(yīng)通過數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，確保數(shù)據(jù)分析的多維度及實時性。運用可穿戴設(shè)備（智能手環(huán)/手表、運動實時監(jiān)控背心、智能生物信號傳感器、智能穿戴皮膚貼片等），教師能夠多維收集學(xué)生的運動數(shù)據(jù)，包括實時采集到的數(shù)據(jù)（步頻、配速、心率、體溫等）和借助智能設(shè)備計算出的數(shù)據(jù)（最大攝氧量、運動負荷指數(shù)等），并將數(shù)據(jù)進行整理與分析，依據(jù)運動訓(xùn)練學(xué)和運動生理學(xué)等知識，構(gòu)建個性化運動鍛煉模型。通過機器學(xué)習(xí)技術(shù)，教師還可提前輸入將要實現(xiàn)的目標(biāo)和學(xué)生現(xiàn)有身體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)學(xué)生經(jīng)歷若干次體育鍛煉后，個性化運動鍛煉模型便可根據(jù)學(xué)生身體狀態(tài)自動進行調(diào)整，提供一套適合學(xué)生的體育運動鍛煉處方（如圖3）。（三）比賽活動：拓寬比賽情境和豐富比賽形式根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)，我們將體育比賽貫穿課內(nèi)教學(xué)和課外體育活動全過程，創(chuàng)造性地開展面向全體學(xué)生的、經(jīng)常性的體育比賽活動。為此，教師要制定能夠鼓勵不同體質(zhì)、不同能力學(xué)生積極參與的比賽規(guī)則和獎勵辦法，創(chuàng)設(shè)平等、公正的競賽環(huán)境。1.拓寬體育比賽的情境課程標(biāo)準(zhǔn)提出，要依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需要和興趣愛好，面向全體學(xué)生，落實“教會、勤練、常賽”要求，鼓勵學(xué)生參與形式多樣的比賽活動[8]。國外體育教育教學(xué)同樣重視“常賽”模式，尤其是堅持普適性原則，強調(diào)全員參與，并且關(guān)注過程性導(dǎo)向，促進學(xué)生發(fā)展[9]。運用人工智能技術(shù)，教師能夠隨時隨地創(chuàng)設(shè)競賽情境，綜合運用計算機視覺、人體姿態(tài)識別、人臉識別、手勢識別等技術(shù)，立足當(dāng)前小學(xué)課間與課后運動場景，滿足學(xué)生自主化運動、趣味化運動需要，降低課后運動組織負擔(dān)，促進校園體育文化建設(shè)，大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和運動熱情，提高課堂參與率，引導(dǎo)學(xué)生廣泛參與校內(nèi)各類運動訓(xùn)練。如在課間十分鐘，利用視覺識別系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)計算技術(shù)，學(xué)生可以自發(fā)組織短跑比賽或者跳繩計時賽，通過電子屏幕查看個人成績。這使得學(xué)生既在趣味化、智慧化的方法下鍛煉了體質(zhì)，又掌握了運動技能，提高了學(xué)習(xí)效率，增強了體質(zhì)健康水平。利用這種形式，教師也可以開展多種運動比賽，如立定跳遠、長跑等，培養(yǎng)學(xué)生積極進取、勇敢頑強的體育精神和誠信自律、公平競賽的體育道德。2.豐富體育比賽的形式人工智能技術(shù)的發(fā)展改變了學(xué)校體育比賽形式單一的局面，大數(shù)據(jù)計算、知識圖譜、機器學(xué)習(xí)、自然語言處理等技術(shù)的運用，豐富了課內(nèi)外的體育比賽形式。教師可以將基于大數(shù)據(jù)計算的視覺識別系統(tǒng)作為計時或者計分器，還可以運用知識圖譜技術(shù)設(shè)計各類比賽內(nèi)容，利用機器學(xué)習(xí)和自然語言處理技術(shù)為學(xué)生提供技術(shù)動作指導(dǎo)。借助這些人工智能技術(shù)，教師可在課堂上隨時開展個人賽、團體賽和積分賽。學(xué)生既可以擔(dān)任運動員和教練員，也可以擔(dān)任記錄員和裁判員，甚至是自主設(shè)計和組織比賽，并對比賽進行總結(jié)和評價，不再拘泥于“教師當(dāng)裁判、學(xué)生來比賽”的單一形式。借助人工智能技術(shù)豐富體育比賽形式，學(xué)生擁有了更多扮演不同角色的可能，通過履行不同角色職責(zé)，深刻地理解體育比賽的意義和價值，感受體育比賽的樂趣，促進自身養(yǎng)成的良好體育品德。（四）學(xué)習(xí)評價：精準(zhǔn)監(jiān)測和多維度評價教師進行教學(xué)評價，目的是激勵學(xué)生主動參與運動，培養(yǎng)其運動興趣，進而提高運動技能和體能。通過評價，教師能夠全面掌握和監(jiān)測教學(xué)活動的效度與學(xué)生對知識的掌握程度，便于根據(jù)實際情況修正教學(xué)策略和方案，增強教學(xué)的針對性和有效性。1.對學(xué)生體質(zhì)健康與心理健康進行精準(zhǔn)監(jiān)測學(xué)生的體質(zhì)健康狀況關(guān)系到國家的未來，是我國教育的重要組成部分，也是體育與健康課程的主要任務(wù)。但是，受到應(yīng)試教育的影響，社會、家庭和學(xué)校更重視學(xué)生學(xué)業(yè)成績的提升，而忽視學(xué)生身體健康和心理健康的發(fā)展[10]。利用嵌入式傳感器與可穿戴設(shè)備等，教師可以對學(xué)生的身體健康和心理健康進行精準(zhǔn)監(jiān)測（如圖4）?；谌斯ぶ悄茴I(lǐng)域的情境感知大數(shù)據(jù)計算技術(shù)，教師可將學(xué)生的內(nèi)在情緒、專注度、心理需求等轉(zhuǎn)化成可量化的數(shù)據(jù)，如語言表達、情緒表現(xiàn)、肢體語言、抗壓表現(xiàn)、思維能力等，并在此基礎(chǔ)上提供自適應(yīng)教學(xué)服務(wù)與支持。這種監(jiān)測的最大優(yōu)勢是，它可以隨時隨地捕捉到學(xué)生的動態(tài)數(shù)據(jù)，協(xié)同學(xué)校和家庭開展健康教育工作。2.實現(xiàn)多維度的綜合性評價課程標(biāo)準(zhǔn)提出學(xué)習(xí)評價應(yīng)圍繞核心素養(yǎng)，結(jié)合具體教學(xué)內(nèi)容，評估學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展水平，具體包括運動能力的發(fā)展、健康行為的形成、體育品德的養(yǎng)成，注重過程性評價與終結(jié)性評價、定性評價與定量評價、相對性評價與絕對性評價、教師評價與學(xué)生評價相結(jié)合?；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)，教