智能机器人辅助网球教学实践应用研究

惠向晖 董一村

1.河南农业大学信息与管理科学学院 河南 郑州 450002；2.河南农业大学体育学院 河南 郑州 450002

1 高校网球教学现状分析

随着我国改革开放不断深化，社会主义市场经济快速发展，人们的生活水平得到了显著的提升。目前，人们的日常需求已经不仅局限于解决温饱问题，而是开始更多地关注精神生活，积极地参与到体育锻炼中去。网球作为全世界第二大球类运动，起源地来自于英国，于20世纪50年代传入我国。网球作为一种球类运动项目，其自身兼具竞技性、娱乐性和健身性，刚一出现就吸引了我国广大人民群众的浓厚兴趣。网球运动技术动作相对较多，举止有着高雅时尚的特点，有着较强的观赏性。研究表明，经常参与网球运动有助于提高注意力，加快反应能力，对身体的力量、耐力、敏捷度和柔韧性有着明显的提升。除了对人体的各项生理系统有着显著的作用，还会培养人的审美能力，协调人们的身心健康。

对于当代大学生来说，在繁忙的学习之余，通过各种运动强健身体，提高身体素质已经成为一种常态。高校基于网球运动浓厚的群众基础以及满足学生强身健体的需求，纷纷将其引入到高校体育教育活动中去。我国高校网球教育起步相对较晚，经过不断地发展已经取得了一定的成绩，但目前还是存在诸多问题。

1.1 师资力量相对不足

这主要有两方面的问题，一个是网球教师基数少，教学队伍薄弱。高校网球教学是一门相对较新的方向，师资队伍的储备本身不足，培养新的体育教师的速度明显满足不了高校的教学需求。这导致了一些体育老师需要身兼数职，同时上多门体育课程。对于体育教育资源投入本身有限的高校来说，开设一门新的课程无疑会增大教师结构的压力[1]。

1.2 高校网球教学基础设施匮乏

随着我国体育教学多元化进程不断发展，网球教育开始逐渐发展。但与篮球、乒乓球等运动教学不同，网球教育对基础设施的投入相对较高。篮球、乒乓球的场地要求相对较少，设备购买成本较低，且后续维护成本极低。开展网球教学一方面需要设立专业的场地，其次还需要专门的场地设施，另外场地的维护成本相对较高。这导致在高校资金投入有限的情况下，学校的网球教学基础设施往往不能满足教学需求。或者为了降低场地维护成本，绝大多数网球场馆只在上课时间开放，课下时间需要学生自费才可以进行相关训练。

1.3 教学模式落后

目前，大多数高校的网球教学不太合理，其一课程总课时较多，绝大多数不超过24课时。其次，授课受众面小，每学期名额有限，只有少数同学可以参与到自己喜爱的网球运动中，且在课余时间继续锻炼的机会较少。此外，教师的授课内容相对落后。因为场地等原因的限制，作为单人运动项目的网球，教学只能以大班授课形式开展。教师大多采用先讲解，后演示，最后再允许同学实际锻炼的方式授课。这种教育模式下，学生实际参与到教学活动环节中的受众比例过小，很难调动起学生的积极性。

1.4 网球教学宣传不到位

网球运动作为一项观赏性和竞技性都不差的运动，本身非常适合开展赛事活动。但目前大多数高校对网球比赛的重视程度不足，不能建立起以比赛吸引学生学习兴趣，促进网球教学发展的良性循环。不同于篮球、足球、乒乓球等各种级别的赛事，目前高校内的网球赛事普及相对不足，仅依靠全国大学生网球比赛这种大型赛事不足以弥补学校宣传工作的不足。通过举办院级、校级等不同级别的赛事，可以很好地宣传网球运动，将网球运动带入到学生的学习生活中。设立不同的奖励机制，不仅可以促进校园网球运动的发展，还可以引起学生的积极性，营造浓烈的学习氛围[2]。

2 智能机器人发展现状

世界上第一台工业机器人诞生于20世纪60年代的美国，从此以后，机器人的理念开始向世界传播。随后，在世界范围内形成了以美国为核心，欧盟、日本等国家为主要成员的机器人自动化产业。机器人的最初设想是为了替代部分工人，从事不可进行人力操作的工作。随着制造业的不断发展，机器人技术也不断成熟，开始向着精细化、自动化方向发展，逐步替代人力从事高精度工作。二十一世纪以来，互联网、计算机技术不断发展，机器人行业融合了各种先进网络计算技术，开始朝着智能化方向发展。目前智能化机器人主要有以下特点。

2.1 技术复杂

智能化机器人相对于传统机器人功能更多，更“智能”，所涉及的技术也更加广泛。智能机器人在传统机器人的基础上进行升级，增加各类传感器等外设，通过编程是这些设备统一工作，满足更多的功能需求。涉及的知识不仅包含机械原理、力学原理、控制工程等，还包含计算机原理、电气自动化、电子信息工程、机器视觉、人工智能等领域的技术。它融合了计算机的处理功能，传感器的感知功能，算法的逻辑处理功能以及机械的控制功能。与传统的机器人相比，智能机器人更加注重学科的交叉融合，技术的不断创新。同时，它的应用场景更加广泛，根据不同的需求，设定不同的功能，在和人的交互过程中效率更高[3]。

2.2 更加智能化

得益于机器学习、人工智能算法的不断发展，目前智能机器人的程序也可以越来越智能，越来越精准。传统的机器人程序一旦设定，功能将不再改变，随着时间推进，其作用可能会不能满足工作场景的需求。智能机器人则可以基于算法改进，在实际工作场景中不断学习，对收集到的数据不断训练，以此来达到功能不断更新，不断追求精准化的目的。同时，智能化机器人可以对自身功能进行定期检查，具备一定的自我分析和诊断功能。当出现机器功能故障时，可以进行系统自检，提示问题大大致位置，有利于维修人员快速定位问题所在，降低维修的成本。

2.3 传感器的大量使用

智能化机器人的发展方向是类人、仿生，为此就需要给机器人提供各种环境数据。集成电路、材料研究的快速发展使得各种各样的传感器得以研制出来，补充了机器人感知周围环境的空白。传感器将环境中各种各样的信号转化为电信号，然后传输给智能机器人。智能机器人对电子信号进行分析、处理、计算，判断出各种场景，做出不同的响应。如光学传感器可以将光信号转化为电信号，赋予机器人视觉[4]。

智能机器人随着计算机网络技术的兴起而逐渐发展，目前尚处在初期阶段，在具体的使用上还存在着一些问题。

2.3.1 价格昂贵。目前不同功能的智能机器人尚处于研发阶段，算法开发人员多是计算机相关专业人才，开发周期长，开发成本高。硬件研发所用的器材、芯片、传感器等设备同样价格不菲，且硬件开发工程师成本也相对较高。综合软硬件开发成本来看，对于不同功能的智能机器人价格少则几万元，多则几十万，上百万。购买多套智能机器人对于普通高校来说，经费压力较大。

2.3.2 性能不稳定。如前边所说，智能机器人自身融合了多个学科的技术，设计的硬件配置较多，统一开发的配套服务软件需要兼顾各个方面。这种情况下的系统非常复杂，系统开发需要各专业人才统一合作，分别负责不同模块，底层处理逻辑较多，一个小的问题可能会导致整个系统的暂时崩溃。智能机器人的软硬件开发尚未成熟，还需进一步进行体系研究发展。

3 智能机器人辅助网球教学应用

辅助教学机器人是一种以机器人作为教学工具，辅助教师和学生开展教学活动的新型机器人。它可以帮助教师以更加形象、更加便利的方式进行授课，也能更有效地、更直接的与学生进行互动，进而提升教学质量，提高学生的学习积极性。与多媒体的演示性教学不同，教学机器人更多的是直接参与到教师和学生之间的互动，作为教师的补充。它依赖于自身的各种传感器，通过接收到的数据判断学生的操作是否正确，如果出现问题可以及时纠正，可以使学生养成更好的实际操作规范[5]。

将智能机器人与网球教学相结合，可以解决目前高校网球教学的一些困境。首先，智能机器人直接参与到网球教学中可以明显降低教师的工作量。在教学活动中，智能机器人可以直接充当陪练的角色，针对单一学生进行训练，提供发球、捡球、指正学生技术动作等功能。此外，机器人可以在课余时间继续工作。学生只需要提前预约即可在课余时间与机器人进行网球练习，一方面提升了网球场地的利用率，另一方面也可以提高学生的专业技巧。这样下来，教师可以有更多的时间和精力来提升自己的专业知识以及改进授课方式和内容，更好地将其反馈给学生。未来网球教学辅助智能机器人的发展方向主要会朝着视觉动态捕捉更加准确、机动性更强、性能更加强大方向发展。目前，通用计算平台的图像处理技术飞速发展，对图片中目标物的识别算法不断完善。智能机器人的采用的处理芯片性能相对较弱，计算能力不如通用计算平台。面对高速旋转的网球，机器人通过摄像头捕捉到的视频信号很难做到快速、实时处理，视觉动态捕捉性能较差，这在智能化网球教学中是需要改善的。其次，目前运动教学机器人机动性较差，往往只能靠伺服电动机驱动轮子进行移动。而在网球运动中，运动员需要高速移动调整位置，从而以较为有利的姿势进行击球。未来的网球教学机器人应该做到陪练员的功能，可以实际模拟运动员的运动轨迹，对网球的运动轨迹进行预先估计，然后快速的移动到相应的位置。这就要求机器人的机动性进一步改善。同时，网球教学机器人作为一个平台，还需要兼顾各个方面的功能，例如远程授课、代替教师完成部分教学活动、对学生进行考试评估等。作为集成性平台，功能越多，适用性越强[6]。

4 结束语

随着市场经济不断发展，人们的生活需求日益增长，各项体育运动开始引起人们的关注。网球运动以其特有的观赏性、竞技性和娱乐性开始进入人们的生活，各高校也开始了相关的教学活动。计算机和机器人技术的不断发展，使得智能化机器人开始出现。将其与网球教学活动相结合，可以改善高校目前的一些问题，提高教学质量。目前这些还处在初期阶段，未来网球教学智能机器人还应朝着机器视觉更加完善、机动性更强、功能更加强大的方向发展。