体育教学中智能体育机器人融入的探索性研究

吕静 王铁新

中图分类号：G807   文献标识：A     文章编号：1009-9328（2021）09-061-05

摘  要  本文运用文献资料法、逻辑分析法和访谈法等对我国智能体育机器人助力体育教学改革的途径、潜在风险进行探索性研究。研究发现智能体育机器人助力体育教学能够从注重兴趣引导、丰富教学内容、强化损伤防控、实时过程监测、提升运动技能等几个途径促进体育教育增质提效，同时，在科技助力体育教学的过程中，应对体育精神本位弱化、用户隐私泄露被盗、事故责任划分不清的风险保持警惕。对此，研究建议加快科技助力社会发展的法律法规完善、加强智能体育教育高端人才的培养力度，以为未来智能体育产业和教育做好充分的准备。

关键词  人工智能  体育机器人  体育教学  个性发展  智能救护

一、前言

随着人工智能技术、计算机技术、5G通讯等科学技术的快速发展，机器人逐渐走向公众视野，成为时代热点。考虑到机器人技术可能产生的深远的社会影响，世界各国对机器人技术都给予了高度重视。美国、欧盟、日本等都不断加大对机器人相关技术的投资力度，到目前为止已进入实验和半商业化应用的服务型机器人共有7种约40余款[1]。我国政府也同样高度重视机器人技术的开发与研究。我国于2012年制定了《服务机器人科技发展“十二五”专项规划》扶持机器人行业的发展[2]。2014年6月，习近平总书记在两院院士大会上指出“机器人革命”有望成为“第三次工业革命”的切入点。2015年11月，在北京召开的世界机器人大会上，习近平总书记致信祝贺，同时李克强总理做出批示，显示了国家领导人对机器人技术的高度重视。在2017年7月，国务院发布了《新一代人工智能发展规划》，机器人和人工智能技术正式成为国家战略[3]。

在世界各国普遍重视机器人技术的背景下，机器人将对人类社会的各个方面产生深远影响。目前，机器人的巨大优势已开始在工业、农业、服务、交通、医疗和军事等领域初见端倪，释放社会变革和科技革命蕴含的巨大能量，这势必深刻改变人类生产生活方式和思维方式，成为我国更快速、更健康发展的重大推动力。教育乃强国之本，科技助力教育一直是我国教育领域的重点，2019年5月，教育部部长陈宝生表示，要发挥好、利用好人工智能技术在推动学校的教育教学和学校治理方式的变革，要以智能技术创新人才的培养模式，改革教学方法和教育评价体系。另外在中国政府发布的《中国教育现代化2035》[4]中指出，全面谋划在人工智能时代教育的中长期改革发展蓝图，这将指引中国教育朝着更高质量、更加公平、更有效率、更可持续的方向发展。机器人与教育的结合是科技革命与社会变革的必然趋势，势必将推动学校教育教学变革和学校治理方式变革的发展。强国必先强民，体育作为教育的重要组成部分是促进受教育者身心和谐，全面发展为”全人”的过程[5]，对于培养人民健康意识，艰苦奋斗的精神至关重要。将机器人技术有机融入体育教育必然是推动体育与时代共同进步的重要一步，其战略意义不言而喻。2011年，国家体育总局将机器人运动纳入国家社会体育项目。2019年9月，国务院办公厅发布《体育强国建设纲要》[6]，明确提出通过人工智能加快体育变革与创新，促进体育产业发展和提质增效。然而，我国机器人与体育教育相结合的研究成果却寥寥无几，机器人对体育教育会产生哪些影响，如何应对这些影响，学术界尚缺乏相应研究，亟待更多、更深入、更细化的系统研究。本文试图从体育机器人助力体育教学的途径、风险和建议三个方面探索机器人与体育教育的结合，以期为机器人在体育教育中的应用提供参考。

二、智能体育机器人的研发与市场应用现状

人工智能是计算机科学的一个分支，其主要研究如何让计算机完成人类心智所能做的事情[7]。智能机器人则是以人工智能技术为核心，结合机械设计、计算机、自动控制、人机交互、仿生学等使得机器人在行动上表现出与人类似的智能。一般認为智能机器人至少要具备以下三个要素：一是信号的输入，也就是感觉要素，用来认识和感知周围的环境状况;二是信号的处理，也就是思考要素，用来处理感觉要素得到的信息，思考出采用什么样的动作;三是信号的输出，也就是运动要素，对外界刺激做出反应性的动作。智能机器人既可以直接接受人的指挥，也可以运行提前编好的动作程序，还可以根据人的纲领性意志行动。

智能体育机器人是掌握了体育理论知识和动作实践，而且能够与人互动，推动体育发展的智能机器人。人形智能体育机器人在外形、技能和交互上具有很高的拟人化特征[8]。首先，智能体育机器人的形态与人十分类似，也就是说智能体育机器人具有头脑、躯干和四肢等与人身体结构类似的组织结构;其次，智能体育机器人可以基于其类人的形态和其所掌握的体育知识，具备类人的动作表现力和控制力;最后，智能体育机器人在动作表现和控制时，具备与人的互动能力，增强人机关系。

近几年随着人工智能技术的迅速发展，体育机器人参与体育运动和比赛早已不是新鲜事情。借助高速摄像机进行物体姿态动作捕捉，通过人工智能算法预判物体运动轨迹，为乒乓球、羽毛球、足球、高尔夫球等体育机器人的设计提供了可行思路。2016年4月25日下午，李克强总理在成都菁蓉创客小镇与羽毛球机器人“切磋”球技，双方打了两个来回打成了平手[9]。经过多年发展，2020年广西公益性体育赛事和活动中，专门设立了“人机大战”羽毛球机器人挑战赛[10]，与手握球拍的智能机器人隔网切磋已逐步走向普通大众。2017年“姚明机器人”亮相世界机器人大会召开，姚明机器人具备精准视觉定位系统，在7米距离内的“三分球”近乎“百发百中”。LDRIC是一台高尔夫机器人，可以完成一杆进洞，这台机器人由“高尔夫实验室”开发，用来测试不同的高尔夫技术和装备[11]。FORPHEUS是一款能够与人连续对打的乒乓球机器人，第三代FORPHEUS除了原有的根据球手发球的轨迹和强度来控制回球的功能之外，还借助人工智能技术掌握了新的绝技，可以记住球手的特征和球的轨迹的基础上，通过连续对打来提高球手的水平[12]。此外，在上海体育学院中国乒乓球学院的训练馆里，已批量投入市场的乒乓球机器人庞伯特可以挥舞着机械臂为小球员做发球训练[13]。日本本田研制的机器人Asimo不但能跑能走、上下阶梯，动作灵巧，甚至还会踢足球，让机器人踢足球的想法由来已久，目前FIRA国际机器人足球联合会和ROBOTCUP国际机器人足球世界杯赛是世界上最有影响力的机器人足球赛事组织，不断致力于推动足球机器人技术的发展。

目前，体育机器人参与体育运动和比赛的报道比比皆是，以“羽毛球机器人”“乒乓球机器人”“网球机器人”“篮球机器人”“足球机器人”等关键词可以在网络上找到大量人机对战的报道和视频。然而，目前人工智能及机器人技术尚未成熟，当下体育机器人智能度还不高，不能实现与人之间的自然互动。因此，目前体育机器人主要专注于技术层面，相关报道大多渗透着较为浓厚的娱乐性质，而对于体育精神的关注尚且不足。随着人工智能技术的快速发展，智能体育机器人的智能化程度越来越高，其姿态、动作表现力和控制力越来越强，与人的互动也将更加自然，人们将更多的关注通过体育机器人所传播的体育精神。那时，智能体育机器人必将对整个体育领域和产业产生颠覆性的影响，也会对体育教育形式与理念提出更高的要求。本研究探索智能体育机器人对体育教学改革的影响，相关成果可为未来智能机器人背景下的体育教育改革提供参考。

三、智能体育机器人对体育教学改革的促进

智能体育机器人主要可以通过以下几种途径促进体育教学改革。

（一）兴趣引导，注重个性发展

个性化教育是进行教育创新的基础和关键，2020年10月中国青年报《迈向大规模个性化教育》一文指出，个性化教育是深入贯彻素质教育的客观要求，更是智能时代教育变革的必然趋势。在教育改革实践中，“学校规模化教学”与“学生个性化需求”之间的矛盾仍然是我国当前面临的教育主要矛盾之一[14]。现代学校教育由于应试升学要求高、班级人数规模大、学生课业负担重，以及教师能力有限等原因，难以准确把握每个学生的个性特征和差异，难以为不同的学生制定不同的、个性化的教学方案。

在人工智能技术快速发展的时代背景下，用高新技术赋能破解现实难题是教育改革的有效途径。智能体育机器人结合5G技术、云服务平台，可以针对每个学生的心智、体育技能、知识、兴趣、生长环境等特点进行全面综合分析。通过大数据深度学习算法，为每个学生定制差异化的、个性化的培养方案，激发受教育者的兴趣和学习的主动性。而这些在传统教室里面利用讲座或者教材的阅读是无法实现的。

（二）内容丰富，训练动作精准

体育教育经过长期的演化和发展，目前存在的体育项目极其繁多。2008年北京奥运会比赛项目共计28个大项、302个小项。以人类的记忆和能力，要实现体育项目教学的全面性是几乎不可能的。体育教育者只能掌握几个项目的相关知识和动作技能，但是受教育者的兴趣、体质不同，适合每个人的体育项目也不一样，这势必导致受教育者的个性无法发挥，受教育过程中兴趣和积极性不高。此外，传统体育运动训练多以经验指导为准，主观、机械式训练为主，缺乏客观、科学的标准指导，难以发挥训练者自我机体的多方位调节机制[15]。而且，人类由于肢体空间感、技能表现力、年龄和身体素质等方面的不同，动作风格也难以达到精准。

智能体育机器人助力体育教学，可以在机器人的编程阶段，通过精确算法实现动作精准与风格统一。在体育训练过程中，排除经验性和主观性指导的不准确性，通过客观的、科学的标准化指导充分发挥每个训练员自我机体的全方位调节机制。另外，机器人不会遗忘，随着目前半导体存储器的发展，很小的芯片便可以存储大量体育训练项目，推动教学内容的全面性发展。训练人员可以根据自身的体质特点、兴趣爱好等有选择地针对性训练，不仅利于训练人员的个性化发展，而且可以提高其积极性，利于其身心协同健康发展。

（三）损伤防控，实施科学救护

在进行体育运动锻炼或训练时，当机体难以承受相应运动负荷或因外力作用无法完成技术动作时，极易出现各类运动损伤，如急性的肌肉拉伤、关节脱位、骨折、骨裂、皮肤擦伤、出血、昏厥、休克甚至猝死等意外伤害事件[16]。此外，训练人员思想麻痹，准备活动不充分和学习方法不严谨等也会导致意外的运动损伤。中华医学会运动医疗分会候任主委、复旦大学附属华山医院的运动医学科主任陈世益教授表示，运动损伤当前发病率占10%～20%，并且逐年升高。当发生运动损伤后，如果不能得到及时、正确的救治和护理，或者救治和护理方式不当，便会导致二次损伤、伤情恶化，甚至严重的后遗症等发生，导致重大人身伤害事故。

智能运动机器人可以通过各种传感技术，实时监测训练人员的心率等生理指标变化，一旦出现异常，立即发出预警并给出建议措施。通过将机器人技术与高速计算、机器学习、深度学习和5G通讯结合，智能体育机器人可以实时地识别、记录人体运动姿态，通过对人体各部位的加速度、角速度、重心变化等因素进行综合分析，预判训练员的姿态变化，防止如跌倒等意外状况发生，从而很大程度上降低运动损伤的风险[17]。目前，在运动跌倒风险监测记录中，SVM算法的精度已经可以达到95%[18]。此外，如果运动损伤发生，智能体育机器人也可以根据已记录的数据和自身携带的监测技术，第一时间确定损伤部位和程度，做出科学合理的救护措施，避免人类救护员因无法快速判定损伤部位，或者救护经验缺乏，甚至盲目救护等导致救护不及时、不正确而产生二次伤害和后遗症等问题。

（四）过程监测，反馈及时准确

基于计算机视觉和智能传感等技术，智能体育机器人可以对受教育者在训练过程中的心率、肌肉疲劳、情绪等特征变化进行实时检测，并将监测结果反馈给教师。教师可以基于监测结果了解受教育者的技能水平，动态调整授课方案及内容。对于集体性运动项目，智能体育机器人可进行战术分析预测，全面考虑不同队员的体质和技能条件，优化团队战术。

（五）智能陪练，促进技能提升

智能体育机器人可以打破体育运动在人与人之间的限制。对于普及度很广的乒乓球、羽毛球和网球等运动，目前只能够局限于人与人之间的合作。这就导致在实际教学训练过程中要受到受训人数、技能差异等问题的限制，如果搭档之间的技能水平差异太大，必然导致受训人员兴趣低下，学习主动性不高，技能水平難以提升。智能体育机器人可以根据个人技能水平和需求，设计不同的动作和难度，解决训练搭档的技术性差异问题，促进体育教学增质提效。

四、存在问题

（一）体育精神本位弱化的风险

人类文明的发展始终离不开教育，高水平的教育发展则离不开科技的助力。在人工智能技术快速发展的时代背景下，用高新技术赋能破解现实难题是教育改革的有效途径。智能体育机器人助力体育教学改革，推动体育发展是科技发展与社会变革的必然趋势，能够激发受教育者的兴趣，寓教于乐。但是体育的功能不仅仅是休闲娱乐，还包括多重社会和文化意义[19]。任何科技产物都是一柄双刃剑，从以往智能电脑、互联网、智能手机、智能平板等技术发展与教育融合的经验看，智能体育机器人助力体育教学存在演化为过度突出机器人在娱乐性、冲击感和体育暴力，而体育精神被忽视的可能。

（二）用户隐私泄露被盗的风险

互联网、大数据等技术的高速发展给人类生活、学习和工作等方面都带来了便利，但随之而来的个人隐私泄露、被盗等问题也导致用户遭受巨大的财产损失，甚至人身威胁。近几年，网站、手机App等用户隐私泄露事件屡见不鲜，信息安全问题也成为当前社会的危险因素之一。智能体育机器人结合5G技术和云服务平台，既可以设计个性化教学内容和方法，也可以实时评估运动损伤风险，进行科学救护。这些都是以包括受训人员个人信息在内的大数据为前提和基础的信息一旦被泄露，很可能被无良商家出卖获利，也可能被不法分子加以利用，从事诈骗、非法讨债甚至绑架勒索等犯罪活动，对平台用户带来巨大的人身财产威胁。

（三）事故责任划分不清的风险

由于技术本身的缺陷，或者使用者使用不当，都会导致高新技术在应用过程中存在风险。智能体育机器人和其他科技产品一样，无法做到绝对安全，尤其在尚无统一的技术路线和产品理念的情况下，各大公司所研发生产的机器人质量参差不齐，在使用的过程中难免存在发生事故的风险。而事故一旦发生，如何明确责任主体及原因，机器人、制造商和用户之间的责任如何划分等便成了亟需解决的关键性问题。另外，随着人工智能技术的深入发展，机器人在技術的控制下将会表现出越来越高的自主性，涉及机器人与人交互中事故责任的分配问题将会越来越多，这对于本来就尚未健全的法律体系更是雪上加霜，需要我们深入思考。

五、解决策略

（一）加快科技助力社会发展的法律法规完善

法律制度是科技发展健康服务社会的重要保障，如果法律制度跟不上科学技术的发展，将导致科学技术滥用，危害社会安全。

目前，世界上很多国家都颁布了若干针对人工智能和机器人应用的治理政策。2015年1月欧盟议会法律事务委员会成立专门的小组，负责调查研究与机器人和人工智能领域发展相关的法律问题。2016年10月，发布《欧美机器人民事法律规则》。2018年4月，英国议会下属的人工智能特别委员会发布《英国人工智能发展的计划、能力与志向》。我国也曾在2017年7月，颁布《新一代人工智能发展规划》，其中明确要求要“健全与人工智能应用相关的民事与刑事责任确认、隐私和产权的保护、信息安全利用等法律问题研究，建立追溯和问责制度”[3]。2019年6月国家新一代人工智能治理专业委员会发布《新一代人工智能治理原则—发展负责人的人工智能》，明确提出人工智能应用的八项原则，这些政策文件为人工智能及机器人的应用提供了法律保障。随着人工智能与机器人技术的快速发展，未来科技产品的自主性越来越高，所涉及的法律和伦理问题越来越复杂。法律制度应随科学技术的发展不断完善，目前关于机器人是否应当拥有权力、道德能力如何构建以及道德责任如何界定等法律和伦理问题尚未解决，仍需要我们深入思考。

（二）加强智能体育教育高端人才的培养力度

智能体育机器人助力体育教学并不意味着体育教学将完全依赖于科学技术，否则将导致体育精神的丧失。智能体育机器人助力体育教学仍要以人为本，通过科学技术增质提效，因此人才的培养永远是最关键的环节。在我国人工智能产业强劲的发展浪潮中，研究和应用人工智能技术的企业数量不断增加，人才需求在短时间内激增，然而我国人工智能技术发展较晚，目前处于一种“行业火爆，人才稀缺”的状态[20]。国务院在印发的《新一代人工智能发展规划》中预计当前在我国人工智能的产业领域，有效人才的缺口达到近30万。智能体育机器人技术不仅涉及机械设计、计算机、自动控制、人机交互、仿生学等多个理工类学科，还与体育教育、伦理等人文领域存在很大交叉，该方面的人才更是稀缺，远远无法满足智能体育发展的需求。在此背景下，我国智能体育教育产业的发展需要加快对人工智能在体育领域人才的培养以及引进力度，为将来的智能体育产业的快速发展做好充足的人力储备。

六、结语

随着人工智能、5G通讯等技术的快速发展，机器人技术已逐步在各行各业释放出巨大能量，为社会发展带来新的挑战和机遇。智能体育机器人助力体育教学改革，催动体育发展是在科学技术迅速发展的时代背景下，社会环境变革和教育发展需求的必然趋势。本研究详细阐述了智能体育机器人助力体育教学改革的主要途径，并提出应当警惕体育精神本位弱化、用户隐私泄露被盗、事故责任划分不清等风险。随着机器人的智能化程度越来越高，我国应当加快科技助力社会发展的法律法规的完善、加强智能体育教育高端人才的培养力度，进而为未来的智能体育产业和教育做好充分准备。

参考文献：

[1]智能制造网.服务机器人市场发展综述及细分领域发展情况[EB/OL].https：//www.gkzhan.com/news/Detail/112660.html.

[2]中华人民共和国科学技术部.关于印发服务机器人科技发展“十二五”专项规划的通知[EB/OL].http：//www.most.gov.cn/tztg/201204/t20120424_93836.htm.

[3]中华人民共和国中央人民政府.国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知[EB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm.

[4]中华人民共和国中央人民政府.中共中央、国务院印发《中国教育现代化2035》[EB/OL].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-02/23/content_5367987.htm.

[5]马文博，马敬.人工智能在体育教育领域中的应用与展望[J].体育成人教育学刊，2020，36（06）：42-45+99.

[6]中华人民共和国中央人民政府.国务院办公厅印发《体育强国建设纲要》[EB/OL].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-09/02/content_5426540.htm.

[7][英]瑪格丽特·博登.AI：人工智能的本质与未来[M].孙诗惠译.北京：中国人民大学出版社，2017.

[8]迟善娇.排舞智能机器人推广创新研究[J].通化师范学院学报，2020，41（06）：91-95.

[9]中华人民共和国中央人民政府.李克强与成都菁蓉创客小镇机器人“切磋”羽毛球[EB/OL].http：//www.gov.cn/guowuyuan/2016-04/26/content_5067800.htm.

[10]广西壮族自治区体育局.2020年广西公益性体育赛事和活动[EB/OL].http：//tyj.gxzf.gov.cn/gkxxgl/zdlyxxgk_83544/t6592721.shtml.

[11]腾讯科技.这台高尔夫机器人一杆进洞追平老虎伍兹成绩[EB/OL].https：//tech.qq.com/a/20160211/000245.htm.

[12]OMRON.乒乓球机器人秀神技人类与机械相互融合新纪元即将开启[EB/OL].https：//www.omron.com.cn/technology/story3.html.

[13]中国青年报.当体育遇上人工智能[EB/OL].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1683154110163867972&wfr=spider&for=pc

[14]刘邦奇.迈向大规模个性化教育[N].中国教育报.http：//paper.jyb.cn/zgjyb/html/2020-10/24/content_585830.htm？div=-1.

[15]聂志强.体育运动辅助训练机器人技术的研究现状与应用展望[J].运动，2019（03）：136-138.

[16]李加鹏，王嵘，苏利强，等.高校体育运动损伤现场救护技能教学研究[J].福建医科大学学报（社会科学版），2020，21（04）：84-88.

[17]路来冰，王艳，马忆萌，等.基于知识图谱的体育人工智能研究分析[J].首都体育学院学报，2021，33（01）：6-18+66.

[18]LUSTREKM，CVETKOVICB，JANKOV.Monitoringpatients’lifestylewithasmartphoneandotherdevicesplacedfreelyonthebody[C].EuropeanConferenceonAmbientIntelligence，2014.

[19]王相飞，王真真，延怡冉.人工智能应用与体育传播变革[J].上海体育学院学报，2021，45（02）：57-64.

[20]费毛毛.我国人工智能产业人才需求分析及展望[J].人民论坛，2019（24）：92-93.

★通讯作者：王铁新（1965-），男，山西绛县人，硕士，教授，研究方向：体育心理学、民间体育和民俗体育。

★课题项目：基于生态学视角的村落民俗体育发展环境评价模型及其实证研究，项目编号：18YJA890022。