人工智能技术在中小学体育教育中的应用

摘 要：人工智能（AI）的迅猛发展正推动中小学体育教育的深刻变革。AI技术在体育教育中的应用涵盖了智能体育知识服务、动作技能学习、智能课堂教学、身体活动监控等多个领域。这些应用不仅提升了体育教学的科学性和个性化，还优化了学生的运动体验和健康水平。

关键词：人工智能；学校体育；中小学

中图分类号：G623.8 文献标识码：B 文章编号：1005-2410（2024）09-0081-03

一、人工智能的概念及发展概况

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是模仿人类智能的机器智能，分为狭义人工智能和通用人工智能[1]。其发展经历了几个重要阶段，1956-1974年，AI在专家系统和自然语言处理上取得显著进展；1974-1980年，机器学习开始受到关注；1980-1987年，AI技术广泛应用于机器人、自然语言处理和计算机视觉等领域；自2000年以来，互联网和大数据推动了AI在医疗、金融、教育和交通等领域的深入应用，尤其是深度学习技术显著改变了人们的生活和工作方式；到2022年底，美国OpenAI公司推出的ChatGPT更是将AI热潮推向了新的高峰。

目前，人工智能与体育的持续、全面、深层次融合，已成为推动体育事业发展的必然趋势。体育人工智能涵盖计算机视觉、数据挖掘与分析、生成式语言模型、智能可穿戴设备等多个子领域，通过感知、归纳、分析和挖掘人类运动数据，揭示人体运动规律，评估运动表现效果，制定科学运动方案，并研发辅助训练设备，从而提升体育运动表现，实现健身科学化和主动健康[2]。人工智能的飞速发展对教育行业产生了深远的影响，正在彻底改变教学环境[3]。在人工智能广泛应用于教育领域的整体推动下，人工智能技术的引入以及由此带来的智慧系统建设热潮，为学校体育注入了新的活力，体育教育正在经历一场深刻的变革[4]。

二、人工智能在学校体育中的应用

依托人工智能构建的体育教学生态系统，体现在体育教育管理、体育教师教学、学生体育学习三个关键维度[5]，能够帮助学生开展个性化的体育学习与训练，辅助体育教师提高教学质量，并协助管理者实现高效的教学管理，同时促进学校、家庭和社会的同向协力[6]。基于此，本文探讨人工智能在学校体育中的具体应用及未来愿景（图1）。

（一）智能体育知识服务

1.基于知识图谱和大模型的智能问答系统

智能问答系统结合领域知识图谱和大型语言模型（如GPT-4），利用深度学习算法生成流畅、准确的自然语言回答[7]。这些技术已在智能客服和医疗问答系统中广泛应用。在体育教育领域，这类系统可以提供详尽的运动技巧指导和个性化训练建议，依据学生的健康数据进行精准推荐。通过与学生的互动，智能问答系统不仅提升了教学的互动性和个性化，还增强了学生对运动技能的掌握，有助于教师提高课堂效率和教学质量。

2.人工智能驱动的动作技能学习与指导

此技术融合计算机视觉和深度学习，通过人工智能驱动的摄像头系统及配套分析软件捕捉并检测运动特征，利用深度学习算法识别分析运动姿势、动作精确度和运动轨迹[8]。系统能够实时提供个性化反馈，帮助学生纠正错误，提升运动技能，并生成分析报告供教师制定精准的训练计划。例如，在跳远或篮球投篮的训练中，系统能检测动作标准与否，并提供改进建议。这种应用提升了体育教学的科学性和个性化，增加了学生的课堂兴趣和参与度。

（二）智能体育课堂教学

1.智能教案推送系统

智能教案推送系统通过分析教学目标、学生需求和课堂反馈，自动生成和推荐个性化教学方案[9]。系统利用推荐系统、自适应学习系统和预测模型，为教师提供最合适的教案和活动安排。根据学生的体能水平、学习进度和兴趣爱好，智能推荐适合的教学内容。例如，针对体能较弱的班级，系统会推荐低强度训练计划；对有特定兴趣的班级，则推送专项技能训练。这种智能化教案推送不仅提高了课堂效率和教学质量，还节省了备课时间，增强了课堂的针对性和互动性。

2.AI教学视频库的构建与管理

AI教学视频库能够对教学视频进行分类、标记和索引，以实现高效管理和检索[10]。系统通过计算机视觉和机器学习技术自动更新和组织视频内容，支持精准视频推荐。教师可以通过系统快速查找与课堂内容相关的视频资源，例如，在教授跳远技巧时，系统可以推荐并展示标准的跳远示范视频。此系统提升了教学资源的可获取性和管理效率，帮助学生更直观地掌握运动技能，提高课堂教学效果。

3.智能运动负荷监控和运动行为监测

智能运动负荷监控和行为监测系统利用传感器精准监测学生运动行为和运动负荷，记录心率、步频、运动时长、活动频率和休息时间等数据[11]。通过数据分析，系统评估运动强度、效果及行为。例如，在长跑训练中，系统可以记录学生的心率和步频，并调整训练强度，确保训练的有效性和安全性。这种技术有助于教师实时调整训练计划，优化训练效果，并指导学生改进运动表现。

（三）智能身体活动监控

1.无感式身体活动监测系统

无感式身体活动监测系统利用先进的传感器技术（如无线传感器、红外传感器）和物联网设备，通过非侵入性手段连续、动态精准监测身体活动量数据（如步数、活动时长、运动强度）。系统自动收集用户的运动数据，分析活动模式和健康趋势[12]。该技术已在医疗健康领域应用广泛，在体育教育领域的应用也在不断扩展。在学校环境中可用于监测学生的日常活动水平，并激励学生保持活跃，促进健康习惯的养成。

2.多终端AI健身指导系统

多终端AI健身指导系统结合人工智能技术与各种终端设备（如智能手机、平板电脑、穿戴设备、健身器材），提供个性化的健身指导和训练计划。系统分析用户的运动数据、健康状况和训练历史，生成定制化运动方案，并确保在不同设备上实时提供建议和调整[13]。目前许多健身应用程序和智能健身设备已经集成了这种基于AI的个性化运动方案和训练反馈功能。在学校环境中，此系统可以提高学生课余时间的运动效率和自主性，增加运动的趣味性。例如，系统通过智能手机向学生推送每日定制的运动计划，并提供实时的运动指导和反馈，同时教师可以利用系统监控学生的运动数据，调整训练计划以满足个体需求。

3.AI体质测试系统

AI体质测试系统结合计算机视觉、传感器技术和机器学习算法，对学生进行科学的体质评估[14]。系统通过体质健康测试（如50米跑、800米跑、立定跳远、投掷等），实时收集和传输测试数据，并利用AI生成精准的评估报告和个性化训练计划。系统可用于定期体质评估，如学期开始时进行全面测试，并根据评估结果制定个性化的训练计划，以跟踪学生的体质变化和进步。此系统增强了体质评估的科学性和准确性，帮助教师优化体育教学策略。

（四）学校家庭社会协同平台

学校家庭社会协同平台整合了人工智能技术，包含数据采集、传输、处理和反馈模块。平台服务对象包括学生、家长、教师和医疗专业人员。学生通过可穿戴设备等记录身体数据，家长可以通过平台查看孩子的健康状况，教师利用平台优化教学，医疗人员提供健康建议。该平台促进了学校、家庭和社会的协同合作，提升了学生的健康意识和参与感，有助于全面提高身体素质和健康水平。

三、面临的挑战和未来展望

（一）面临的挑战

1.学生体质健康数据隐私和安全

学生体质健康数据通常涉及个人敏感信息，如身体状况、运动能力和健康历史，需严格保护以防未经授权访问和滥用。确保数据隐私遵循相关法律法规，并实施有效的加密技术和数据匿名化处理。数据安全同样重要，系统必须具备防火墙、入侵检测系统及定期安全审计，以防数据泄露和网络攻击。确保数据存储和传输过程中的安全，所有数据应加密传输并存储在安全的服务器上。

2.人工智能驱动评价中的伦理考虑

人工智能驱动的评价引发了关于自动化系统的可靠性和问责制的伦理考虑。虽然人工智能算法可以分析大量数据并提供准确的评估，但需要确保这些系统是透明的、可解释的和负责任的。学校和相关机构需要提供关于数据使用的透明信息，解释数据如何被收集、存储、处理和共享。必须制定指导方针和法规，以解决偏见、公平和对人类决策的潜在影响等问题。应制定伦理框架，指导人工智能在诊断中的使用，并确保根据人工智能建议做出的决策是知情和负责任的。

3.人工智能技术的实施

在学校教育环境中实施人工智能会带来一系列挑战。其中包括需要技术专长来开发和维护人工智能系统，确保不同系统和平台之间的互操作性，以及足够的计算能力和基础设施的可用性。此外，教育工作者和医疗保健专业人员可能会对变革产生抵制，并担心工作岗位流失。克服这些挑战需要仔细规划、培训和资源投资以及有效的沟通，以解决人们的担忧，并确保向基于人工智能的健康监测和评估顺利过渡。

（二）未来展望

1.智能化管理系统的推广

AI技术将推动学校体育管理系统的智能化升级。未来，智能体育管理平台将能够集成数据分析、资源管理和教学支持等多种功能，帮助学校实现高效的体育教学和管理。

2.跨领域技术的融合应用

未来的体育教育将看到AI与其他新兴技术的深度融合。计算机视觉、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等技术将与AI共同应用于体育教学中，例如，VR和AR技术可以模拟各种运动场景，让学生在虚拟环境中进行训练和技能练习，而AI则可以实时分析学生的动作表现并提供反馈。

3.促进教育公平与普及

人工智能的普及有望在不同地区和学校之间促进教育公平。通过低成本、高效能的智能教育解决方案，偏远地区和资源匮乏的学校也能获得优质的体育教育资源。AI技术的广泛应用将帮助缩小教育差距，实现更为公平的教育机会。

4.持续的技术创新和迭代

随着技术的不断创新，AI在体育教育中的应用将持续扩展和深化。此外，AI技术的普及将推动更多创新应用的出现，持续的技术创新将为体育教育带来更多可能性，使其更好地适应未来教育的发展需求。

三、小结

总之，人工智能在学校体育中的应用正在不断拓展，并展示了巨大的潜力。从智能体育知识服务、动作技能指导到课堂教学的智能化、身体活动监测以及学校、家庭和社会的同向协力，人工智能技术正为体育教育带来前所未有的变革。通过拥抱这些未来前景并有效利用人工智能，教育机构可以在促进学生的身心健康方面取得重大进展，为学生创造更加健康和充实的体育教育环境。

参考文献：

[1]KAPLAN A， HAENLEIN M. Siri， Siri， in my hand： Who’s the fairest in the land？ On the interpretations， illustrations， and implications of artificial intelligence [J]. Business horizons，2019，62（1）.

[2]霍波，李彦锋，高腾，等.体育人工智能领域关键技术的研究现状和发展方向 [J].首都体育学院学报，2023，35（03）.

[3]汤双霞.人工智能技术推动高职专业教育的变革与发展[J].现代职业教育， 2024（23）.

[4]蓝开辉.基于人工智能技术的高校体育智慧系统研究[J].西安文理学院学报（自然科学版），2021，24（02）.

[5]尹志华，郭明明，贾晨昱，等.人工智能助推体育教育发展的需求机理、关键维度与实现方略[J].成都体育学院学报， 2023，49（02）.

[6]曹宇，刘正.人工智能应用于体育的价值、困境与对策[J].体育文化导刊，2018 （11）.

[7]魏鹏飞，曾碧，汪明慧，等.基于深度学习的口语理解联合建模算法综述[J].软件学报，2022，33（11）.

[8]NADIKATTU R R.Implementation of new ways of artificial intelligence in sports [J].Journal of Xidian University，2020， 14（05）.

[9]JòRAYEVA S， AKMALXONOV S-F A. USAGE OF ARTIFICIAL INTELLIGENCE DURING LESSON PREPARATION [J]. Academic research in educational sciences， 2024， 5（CSPU Conference 1 Part 2）.

[10]BAI X， LI J. Applied research of knowledge in the field of artificial intelligence in the intelligent retrieval of teaching resources [J]. Scientific Programming， 2021， 2021（01）.

[11]TAN L， RAN N. Applying artificial intelligence technology to analyze the athletes’ training under sports training monitoring system [J]. International Journal of Humanoid Robotics， 2023， 20（06）.

[12]PASSOS J， LOPES S I， CLEMENTE F M， et al. Wearables and Internet of Things （IoT） technologies for fitness assessment： a systematic review [J]. Sensors， 2021， 21（16）.

[13]SHIRSAT T， MELASAGARE S， CHARATE B， et al. AI Fitness Trainer： Dynamic Motion Correction and Real-Time Feedback for Enhancing Self-Managed Workouts; proceedings of the 2024 International Conference on Intelligent Systems for Cybersecurity （ISCS）， F， 2024 [C]. IEEE.

[14]AI L. Artificial Intelligence System for College Students’ Physical Fitness and Health Management Based on Physical Measurement Big Data [J]. Wireless Communications and Mobile Computing， 2021， 2021（01）.

[基金项目：国家重点研发计划《全民健身信息服务平台关键技术的研究》，项目编号：2020YFC2006200）]