人工智能在中小学生身体活动监测中的应用

摘 要：国家一直都很重视中小学生的体质健康问题，北京市也积极响应国家号召，制定一系列体育与健康考核方案。在中小学体育考核中加入过程性评价，旨在优化考核机制。当前，在过程性评价中，主要问题是中小学生的身体活动量达到推荐量比例较低。本文正是为了解决这一问题，采用人工智能方法，通过连续动态监测，为学校体育改革和体质健康促进提供客观量化的数据支撑。

关键词：体育与健康；过程性评价；身体活动；人工智能

中图分类号：G623.8 文献标识码：B 文章编号：1005-2410（2024）10-0081-02

我国出台《国家学生体质健康标准（2014年修订）》，旨在促进学生体质健康发展，激励学生积极进行身体锻炼[1]，是学生发展核心素养体系和学业质量标准。2021年12月，北京举行教育“双减”工作第四场新闻发布会，发布《北京市义务教育体育与健康考核评价方案》，将国家学生体质健康测试结果计入中考，测试成绩获得良好以上，过程性考核即为满分[2]。本次改革探索科学制定运动量、运动强度等评价指标，让科学合理的锻炼得以实现和推广。

一、人工智能在中小学生身体活动监测中的作用

（一）评估学生身体活动量

中小学生身体活动量监测主要是对中小学生身体活动进行观察、分析、反馈、引导和激励，是体育与健康考核改革的重要评价依据。传统的监测和评价方式主要依赖考核成绩。在引入过程性评价后，中小学生每日的活动量计入过程性评价。而采用人工智能技术对中小学生日活动量进行持续性监测，解决传统考核无法进行过程性、连续性评价的问题，使得评价方式更为客观。

（二）中小学生身体活动量跟踪和报告生成

对于中小学生身体活动量进行数据采集之后，采用人工智能算法对数据进行整理，例如数据预处理、数据分析、数据可视化等操作，对重点人群如小胖墩、小眼镜等学生的身体活动量进行跟踪，观察其活动量是否达标，如图1所示。根据各种监测装备和设备采集的身体活动数据，智能生成学校、年级和班级群体和学生个人的身体活动报告。

（三）数据驱动学校体育活动评估

采用人工智能技术可以对学校体育活动（包括体育课活动与课间活动）进行评估。在体育课的活动中，采用人工智能技术对体育课的内容、练习密度、能量消耗等方面展开评估。对课间活动，采用人工智能技术对活动量进行评估，发挥课间活动的重要作用。

二、人工智能监测中小学生身体活动的方法

（一）基于传感器的监测方法

很多研究中，测量身体活动的方法主要有直接测量法、间接测量法、心率监测法和问卷调查法等[3]，但这几种测量方法中，有的设备昂贵、操作复杂，不适用于大规模连续性身体活动监测。运动健康领域的加速度运动传感器被用来进行身体活动监测，可获取有效数据进行分析处理，为运动健身提供科学依据[4]。但因其价格昂贵，需专业人员处理数据，且需佩戴于腰部，降低青少年的佩戴依从性，不适用于青少年身体活动监测。运动智能手环[5]通过与相应的手机应用软件连接，可直观地获取能量消耗、日常步数等身体活动指标数据，从而可有效监控长期或短期的身体活动。

（二）基于计算机视觉的监测方法

在传统的身体活动测量方法中，主要的方法有问卷调查法，但这种方法主观性强、效度低。基于传感器的方法中，如采用手环、心率带等方法需要随身佩戴传感器，其经济性、便捷性也较弱。

美国学者Carlson等将计算机视觉监测方法应用于学校、公园等场景下的身体活动水平测量[6]。采用计算机视觉对身体活动量的监测方法中，对监测对象的活动视频作为数据分析的依据，采用人工智能算法中的神经网络模型提取视频中的特征值，测试集用于估算身体活动的总人数和进行中-高强度活动的人数。该研究与国际上应用较为广泛的游憩行为观察系统[8]相比，误差更小、效度更高。

三、面临的挑战和未来展望

（一）人工智能应用的挑战

1.学生身体活动量数据隐私和安全

由于在采集学生身体活动量数据时，会涉及到年龄、身高以及体测情况等个人数据，因此需要与家长和学校、教育监管部门协商，签订数据隐私保护协议。在使用数据进行人工智能算法分析时，需要删掉个人信息，根据实际分析打包成模块，对数据进行脱敏，进而保护学生的隐私和安全。

2.人工智能驱动监测和评估中的伦理考虑

人工智能驱动监测和评估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[8]。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，指导人工智能在监测和评估中的使用，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.基于学校的身体活动监测方法的创新

传统问卷调查的身体活动监测方法、基于传感器的监测方法、基于计算机视觉的监测方法等，各有优缺点，但在身体活动监测需求不断增加时，单一的监测方法已不能满足实际需要，多维度的监测方法则可以解决这一问题。问卷调查方法虽然主观性强，但其采集方式较为便捷。传感器监测方法准确性虽然要比问卷调查好，但是学生佩戴时，会出现设备损坏或者不愿意携带等问题。而计算机视觉方法对于群体性的身体活动存在遮挡等问题。因此，需要几种方法相互配合，兼顾优缺点，并且结合学校教师的课堂记录等手段，对学生的身体活动进行多维度监测。

2.学校体育工作评价机制的创新

学校体育工作的考核和评价方式一直以来都是社会和教育管理部门关注的重点，同时也在不断地优化。从仅在中考升学时的考核，到不仅有升学考核并且加入四年级、六年级、八年级分阶段性考核，从分阶段性考核再到加入过程性评价，不断的改革是切合实际需求的，也是符合多维度多时段的评价，规避了单一评价的缺点。在今后的评价机制中，可以加入个性化的评价机制，以便更好地发掘学生的特长，也使得评价的机制更加灵活和多元化。

参考文献：

[1]张一民.切实提高学生体质健康水平——《国家学生体质健康标准（2014年修订）》解读[J].体育教学， 2014（09）.

[2]樊伟，李忠诚，马凌.北京市义务教育体育与健康考核评价改革思路及实施策略思考[J].体育教学， 2022，42（02）.

[3]唐高见，吕晓华.人体能量消耗的测量误差[J].中国组织工程研究与临床康复， 2008，12（02）.

[4]李爽，罗志增，孟明.基于加速度传感器的下肢运动信息获取方法[J].机电工程， 2009，26（01）.

[5]蒿莹莹，张琳，马晓凯，等.运动智能手环监测身体活动量的效度研究进展[J]. 上海体育学院学报，2019，43（04）.

[6]杨雨馨，温煦.基于计算机视觉的身体活动水平测量新方法[J].上海体育学院学报，2021，45（05）.

[7] Mckenzie T L， Cohen D A，Sehgal A，et al. System for Observing Play and Recreation in Communities （SOPARC）： Reliability and Feasibility Measures[J].Journal of Physical Activity & Health， 2006， 3 Suppl 1（supplement 1）：S208.

[8]段伟文.人工智能时代的价值审度与伦理调适[J].中国人民大学学报，2017， 31（06）.

[基金项目：北京市社会科学基金项目“北京市中小学日运动负荷监测与评价方法研究（22YTC038）]