我国学校体育线上线下混合教学云平台的设计研究

摘要：为了缓解偏远地区优质体育教育资源匮乏的现状，落实优质体育教育资源均衡发展，本研究以体育线上线下混合教学云平台的设计为例，研究其关键技术的构成。以项目设计功能模块组为切入点，讨论包括线上线下混合教学平台、数据中台、评价体系、教学过程分析平台、管理与教学驾驶舱、教育管理统一门户、教育应用生态系统，搭建从云端到体育教学场所端的整体解决方案，对提升我国学校体育信息化的发展速度具有积极的推动作用。

关键词：学校体育；线上线下混合；教学云平台

中图分类号：G85 文献标志码：A 文章编号：1001-2443（2024）05-0486-08

为了更好地落实《关于深化体教融合促进青少年健康发展的意见》，解决我国不同区域的学校体育教育质量发展水平梯次性、差异性问题，缓解偏远地区优质体育教育资源匮乏的现状［1］。互联网+体育教育线上线下混合教学云平台的应用，旨在将人工智能及大数据技术与体育教学活动为核心的深度应用融合为引擎，搭建从云端到教学场所端的整体解决方案，从而加快我国学校体育信息化的提升速度，推进落实优质体育教育资源均衡发展，实现体育教学模式的变革。

1 核心概念界定与现状述评

线上线下混合式教学是信息技术与传统课堂教育相混合的一种全新教学模式，是指教师利用互联网、移动终端、录播课堂、双师课堂等现代信息化技术，构建线上线下混合多种创新教学模式。这种教学模式需要综合运用不同的学习理论、技术手段和应用方式，对教师的教学资源建设、教学设计和教学管理提出了更高的要求。

国内最早正式倡导混合式教学模式的是北京师范大学的何克抗教授，他认为混合式教学模式把传统教学方式的优势和网络化教学的优势结合起来，既发挥教师引导、启发、监控教学过程的主导作用，又充分体现学生作为学习过程主体的主动性、积极性与创造性［2］。2015 年之后，我国学者们开始关注混合式教学的应用和实际教学效果方面的研究。冯昕烨基于“雨课堂”平台对混合式学习模式进行构建；周丽景基于“超新星”平台以学生知识需求为中心，获得能力为导向确定了线上线下混合式教学模式；李富芸提出基于学习活动的混合式学习模型；白文倩提出关注为学习活动提供资源支持的教学设计模式；黄志芳基于深度学习理论，以学习者为中心构建了面对面线下学习与线上MOOC 平台相融合的混合式学习模式。

国外方面，2001 年美国 Elaine Voci 和英国 Kevin Young 首先明确提出混合式教学这种融合网络教学和课堂教学的均衡教学方式。随后，美国 Carol A.Twigg 博士提出 PCR 模式——补充模式、取代模式、中央市场模式、完全线上模式、自助餐模式［3］；2020 年，Jared Stein 总结混合式教学发展过程，建议从结果开始混合式教学设计，通过评估设置在线学习环境、线上学习活动以及线下学习活动，并不断改进混合式教学。英国、新加坡、美国等国家 50%以上的高校教师采用混合式教学方式。

2 教学云平台的关键技术

本研究以项目设计功能模块组为切入点，讨论包括教育线上线下混合教学平台、教育数据中台、教育评价体系、教学过程分析平台、管理与教学驾驶舱、教育管理统一门户、教育应用生态系统，同时项目建设将与现运行的教育应用平台实现对接，实现数据上的互联互通，提供互联网+教育线上线下混合教学应用。

项目计划按照“云网端”思路，关键技术按照“五个1 + N”，即“1个线上线下混合教学云平台、1个数据中台、1套教育评价体系、1个教学过程支持平台、1个统一门户和N个应用”的总体架构设计，并与现有信息化系统进行数据互联互通，从而实现多端兼容与多端互通。

2.1 教育数据中台

通过大数据存储计算、数据交换、数据治理及统一运维监控等能力的建设，为建设集大数据汇聚、数据清洗、数据存储、数据建模分析、数据可视化、运维监控等各项基础能力，同时具备开放的数据服务接口能力的全域教育数据中台。消除信息孤岛，同时通过数据深度挖掘、分析形成专题数据库，为大数据决策分析提供支撑，最终形成教育数据资源“聚、通、用”体系（图1）。

2.2 体育教学评价体系

依据国家有关政策标准和教育学理论，制定具有我国特色的体育教学评价指标体系（图2）。结合各个学校体育教学的实际需求，制定覆盖学生、教师、学校各年级和学段的公共体育教学评价指标组合体系。包括体育认知、体育行为、体育技能等多维度评价方式，充分体现素质教育要求、以学生发展为核心、科学多元的体育教育测量评价体系。面向学生的评价将依照教育部颁布的 “中国学生核心素养体系”“体质健康测试标准”等科学研发。涵盖学生课堂体育成绩、体质健康达标等级、课后体育锻炼、运动技能等级评价等评价维度。

2.2.1 教师专业发展评价 结合教学过程、教研活动的应用，开始试点我国体育教师专业发展评价体系，是以事实数据为基础，采用相对评价、增值评价、发展评价相融合的多维度评价模式，主要从教师教学质量、教师教学能力、教师科研能力、教师学习能力、师德师风、学生感受评估、教师心理健康等方面对教师发展进行全面评估，可以更加科学合理、公正公平、客观准确地提供全面的评价结果。

2.2.2 学校体育发展评价 面向我国学校体育整体宏观层面进行评价，主要包括体育教育规模、体育教育经费投入情况、体育教育资源均衡等维度。通过对各类体育教育资源、体育教育供给、体育教育需求、体育教育产出数据的统计分析、年度间时间序列发展趋势分析、区域间比较分析、学校间比较分析，对达标情况、供需匹配、均衡、效能等宏观、中观问题进行分析，为我国体育教育资源规划提供可视化呈现，为决策提供依据。

因此，在上述众多的评价指标中，“运动技能提升情况”“学生体质健康状况”“师德师风”“教师教学能力”等能够对学生的学习过程、课后锻炼、运动能力进行清晰反馈，对教师爱岗敬业，依法执教、严谨治学的能力进行精准评估的指标及数据模型是整个评价体系的核心。

2.3 可视化教学支持平台

本平台将涵盖我国不同区域的大中小学，在不同学段中结合智能化运动设备与云平台构建多层次动态线上+线下教学体系，将以学生/教师为核心，从“教”“学”“考”“评”“管”五个维度构建包括学生品德表现、学生运动技能水平、学生体质健康、教师师德师风、教师教学能力、教师教学质量、教师教学科研等多个大维度的特色教育模型，通过可视化教学支持平台、设备智能化管理平台以及学习行为信息化平台综合实现数据采集、分析，实施全过程动态体育教学及体育教学质量评价，实现标准化、精细化、可视化的教学改进、教育管理和科学决策支持。通过对数据的横向和纵向深度分析，在区域和学校层面形成教学分析体系（图3）。

2.4 管理与教学驾驶舱

管理与教学驾驶舱基于线上线下混合教学模式，进行大数据统计、分析的交互可视化系统（见图4）。将线下体育教学场所结合平台上的应用，可按运动项目、班级、学校等，经过多维度、多层面的对比分析从而形成多样化的图表数据为教务管理人员、校级管理人员等提供不同权限、不同层次的可视化教学数据。在传统校园体育教育基础上构建一个数字空间，以拓展现实体育教育的时间和空间维度，提升传统体育教育的管理、运行效率及教学质量［4］。

管理与教学驾驶舱旨在通过情景测评采集多元数据的服务。支持各个项目的运动技能、体质健康测评及考试组织和参与，对象覆盖学生、教师、校长、管理人员，通过主体多元评价，全面呈现各相关群体理念、水平、状态，并进行相关性分析，同时将数据传递到数据中台进行数据存储、清洗、分析挖掘。该应用可支撑每一所学校，实现各类线上专业体育教学的评价项目。对管理者、教师、学生各角色，以及学校实施基于体育教育测量技术的结果评价、过程评价、增值评价、综合评价。是各类体育教育测量评价项目的管理、实施平台，为学校体育教育提供宝贵的深度教育测量数据。

通过管理与教学驾驶仓的体育教育数据分析，遴选优质学校为名校网络体育课堂基地校，创建网络学校，开设名校体育网络课堂；各校优秀教师精品学习资源，开设体育在线课程等，组织各优质学校同薄弱学校结对帮扶，向薄弱学校开放优质网络体育教育资源，构建校际体育互动教学，以携手同步发展。

2.5 线上线下混合教学云平台的结构

线上线下混合式教学平台的建设，意在消除传统体育教学的时空阻碍，改变传统的教与学的方式，解决优资师资和教学资源不匀衡问题，提升课堂教学质量，将不同项目运动水平的学生和教师组成共同体，高效地开展体育教学。各个运动项目的老师可以通过在线授课或答疑，与学生实现“面对面”的交流和指导，共同参加各类体育教学活动。

该模块将采用多种技术支持，实现备课、教学、答疑、锻炼、评测、评价、反馈等教育线上全场景再现，可以不局限于特定的学校、班级、班额，可以不受制于时空限制，可以采用不同的学习进度，让不同学习能力学生自主选择相应的学习内容与资源。课程内容还可以通过点播、回放相关视频资源等方式反复学习巩固，满足了不同学生对于同一学习内容需要不同的学习时间的学习差异需求等。学生利用线上网络平台完成自主学习。利用线上极大丰富的教育资源，不同风格的名师教学活动在网上提供菜单式选择，学生在教师指导下利用教育资源形成个性化培养方案，实现时时可学、处处能学、人人皆学。实现“双师课堂”“线上线下混合教学”多种模式教学应用；最大化因材施教促进学生自由和全面发展，切实消除优质教育资源不均衡，为教学、教研质量同质化建设、发展提供支撑和保障。

线上线下混合教学云平台的层级结构自底向上分别为：基础设施硬件层、数据存储处理层、平台应用层。三个层级环环相扣，较低层级是较高层级工作的基础（见图5）。

2.5.1 基础设施硬件层 基础设施硬件层包括支撑数据存储处理层、平台应用层的服务运行所需要的服务器、路由器、交换机、数据库等网络基础设施和用于采集学生体感数据的运动传感器、数据采集装置等物联网设备。

网络基础设施的配置如下：服务器用于搭建教学云平台的用户交互界面展示和后端数据分析处理系统；数据库用于存储老师和学生的基本信息、课程信息、成绩信息等；路由器和交换机中的防火墙策略、IP映射规则、VPN访问通道用于向学校内网和公网提供访问云平台的通道，让用户可以在学校以外的地区方便快捷地访问教学云平台。

各种物联网设备，如可穿戴运动手环/手表、佩戴式运动传感器、智能运动设备、智能健康检测设备等是教学云平台线上和线下有机结合的重要组成部分。在传统的教学云平台中，平台虽然提供了学生身体健康数据和课程成绩存储系统的功能，但是这些数据需要教师手动从纸质的成绩表单中录入系统，效率较为低下，没有做到线上线上的有机结合。随着5G网络和物联网的蓬勃发展，“万物互联”的信息化社会已见雏形。物联网是在传统的计算机网络的基础上，以其内部的嵌入式系统所提供的协议使用蓝牙、红外射频、超频宽无线通信技术等通信方式与周围支持相同协议的设备进行连接和通信，实现信息传递、物体追踪、物体监测等功能。将物联网用设备融入体育课程的线下教学中，可以达到教学智慧化、教学效率最大化的效果。国务院出台的《物联网新型基础设施建设三年行动计划（2021—2023年）》中指出：“到2023年底，在国内主要城市初步建成物联网新型基础设施，社会现代化治理、产业数字化转型和民生消费升级的基础更加稳固。具体发展目标体现为‘五个一’，突破一批制约物联网发展的关键共性技术，培育一批示范带动作用强的物联网建设主体和运营主体，催生一批可复制、可推广、可持续的运营服务模式，导出一批赋能作用显著、综合效益优良的行业应用，构建一套健全完善的物联网标准和安全保障体系。”而在体育线上线下混合教学云平台中引入物联网设备，则是物联网设备在教育行业的一个可复制、可推广、可持续的生动实践，符合国家发展要求。

由于体育课程有运动认知性的特点，与文化课相比更为注重实践，因此引入物联网设备可以采集学生的运动信息，有效反馈体育教师的教学。学生在体育课上运动时佩戴提前录入个人信息的智能手环和穿戴式运动传感器等物联网设备，设备可以记录其运动全程的生物体征信息（心率信息、压力信息、体温信息等）和特定运动评价指标（步频、步幅、冲击负载率、击球次数等）。课程结束后，教师将发放给学生的物联网设备统一回收，使用专用数据设备将运动数据录入教学云平台中，也可以由物联网设备自行上传至平台中。此方法也可以用于学生体质测试信息的采集。相较于传统的手工录入，物联网设备间便捷的数据传输方式大大降低了教师的工作量，使教师有更多时间专注于教学，同时采集到的学生健康和运动数据也更为详细。

2.5.2 数据存储处理层 国务院印发的《中国教育现代化2035》中指出，以人工智能为代表的信息技术对教育发展具有促进作用与革新价值［5］。使用人工智能技术赋能体育教育，促进学生培养向着科学化、个性化发展，探索在人工智能技术加持下的智慧教学形态，是混合教学云平台的理念之一。而数据存储处理层的设计则是该理念的生动体现之一。

数据存储处理层属于混合教学云平台的线上部分。该部分由数据库和数据处理服务器构成。数据存储处理层根据基础硬件设施层中物联网设备的嵌入式系统的协议特点和数据传输方式，设计数据传输接口和命令交互接口。物联网设备通过数据传输接口向数据存储处理层传输学生的健康和运动信息，并将原始数据存储到数据库中。数据存储处理层也可以通过命令交互接口操纵对应的物联网设备，执行数据重传、数据清除、设备批量初始化等操作。然后，数据处理层将采集到的数据使用人工智能算法（如聚类、识别、动态追踪等）分析，可以获得学生个体代谢水平、摄氧量、训练压力、训练恢复时间等数据，便于平台应用层调用这些数据进行个性化的体育学习和制定训练方案。

相较于传统教学中教师没有大量精力分析每个学生的体质信息和运动信息，数据存储处理层给出了改进意见和方案，人工智能可以综合学生各方面的数据进行科学化的分析，在短时间内给出个性化的学习建议和方案，有助于学生的科学发展和全面发展。使用聚类分析算法（如K-Means、DBSCAN算法）处理采集到的数据，可以获得个体、班级、学院、年级、学校等层面的学生整体体育素质水平的评价数据。经过平台应用层的数据可视化，教师可以根据数据平均值、中位值、成绩分布等指标制定合适的体育培养计划，补短板、强弱项、固优势，使体育教学方针更好地符合教学实际。将人工智能算法分析出的个体个性特点与聚类算法分析出的整体共性特点的有机结合，既保证了宏观培养方案的大方向正确，又为微观个体提供了个性化的改进建议，科学有效地提高体育教学能力和水平。

数据存储处理层在混合教学云平台整体结构中起着承上启下的作用。由于本层级中的存储和经过处理的数据语义特征尚不够清晰明确，不利于平台使用者理解和分析，所以这些数据需要进一步处理才能应用于实际的教学活动中。因此，除了需要设计与基础硬件设施层通信的接口，还需要向平台应用层暴露数据共享接口。平台0asYKgMoUtBjaxecH+VYVtpmYboJ3GJ4N35/pTYZ0SM=应用层通过调用本层的数据共享接口获取数据，根据教学需求将数据可视化或定制个性化的数据分析服务。

2.5.3 平台应用层 平台应用层是混合教学云平台的最顶层，也是直接与各种用户交互的层级。该层级主要有两个功能，一是接入各种体育教学应用，二是为各种用户提供访问应用的可视化交互界面。

平台上的应用主要分为两类。第一类应用是基于数据存储处理层提供的数据共享接口进行二次开发的数据类应用。这类应用一般为数据可视化、分析预警应用。数据可视化应用可以将学生的体质数据和课程数据以饼图、折线图、柱状图等形式展现出来，在课后生成学生的课堂训练分析报告，还可以根据时间顺序分析学生的体质、运动效果、课堂成绩变化趋势，便于学生和老师掌握学习、教学情况和效果，并采取相应措施增进教学效果。分析预警应用可以监视学生的体育成绩指标并及时预警。应用设计者可以采用科学的算法设计一套体育成绩评价体系，算法输入为学生的各项数据，输出为一个体育综合评价分数。在分数低于教师设定的阈值时向教师和学生发送学业预警信息，便于教师及时采取措施引导学生纠正学习态度，改进学习方法。该应用可以有效应对体育教师在一人负责多个班级教学的情况下，无法对每位学生进行细致的课后学业跟踪的难点。

第二类应用是与数据无关或关联较少的应用，主要为教学资源管理应用、教学意见反馈应用等事务管理应用。教学资源管理应用提供的功能有教师上传体育理论教学资源、理论教学资源的分发与共享、在线课程的直播与录制等。随着混合教学云平台的推广，教学资源也会随着使用人数的增加而增加，促进了各学校优质教育资源的共享，在此基础上引入资源审核评分机制，可以打造精品化的教学资源平台。同时，教学资源管理应用与平台应用层上的数据类应用有机结合，根据学生成绩的分析结果，针对学生的薄弱之处为其推荐具有个性化特点的教学资源，对症下药，提高学生的学习成绩。教学意见反馈应用则进一步打破师生沟通的时空限制，学生遇到问题可以随时在平台上给教师留言，系统会及时提醒教师查看并解决学生提出的问题，进一步加强师生间的沟通效率。

平台应用层与用户交互的软件部分主要采用B/S架构。B/S 架构是前后端分离项目结构的一种，采用前后端分离的结构，前端与后端独立开发。前后端开发人员约定交互接口，前端通过接口调用后端的API，前端只需要关注页面的样式与动态数据的解析和渲染，而后端专注于具体业务逻辑［6］。前后端通过HTTP请求进行数据交互。前后端分离的开发方法可以提高工作效率，分工更加明确，两者开发可以同时进行。在后端没有提供接口的时候，前端可以使用自定义的一定格式的数据进行测试，页面的增加和路由的修改完全在前端进行，开发更加灵活。与传统的MVC结构相比，通过配置路由，可以实现页面的按需加载，无需一开始加载首页便加载混合教学云平台的所有的资源，服务器也不再需要解析前端页面，在页面交互及用户体验上有所提升，同时可以使服务器后台能更好地追求高并发、高可用、高性能，实现低耦合，减少后端服务器的并发/负载压力［7］。

2.6 教育管理统一门户

以1个线上线下融合教学云平台为基石，建设“统一身份认证、统一授权管理、统一消息管理、统一开发接口、统一应用授权”等标准统一、易于扩展的支撑能力组合，形成支撑用户和已建设应用接入的云平台体系（见图6）。

实现统一认证登录基础上，建设体育教育管理门户，整合现有管理类应用，集官网、应用、资源于一体，实现各个学校体育应用的统一入口。

在认证登录统一和物理空间聚合的基础上，进一步梳理区层面各项具体业务需求，以信息管理为切入，建设一套横向覆盖各业务部门、纵向贯穿局校可高频使用的数据填报、在线协同的应用，降低数据重复填报、提高行政办公效率，以信息和数据管理智能化推进体育教育管理智能化。

2.7 教育应用生态

为更好地推进大数据融合平台在我国各级学校推广使用，发挥信息技术对体育教育综合改革的支撑引领作用，结合各个学校目前的实际情况，整合一批优质的体育教育教学应用，建立我国体育教育应用生态体系。

2.8 混合教学云平台面临的技术挑战

混合教学云平台在疫情期间为不能返校的教师和学生提供线上教学和资源共享服务，在这个特殊的场景下，云平台主要面临两大挑战。

第一是教师和学生分布在国内各个地区，偏远地区的用户受下行宽带的限制访问线上直播资源和录播视频资源会存在较大的网络延迟和卡顿。因此，为了保证基本的教学需求，云平台应该引入内容分发网络（CDN）。通过将教学资源缓存至用户就近的内容分发网络节点，通过该节点进行分发，缩短了用户查看内容的访问延迟，提高了用户访问网站的响应速度与网站的可用性，解决了网络带宽小、用户访问量大、网点分布不均等问题。

第二个是在线上课程排课密集的时段，用户访问量增大，云平台服务器可能会负载过大宕机。可以采用负载均衡服务+容灾服务器的组合方案来解决这个问题。当用户访问量增大时，负载均衡服务根据分配流量策略将请求分发到多台服务器上，服务器之间定时进行同步服务，可以缓解单一服务器的负载，降低宕机的可能性。使用负载均衡服务还可以轻松应对混合教学云平台在推广过程中带来的新的用户访问量，便于业务的扩展。当服务器突发宕机时，容灾服务器还可以确保云平台服务的可用性，让用户的服务请求能够继续运行，保证信息系统提供的服务完整、可靠、一致。容灾服务器定时与主节点同步，备份主节点的数据，因此还需要具备配套的备份服务，保证用户数据的完整性、可靠性和一致性。负载均衡服务和容灾服务器相结合，还可以消除平台的单机故障，大大提升了系统的可用性［8］。

3 结论与建议

3.1 不同时空下不同教师依托线上教学平台与线下教学环境开展教学

这是线上线下混合式教学的根本形式，有教师授课的线上教学是保障在线学习质量的重要条件。

3.2 线上线下混合式教学中是线上、线下教学目标各有侧重

教学目标的差异是线上教学和线下教学各自优势在教学方面的重要反映。线上教学对知识技能等目标效果更佳，在认知水平方面，对于知道、理解、运用相对有效；线下教学则更能促进德智体美劳全面发展，差异化的教学内容与教学目标才能最大化地体现线上线下混合式教学的独特优势。

3.3 线上、线下教学深度联通

两者的联通主要反映在教师协作与教育数据共享两个方面。具体表现为线上线下两位教师基于线上、线下教学的独特优势共同完成备课，实现线上、线下教学内容与教学目标互补；线上教学的信息化、智能化属性使其天生便于教育数据的收集，并将智能化的数据分析与诊断贯穿线上线下教学过程中。

参考文献：

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［6 ］ 尹婧.智能光缆线路巡检系统的优化与实现［J］.山东通信技术，2019，39（2）：39-42.

［7］ 林嘉婷.试谈前后端分离及基于前端MVC框架的开发［J］.电脑编程技巧与维护，2016（23）：5-8.

［8］ 胡敏，徐旭东，张曙光，等.医院信息系统容灾方案的设计与实施［J］.医疗卫生装备，2009，30（11）：44-45.

The Design of Online and Offline Mixed Teaching Cloud Platform for School Physical Education in Our Country

DONG Qi1 ，GAO Feng1 ，GAO Yang2

（1. Sports Department， Beijing University of Posts and Telecommunications， Beijing 100876，China； 2.College of Computer Science and Technology， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 101499， China）

Abstract： In order to alleviate the shortage of high-quality physical education resources in remote areas and implement the balanced development of high-quality physical education， this study takes the design of online and offline mixed teaching cloud platform for physical education as an example， and studies the composition of its key technology. Taking the project design function module group as the entry point，it discusses on-line and off-line mixed teaching platform， data center platform， evaluation system， teaching process analysis platform， management and teaching cockpit， education management unified portal and education application ecosystem， and builds the overall solution from the cloud to the sports teaching place which plays a positive role in improving the development speed of our school sports informatization.

Key words： school sports； online and offline mix；teaching cloud platform

（责任编辑：叶松庆）