馬濟賢

基于大數(shù)據(jù)背景下可穿戴設(shè)備對促進學(xué)生體質(zhì)健康的應(yīng)用研究

馬濟賢

南京師范大學(xué)附屬中學(xué)新城初級中學(xué)，江蘇 南京，210019。

我國學(xué)生體質(zhì)健康的促進工作需要更加先進有效的手段，本文基于大數(shù)據(jù)背景下對可穿戴設(shè)備的發(fā)展和應(yīng)用進行研究，提出可穿戴設(shè)備在學(xué)校體質(zhì)測試，體育課及課外體育鍛煉三個方面的應(yīng)用，并探討可穿戴設(shè)備在促進學(xué)生體質(zhì)健康方面的應(yīng)用前景。

大數(shù)據(jù)；可穿戴設(shè)備；體質(zhì)健康；體質(zhì)測試；體育課；體育鍛煉

2019年10月教育部印發(fā)《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》[1]?！兑庖姟分赋?，不能達到《國家學(xué)生體質(zhì)健康標準》合格要求者不能畢業(yè)。學(xué)生的體質(zhì)健康不僅關(guān)乎學(xué)生個人發(fā)展，更是體育強國的基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)來臨，可穿戴設(shè)備也迅速發(fā)展，深受運動者的喜愛。而我國青少年學(xué)生的身體素質(zhì)卻逐年下降[2]。在大數(shù)據(jù)背景下，可穿戴設(shè)備是否能進入校園，為促進學(xué)生的體質(zhì)健康提供一份力量，以及它的應(yīng)用前景如何，這將是本文所要討論的重點。

1 大數(shù)據(jù)時代

美國咨詢公司McKinsey[3]最早提出大數(shù)據(jù)的概念——大小超出常規(guī)的數(shù)據(jù)庫工具獲取、存儲、管理和分析能力的數(shù)據(jù)集。國際數(shù)據(jù)公司IDC將大數(shù)據(jù)定義為：新一代的工具和系統(tǒng)，旨在通過高速的截取，發(fā)現(xiàn)和/或分析的方式從海量數(shù)據(jù)中提取有價值的信息[4]。

大數(shù)據(jù)具有“4V”特點，即海量的數(shù)據(jù)規(guī)模（Volume）、快速的數(shù)據(jù)生成和數(shù)據(jù)動態(tài)體系（Velocity）、數(shù)據(jù)種類的多樣化（Variety）、分析信息價值（Value）[4]。在當(dāng)前大數(shù)據(jù)時代，海量數(shù)據(jù)的分析處理已成為現(xiàn)實，這為可穿戴設(shè)備的迅猛發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)，也為可穿戴設(shè)備應(yīng)用于學(xué)生體質(zhì)健康的促進提供了可能。

2 可穿戴設(shè)備

大數(shù)據(jù)時代可穿戴設(shè)備快速崛起，為收集人體在不同狀態(tài)下的各項數(shù)據(jù)提供高效多樣的方式。

2.1 可穿戴設(shè)備的發(fā)展

維基百科對可穿戴設(shè)備的定義是：可穿戴在人身上的智能電子產(chǎn)品，其中包括電子設(shè)備，軟件，傳感器和連接器等，通過互聯(lián)網(wǎng)與制造商、運營商和/或其他連接設(shè)備交換數(shù)據(jù)而無需人工干預(yù)[5]。

可穿戴設(shè)備最早起源于便攜式計算機時代，起步較慢。但隨著技術(shù)的進步，可穿戴設(shè)備不斷成熟。2002年，日立公司Xybernaut制造了一款名為“Poma”的設(shè)備，將顯示器用頭箍固定在眼前，以體驗到相當(dāng)于桌面電腦顯示器的觀看效果[6]。此外，Cowan[7]研究指出可穿戴設(shè)備是從2013年開始被廣大運動愛好者使用，代表就是谷歌眼鏡，還有小米手環(huán)等智能手表。隨著這些設(shè)備的涌現(xiàn)，標志著可穿戴設(shè)備發(fā)展到一個新的高度。

2.2 可穿戴設(shè)備的組成及功能

2.2.1 組成 可穿戴設(shè)備系統(tǒng)一般包括：傳感監(jiān)測組件（可穿材料、智能織物和傳感器等）；執(zhí)行和處理組件（執(zhí)行器、系統(tǒng)處理單元和無線通訊模塊等）；反饋和交互組件（軟件界面、算法、數(shù)據(jù)處理等）[8,9]。

2.2.2 功能 常見的可穿戴設(shè)備主要是智能眼鏡、智能手環(huán)，心率帶和智能跑鞋（如圖1）。根據(jù)不同運動條件和需求，使用不同功能的可穿戴設(shè)備。

圖1 常見的可穿戴設(shè)備

（1）智能眼鏡：鏡片具有展示功能，內(nèi)部設(shè)有獨立的操作系統(tǒng)，可以實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實，導(dǎo)航以及視頻等類似手機功能的一類眼鏡。

（2）智能手環(huán)：在手環(huán)內(nèi)有感知芯片，可以記錄用戶日常生活中的心率、體溫、步數(shù)、跑步速度軌跡和能量消耗等實時數(shù)據(jù)，并與手機或平板電腦同步。

（3）心率帶：通過心率帶兩側(cè)的電極來測量皮膚中的心動電流或電勢的周期變化，從而監(jiān)測心率。

（4）智能跑鞋：通過智能鞋底芯片對運動過程及結(jié)果進行實時記錄與數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如步數(shù)、步幅和步頻等，以提供運動的指導(dǎo)。

2.3 可穿戴設(shè)備的主要工作原理

（1）計步功能：早期是利用加重的機械開關(guān)檢測步數(shù)，并配置一個簡單的計數(shù)器。原理是其中一個金屬球來回滑動，或者一個擺錘左右擺動撞擊擋塊[10，11]。而現(xiàn)在是利用更加精準的三軸重力加速度儀，檢測移動時所造成的顛簸來計算步數(shù)，然后根據(jù)一定的原理排除錯誤的計數(shù)從而得到最終結(jié)果。

（2）心率監(jiān)測：使用反射型光電傳感器，采集光電信號來監(jiān)測計算脈搏血容量的變化，然后根據(jù)血液內(nèi)物質(zhì)的吸光度與濃度成正比的關(guān)系，計算反應(yīng)出人體心率的基本參數(shù)。

（3）體溫檢測：利用熱敏電阻把溫度的變化轉(zhuǎn)換為阻值的變化，再用相應(yīng)的測量電路把阻值轉(zhuǎn)換成電壓，然后把電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進行相應(yīng)的處理可得到溫度值。

（4）能量消耗、睡眠監(jiān)測：傳感器通過接觸手腕，監(jiān)測人的動作、心率狀況和體動頻率，計算獲知受測者的睡眠狀況與能量消耗。

3 可穿戴設(shè)備在促進學(xué)生體質(zhì)健康方面的應(yīng)用

主要包括在體質(zhì)測試，體育課和課外體育鍛煉三個方面的應(yīng)用。

3.1 體質(zhì)測試中的應(yīng)用

基于大數(shù)據(jù)背景下可穿戴設(shè)備應(yīng)用在體質(zhì)測試中具備三個優(yōu)勢：

（1）高效準確。相比傳統(tǒng)體質(zhì)測試人工計量，可穿戴設(shè)備在數(shù)據(jù)收集方面更加方便且確。如3000m跑測試，老師可以通過智能手環(huán)收集學(xué)生的跑步時間，心率和速度曲線等信息[12]，再利用大數(shù)據(jù)對學(xué)生進行精準評價以調(diào)動學(xué)生的運動積極性。

（2）數(shù)據(jù)可視化。收集的數(shù)據(jù)可以在軟件上顯示和操作，從而實現(xiàn)信息可視化。黃淑婷[13]在對重慶第二師范學(xué)院公體課的研究中，通過智能運動手環(huán)和“健康二師”APP，對學(xué)生的體質(zhì)健康測試進行記錄匯總分析，基本實現(xiàn)了學(xué)生體質(zhì)健康水平的可視化。

（3）個性化指導(dǎo)。傳統(tǒng)的體質(zhì)測試停留在數(shù)據(jù)收集層面，缺乏對數(shù)據(jù)的分析和對學(xué)生運動的指導(dǎo)。而可穿戴設(shè)備不僅可以測出血壓、心率及鍛煉習(xí)慣等數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)還可以根據(jù)數(shù)據(jù)得出用戶的健康狀態(tài)并給出運動建議[14]。

因此，大數(shù)據(jù)背景下可穿戴設(shè)備的應(yīng)用提高學(xué)生體質(zhì)測試數(shù)據(jù)收集的效率，并且將數(shù)據(jù)匯總分析可視化。體育老師也可以通過大數(shù)據(jù)分析為學(xué)生提供相應(yīng)的運動方案，促進學(xué)生積極鍛煉，養(yǎng)成運動習(xí)慣，有效地將學(xué)生體質(zhì)健康納入學(xué)校體育教育管理和監(jiān)控范圍之內(nèi)。

3.2 體育課中的應(yīng)用

可穿戴設(shè)備在體育課中的應(yīng)用主要包括了監(jiān)控運動強度，指導(dǎo)技術(shù)動作和虛擬現(xiàn)實運動三個方面。

3.2.1 監(jiān)控運動強度傳統(tǒng)的體育課堂上，沒有任何技術(shù)設(shè)備對學(xué)生的運動強度和運動量進行實時監(jiān)控分析。而這些數(shù)據(jù)是可以通過可穿戴設(shè)備實時檢測到的，這樣就能及時采取措施，減少運動風(fēng)險。

張海靜[15]所在的青島市實驗小學(xué)通過運動手環(huán)對學(xué)生的心率進行實時監(jiān)控，以了解學(xué)生的身體狀態(tài)，確保他們的安全。2017年第4屆全國學(xué)校體育聯(lián)盟大會里的優(yōu)質(zhì)課展示中，通過對學(xué)生心率進行監(jiān)控并將實時數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，老師得以了解學(xué)生的運動狀態(tài)把握練習(xí)密度[16]。竇麗[17]運用SUNFITLINK課堂運動負荷監(jiān)測系統(tǒng)，給學(xué)生佩戴臂帶式智能心率表，開啟前給每位學(xué)生設(shè)定好適合自身的目標心率，開啟后平板終端可以顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，由此教師可以及時控制學(xué)生的運動量。

3.2.2 指導(dǎo)技術(shù)動作可穿戴設(shè)備還可以收集肢體的相關(guān)運動數(shù)據(jù)，有利于運動技術(shù)動作的指導(dǎo)。Spelmezan[18]在對滑雪運動的研究中，通過可穿戴設(shè)備識別運動者的錯誤或不當(dāng)動作并發(fā)出提醒信號，如上半身不正確的扭轉(zhuǎn)角度。當(dāng)教練收到提示后，就可以對運動者進行指導(dǎo)。Alahakone[19]在步態(tài)分析的研究中，通過慣性傳感器來識別腳跟著地和腳趾離地的相關(guān)數(shù)據(jù)，并取得了理想的訓(xùn)練效果。

此外，齊朋雨[20]在羽毛球教學(xué)的實驗中，通過小米手環(huán)和酷浪羽毛球傳感器對學(xué)生的心率和揮拍軌跡力度等數(shù)值進行記錄并傳至APP匯總，再經(jīng)過老師分析給予學(xué)生指導(dǎo)，可穿戴設(shè)備組明顯比傳統(tǒng)教學(xué)組的技能掌握更好。

3.2.3 虛擬現(xiàn)實運動考慮到霧霾或雨天等環(huán)境條件對學(xué)生運動的限制，如果能為學(xué)生提供替代的環(huán)境進行運動，那對促進其體質(zhì)健康也會有一定的積極作用。微軟Hololens智能頭顯（如圖2）就是出色的可穿戴虛擬現(xiàn)實設(shè)備。

圖2 微軟2015秋季發(fā)布會中的Hololens通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的射擊游戲

源自：http://www.iqiyi.com/w_19rtaf3jgd.html

此外，Steffen[21]提出目前可穿戴設(shè)備技術(shù)可以用來創(chuàng)造虛擬現(xiàn)實、可觸游戲等。Luo[22]通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，開發(fā)了兩個交互游戲場景（彈鋼琴和捉球）來激勵用戶執(zhí)行運動康復(fù)項目。Alankus[23]將任天堂公司的Wii遙控器戴到患者的手臂上，并配置攝像頭，基于此他們設(shè)計了九個虛擬現(xiàn)實的游戲。Lim[24]設(shè)計了一套可穿戴系統(tǒng)，該系統(tǒng)在虛擬場景中創(chuàng)造了“虛擬教師”的角色來指導(dǎo)用戶模仿其相同動作和任務(wù)。

綜上，在體育課中運用可穿戴設(shè)備達到：（1）精準監(jiān)控學(xué)生的運動強度，保證科學(xué)運動；（2）有效指導(dǎo)運動技術(shù)，提高教學(xué)效果；（3）虛擬模仿現(xiàn)實運動，創(chuàng)造運動條件。由此提高體育課運動效果，培養(yǎng)學(xué)生運動興趣，促進其體質(zhì)健康發(fā)展。

3.3 課外體育鍛煉中的應(yīng)用

課外體育鍛煉時間靈活且無老師監(jiān)管，所以能量消耗的數(shù)據(jù)收集和運動密度的科學(xué)調(diào)整是容易被忽視的?？纱┐髟O(shè)備收集數(shù)據(jù)便捷，并且大數(shù)據(jù)正適合龐大學(xué)生群體的數(shù)據(jù)處理。

俞丹丹[25]讓學(xué)生按要求佩戴運動手環(huán)一周并記錄特定時段的步行數(shù)及活動內(nèi)容，并據(jù)此實施有效的運動干預(yù)措施。北京豐臺區(qū) 10 所學(xué)校試點運用可穿戴設(shè)備，監(jiān)測學(xué)生課外體力活動，保證學(xué)生每天一小時的運動強度[12]。南林“智慧體育課堂”[17]利用大數(shù)據(jù)的思維對學(xué)生課外鍛煉情況進行指導(dǎo)和記錄，并督促學(xué)生參加課外鍛煉，引導(dǎo)學(xué)生探索提高體質(zhì)健康的方法。

課外體育鍛煉是學(xué)生發(fā)揮運動積極性的重要途徑，重視這部分運動并在大數(shù)據(jù)背景下通過可穿戴設(shè)備收集分析學(xué)生運動情況，督促激勵學(xué)生的課外鍛煉，這對學(xué)生體質(zhì)健康水平的提高起著積極作用。

4 可穿戴設(shè)備在體質(zhì)健康促進方面的應(yīng)用前景

4.1 挑戰(zhàn)

可穿戴設(shè)備在體質(zhì)健康促進方面的應(yīng)用尚不廣泛，面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾點：

（1）大量設(shè)備資金的投入。

（2）體育老師的業(yè)務(wù)能力。應(yīng)用可穿戴設(shè)備需要熟悉使用方法及分析數(shù)據(jù)，這對很多體育老師是個挑戰(zhàn)。

（3）學(xué)生的使用和愛護意識。有的學(xué)生自制性較低，可能會導(dǎo)致過度鉆研設(shè)備，而忽略了運動本身。還有對設(shè)備的愛護程度也會影響精準度。

（4）數(shù)據(jù)的安全。學(xué)生的身體數(shù)據(jù)和日?；顒拥入[私容易遭到泄露，這些信息安全問題也引起了一些反對的聲音。

4.2 機遇

（1）時代的號召?！绑w育強國”的戰(zhàn)略號召，讓體育的重要性達到新的層次。此外《2017年中國互聯(lián)網(wǎng)體育服務(wù)業(yè)研究報告》[26]指出了現(xiàn)階段中國體育服務(wù)業(yè)處于市場發(fā)展期，互聯(lián)網(wǎng)體育生態(tài)圈有著巨大的發(fā)展可能?？梢姡诖髷?shù)據(jù)時代“互聯(lián)網(wǎng)+體育”模式將體育發(fā)展推向新的高度。

（2）智能制造的驅(qū)動。2015年國務(wù)院發(fā)布《中國制造2025》，智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)，也是中國制造2025的主攻方向[27]。因此，可穿戴設(shè)備一定會隨著時代的驅(qū)動不斷向前發(fā)展。

（3）學(xué)生興趣的引導(dǎo)?？纱┐髟O(shè)備將在一定程度上吸引學(xué)生的興趣，運動也會更加積極。Ham[28]在對可穿戴設(shè)備的市場調(diào)研中指出，學(xué)生群體是未來可穿戴設(shè)備的主要市場，因為他們充滿活力而又勇于嘗試。

（4）體質(zhì)測試站點的構(gòu)建。學(xué)校引進了可穿戴設(shè)備，不僅為本校學(xué)生的體質(zhì)測試提供便利，還可以為其他學(xué)校甚至是社會提供服務(wù)。面對各類人群和龐大的信息量，通過大數(shù)據(jù)處理分析，針對不同性質(zhì)的人群給出不同運動意見，從而構(gòu)建專業(yè)的體質(zhì)測試站點。

（5）校本課程的開發(fā)。可穿戴設(shè)備可以為學(xué)校課程建設(shè)增加許多元素，如排球顛球課就可以利用智能手環(huán)上出有別于傳統(tǒng)教學(xué)模式的特色課程。

5 結(jié) 語

學(xué)生擁有健康的體質(zhì)是我國未來高速穩(wěn)定發(fā)展的重要保障。學(xué)校可以從體質(zhì)測試，體育課和課外體育鍛煉三方面著手，通過可穿戴設(shè)備了解學(xué)生的運動狀態(tài)，指導(dǎo)學(xué)生科學(xué)運動，培養(yǎng)學(xué)生運動興趣和習(xí)慣。面對數(shù)據(jù)的收集和處理等棘手問題，完全可以利用可穿戴設(shè)備和大數(shù)據(jù)智能處理來克服這些難題。當(dāng)然，也離不開政府的政策支持、企業(yè)的技術(shù)支撐和學(xué)校教學(xué)理念的更新。盡管目前還有許多技術(shù)和資金等方面的挑戰(zhàn)，但它仍舊有廣闊的發(fā)展空間。在大數(shù)據(jù)時代，可穿戴設(shè)備在促進學(xué)生體質(zhì)健康方面的應(yīng)用值得我們每一個人期待。

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Research on the Applications of Wearable Device in Promoting Students' Physical Health Based on Big Data

MA Jixian

Nanjing Normal University Xin Cheng Junior School, Nanjing Jiangsu, 210019, China.

The promotion of students' physical health in China needs more advanced and effective means. Based on the background of big data, this paper studies the development and application of wearable device, and puts forward the application of wearable devices in physical fitness test, physical education and extracurricular physical exercise. Besides discuss the prospect of wearable device in promoting students' physical health.

Big data; Wearable device; Physical health; Physical test; PE class; Physical exercise

1007―6891（2022）06―0037―04

10.13932/j.cnki.sctykx.2022.06.09

G804.49

A

2020-06-16

2021-09-17