摘 要：隨著教育行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展，設(shè)計(jì)基于云計(jì)算的體育鍛煉管理平臺(tái)可以幫助高校管理者有效跟蹤并記錄學(xué)生的體育鍛煉情況，激勵(lì)學(xué)生積極地進(jìn)行體育鍛煉，提升身體健康水平?；谏鲜鲂枨?，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于云計(jì)算的高校體育鍛煉管理平臺(tái)，該平臺(tái)采用分層架構(gòu)，核心功能包括健康數(shù)據(jù)追蹤、資源與設(shè)施預(yù)訂以及成績(jī)管理等。經(jīng)測(cè)試，平臺(tái)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可靠性方面表現(xiàn)良好，各項(xiàng)功能正常運(yùn)行，可以有效通過智能化手段提高高校體育教學(xué)和管理的效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；體育鍛煉平臺(tái)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G 807.4；TP 393.09" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

體育鍛煉作為促進(jìn)學(xué)生身心健康的重要途徑，如何在現(xiàn)代技術(shù)手段的幫助下更好地開展教學(xué)和管理活動(dòng)，成為當(dāng)下亟待解決的問題[1]?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了基于云計(jì)算的高校體育鍛煉管理平臺(tái)，平臺(tái)由基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、邏輯層以及應(yīng)用層構(gòu)成，健康數(shù)據(jù)追蹤功能通過收集和分析學(xué)生的體育鍛煉數(shù)據(jù)，為學(xué)生提供個(gè)性化的健康建議和改善計(jì)劃，促進(jìn)學(xué)生身心健康；資源與設(shè)施預(yù)訂功能則實(shí)現(xiàn)了體育場(chǎng)館和器材的高效管理，方便學(xué)生和教師根據(jù)自身需求預(yù)約所需資源，提高資源利用率；成績(jī)管理功能全面記錄和分析學(xué)生的體育課程成績(jī)，為教師和學(xué)生提供便捷的評(píng)估和跟蹤手段。此外，平臺(tái)采用了數(shù)據(jù)加密技術(shù)，確保學(xué)生敏感數(shù)據(jù)的安全性。通過系統(tǒng)測(cè)試，平臺(tái)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可靠性方面表現(xiàn)良好，各項(xiàng)功能正常運(yùn)行。通過設(shè)計(jì)基于云計(jì)算的高校體育鍛煉管理平臺(tái)，以期為高校體育鍛煉教學(xué)管理提供有益的參考，推動(dòng)高校體育教育的現(xiàn)代化、科學(xué)化和個(gè)性化發(fā)展。

1 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建的高校體育管理平臺(tái)由基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、邏輯層以及應(yīng)用層構(gòu)成，每個(gè)層次承擔(dān)不同的功能，共同協(xié)作，以提供高效、安全、可擴(kuò)展的服務(wù)。基于云計(jì)算的高校體育鍛煉管理平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

在基于云計(jì)算的高校體育鍛煉管理平臺(tái)中，基礎(chǔ)層是平臺(tái)的底層支撐，負(fù)責(zé)提供計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施資源。該層級(jí)依托公有云服務(wù)提供商阿里云，利用虛擬化技術(shù)Docker容器實(shí)現(xiàn)資源的彈性伸縮和高效管理。數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和分析，包括學(xué)生信息、體育課程數(shù)據(jù)、健康記錄、活動(dòng)日志等。該層級(jí)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并采用Hadoop大數(shù)據(jù)處理框架對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘。邏輯層是平臺(tái)的核心處理單元，其封裝了業(yè)務(wù)邏輯和服務(wù)，將數(shù)據(jù)層的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)用層有用的、可操作的信息。該層級(jí)由微服務(wù)組成，每個(gè)微服務(wù)負(fù)責(zé)特定的業(yè)務(wù)功能，例如用戶認(rèn)證、課程管理、活動(dòng)調(diào)度等，服務(wù)間通過API進(jìn)行通信。應(yīng)用層直接面向用戶，提供直觀的交互界面和功能，包括學(xué)生和教職員工使用的Web界面、移動(dòng)應(yīng)用等。該層級(jí)通過調(diào)用邏輯層的API，展示數(shù)據(jù)、執(zhí)行操作，確保用戶體驗(yàn)流暢。此外，根據(jù)用戶角色（學(xué)生、教師、管理員等），提供定制化界面和權(quán)限控制。

2 核心功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 健康數(shù)據(jù)追蹤

在基于云計(jì)算的高校體育鍛煉管理平臺(tái)中，設(shè)計(jì)健康數(shù)據(jù)追蹤功能，可通過收集、分析學(xué)生的體育鍛煉數(shù)據(jù)，為學(xué)生提供個(gè)性化的健康建議和改善計(jì)劃。

2.1.1 數(shù)據(jù)收集

健康數(shù)據(jù)的追蹤支持智能穿戴設(shè)備（智能手環(huán)、運(yùn)動(dòng)手表）的數(shù)據(jù)接入，通過連接藍(lán)牙以及Wi-Fi，可以同步運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)至平臺(tái)[2]。同時(shí)，平臺(tái)提供Web及移動(dòng)應(yīng)用界面，允許學(xué)生手動(dòng)輸入運(yùn)動(dòng)類型，例如跑步、游泳、時(shí)長(zhǎng)、距離、心率等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

錄入數(shù)據(jù)時(shí)，首先進(jìn)行必要的配置檢查與初始化，平臺(tái)在驗(yàn)證設(shè)備身份后，分配唯一標(biāo)識(shí)符（Device ID），并確認(rèn)授權(quán)信息。其次，設(shè)備從云端下載采集任務(wù)配置，確定采樣頻率、數(shù)據(jù)類型、目標(biāo)用戶偏好等。在采集相應(yīng)數(shù)據(jù)后，在設(shè)備端對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，減少不必要的數(shù)據(jù)傳輸負(fù)擔(dān)。通過時(shí)間序列分析，可識(shí)別健康數(shù)據(jù)的趨勢(shì)變化，了解運(yùn)動(dòng)習(xí)慣的持續(xù)性、身體狀況的改善情況。

2.1.2 數(shù)據(jù)分析

在收集一系列按時(shí)間順序排列的健康數(shù)據(jù)點(diǎn)后，采用簡(jiǎn)單移動(dòng)平均（SMA）法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。SMA通過計(jì)算過去一段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值，能夠有效地消除數(shù)據(jù)中的隨機(jī)波動(dòng)和噪聲，呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的基本趨勢(shì)或長(zhǎng)期模式[3]。對(duì)受到短期隨機(jī)因素影響較大的每日運(yùn)動(dòng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)尤其有效。簡(jiǎn)單移動(dòng)平均（SMA）如公式（1）所示。

（1）

式中：SMAt為時(shí)間點(diǎn)t的平滑值；xt-i為從當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)向前數(shù)第i個(gè)時(shí)間點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)值；k為窗口大小。

通過觀察SMA線的走向，可以直觀地識(shí)別數(shù)據(jù)的時(shí)間趨勢(shì)是上升、下降還是保持穩(wěn)定。在獲取數(shù)據(jù)后，將分析結(jié)果推送給前端應(yīng)用或用戶，即可向用戶發(fā)布健康報(bào)告、提醒或建議。

2.2 資源與設(shè)施預(yù)訂

在基于云計(jì)算的高校體育鍛煉管理平臺(tái)中，設(shè)計(jì)資源與設(shè)施預(yù)訂功能，可高效管理校內(nèi)體育場(chǎng)館、器材等資源的分配與使用，確保學(xué)生和教職員工能夠方便快捷地預(yù)約所需資源，避免發(fā)生沖突，提升體育資源的利用率。

實(shí)現(xiàn)資源與設(shè)施的預(yù)定，首先需要明確可預(yù)訂資源的種類，包括體育場(chǎng)館（例如籃球場(chǎng)、游泳館、健身房）、器材（例如球類、健身器械）等。其次，考慮學(xué)校的課程安排、維護(hù)時(shí)間等因素，設(shè)定資源的可用時(shí)間段，合理劃分可預(yù)約時(shí)間槽。預(yù)訂沖突檢測(cè)是確保資源預(yù)訂系統(tǒng)中不會(huì)出現(xiàn)時(shí)間重疊的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可通過算法邏輯判斷新提出的預(yù)訂請(qǐng)求是否與現(xiàn)有的任何預(yù)訂沖突。

假設(shè)有2個(gè)時(shí)間段，新的預(yù)訂請(qǐng)求時(shí)間段為[Tnewstart，Tnewend]（Tnewstart為已預(yù)訂活動(dòng)的開始時(shí)間，Tnewend為已預(yù)訂活動(dòng)的結(jié)束時(shí)間）。已存在的某個(gè)預(yù)訂時(shí)間段為[Texiststart，Texistend]（Texiststart為已預(yù)訂活動(dòng)的開始時(shí)間，Texistend為已預(yù)訂活動(dòng)的結(jié)束時(shí)間）。如果新預(yù)訂的時(shí)間段與已有預(yù)訂的時(shí)間段存在任何交集，即2個(gè)時(shí)間段之間有重疊部分，那么就認(rèn)為存在沖突如公式（2）所示。

Tnewstartlt;Tnewend∩Tnewendgt;Texistsart （2）

式中：Tnewstart為已預(yù)訂活動(dòng)的開始時(shí)間；Tnewend為已預(yù)訂活動(dòng)的結(jié)束時(shí)間。

如果新的預(yù)訂開始時(shí)間早于某個(gè)已預(yù)訂活動(dòng)的結(jié)束時(shí)間Tnewstartlt;Tnewend，同時(shí)新的預(yù)訂結(jié)束時(shí)間晚于這個(gè)已預(yù)訂活動(dòng)的開始時(shí)間Tnewendgt;Texistsart，那么這2個(gè)時(shí)間段必然有部分是重疊的，因此產(chǎn)生沖突。在編程中，通過遍歷所有已存在的預(yù)訂記錄，并對(duì)每條記錄應(yīng)用上述條件判斷，只要發(fā)現(xiàn)任一記錄滿足沖突條件，即判定新預(yù)訂不可行。如果所有記錄均未發(fā)現(xiàn)沖突，就說明新預(yù)訂請(qǐng)求可以接受。

2.3 成績(jī)管理

成績(jī)管理可用于全面記錄和分析學(xué)生的體育課程成績(jī)、體能測(cè)試結(jié)果及各類體育活動(dòng)的競(jìng)賽成績(jī)，為學(xué)生提供成績(jī)查詢、進(jìn)步跟蹤及教師評(píng)估的便捷途徑。通過采用成績(jī)錄入、成績(jī)查詢、成績(jī)分析、成績(jī)通知及成績(jī)檔案管理等多個(gè)子模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生體育鍛煉的成績(jī)進(jìn)行管理的目標(biāo)。通過設(shè)計(jì)成績(jī)錄入接口，定義課程編號(hào)、學(xué)生ID、成績(jī)類型（平時(shí)成績(jī)、期末考試、體能測(cè)試）、分?jǐn)?shù)、評(píng)價(jià)指標(biāo)等成績(jī)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)格式，允許體育教師通過Web端或移動(dòng)端應(yīng)用錄入學(xué)生的課程成績(jī)，支持批量上傳Excel成績(jī)文件，以提高效率，學(xué)生和教師可以通過應(yīng)用層的API調(diào)用邏輯層服務(wù)，查詢個(gè)人或班級(jí)的成績(jī)信息。查詢界面根據(jù)用戶角色定制，展示相關(guān)成績(jī)匯總或詳情。通過應(yīng)用時(shí)間序列分析，可監(jiān)測(cè)學(xué)生在不同學(xué)期或年度的成績(jī)變化，識(shí)別成績(jī)提升或下滑趨勢(shì)，為個(gè)性化輔導(dǎo)提供依據(jù)。

首先，收集學(xué)生在各個(gè)學(xué)期或年度的成績(jī)數(shù)據(jù)，形成一個(gè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集，設(shè)為Xt（t為時(shí)間點(diǎn)（學(xué)期或年度序號(hào)），Xt為對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的成績(jī)）。其次，確定窗口大小n計(jì)算平均值的連續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量。n較小時(shí)，反應(yīng)更靈敏但噪聲較多；n較大時(shí)，平滑效果好但反應(yīng)遲緩。對(duì)時(shí)間序列中的每一個(gè)點(diǎn)t來說，如果tgt;n，即有足夠多的前期數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，那么計(jì)算t時(shí)刻的簡(jiǎn)單移動(dòng)平均值，如公式（3）所示。

（3）

式中：St為從t-n+1到t這n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的算術(shù)平均值。

通過比較連續(xù)的SMAt值，可以觀察到學(xué)生體育成績(jī)的提升或下滑趨勢(shì)。如果SMAt呈上升趨勢(shì)，就說明成績(jī)整體提高；反之，如果SMAt下降，就說明成績(jī)下滑。根據(jù)識(shí)別出的成績(jī)變化趨勢(shì)，教師可以為表現(xiàn)下滑的學(xué)生設(shè)計(jì)個(gè)性化的輔導(dǎo)計(jì)劃。

2.4 數(shù)據(jù)加密

在基于云計(jì)算的高校體育鍛煉管理平臺(tái)中，數(shù)據(jù)加密是確保學(xué)生個(gè)人信息、健康記錄、成績(jī)數(shù)據(jù)以及預(yù)訂信息等敏感數(shù)據(jù)安全傳輸和存儲(chǔ)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。數(shù)據(jù)加密通過數(shù)學(xué)算法將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為密文，只有擁有正確密鑰的接收方才能解密恢復(fù)數(shù)據(jù)，從而保護(hù)數(shù)據(jù)免受非法訪問和泄露的風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)據(jù)加密流程如圖3所示。

通過在Web服務(wù)器配置SSL證書，并啟用HTTPS，可以確保所有Web請(qǐng)求都通過加密通道傳輸。將Apache服務(wù)器安裝在系統(tǒng)后，檢查Apache是否已安裝SSL模塊，如果沒有，就需要安裝該模塊。隨后，從證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)（CA）獲取SSL證書。編輯Apache的主配置文件httpd.conf和其他SSL相關(guān)的配置文件httpd-ssl.conf，加載SSL模塊，設(shè)置證書路徑和私鑰路徑。同時(shí)，在配置中確保Apache監(jiān)聽443端口，如果服務(wù)器上運(yùn)行多個(gè)網(wǎng)站，就需要為每個(gè)網(wǎng)站配置單獨(dú)的SSL虛擬主機(jī)，完成以上步驟后，Web服務(wù)器就啟用了HTTPS，所有Web請(qǐng)求都會(huì)通過加密的SSL/TLS通道傳輸，以此增強(qiáng)數(shù)據(jù)使用的安全性。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試準(zhǔn)備

為驗(yàn)證基于云計(jì)算的高校體育鍛煉管理平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性，進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入測(cè)試，確保系統(tǒng)能夠正確地接收并存儲(chǔ)高校學(xué)生的體育健康數(shù)據(jù)。測(cè)試云服務(wù)器采用阿里云，數(shù)據(jù)庫類型為MySQL5.7，數(shù)據(jù)接入方式采用智能穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)自動(dòng)同步以及Web手動(dòng)錄入。測(cè)試模擬智能手環(huán)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳的一次完整的跑步鍛煉記錄，并通過Web界面手動(dòng)輸入了一次游泳鍛煉數(shù)據(jù)，以確保系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確無誤地接收并持久化存儲(chǔ)學(xué)生提交的體育健康數(shù)據(jù)。

3.2 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)測(cè)試，獲取樣本數(shù)據(jù)見表1。

待所有測(cè)試用例按照預(yù)設(shè)步驟順利執(zhí)行完畢后，智能穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)同步以及Web手動(dòng)錄入的數(shù)據(jù)均能正確寫入數(shù)據(jù)庫，證明數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)功能正常，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)展現(xiàn)了良好的可靠性，能夠確保學(xué)生體育健康數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確接收和存儲(chǔ)。

4 結(jié)語

基于云計(jì)算的高校體育鍛煉管理平臺(tái)能夠有效解決高校體育教學(xué)和管理工作中的數(shù)據(jù)整合、資源調(diào)度、個(gè)性化服務(wù)、安全保護(hù)等問題，提升教學(xué)和管理的效率和質(zhì)量。平臺(tái)通過健康數(shù)據(jù)追蹤、資源與設(shè)施預(yù)訂、成績(jī)管理等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生體育鍛煉情況進(jìn)行全面記錄和分析的功能，為教師和學(xué)生提供了便捷的操作界面和個(gè)性化服務(wù)。同時(shí)，平臺(tái)采用了數(shù)據(jù)加密技術(shù)，可以有效保障學(xué)生敏感數(shù)據(jù)的安全，保障用戶隱私權(quán)益。通過系統(tǒng)測(cè)試，平臺(tái)展現(xiàn)了良好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可靠性，各項(xiàng)功能正常運(yùn)行，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方案的正確性和可行性。未來，隨著云計(jì)算技術(shù)不斷發(fā)展以及高校體育需求不斷變化，平臺(tái)還可以進(jìn)一步優(yōu)化和完善，為高校體育鍛煉教學(xué)和管理提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

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