馬濟(jì)賢

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

馬濟(jì)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(jìn)工作需要更加先進(jìn)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(jìn)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(gè)方面的應(yīng)用，并探討可穿戴設(shè)備在促進(jìn)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]。《意見》指出，不能達(dá)到《國家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)》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(gè)人發(fā)展，更是體育強(qiáng)國的基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)來臨，可穿戴設(shè)備也迅速發(fā)展，深受運(yùn)動(dòng)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(jìn)入校園，為促進(jìn)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(diǎn)。

1 大數(shù)據(jù)時(shí)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(jià)值的信息[4]。

大數(shù)據(jù)具有“4V”特點(diǎn)，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(dòng)態(tài)體系（Velocity）、數(shù)據(jù)種類的多樣化（Variety）、分析信息價(jià)值（Value）[4]。在當(dāng)前大數(shù)據(jù)時(shí)代，海量數(shù)據(jù)的分析處理已成為現(xiàn)實(shí)，這為可穿戴設(shè)備的迅猛發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)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(jìn)提供了可能。

2 可穿戴設(shè)備

大數(shù)據(jù)時(shí)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(xiàng)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(yùn)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(jì)算機(jī)時(shí)代，起步較慢。但隨著技術(shù)的進(jìn)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(yàn)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(yùn)動(dòng)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(biāo)志著可穿戴設(shè)備發(fā)展到一個(gè)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(yùn)動(dòng)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(dú)立的操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)，導(dǎo)航以及視頻等類似手機(jī)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并與手機(jī)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(dòng)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(yùn)動(dòng)過程及結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如步數(shù)、步幅和步頻等，以提供運(yùn)動(dòng)的指導(dǎo)。

2.3 可穿戴設(shè)備的主要工作原理

（1）計(jì)步功能：早期是利用加重的機(jī)械開關(guān)檢測步數(shù)，并配置一個(gè)簡單的計(jì)數(shù)器。原理是其中一個(gè)金屬球來回滑動(dòng)，或者一個(gè)擺錘左右擺動(dòng)撞擊擋塊[10，11]。而現(xiàn)在是利用更加精準(zhǔn)的三軸重力加速度儀，檢測移動(dòng)時(shí)所造成的顛簸來計(jì)算步數(shù)，然后根據(jù)一定的原理排除錯(cuò)誤的計(jì)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(jì)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(jì)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(jìn)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(dòng)作、心率狀況和體動(dòng)頻率，計(jì)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(jìn)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(gè)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(gè)優(yōu)勢：

（1）高效準(zhǔn)確。相比傳統(tǒng)體質(zhì)測試人工計(jì)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(shí)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(jìn)行精準(zhǔn)評價(jià)以調(diào)動(dòng)學(xué)生的運(yùn)動(dòng)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(shí)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(yùn)動(dòng)手環(huán)和“健康二師”APP，對學(xué)生的體質(zhì)健康測試進(jìn)行記錄匯總分析，基本實(shí)現(xiàn)了學(xué)生體質(zhì)健康水平的可視化。

（3）個(gè)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)方案，促進(jìn)學(xué)生積極鍛煉，養(yǎng)成運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，指導(dǎo)技術(shù)動(dòng)作和虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)三個(gè)方面。

3.2.1 監(jiān)控運(yùn)動(dòng)強(qiáng)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(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控分析。而這些數(shù)據(jù)是可以通過可穿戴設(shè)備實(shí)時(shí)檢測到的，這樣就能及時(shí)采取措施，減少運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

張海靜[15]所在的青島市實(shí)驗(yàn)小學(xué)通過運(yùn)動(dòng)手環(huán)對學(xué)生的心率進(jìn)行實(shí)時(shí)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(huì)里的優(yōu)質(zhì)課展示中，通過對學(xué)生心率進(jìn)行監(jiān)控并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，老師得以了解學(xué)生的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)把握練習(xí)密度[16]。竇麗[17]運(yùn)用SUNFITLINK課堂運(yùn)動(dòng)負(fù)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(biāo)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(shí)控制學(xué)生的運(yùn)動(dòng)量。

3.2.2 指導(dǎo)技術(shù)動(dòng)作可穿戴設(shè)備還可以收集肢體的相關(guān)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，有利于運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作的指導(dǎo)。Spelmezan[18]在對滑雪運(yùn)動(dòng)的研究中，通過可穿戴設(shè)備識別運(yùn)動(dòng)者的錯(cuò)誤或不當(dāng)動(dòng)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(yùn)動(dòng)者進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)運(yùn)動(dòng)考慮到霧霾或雨天等環(huán)境條件對學(xué)生運(yùn)動(dòng)的限制，如果能為學(xué)生提供替代的環(huán)境進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，那對促進(jìn)其體質(zhì)健康也會(huì)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(shí)設(shè)備。

圖2 微軟2015秋季發(fā)布會(huì)中的Hololens通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)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(shí)、可觸游戲等。Luo[22]通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開發(fā)了兩個(gè)交互游戲場景（彈鋼琴和捉球）來激勵(lì)用戶執(zhí)行運(yùn)動(dòng)康復(fù)項(xiàng)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(jì)了九個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲。Lim[24]設(shè)計(jì)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(dòng)作和任務(wù)。

綜上，在體育課中運(yùn)用可穿戴設(shè)備達(dá)到：（1）精準(zhǔn)監(jiān)控學(xué)生的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，保證科學(xué)運(yùn)動(dòng)；（2）有效指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)技術(shù)，提高教學(xué)效果；（3）虛擬模仿現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)，創(chuàng)造運(yùn)動(dòng)條件。由此提高體育課運(yùn)動(dòng)效果，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)動(dòng)興趣，促進(jìn)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(shí)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)手環(huán)一周并記錄特定時(shí)段的步行數(shù)及活動(dòng)內(nèi)容，并據(jù)此實(shí)施有效的運(yùn)動(dòng)干預(yù)措施。北京豐臺區(qū) 10 所學(xué)校試點(diǎn)運(yùn)用可穿戴設(shè)備，監(jiān)測學(xué)生課外體力活動(dòng)，保證學(xué)生每天一小時(shí)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)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(jìn)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(yùn)動(dòng)積極性的重要途徑，重視這部分運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)情況，督促激勵(lì)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(jìn)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(jìn)方面的應(yīng)用尚不廣泛，面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾點(diǎn)：

（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(gè)挑戰(zhàn)。

（3）學(xué)生的使用和愛護(hù)意識。有的學(xué)生自制性較低，可能會(huì)導(dǎo)致過度鉆研設(shè)備，而忽略了運(yùn)動(dòng)本身。還有對設(shè)備的愛護(hù)程度也會(huì)影響精準(zhǔn)度。

（4）數(shù)據(jù)的安全。學(xué)生的身體數(shù)據(jù)和日常活動(dòng)等隱私容易遭到泄露，這些信息安全問題也引起了一些反對的聲音。

4.2 機(jī)遇

（1）時(shí)代的號召。“體育強(qiáng)國”的戰(zhàn)略號召，讓體育的重要性達(dá)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(bào)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?，在大數(shù)據(jù)時(shí)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(dòng)。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(huì)隨著時(shí)代的驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)也會(huì)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?yàn)樗麄兂錆M活力而又勇于嘗試。

（4）體質(zhì)測試站點(diǎn)的構(gòu)建。學(xué)校引進(jìn)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(huì)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(yùn)動(dòng)意見，從而構(gòu)建專業(yè)的體質(zhì)測試站點(diǎn)。

（5）校本課程的開發(fā)?？纱┐髟O(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)?？梢詮捏w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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，指導(dǎo)學(xué)生科學(xué)運(yùn)動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)動(dòng)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(shí)代，可穿戴設(shè)備在促進(jìn)學(xué)生體質(zhì)健康方面的應(yīng)用值得我們每一個(gè)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