2025年大學《智能體育工程》專業(yè)題庫——智能體育器材設計創(chuàng)新與功能性研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.智能體育器材2.人體工程學3.物聯(lián)網(wǎng)（IoT）4.運動生物力學5.功能性需求分析二、簡答題（每小題5分，共25分）1.簡述傳感器技術在智能體育器材中的應用至少三個實例。2.列舉三種常見的智能體育器材設計創(chuàng)新方法，并簡述其特點。3.在智能體育器材的功能性研究中，確定關鍵性能指標需要考慮哪些因素？4.簡述人機交互（HCI）在智能體育器材設計中的重要性。5.智能體育器材設計需要遵循哪些主要的設計原則？三、論述題（每小題10分，共30分）1.選擇一款你熟悉的智能運動手環(huán)或手表（如AppleWatch,Fitbit等），分析其至少三個主要的設計創(chuàng)新點，并評價其在功能性方面存在的不足之處，提出具體的改進建議。2.針對提升老年人居家健身的安全性與趣味性，構思一款智能健身器材的概念方案。請闡述你的設計理念，說明關鍵功能模塊（至少包含運動監(jiān)測、安全預警、交互反饋三個模塊）的實現(xiàn)思路，并簡述預期達到的功能性目標。3.設計一個用于評估某款智能跑鞋緩震功能性能的研究方案。請明確研究目標，確定測試的關鍵性能指標，選擇合適的測試方法（包括測試設備、測試流程等），并說明如何進行數(shù)據(jù)采集與初步分析。四、設計分析題（20分）假設你需要為一項新的室內團隊體育項目（如智能感應躲避球）設計一套核心智能器材。該項目要求器材能自動感應球員位置、計分，并能提供一定的對抗反饋。請進行初步的設計構思，回答以下問題：1.該器材需要集成哪些關鍵的技術或傳感器？簡要說明選擇理由。2.描述器材的基本工作原理和核心功能。3.考慮用戶體驗和實際應用場景，分析該器材設計需要關注哪些關鍵因素（如易用性、耐用性、安全性、成本等）？4.簡述對該器材初步的功能性要求，并說明如何可能對其進行有效性驗證。試卷答案一、名詞解釋1.智能體育器材：指集成傳感器、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術，能夠自動采集、處理、傳輸運動相關數(shù)據(jù)，提供運動監(jiān)測、分析、反饋、指導或增強體驗等功能的體育設備。**解析思路：*定義需包含核心技術要素（傳感器、嵌入式、IoT、AI等）和核心功能（數(shù)據(jù)采集處理傳輸、監(jiān)測分析反饋指導增強體驗等），并明確其應用領域為體育。2.人體工程學：研究人、機器（或環(huán)境）之間相互作用關系的科學，旨在優(yōu)化人的生理和心理舒適度、健康、安全和效率。在智能體育器材設計中，人體工程學關注器材的尺寸、形狀、重量、操作方式、交互界面等是否符合使用者的身體特征和操作習慣。**解析思路：*定義需包含研究核心（人-機-環(huán)境相互作用）和目標（舒適健康安全效率）。需強調其在智能體育器材設計中的應用，聚焦于器材本身的物理和交互設計與人體的適配。3.物聯(lián)網(wǎng)（IoT）：將各種信息感知設備（傳感器）、傳輸設備（網(wǎng)絡）、處理設備（控制器/服務器）和應用平臺通過信息網(wǎng)絡連接起來，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的技術體系。**解析思路：*定義需包含核心組成（感知/傳輸/處理/應用）、關鍵技術（信息網(wǎng)絡）和核心能力（智能化識別定位跟蹤監(jiān)控管理）。需點明其在連接設備、實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通和遠程控制方面的作用。4.運動生物力學：運用生物力學原理和方法，研究人體運動時的力學特征（如力、力矩、運動學參數(shù)）及其與運動表現(xiàn)、技術分析、傷害預防等關系的學科。**解析思路：*定義需包含研究基礎（生物力學原理方法）和研究對象（人體運動力學特征）及研究內容（運動表現(xiàn)技術分析傷害預防等）。需點明其在分析運動姿態(tài)、優(yōu)化技術動作、評估運動風險方面的價值。5.功能性需求分析：在產(chǎn)品（如智能體育器材）開發(fā)過程中，識別、定義、文檔化產(chǎn)品必須具備的功能和性能需求的過程。它明確了產(chǎn)品應該“做什么”，是后續(xù)設計、開發(fā)、測試和驗收的基礎。**解析思路：*定義需包含分析過程（識別定義文檔化）和分析對象（產(chǎn)品功能性能需求），并明確其核心目的（明確產(chǎn)品應做什么）。需強調其是連接用戶需求與產(chǎn)品實體的關鍵環(huán)節(jié)。二、簡答題1.傳感器技術在智能體育器材中的應用實例包括：*加速度傳感器：用于檢測運動狀態(tài)（如步數(shù)、跑步、跌倒檢測）、姿態(tài)變化（如平衡能力評估）。*心率傳感器：用于實時監(jiān)測運動中的心率變化，評估運動強度和心血管健康。*GPS傳感器：用于戶外運動中定位、記錄軌跡、計算距離、速度和配速。**解析思路：*列舉至少三個具體應用，每個應用需說明傳感器類型及其在體育器材中的具體功能或測量的物理量，體現(xiàn)技術與體育應用的結合。2.智能體育器材設計創(chuàng)新方法包括：*用戶需求導向設計：深入挖掘特定用戶群體（如專業(yè)運動員、健身愛好者、老年人）的獨特需求，以此為核心進行創(chuàng)新設計。*多學科交叉融合：結合體育科學、電子工程、計算機科學、材料科學、藝術設計等不同領域的知識和技術，產(chǎn)生新的設計思路和產(chǎn)品形態(tài)。*智能化與AI應用：融入人工智能技術，實現(xiàn)自適應調節(jié)（如根據(jù)運動狀態(tài)調整阻力）、智能診斷（如運動損傷預警）、個性化指導（如動作優(yōu)化建議）等高級功能。**解析思路：*列舉三種有代表性的創(chuàng)新方法，每種方法需簡述其核心理念或具體做法，并說明其如何推動設計創(chuàng)新。3.確定智能體育器材關鍵性能指標需考慮的因素：*用戶需求：滿足目標用戶的核心功能和體驗需求是首要因素。*技術可行性：指標應能在現(xiàn)有技術條件下實現(xiàn)或具有明確的發(fā)展路徑。*行業(yè)標準和規(guī)范：遵循相關的國家或行業(yè)標準，確保兼容性和互操作性。*可靠性與穩(wěn)定性：器材在預期使用環(huán)境和時間內能穩(wěn)定、準確地工作。*數(shù)據(jù)精度與準確性：測量數(shù)據(jù)的準確可靠是智能器材價值的基礎。*易用性與用戶體驗：操作簡便、交互友好也是重要的功能性體現(xiàn)。**解析思路：*從用戶、技術、標準、可靠性、數(shù)據(jù)、易用性等多個維度分析影響關鍵指標確定的因素。4.人機交互（HCI）在智能體育器材設計中的重要性：*提升用戶體驗：良好的人機交互設計（如直觀的界面、及時的反饋、便捷的操作）能顯著提升用戶使用器材的舒適度和滿意度。*確保有效使用：清晰的指導和反饋幫助用戶正確理解和使用器材的各項功能，充分發(fā)揮其效能。*增強信息傳遞：器材通過交互界面向用戶傳遞運動數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息、指導建議等，HCI是這一過程的關鍵橋梁。*促進功能創(chuàng)新：優(yōu)化的交互方式可能啟發(fā)新的功能設計，使用戶能以更自然、高效的方式與器材互動。**解析思路：*闡述HCI在提升體驗、確保使用、信息傳遞、功能創(chuàng)新等方面的作用，說明其在智能體育器材中的核心價值。5.智能體育器材設計需要遵循的主要設計原則：*功能性優(yōu)先：器材設計必須滿足核心的體育功能和性能需求。*安全性可靠：確保器材在運行過程中對用戶和設備本身都是安全的，運行穩(wěn)定可靠。*人體工程學：符合人體生理和心理特點，保證使用的舒適性、便捷性和高效性。*智能化與自適應：具備一定的智能水平，能夠根據(jù)用戶狀態(tài)、環(huán)境變化進行智能調節(jié)或決策。*易用性與直觀性：操作界面和交互方式應簡潔明了，易于學習和使用。*可擴展性與兼容性：設計應考慮未來功能升級的可能性，并能與其它設備或平臺兼容。*美觀與個性化：在滿足功能的前提下，注重外觀設計的美觀性，并提供一定的個性化選擇空間。**解析思路：*列舉多個關鍵的設計原則，每個原則需簡述其內涵，并說明其在設計過程中的重要性。三、論述題1.（以某品牌智能手表為例）設計創(chuàng)新點分析：*創(chuàng)新點1：高精度GPS與多傳感器融合定位。該手表不僅具備GPS定位，還融合了Wi-Fi、藍牙和氣壓計進行室內外無縫定位，提高了定位精度和穩(wěn)定性，尤其在復雜環(huán)境（如商場、健身房）下表現(xiàn)優(yōu)異。這是其精準記錄運動軌跡的基礎。**解析思路：*選取一個具體創(chuàng)新點（如定位技術），分析其技術細節(jié)（多傳感器融合）和帶來的優(yōu)勢（精度穩(wěn)定性提升），結合具體應用場景。*創(chuàng)新點2：基于AI的運動模式自動識別。通過內置的多軸傳感器和AI算法，能自動識別用戶正在進行的活動類型（如跑步、健走、騎行、開合跳），無需手動切換模式，簡化了操作，提高了數(shù)據(jù)記錄的完整性。**解析思路：*選取另一個創(chuàng)新點（如AI自動識別），分析其工作原理（傳感器+算法）和用戶價值（操作便捷、數(shù)據(jù)全面）。*創(chuàng)新點3：個性化呼吸訓練與壓力管理指導。集成了PPG光學傳感器監(jiān)測心率變異性（HRV），并提供基于科學研究的呼吸訓練指導和壓力水平評估，將運動監(jiān)測擴展到身心健康領域。**解析思路：*選取第三個創(chuàng)新點（如健康指導功能），分析其技術基礎（HRV監(jiān)測）和新拓展的功能領域（身心健康），體現(xiàn)設計的延展性。*功能性不足與改進建議：**不足1：*劇烈運動中心率監(jiān)測在特定場景下（如佩戴不規(guī)范）可能出現(xiàn)漂移。*改進建議：*優(yōu)化傳感器算法，增加運動狀態(tài)下的心率校準功能；提供更多尺寸和材質的表帶選擇以適應不同運動類型和手腕形態(tài)。**不足2：*部分高級功能（如血氧飽和度監(jiān)測、心電圖ECG）需要單獨購買或升級，且充電周期較短。*改進建議：*考慮將核心健康監(jiān)測功能整合進標準版；優(yōu)化電池管理，提升續(xù)航能力；提供更多性價比高的升級選項。**不足3：*防水性能雖然較好，但在極限防水場景（如游泳訓練）下仍有提升空間。*改進建議：*提升至更高級別的防水標準（如5ATM），并明確標注不同防水等級適用的場景。**解析思路：*選擇產(chǎn)品存在的至少一個功能性不足，進行具體分析，并提出具有針對性和可行性的改進建議，體現(xiàn)分析和改進能力。2.（老年人居家智能健身器材概念方案）*設計理念：“安全、有趣、易用、關懷”。旨在通過智能技術降低老年人居家健身的門檻和風險，增加運動樂趣，同時提供必要的健康監(jiān)測和提醒。*關鍵功能模塊：**運動監(jiān)測模塊：*集成非接觸式紅外傳感器或攝像頭，實時監(jiān)測老年人的活動狀態(tài)（如起身次數(shù)、活動范圍、坐姿時間），結合簡單的體感動作識別（如拍手、踏步），判斷其是否在執(zhí)行預設的簡單健身動作，并記錄活動量。**安全預警模塊：*集成跌倒檢測傳感器（如加速度計和陀螺儀），一旦檢測到疑似跌倒事件，立即通過本地聲光報警和/或自動聯(lián)系緊急聯(lián)系人（預設）或社區(qū)服務中心。同時，內置緊急呼叫按鈕。**交互反饋模塊：*配備大尺寸、高對比度、觸感清晰的物理按鍵或簡化的觸摸屏界面，顯示簡單的引導信息（如“站起來活動一下”、“保持姿勢5秒”）?？纱钆淙岷偷恼Z音提示和簡單的背景音樂，增加趣味性。根據(jù)活動情況給予簡單的鼓勵性語音反饋。*預期功能性目標：*能夠基本監(jiān)測老年人日?；顒恿亢途米闆r。*能在發(fā)生跌倒時及時發(fā)出警報并尋求幫助。*提供簡單易懂的健身指導，降低使用難度。*激發(fā)老年人參與運動的積極性，使其樂于使用。*具備一定的環(huán)境適應性和穩(wěn)定性，能在家庭環(huán)境中可靠運行。**解析思路：*針對特定需求（老年人居家健身），提出設計理念，構思具體的功能模塊（監(jiān)測、安全、交互），并設定清晰的功能性目標，體現(xiàn)需求驅動和系統(tǒng)設計能力。3.（智能跑鞋緩震功能性能研究方案）*研究目標：評估某款智能跑鞋在不同跑步速度和地面條件下（如硬地、軟地）的緩震性能，特別是對沖擊力吸收和腳部舒適感的影響。*測試關鍵性能指標：**沖擊力指標：*腳跟和前掌峰值沖擊力（PeakImpactForce,PIF）、沖擊力率（ImpactRate）。**振動指標：*腳底振動傳遞率（ShockAttenuationRating,SAR）或等效阻尼指數(shù)（EffectiveDampingIndex,EDI）。**舒適感指標：*主觀舒適度評分（使用標準化的舒適度量表，如VAS或VAS-NRS）。**（可選）生物力學指標：*踝關節(jié)角度變化、步態(tài)周期時間等，以輔助評估。*測試方法與流程：**測試對象：*招募10-15名不同性別、年齡、跑步經(jīng)驗的受試者。**測試設備：*高精度壓力板（PlantarPressureInsole）、便攜式測力臺（ForcePlatform）、加速度傳感器（內置或外置）、無線數(shù)據(jù)傳輸設備、主觀舒適度問卷。**測試環(huán)境：*在標準跑道（如塑膠跑道）和模擬硬地（如水泥地）上進行測試。**測試流程：*1.受試者穿著待測跑鞋進行熱身。2.受試者以特定速度（如慢跑4km/h、中跑7km/h、快跑10km/h）在兩種地面條件下連續(xù)跑步10-15米。3.使用壓力板和測力臺同步采集腳底壓力分布數(shù)據(jù)和地面反作用力數(shù)據(jù)。4.使用加速度傳感器采集鞋底或腳部的振動信號。5.跑步結束后，請受試者根據(jù)預設的舒適度量表對當前速度和地面條件下的鞋子舒適度進行評分。6.重復測試2-3次，取平均值進行分析。*數(shù)據(jù)采集與分析：**數(shù)據(jù)采集：*壓力板數(shù)據(jù)、測力臺數(shù)據(jù)、振動信號數(shù)據(jù)、主觀舒適度評分。**數(shù)據(jù)分析：**計算各指標在不同速度、不同地面條件下的平均值和標準差。*進行組間比較（不同速度、不同地面）的統(tǒng)計學分析（如ANOVA）。*分析沖擊力、振動指標與主觀舒適度評分之間的相關性。*繪制圖表展示結果趨勢。**預期成果：*形成一份詳細的測試報告，包含各測試指標的數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析結果，明確該跑鞋在不同條件下的緩震性能表現(xiàn)，并與（可選的）競品或標準進行對比，給出綜合評價。**解析思路：*按照研究方案的標準結構，清晰闡述研究目標、選擇關鍵性能指標、設計詳細的測試方法（對象、設備、流程）、說明數(shù)據(jù)采集和分析計劃，并設想預期成果，體現(xiàn)研究設計的系統(tǒng)性和嚴謹性。四、設計分析題1.所需關鍵技術/傳感器及理由：*慣性測量單元（IMU）：集成加速度傳感器和陀螺儀，用于實時精確地檢測每個球員的位置、速度和運動方向，是實現(xiàn)感應和計分的基礎。理由：能提供必要的運動狀態(tài)信息，適用于動態(tài)追蹤。*射頻識別（RFID）標簽/近場通信（NFC）標簽：每個球員佩戴一個帶有唯一識別碼的標簽，用于區(qū)分不同球員，并記錄其得分。理由：提供可靠的球員身份識別和計分依據(jù)，易于集成和讀取。*（可選）地感線圈/紅外傳感器陣列：布設在場地上，用于檢測球員是否進入特定區(qū)域（如得分區(qū)、禁區(qū)），作為輔助判斷或觸發(fā)事件的條件。理由：提供場地邊界和關鍵區(qū)域的精確感知。*無線通信模塊（如Wi-Fi,BluetoothMesh）：用于將各傳感單元（球員佩戴設備、場地傳感器）收集的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街醒胩幚韱卧蛴脩粼O備（如手機App）。理由：實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線、可靠傳輸，構建智能系統(tǒng)網(wǎng)絡。**解析思路：*針對器材需實現(xiàn)的功能（感應位置、計分），選擇最核心的2-3種關鍵技術或傳感器，并清晰說明選擇該技術的理由，闡述其如何支撐核心功能實現(xiàn)。2.器材基本工作原理與核心功能描述：*工作原理：球員佩戴IMU設備，該設備持續(xù)監(jiān)測球員的運動狀態(tài)，并通過無線通信將位置和速度數(shù)據(jù)傳輸至中央處理系統(tǒng)。場地上的傳感器（如IMU或RFID讀取器）檢測球員與球的交互或進入特定區(qū)域。中央系統(tǒng)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，實時計算每個球員的位置、是否得分，并在用戶界面（如手機App或場地顯示屏）上更新比分和球員狀態(tài)。*核心功能：*自動感應與追蹤：系統(tǒng)能自動感應并追蹤場上所有球員的位置和運動軌跡。*智能計分：根據(jù)預設的規(guī)則（如球員接觸到對方標志物、進入對方得分區(qū)），系統(tǒng)自動判斷得分并更新比分。*（可選）實時反饋：可通過球員佩戴設備的振動或App界面給予簡單的游戲狀態(tài)反饋（如接近得分、被標記）。*（可選）數(shù)據(jù)記錄與分析：記錄比賽過程中的運動數(shù)據(jù)（如速度、距離），供賽后分析。**解析思路：*清晰描述器材的整體工作流程（數(shù)據(jù)采集-傳輸-處理-輸出），并提煉出其最核心的三個功能點（感應追蹤、計分、可選的反饋/分析），使原理和功能描述清晰易懂。3.設計需關注的關鍵因素：*精準性與響應速度：傳感器的精度和系統(tǒng)的響應速度直接影響游戲體驗的真實感和流暢性，尤其是在快速對抗中。需關注傳感器選型、數(shù)據(jù)處理算法和通信延遲。*安全性與耐用性：器材需能在運動碰撞中保護球員安全，且自身具有足夠的耐用性以承受反復使用和可能的摔落。材料選擇、結構設計和防護措施是關鍵。*功耗與續(xù)航：球員佩戴的設備需有較長的電池續(xù)航能力，避免比賽中頻繁充電。需優(yōu)化硬件功耗管理和軟件算法效率。*易用性與配重：球員佩戴的設備應輕便、佩戴舒適、操作簡單（如果需要交互）。標簽的佩戴和布設也應便捷。*系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力：確保系統(tǒng)在比賽環(huán)境中（可能存在電磁干擾）能穩(wěn)定運行，數(shù)據(jù)傳輸可靠，計分準確無誤。*（可選）趣味性與沉浸感：設計應能增強游戲的趣味性和互動性，例