2025年大學《智能體育工程》專業(yè)題庫——智能健身器材的功能化設計與改進考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述智能健身器材的定義及其在現(xiàn)代體育與健康管理中的重要作用。二、列舉三種常用的智能健身器材傳感器類型，并簡述其中一種的工作原理及其在健身中的應用。三、用戶需求是智能健身器材功能化設計的重要起點。請說明在為老年人設計一款智能健身器材時，需要考慮哪些特定的用戶需求？四、設計一款用于家庭的有氧運動的智能健身踏板。請為其定義至少三個核心智能功能，并簡要說明每個功能的設計思路。五、某款現(xiàn)有的智能手環(huán)式心率監(jiān)測器存在電池續(xù)航短的問題。請分析該問題的可能原因，并提出至少三種具體的改進方案，并說明選擇這些方案的理由。六、智能健身器材的人機交互（HCI）設計對于用戶體驗至關重要。請論述在設計中應如何平衡信息反饋的及時性與干擾性，并舉例說明。七、設計一個智能健身器材的功能模塊（如姿態(tài)識別模塊、運動數(shù)據(jù)記錄與分析模塊），闡述其系統(tǒng)架構，并說明關鍵技術的選擇依據(jù)。八、以“提升健身趣味性”為目標，針對青少年群體，構思一款智能健身器材的概念方案。請描述其核心功能、創(chuàng)新點以及預期的用戶效果。九、在進行智能健身器材的改進設計時，如何評估改進方案的有效性？請列舉至少三種評估方法，并簡述其原理和適用場景。十、結合當前可穿戴技術的發(fā)展趨勢，探討未來智能健身器材在功能設計上可能出現(xiàn)的哪些新方向或新技術應用。試卷答案一、智能健身器材是指集成傳感器、嵌入式計算單元、通信模塊等技術的健身設備，能夠自動監(jiān)測用戶的生理參數(shù)、運動狀態(tài)，提供個性化指導、實時反饋和數(shù)據(jù)分析等功能。其重要作用在于：提升健身效率和效果，通過精準的數(shù)據(jù)監(jiān)測和智能指導幫助用戶科學鍛煉；增強健身趣味性和互動性，通過游戲化、社交化等方式提高用戶參與度；促進健康管理，通過長期數(shù)據(jù)積累和分析，提供健康風險評估和干預建議；滿足個性化健身需求，根據(jù)用戶的身體狀況、健身目標和習慣提供定制化的健身方案。二、常用類型包括：運動傳感器（如加速度計、陀螺儀，用于檢測運動姿態(tài)、速度、軌跡）、生理傳感器（如心率傳感器、肌電傳感器，用于監(jiān)測心率、呼吸、肌肉活動等生理指標）、環(huán)境傳感器（如環(huán)境光傳感器、溫濕度傳感器，用于優(yōu)化使用環(huán)境）。以心率傳感器為例，其工作原理通?；诠怆娙莘e脈搏波描記法（PPG）或心電法（ECG），通過發(fā)射光信號并檢測反射或透射光的變化（PPG）或檢測心臟電活動產(chǎn)生的電位變化（ECG）來計算心率。在健身中的應用包括實時監(jiān)測運動強度，提供心率區(qū)間反饋，評估運動負荷，保障運動安全，并用于運動數(shù)據(jù)記錄和分析。三、為老年人設計智能健身器材時，需要考慮的用戶需求包括：安全性高（如防跌倒設計、緊急停止功能、穩(wěn)固的支撐結構）、操作簡便直觀（如大字體顯示、簡化按鍵、語音交互、清晰的指示）、易用性（如坐姿可調(diào)節(jié)、重量輕便、無需復雜設置）、健康監(jiān)測重點（如重點關注心肺功能、平衡能力、關節(jié)健康相關的指標）、康復輔助功能（如提供溫和的康復訓練程序）、舒適度（如材質(zhì)柔軟、支撐性好）以及低功耗和長續(xù)航（便于長時間使用和充電）。四、核心智能功能及其設計思路：1.實時運動姿態(tài)識別與指導：通過內(nèi)置的加速度計和陀螺儀，實時分析用戶的踏板運動姿態(tài)（如是否標準、步頻是否穩(wěn)定），通過屏幕或語音實時反饋姿態(tài)糾正建議或提供虛擬場景互動，提高運動質(zhì)量和趣味性。2.個性化運動計劃生成與調(diào)整：基于用戶輸入的年齡、體重、健身目標（減肥/增肌/心肺）和實時心率數(shù)據(jù)，智能生成或調(diào)整運動強度和時長建議，實現(xiàn)自適應訓練。3.運動數(shù)據(jù)自動記錄與分析：自動記錄運動時間、距離、踏頻、卡路里消耗、平均心率等數(shù)據(jù)，并通過APP進行可視化展示，提供歷史數(shù)據(jù)回顧和運動效果分析，幫助用戶了解自身運動情況。五、電池續(xù)航短的可能原因包括：傳感器采樣頻率過高、處理器功耗大、屏幕常亮或亮度過高、通信模塊（如藍牙）頻繁連接、電池容量不足或老化、系統(tǒng)后臺程序過多等。改進方案：1.采用低功耗傳感器和處理器：選擇待機功耗和計算功耗更低的傳感器芯片和MCU，并在軟件層面優(yōu)化數(shù)據(jù)采集頻率和算法。2.優(yōu)化顯示策略：采用低功耗屏幕技術（如e-ink），或設計智能顯示策略（如只在用戶運動時高亮顯示關鍵信息，待機時顯示低功耗信息或進入深度睡眠）。3.減少不必要的無線連接：優(yōu)化藍牙連接策略，在非必要時刻關閉或進入休眠狀態(tài)，降低通信功耗。六、在設計中應平衡信息反饋的及時性與干擾性的方法：首先，明確信息反饋的優(yōu)先級，將最重要、最緊急的信息（如運動錯誤、安全警報）以最直接、醒目的方式（如聲音警報、震動、高亮提示）及時傳遞給用戶。其次，對于非緊急的輔助信息（如運動數(shù)據(jù)、進度條），應采用簡潔明了的界面設計和適時展示原則，避免長時間占用用戶注意力或頻繁變化引起不適。再次，提供用戶自定義選項，允許用戶選擇接收信息的類型、方式和時機。最后，利用情境感知技術，僅在用戶可能需要或關注相關信息時才進行反饋。例如，在用戶完成一個動作后給出評分反饋，而不是在動作進行過程中不斷干擾。七、以姿態(tài)識別模塊為例：系統(tǒng)架構：主要包括傳感器層（加速度計、陀螺儀）、數(shù)據(jù)預處理層（濾波、去噪）、特征提取層（提取步態(tài)周期、關節(jié)角度、運動幅度等關鍵姿態(tài)特征）、姿態(tài)分類/識別層（基于機器學習模型或規(guī)則庫，將提取的特征分類為特定姿態(tài)，如標準踏步、左右搖擺等）、決策控制層（根據(jù)識別結果判斷姿態(tài)是否標準，并輸出糾正指令或評分）。關鍵技術選擇依據(jù)：傳感器層選擇高精度、低延遲的運動傳感器；數(shù)據(jù)預處理選擇合適的濾波算法（如卡爾曼濾波）以融合多源數(shù)據(jù)，提高魯棒性；特征提取需結合運動學和生物力學知識，選擇能有效區(qū)分不同姿態(tài)的關鍵特征；姿態(tài)分類/識別層選擇適用于小樣本、非受控場景的深度學習模型（如CNN、LSTM）或簡單的規(guī)則引擎，依據(jù)實時性要求和開發(fā)復雜度權衡；決策控制層需考慮與上層應用（如用戶界面、訓練計劃調(diào)整）的接口和數(shù)據(jù)交互。八、概念方案名稱：互動式光影韻律健身機。核心功能：1.姿態(tài)感應與光影同步：機身配備多個傳感器，實時捕捉用戶的舞蹈或基礎健身動作，通過機身燈光和/或投影裝置，將用戶的動作軌跡、節(jié)奏和幅度轉(zhuǎn)化為動態(tài)光影效果，實現(xiàn)動作與光影的同步互動。2.音樂節(jié)奏引導：連接藍牙音樂，分析音樂節(jié)奏和節(jié)拍，通過光影變化引導用戶動作的頻率和韻律，增強運動的趣味性和律動感。3.個性化主題模式：提供多種預設光影主題（如星空漫游、叢林探險、都市霓虹）和難度級別，用戶可根據(jù)喜好選擇，增加運動的沉浸感和多樣性。4.社交分享功能：用戶可以錄制自己的光影健身視頻，通過APP分享到社交平臺，或參與線上光影健身挑戰(zhàn)賽。創(chuàng)新點：將抽象的光影藝術與具象的健身動作相結合，利用實時互動反饋提升健身的趣味性和沉浸感，特別適合吸引視覺型、追求新穎體驗的青少年用戶。預期的用戶效果：提高健身的參與度和持續(xù)性，讓健身過程變得充滿樂趣；通過視覺反饋增強運動表現(xiàn)和協(xié)調(diào)性；提供新穎的社交互動方式。九、評估改進方案有效性的方法：1.用戶測試與反饋：邀請目標用戶群體（如老年人、特定疾病患者）試用改進后的器材，通過問卷、訪談、觀察等方式收集用戶對易用性、安全性、舒適度、功能滿意度等方面的主觀評價。2.性能指標對比測試：設計標準化的測試流程，對改進前后的器材在關鍵性能指標（如測量精度、響應速度、電池續(xù)航、穩(wěn)定性、承載能力等）上進行對比測試，用客觀數(shù)據(jù)量化改進效果。3.生理/運動效果評估：（如果改進涉及健康監(jiān)測或訓練功能）邀請受試者使用改進后的器材進行一段時間（如幾周）的規(guī)律訓練，通過生理指標（如心率變異性、最大攝氧量）或運動表現(xiàn)指標（如力量、耐力）的變化來評估改進方案對健康或運動能力的實際改善效果。十、未來智能健身器材在功能設計上可能出現(xiàn)的趨勢或新技術應用包括：1.更深度的生理監(jiān)測與預測：集成更先進的傳感器（如連續(xù)血糖監(jiān)測CGM、肌酸激酶CK監(jiān)測、呼吸氣體分析），結合AI算法，實現(xiàn)更精準的健康狀態(tài)評估、運動風險預測和個性化營養(yǎng)/康復建議。2.腦機接口（BCI）健身：探索通過讀取用戶的腦電波活動，實現(xiàn)意念控制健身設備或根據(jù)用戶專注度、情緒狀態(tài)調(diào)整訓練內(nèi)容，提供全新的互動健身體驗。3.虛擬現(xiàn)實（VR）與增強現(xiàn)實（AR）深度融合：創(chuàng)建更逼真、更沉浸式的虛擬健身世界，提供全身追蹤和更精細的實時AR疊加指導（如骨骼線、發(fā)力點提示），模糊物理空間與虛擬空間的界限。4.自適應與預測性訓練：基于對用戶長期數(shù)據(jù)的深度學習和分析，不僅能調(diào)整當前訓練，更能預測用戶未來的體能變化趨