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教案文章

透過STEM教育促進體育科的科學化訓練

關鍵詞

STEM教育,科學化訓練,學習動機,電子學習

摘要

近年學界提倡STEM教育、本地體育科的發展亦隨著運動科學的普及越趨科學化,資訊科技的應用在中學體育科漸見成熟。研究指出,帶氧運動效能與運動員心跳有密切關係,但本地體育科課堂一般未能提供實時心跳率相關科技作參考,以致學習成效難達預期效果。本行動研究嘗試在學生進行運動訓練時引入資訊科技系統以提供實時訓練資訊。老師在課堂上收集學生的訓練數據並向實時展示,從而引發學生進行帶氧運動的內在動機、將科學化訓練的優點展現。而這種應用資訊科技、善用數據及科學原理的跨科學習模式,正是回應STEM教育的跨學科應用、是學生運用不同學科知識的橫向學習。

研究背景

青年會書院位於沙田區,學生樂於參與體育活動。每天學校球場內都有不同校隊訓練,加上學生參與課餘球類玩樂,放學後的校園充滿體育氣氛。而學校的體育隊伍每年在五十五間中學中總體育成績都在首十名內,手球、籃球、田徑等項目多年奪冠,體育成績優秀。

學者白雪、令狐昌琴(2008)曾經指出:「增加體育鍛煉時間,可以鞏固、發展運動技能,增強體質,增進健康,挖掘學生潛能,展示特長,促進學生個性的發展。還可以通過課外體育活動,對學生進行體育教育,培養學生集體主義精神、團結協作、勇於進取的優良品質。」但是,青年會書院多年的體育訓練經驗讓研究員了解到,若要提升學生體育訓練質素,除了增加鍛煉時間,培養學生的興趣、了解正確訓練方式亦是不能缺少的部分。胡少偉等(2007)曾在一個研究調查中指出,老師教授學科知識時,如果只是沿用以前的方法,確實無法適應二十一世紀的科技和知識與資訊爆炸的衝擊。

青年會書院自2012年起參與民政事務局體育推廣主任計劃,獲政府資助香港三項鐵人代表駐校推廣體育運動。2014年,學校引入實時心跳狀況顯示器、RFID長跑計時及計圈器,期望藉實際數據促進訓練的進展性評估。作為學界首間結合心跳數據及RFID科技作長跑訓練之學校,此研究有助瞭解科學化運動訓練對學生在體育科學習成效的影響。

研究目的

近年學界興起STEM教育,主張數理科工不同科目之間的跨學科協作。而研究員發現,STEM教育與中學體育科有密切的關聯性,特別是科技與數據的使用和運動科學的原素對運動的發展有重大的影響。

隨著科技發展,微處理器及無線通訊發展漸趨成熟。近年不少運動相關探測儀器投入市場,而運動科學的發展亦是科學化訓練的催化劑。香港中學體育科近年亦開始引入此類運動裝置,因此科學化運動訓練開始在本地學校進行。

本研究之目的在於探討如何有效的應用科學化的運動訓練來提升中學生在肌耐力訓練的質素;其次是探討科學化的運動訓練在本地學校實施的可行性、以促進學校利用運動科學研究理論落實科學化訓練。

文獻回顧

科學化運動訓練過去只在職業運動員中普及,原因是器材的價格昂貴、而且使用方法複雜;近年香港政府積極推行「普及健體運動」,讓市民意識到運動對其健康的重要性、進一步令體育運動普及化。市場上近年亦開始出現了專業級以外的個人版本或家用版本之訓練器材。這些科學化運動訓練器材大致可分為兩類,分別是(1)追蹤裝置和(2)運動表現評估系統。

(1) 追蹤裝置
運動數據可以透過追蹤裝置從運動員身上獲取,例如運動員的運動距離、時間紀錄、心跳率、氧氣攝取量等都可以準確提取。市場上有運動手帶可以透過全球定位系统獲取運動員位置、有關數據經過智能手機處理,我們便可紀錄運動路線、距離、速度等有用資訊。

(2) 運動表現評估系統
當獲取運動員的運動資訊後,我們就可以透過電腦輔助工具作出表現評估(Baca,2008),一些重要運動數據如動作分析、力量運用、體適能狀態等均可以透過運動表現評估系統提取至電腦作出分析。例如電腦學專家Kornfeind(2006)就曾經在賽艇運動中引入電腦網絡系統以獲取賽事中運動員使用的力量、角度作動作分析;同時配合其移動距離、速率等實時資訊作出運動表現評估。

至於獲取上文所述之模擬數據,我們就必須要在運動員身上裝上電腦微處理裝置、並將模擬數據轉化為電腦能讀取的數碼訊號。而這些數據得以實時傳輸,就須要透過藍芽或電腦網絡系統作傳輸媒介。有著這些科技的配合,教練就可以實時獲取運動數據並作出即時回饋、促進學習。

研究設計和工具

本研究在校內體育科利用田野調查方式進行行動研究。黃政傑(1999) 指出,行動研究就是結合「行動」和「研究」的成果;這種研究方法強調實務層面,較少涉及理論依據(陳惠邦,1998)。通過行動研究,是希望解決實際困難、增加對實務工作的理解並尋求專業成長。至於田野調查,是指研究員的深入觀察與訪問而獲得研究的第一手資料。

根據Lewin(1947),行動研究是一個螺旋式探究過程,為行動研究不斷作出1. 計劃、2. 行動、3. 觀察和4. 反思。是次行動研究分為三個行動循環,每個循環均依照Lewin提出的行動研究模型作出計劃、行動、觀察和反思。

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圖一:Lewin提出的行動研究模型

對象

是次研究針對校內中四級體育科進行,並在此群組中獲取前測數據、進行訪談、分析並實踐及改善行動計劃。研究員將級內126位學生分為兩組,實驗組學生在課堂上使用不同資訊科技系統進行體育訓練;而控制組學生則使用傳統方式進行訓練。

兩組學生學習相同的運動理論和技巧後分別進行多種練習:仰卧起坐、仰臥引體上升、掌上壓、屈膝掌上壓、十圈跑以獲取前測數據,經過一學年的體育訓練,研究員分別在這些肌耐力和肌力練習中觀察學生的改變。

研究結果及分析

第一行動循環
中學體育科一直以來都是透過觀察及人手紀錄方式作評估工具。研究員認為資訊及通訊科技近年發展迅速,體育科的評估及體育訓練質素應該尋求突破與改善(Eberline&Richards, 2013)。

以跑步訓練為例,過去老師只能以學生的完成時間作總結性評估。而學生就以超越上一次時間為目標,單一地與時間競賽。但透過追蹤裝置及運動表現評估系統,我們可以獲取學生心跳率、氧攝取量、乳酸堆積情況等有用資訊、為學生提供更個人化的訓練並作出更準確的評估(Gibbone, Rukavina&Silverman, 2010)。

透過資訊科技的協助,體育訓練不再以單一誰跑得快作指標。我們可以以改善靜止心率為學習基礎,並以心跳率作運動指標。所謂靜止心率(Resting Heart Rate),其實是指在休息靜止時的心率。靜止心跳率越低,代表個人心肺功能越佳;因為心肌更厚更有力,而已每次跳動的血液輸出量也會較平常人多,所以跳動次數也會較少但更為有力 (Bernard et al., 1997)。

下表為兩位中四學生在第一行動循環中,使用心跳帶作訓練後的比較:

經過一個月帶氧運動訓練,校內十圈2250米跑情況
學生A 時間比一個月前短 靜止心率不變
學生B 時間上沒有進步 靜止心率比一個月前下降

表一:兩位學生使用心跳帶作訓練後的比較

一般認為,學生A在校內十圈跑時間比一個月前短,他的進步應該比學生B高。但從運動科學理論和學生的健康方面來看,學生B的靜止心率比一個月前下降,他的帶氧運動訓練果效其實比較高,因此學生B亦較為健康。

研究員在第一行動循環中發現老師在課堂上收集學生的心跳數據並實時向學生展示可以引發學生進行運動訓練的內在動機。內在動機(intrinsic motivation),是指學生在學習過程中因自己對學習的興趣而引起的動機。如果我們運用資訊科技系統,讓學生實時看到運動帶來身體的改變,他們對運動的興趣就會相應提升。

「運用心跳帶作訓練能有效提升自己的運動質素,因為它顯示了一個確實的數據去讓我知道自己的身體狀況。而且數據的顯示令我不會懶惰,在進行爆炸力訓練時有清晰目標可依從。」

李同學

以上學生就是使用心跳帶作訓練後,明確指出使用心跳帶作訓練可以讓他了解自己的身體變化。由於原來模糊的運動成效變為可視而具體,因此學生便有動機多作練習、從而提升了運動質素。

 

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圖二及三:學生使用心率帶上課情況

第二行動循環

第一行動循環完結,研究員希望進一步了解資訊科技系統的使用對運動訓練成效的關係。因此在第二行動循環除了繼續使用心跳帶提取數據、更引進另一項資訊科技項目:RFID計時器。

RFID (Radio-frequency identification)是一種無線射頻辨識技術。運動員可以透過配帶有RFID智能標籤的手帶,利用無線電波來傳送識別資料,以達到身份識別及訓練計時的目的。

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圖四:本研究所使用之RFID計時系統

RFID的用途廣泛,常應用於物流、門禁及收費系統中,香港國際機場的行李托運服務自2005年起亦有使用RFID系統。世界各地均有學者對無線射頻辨識技術及其應用進行研究,惟RFID系統應用於中學的體育教育中並不常見(Zhu, 2013)。

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圖五:十圈2250米跑訓練使用RFID系統實況

此行動循環的體育運動訓練時間為八個月,研究員在校內中四級分為兩組,實驗組學生在課堂上使用資訊科技系統進行體育訓練;而控制組學生則使用傳統方式進行訓練。以下為實驗組和非實驗組的研究數據:

肌耐力訓練 前測數據 後測數據 百分增長
仰卧起坐 (次) 實驗組 41.36 46.33 +12.03%
控制組 34.85 35.82 +2.78%
仰臥引體上升 (次) 實驗組 18.25 21.69 +18.86%
控制組 15.28 16.80 +9.90%
十圈2250米跑 (秒) 實驗組 1067 730 +31.58%
控制組 919 1151 -25.24%

表二:肌耐力訓練數據

肌力訓練 前測數據 後測數據 百分增長
掌上壓(男)

屈膝掌上壓(女) (次)

實驗組 33.92 39.08 +15.19%
控制組 28.02 32.64 +16.46%

表三:肌力訓練數據

研究結果在肌耐力訓練中顯示,使用資訊科技系統能有效提升學生的運動成效,而在十圈跑的成效最為明顯。至於肌力訓練,由於是肌肉對抗阻力時,與肌肉所能產生的最大力量相關,與肌耐力訓練其持續用力時間或反覆次數的本質不同,而且實驗組和控制組的百分增長相近,由此可見,資訊科技系統在肌力訓練的角色並不明顯。

數據顯示,仰卧起坐和仰臥引體上升在實驗組的百分增長比控制組的增長高於10%。研究員認為是因為學生在訓練中得悉自己的心跳率並應用課堂上學到的心跳率、氧氣攝取量及訓練成效之關係所致。至於十圈2250米跑,實驗組的訓練成果提升了31.58%,相反控制組則退步了25.24%。這是因為實驗組同學同時使用了實時心跳數據及分段時間顯示,令學生可以不斷監察自己的訓練狀況並即時進行反思及改進。這是有意識學習(meaningful learning)模式中,學生把既有知識轉化到不同的處境上以解決問題的方法(梅志文、洪潔雯,2011)。

參與學生的意見

「運用心跳帶和晶片計時器之後,我的訓練目標更為清晰。因為我在掌握分段時間和心跳後可調整運動策略。」

同學

 參與老師的意見

「以往進行十圈跑訓練時,部分同學會偷偷跑少一圈。現在利用電腦輔助訓練,同學必須完成十圈距離,這些同學的耐力必有所提升。」

尹老師

第三行動循環

是次研究,除了希望探討科學化運動訓練如何提升中學生運動訓練的質素,亦希望藉此機會了解在本地學校實施的可行性,從而促進學校利用運動科學研究理論落實科學化訓練。因此在第三行動循環中,研究員在校內建立一套完整的電腦輔助訓練系統,希望藉此推廣學界的科學化運動訓練。以下為訓練系統架構圖的設計圖示:

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圖六:資訊科技輔助訓練系統設計圖

由於RFID計時器利用射頻訊號以無線方式傳送數碼資料,因此感應器不需與接收器接觸即可進行資料交換,在跑步及單車等徑賽訓練可謂大派用場。我們透過無線射頻辨識技術,在校園引入RFID讀取器作為同學長跑及單車練習時的數據收集站。此系統除有助長跑訓練或比賽時的人力資源分配、減省老師工作量。另一方面,無線射頻辨識技術可以提高數據的準確性,對於比賽或課堂評估的效益亦相應提高。因此我們認為本地學校有條件引入資訊科技系統作體育訓練。

此系統在體育訓練有其優點,但在測試過程中亦發現其限制。由於金屬和水會影響 RFID標籤的讀取效能;而成人體重的60-70%均為水份,因此長跑訓練用的RFID標籤如果直接接觸人體會影響其接收能力。為了讓RFID標籤遠離人體水份,我們建議使用特別設計的手帶,當中的塑膠物料將RFID標籤及人體皮膚分隔。而另一解決方案就是將手帶繫於鞋上或改用一次性標籤貼於號碼布上。

另一方面,由於本研究需於戶外實時進行數據顯示,因此投影機的流明度亦是重要的考慮因素。研究初期,我校使用一般課室使用的投影機,流明度是2800 lm,雖然可看到影像,但學生的回饋說明在練習過程中,特別是最後數圈的節奏緊湊,如果顯示屏亮度不足會影響表現。因此,我們建議學校引入有關系統時使用4500 lm流明度的戶外投影機或以電視機代替。

總結和建議

參與研究的學生在田野訪談中表示,透過科學化的運動訓練可以將原來模糊的運動訓練質素可視化。而師生在訓練完結後的回饋過程(Debrief)中,可以更具體的討論運動訓練質素、制定個人化的訓練計劃並提升訓練的效能。

從教育心理學角度來看,於體育科引入資訊科技系統有助提升學生進行運動訓練的內在動機。由於香港地少人多,不少中學因地方和安全考慮均會在校內舉辦環校跑比賽以鼓勵學生進行帶氧運動。環校跑沿途鮮有怡人美景、校園內訓練又能像戶外長跑徑般邊聽歌邊練習。所以對很多學生來說,此類訓練沉悶得令人氣餒。但是,如果學校使用資訊科技系統輔助訓練,學生就可以即時看見自己的身體狀況、分段時間、尚餘圈數及其他學生成績等資訊,這樣有利激發運動帶來爭勝的心態、並提高訓練動機。

我們研究團隊都認為學校課程應包括人生的全部生活經驗。個人在生長的過程中,不斷和外界環境發生交互的活動。(高廣孚,1982)筆者認為,現今香港很多中、小學一些體育堂都重視是學生做運動為單一性目標,學生少有以STEM教育及資訊科技作體育課運用,很多體育老師認為以STEM及資訊科技上體育課是不可能任務,體育課實要突出其多元化學習之概念,減少單一性目標之情況。我們知道隨著教育改革的不斷深入,無論什麼樣的改革都是圍繞著為學生健康著想,為學生終身體育服務的。(斐建國,2009) 把體育課修改成一個體育與STEM相關的課程,讓學生多使用資訊科技連結體育活動,希望學生熱愛體育活動。因為有正確的方向,路才走得更遠。因為我深深明白到現今學生熱愛使用資訊科技,若我們能好好用這引點連結體育課堂上,增加他們做運動的學習動機,日後縱使學生覺得運動是辛苦,但卻能快樂地、有挑戰地、有目標地享受過程,讓學生真正的從體育活動中引導學生的個人成長。

參考資料

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