基于誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大學(xué)生身體素質(zhì)能力預(yù)測(cè)與應(yīng)對(duì)方法

張 旭 徐鳳謙

（中國(guó)石油大學(xué)〔北京〕,北京 102249）

大學(xué)生體質(zhì)健康一直是學(xué)校體育教學(xué)改革和研究的重點(diǎn)，為積極落實(shí)2014年教育部新修訂的《國(guó)家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)》，本文以中國(guó)石油大學(xué)（北京）女學(xué)生體測(cè)成績(jī)?yōu)榛鶞?zhǔn)，研究分析女大學(xué)生體測(cè)成績(jī)變化水平。由于女生在身體形態(tài)、生長(zhǎng)發(fā)育、生理周期的很多方面具有一定的特殊性，判斷其未來(lái)身體素質(zhì)走向，依據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果確定提高女大學(xué)生身體素質(zhì)水平的指導(dǎo)性方案是十分有必要的。因此，設(shè)計(jì)一種高效率的大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型是高校體育領(lǐng)域的一個(gè)重要研究問(wèn)題。本文利用機(jī)器學(xué)習(xí)的算法，對(duì)中國(guó)石油大學(xué)（北京）女學(xué)生身體素質(zhì)及體測(cè)成績(jī)進(jìn)行了分析，以2014級(jí)和2017級(jí)同學(xué)為例，發(fā)現(xiàn)女大學(xué)生總體體質(zhì)水平呈現(xiàn)下滑趨勢(shì)，如圖1所示①。

圖1 女生2014級(jí)和2017級(jí)體質(zhì)測(cè)試成績(jī)對(duì)比圖

究其主要原因，在步入大學(xué)生活后，由于剛剛開始獨(dú)立生活，完整的價(jià)值觀尚未形成且判斷力尚且不足，且隨著科技的發(fā)展，大學(xué)生更加容易選擇不健康的生活方式，“足不出戶”致使大學(xué)生運(yùn)動(dòng)量減少，缺乏積極向上、豐富多彩的課外體育活動(dòng)和實(shí)踐活動(dòng)，種種原因都造成了女大學(xué)生總體體質(zhì)水平下滑。同時(shí)，由于大學(xué)時(shí)期的女生都已進(jìn)入青春發(fā)育期，身體構(gòu)造與心理因素影響成為女大學(xué)生身體素質(zhì)下滑的另一主導(dǎo)因素。作為體育教育工作者，應(yīng)通過(guò)組織活動(dòng)或比賽的方式提高女學(xué)生運(yùn)動(dòng)興趣，激發(fā)女學(xué)生體育鍛煉的自覺(jué)性和積極性，幫助女學(xué)生克服心理障礙，引導(dǎo)學(xué)生正確健康地進(jìn)行體育鍛煉。

1 分析方法和思路

1.1 誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也被稱為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是一種常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為三層結(jié)構(gòu)，包含輸入層、輸出層以及處于二者之間的隱層。每層至少有一個(gè)以上結(jié)點(diǎn)，與層對(duì)應(yīng)的分別為輸入結(jié)點(diǎn)、隱結(jié)點(diǎn)和輸出結(jié)點(diǎn)。隱層中的結(jié)點(diǎn)不直接與外界連接，但其狀態(tài)影響輸入結(jié)點(diǎn)與輸出結(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系。輸入結(jié)點(diǎn)、隱結(jié)點(diǎn)、輸出結(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)（權(quán)重和閾值）來(lái)反映。訓(xùn)練前，先通過(guò)一定方法賦予網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)重和閾值，然后利用訓(xùn)練樣本對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，使網(wǎng)絡(luò)輸出滿足期望需求。訓(xùn)練成熟后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即可投入實(shí)際應(yīng)用，可用于分類、預(yù)測(cè)等決策支持。

本文參考張彥榮（2019）[1]，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法構(gòu)造了誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，主要包括輸入層、隱含層、輸出層及各層之間的傳遞函數(shù)幾個(gè)方面。各層神經(jīng)元之間是全連接的，層內(nèi)無(wú)連接，且從理論上講，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層可以無(wú)限增加。三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

式中f(*)表示激活函數(shù)，其中函數(shù)f1為Sigmoid型激活函數(shù)，函數(shù)f2為線型激活函數(shù)。激活函數(shù)是誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，且必須是連續(xù)可微的。該函數(shù)通常采用S（Sigmoid）型的對(duì)數(shù)函數(shù)或正切函數(shù)和線性函數(shù)，其中Sigmoid型可微函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)輸入與輸出之間的任意非線性映射。目前使用最多的是Sigmoid函數(shù)，其特點(diǎn)是（-∞，+∞）范圍的數(shù)據(jù)被映射到區(qū)間（0，1）中，可以表示為：

在誤差反向傳播過(guò)程中，輸出層的誤差函數(shù)可以表示為：

式中dk表示輸出層第 k 個(gè)神經(jīng)元期望輸出值。本文在構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，輸出層包含一個(gè)輸出單元，以下對(duì)只wij有一個(gè)輸出單元的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差反向傳播過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。誤差函數(shù)E 對(duì)隱含層與輸出層之間的連接權(quán)值wjk求導(dǎo)，根據(jù)復(fù)合函數(shù)求導(dǎo)可得：

1.2 數(shù)據(jù)的收集與分組

本文以中國(guó)石油大學(xué)（北京）2009～2019級(jí)學(xué)生體質(zhì)測(cè)試成績(jī)作為樣本數(shù)據(jù)，對(duì)未來(lái)10年該校女大學(xué)生體質(zhì)測(cè)試成績(jī)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，在每年數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上取一個(gè)平均數(shù)作為觀測(cè)值。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中，將網(wǎng)絡(luò)輸入層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)設(shè)置為3，輸出層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)設(shè)置為1，即用三個(gè)歷年數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)下一年數(shù)據(jù)，并以此類推。

網(wǎng)絡(luò)中隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，一直以來(lái)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的難點(diǎn)。在本文的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，隱含層神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)通過(guò)試湊法確定，當(dāng)隱含層結(jié)點(diǎn)數(shù)目為7的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)收斂速度最快。在創(chuàng)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，隱含層的激活函數(shù)為S（Sigmoid）型的正切函數(shù)，輸出層的激活函數(shù)為線性函數(shù)。

2 預(yù)測(cè)仿真檢驗(yàn)及結(jié)果誤差分析

由誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的女大學(xué)生未來(lái)10年各項(xiàng)體育測(cè)試成績(jī)?nèi)鐖D3所示，體質(zhì)狀況不容樂(lè)觀。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，未來(lái)10年該校女大學(xué)生的肺活量和立定跳遠(yuǎn)成績(jī)呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的態(tài)勢(shì)，且預(yù)計(jì)到2029年可能會(huì)出現(xiàn)成績(jī)的持續(xù)降低，肺活量成績(jī)達(dá)到2 990 mL，同時(shí)立定跳遠(yuǎn)成績(jī)達(dá)到1.5 m?？傮w來(lái)看，這兩項(xiàng)體測(cè)成績(jī)較2009～2019級(jí)的平均成績(jī)有所下降。坐位體前屈成績(jī)?cè)诮?jīng)歷了短期的下滑后，未來(lái)10年將呈現(xiàn)出持續(xù)波動(dòng)降低的趨勢(shì)，值得注意的是，2029年坐位體前屈成績(jī)預(yù)計(jì)將出現(xiàn)歷史新低的14.5 cm。女大學(xué)生50 m短跑的用時(shí)呈現(xiàn)出持續(xù)增加的趨勢(shì)，同時(shí)800 m跑成績(jī)也呈現(xiàn)出持續(xù)增加的態(tài)勢(shì)，這或許說(shuō)明了大學(xué)生爆發(fā)力和耐力水平的不斷下降，這些結(jié)論需要持續(xù)關(guān)注。

圖3 未來(lái)10年中國(guó)石油大學(xué)（北京）女大學(xué)生體質(zhì)測(cè)試成績(jī)預(yù)測(cè)

總體來(lái)看，該校女大生未來(lái)10年的體育測(cè)試成績(jī)呈現(xiàn)出滑坡趨勢(shì)，速度、爆發(fā)力、耐力水平及力量等持續(xù)走低，從某種程度上說(shuō)明當(dāng)前女大學(xué)生身體素質(zhì)狀況呈現(xiàn)連年下滑態(tài)勢(shì)，這與王祥全（2018）的研究結(jié)論相吻合[2]。針對(duì)當(dāng)前女大學(xué)生身體素質(zhì)持續(xù)下降的情況，應(yīng)制定合理的方案，引導(dǎo)女大學(xué)生形成終身體育、終身鍛煉的意識(shí)，以實(shí)現(xiàn)大幅提升女大學(xué)生身體素質(zhì)的目的。同時(shí)，高校要提高對(duì)體育教育的重視度，針對(duì)學(xué)校女大學(xué)生的身體情況，引導(dǎo)學(xué)生形成“健康體魄是學(xué)習(xí)前提與保障”的觀念，提高女大學(xué)生的身體素質(zhì)，進(jìn)而促進(jìn)高校人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升。提高女大學(xué)生身體素質(zhì)刻不容緩，要把提高學(xué)生身體素質(zhì)作為根本任務(wù)，結(jié)合“健康中國(guó)，全民健身”的號(hào)召，切實(shí)落實(shí)教學(xué)方案與改善措施，呼吁女大學(xué)生積極進(jìn)行體育鍛煉。

3 結(jié)論和建議

本文以中國(guó)石油大學(xué)（北京）女大學(xué)生體育成績(jī)的歷年數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法構(gòu)建了誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，對(duì)未來(lái)10年該校女大學(xué)生各項(xiàng)體測(cè)成績(jī)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。通過(guò)構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，未來(lái)10年該校女大學(xué)生的體育測(cè)試成績(jī)預(yù)計(jì)將出現(xiàn)不同程度的下滑。建議可以采取日常體育鍛煉的方式提升女大學(xué)生的身體素質(zhì)水平，如可以通過(guò)長(zhǎng)跑練習(xí)提升學(xué)生耐力素質(zhì)，通過(guò)20 m折返跑的練習(xí)增大脂肪代謝強(qiáng)度、減少肥胖率等，以提升學(xué)生體育測(cè)試成績(jī)和減緩身體素質(zhì)下滑的趨勢(shì)。如何更好地提升女大學(xué)生身體素質(zhì)、調(diào)動(dòng)女大學(xué)生日常鍛煉健身的積極性，需要進(jìn)一步給予關(guān)注和研究。

注釋：

①其他年份數(shù)據(jù)顯示，女大學(xué)生的體質(zhì)水平下降趨勢(shì)與2014級(jí)和2017級(jí)的趨勢(shì)基本一致，本文以2014級(jí)和2017級(jí)為例進(jìn)行了展示。