運動密度對青少年運動能耗與體質健康的影響

蔡瑞金, 季 瀏, 尹 杰, 楊曉玲, 薛小安

(1.華東師范大學 體育與健康學院,上海 200241;2.華東師范大學“青少年健康評價與運動干預”教育部重點實驗室,上海 200241;3.上海市虹口區(qū)第六中心小學 教導處,上海 200083;4.重慶交通大學 體育部,重慶 400074;5.上海市延安中學 體育教研組,上海 200336)

學校是學生通過體育活動促進健康的重要環(huán)境[1]。學校體育是學生學校教育階段體力、智力與人格平衡發(fā)展不可或缺的因素[2-3]。增進學生體質健康水平是學校體育教育的根本任務,運動密度是檢驗這一根本任務完成與否的重要標準,也是衡量體育課質量和體育鍛煉科學化程度的重要指標[4]。運動密度指一堂體育課中學生做練習的時間與上課總時間的比例[5],既包括準備與結束部分的“一般運動密度”,又包括基本部分的“練習密度”。合理增大體育課的運動密度,抓住青少年體育鍛煉習慣形成的關鍵期[6],不僅有利于青少年掌握運動技術、發(fā)展意志品質、提高體質健康水平,而且對于應對久坐行為[7-9]、身體活動不足[7-8]帶來的青少年肥胖問題[9]、心血管疾病早發(fā)問題[10-11]等全球化健康危機和建立青少年體力活動評估的金標準[12]具有現實意義。

增大體育課運動密度的措施始終未有實質性進展。從中華人民共和國成立初張家毅等[13]提出增大體育課的運動密度,到改革開放以來體育教育工作者的不斷探索[14],運動密度始終停留在55%以下[15],特別是基本部分運動密度比較低(25%±5%)[16]。Teodor[2]提出60%～65%的運動密度是比較合理的假設。Ilyasova等[17-18]分別通過75%、25%技能練習和體能練習在小學階段的實驗研究表明,高運動密度是優(yōu)化體育教學方法的主要手段。趙立[19]在總結第6屆全國中小學優(yōu)秀體育教學觀摩活動時指出,增強學生體質問題應用“生物學”手段解決,需要進一步關注體育教學中的運動密度“丟失”問題,回歸體育學科屬性。季瀏[20]在《中國健康體育課程模式的思考與構建》一文中提出一節(jié)體育課的運動密度應在75%左右,所采用的運動強度應使學生運動中心率達140～160次/min。體育教育課程正在從傳統(tǒng)的“以技能為中心”的模式向“以倡導從中等到劇烈體育活動的健康為中心”的模式轉變[21],運動密度達到75%的國內報道不多[22],更鮮有相關實驗研究。諶曉安等[23]曾對運動負荷量高低對額外運動效益和身體健康的作用提出相關觀點,但究竟體育課堂中實施多大的運動密度可以引起運動能耗與體質健康效益的劑量關系,目前研究相對匱乏。

本文在以往研究的基礎上,在控制運動強度的前提下,對體育課低、中、高3種不同運動密度進行調控,探究不同運動密度對青少年運動能耗及體質健康的影響。提出以下3點假設:①不同運動密度對青少年產生的運動能耗不同;②不同運動密度對青少年體質健康影響不同;③不同運動密度對青少年體質健康影響存在性別差異。

1 研究對象與方法

1.1研究對象選取上海市虹口區(qū)第六中心小學五年級4個班共146名學生作為實驗對象,其中男生79人,女生67人,平均年齡(10.19±0.39)歲。采用隨機分組法將4個平行班分為3個實驗班和1個對照班(表1)。

表1 研究對象一般情況

1.2實驗設計由于被試是整班抽取的,因此,本實驗屬“準實驗研究”[24]。MPA能耗在小學及高中階段無性別差異[25],故運動能耗研究中將性別設為控制因素,避免可能由于性別與實驗處理產生交互作用而混淆了實驗結果,采取4×3×5三因素實驗設計。其中,實驗處理(4個水平:36%～54%,55%～74%,75%及以上,常規(guī)運動密度)為被試間變量,測量時段(3個水平:1～8課次為時段1,9～16課次為時段2,17～24課次為時段3)和運動能耗(5個水平:KCALS,MET,%MVPA,MVPA,STEPS)為被試內變量,測量時段和運動能耗屬2個重復測量因素的組合設計。體質健康研究關注進步幅度的差異及其與性別的交互作用,采取4×2雙因素實驗設計,分別為實驗處理因素(4個水平的運動密度)和性別因素(2個水平:男、女)。

實驗班根據Astrand心率計算公式“HRmax=216.6-0.84×年齡”[26]計算出10～11歲青少年中等以上運動強度60%靶心率(60%THR)在148～165b/m(安靜心率60～100b/m),達到最大心率的71.52%～79.29%。具體干預措施按照結構化運動技能學習和多樣化體能練習[20]的原則制定,同時兼顧青少年運動項目趣味性、科學性、知識性和實用性[27]的特點。實驗班與對照班均按照上海市小學“體育與健身”學科要求的內容上課:運動技能包括A1操舞類、A2支撐與懸垂類、A3球類、A4跳躍類、A5滾翻類等5項內容;體能包括B1走跑類、B2投擲類、B3攀爬類、B4跳踢類、B5游戲創(chuàng)設類5種練習內容(表2)。實驗儀器設備如表3所示。每周3次課均使用1種技能與2種以上體能組合練習,實驗1～3班練習組數和每項練習后休息間隔時間不同(表4),教師安排2組以上體能練習時使用分組循環(huán)輪換練習法,確保運動密度在控制范圍內。

表2 實驗干預內容

表3 實驗儀器設備

1.3實驗程序實驗干預時間為2017年10月9日—12月1日,每周3次,共干預8周。采用Polar Team OH1遙測心率儀監(jiān)控運動強度穩(wěn)定在60%THR、用加速度計Actigraph wGT3X-BT監(jiān)測人體運動中的能耗(KCALS、MET、%MVPA、MVPA、STEPS),盡量避免由于被試間差異引起的測量誤差。每次體育課前從不同組別中選取5名實驗對象(3男2女)分別佩戴Polar Team OH1和Actigraph wGT3X-BT加速度計,要求各實驗班實驗對象盡量保持性別、運動技能水平和體能水平上具有相似性。每次施測前將被試身高、體質量、年齡、性別等個人信息分別提前錄入Polar Team OH1軟件系統(tǒng)和Actigraph wGT3X-BT人體運動能耗監(jiān)測儀ActiLife軟件系統(tǒng),測試后按Freedson計算方程[28]導出運動能耗數據,共收集24次課運動能耗的記錄。實驗第1和第8周分別完成身高、體質量、肺活量、50 m×8往返跑、50 m跑、坐位體前屈、1 min仰臥起坐和1 min跳繩體質健康測試指標的前后測,最后收集146名小學生的有效數據。

表4 實驗干預方案

1.4統(tǒng)計分析使用SPSS 23.0統(tǒng)計軟件進行處理和統(tǒng)計分析,數據正態(tài)分布(K-S檢驗)和方差齊性檢驗后,對運動能耗采用一般線性模型的重復測量方差分析。模型判斷先看球形檢驗(Mauchely’s Test of Sphericity)的結果,其原假設與重復測量的數據無關,故當P<0.05時無須采用Greenhouse-Geisser法矯正自由度和P值;采用Test of Within-Subjects Contrasts無統(tǒng)計學意義(P>0.05) 檢驗結果判斷變化趨勢[29-30];對體質健康數據變化采用雙因素方差分析模型,結果無交互作用則進一步簡化模型只分析主效應;結果無交互作用則分析主效應,有交互作用則分析單獨效應。Post hoc主效應均值比較和交互效應的簡單效應Emmeans比較均采用Bonferroni 法[31],計量資料以平均數±標準差(X±SD)表示,顯著性差異定為P<0.05、非常顯著性差異定為P<0.01。

2 結果與分析

2.1不同運動密度對運動能耗影響的結果Polar Team OH1遙測心率儀監(jiān)控3個實驗班運動強度穩(wěn)定在60%THR,符合實驗設計。用加速度計Actigraph wGT3X-BT監(jiān)測人體運動中的能耗一般常用消耗熱量表示,但對于ACSM推薦的中大運動強度(MET 3～6)、時間(MVPA時間)和運動步數(STEPS),以及體育課堂中建議的%MVPA都是需要關注的因素,故與消耗熱量轉換成Z分數后(因各指標單位不同)一并納入一般線性模型分析。對3個實驗班和1個對照班學生運動能耗進行描述性統(tǒng)計(表5),對3個時段運動能耗監(jiān)測數據進行重復測量方差分析,結果見圖1和圖2。

表5 不同時段KCAL、MET、%MVPA、MVPA和STEPS描述性統(tǒng)計及組別單獨效應

注:g為組別,e為運動能耗,t為時段,重復測量分析結果。t主效應P=0.372,e主效應P=0.606,g主效應P=0.000;t×g交互效應P=0.580,t×s交互效應P=0.367,t×e交互效應P=0.943,e×s交互效應P=0.623,e×g交互效應P=0.000。e×g單獨效應分析,各e本來單位不同單獨效應不作分析,就組別單獨效應分析。e各水平與對照班比較,*為P<0.05,**為P<0.01,與實驗1班較,為P<0.05,為P<0.01,與實驗2班比較,為P<0.05,為P<0.01,與實驗3班比較,?為P<0.05,??為P<0.01,性別之間比較,為P<0.05,為P<0.01,圖3、圖4同此

圖1顯示,不同組別代表的不同運動密度在各時段測得的運動能耗無統(tǒng)計學差異(P>0.05),相同運動密度的運動能耗不隨時間變化而變化,運動能耗隨運動密度的增大在低、中運動密度出現拐點,整體上符合線性趨勢(P>0.05);時段與組別交互作用無統(tǒng)計學差異(P>0.05),不同組別之間運動能耗隨時段變化的趨勢相同,實驗2班與實驗1班在1、3時段出現的交互作用不明顯,該現象由隨機實驗誤差引起。組別主效應有統(tǒng)計學意義(P<0.01),說明不考慮時間變化,運動密度是影響運動能耗的主要因素。

圖2顯示,運動能耗與組別交互作用有統(tǒng)計學意義(P<0.01),因此,分析組別與時段各自的主效應有無統(tǒng)計學意義已無實用價值。單獨效應t比較顯示(表5),在KCAL、MVPA、STEPS 3個水平上對照班<實驗1班<實驗2班<實驗3班,對照班與實驗1班差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05,MVPA水平上P<0.01)、與實驗2、3班均具有非常顯著性差異(P<0.01);在STEPS水平上實驗3班與實驗1班具有非常顯著性差異(P<0.01)、與實驗2班的差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05),其余各組間差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。在MET、%MVPA水平上出現對照班<實驗2班<實驗1班<實驗3班的現象,對照班與3個實驗班均具有非常顯著性差異(P<0.01),實驗2班與實驗3班具有非常顯著性差異(P<0.01);實驗1班與實驗3班在MET水平上差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)、在%MVPA水平上具有非常顯著性差異(P<0.01),實驗1班與實驗2班差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。研究結果支持假設1。

圖1 不同時段運動能耗Figure 1 The energy consumption at different periods

圖2 不同組別運動能耗Figure 2 The energy consumption of groups

2.2不同運動密度對體質健康影響的結果依據實驗設計,以“組別”和“性別”為實驗處理因子,對4個班級小學生體質健康測試指標進步幅度(進步幅度=后測-前測)進行4×2多因素方差分析。結果顯示,BMI變化不存在“性別”主效應,存在“組別”主效應[P<0.01,圖3(a)],實驗3班(7 g/m2)與實驗1班 (149 g/m2)具有顯著性差異(P<0.05),實驗2班 (-77 g/m2)與實驗1班、與對照班 (95 g/m2)都具有非常顯著性差異(P<0.01),其他兩兩比較不具有顯著性差異(P>0.05)。

總體上,往返跑進步幅度[P<0.05,圖3(b)]、50 m跑進步幅度[P<0.01,圖3(c)]和坐位體前屈進步幅度[P<0.05,圖4(a)]存在“組別”主效應,實驗3班>實驗2班>實驗1班>對照班,實驗干預因素在這3個指標上取得較為一致的結果,低、中、高運動密度基本呈現運動密度越大其進步幅度越大的趨勢,高運動密度取得最佳效果。3個項目上實驗3班(-8.194 s,-0.411 s,1.844 cm)與對照班(-0.321 s,0.043 s,0.664 cm)均具有非常顯著性差異(P<0.01),50 m跑進步幅度實驗3班與實驗1班(-0.084 s)、實驗2班(-0.044 s)具有非常顯著性差異(P<0.01),坐位體前屈進步幅度實驗3班與實驗1班(0.900 cm)具有顯著性差異(P<0.05),其他兩兩比較不具有顯著性差異(P>0.05)。研究結果支持假設2。

圖3 不同運動密度對BMI、往返跑和50 m跑進步幅度的影響

Figure 3 The variation diagram of progress rate in BMI ,shuttle run and 50 m dash

肺活量進步幅度[P<0.01,圖4(b)]、跳繩進步幅度[P<0.01,圖4(c)]存在“組別×性別”交互效應 。肺活量性別單獨效應:男生隨著運動密度增大而增大的趨勢,實驗3班進步幅度(350.05 mL)最大[圖4(b)],實驗3班與對照班(41.89 mL)、實驗1班(57.16 mL)具有非常顯著性差異(P<0.01),與實驗2班(143.10 mL)具有顯著性差異(P<0.05);女生不同班級兩兩比較均不具有顯著性差異(P>0.05)。跳繩性別單獨效應同樣顯示:實驗3班男生 (8.95個)進步幅度最大,實驗3班與實驗1班(7.79個)無顯著性差異(P>0.05)、與實驗2班(3.90個)有顯著性差異(P<0.05)、與對照班(1.20個)有非常顯著性差異(P<0.01);女生實驗2班(8.18個)進步幅度最大,實驗2班與實驗1班(3.06個)具有顯著性差異(P<0.05)、與實驗3班(6.25個)不具有顯著性差異(P>0.05)、與對照班(0.18個)具有非常顯著性差異(P<0.01)。說明高運動密度是影響男生肺活量和跳繩進步幅度的主要因素,中運動密度是影響女生跳繩進步幅度的主要因素。

班級單獨效應:肺活量項目實驗3班男(350.05 mL)女(78.50 mL)變化出現非常顯著性差異(P<0.01),跳繩項目實驗1班男(7.79個)女(3.06個)變化出現顯著性差異(P<0.05),其他班級男女變化均不存在顯著性差異,肺活量和跳繩進步幅度存在性別差異。研究結果支持假設3。

仰臥起坐進步幅度不存在“組別×性別”的交互效應(P>0.05),不存在“組別”主效應(P>0.05)和“性別”主效應(P>0.05),說明以仰臥起坐為測試指標的腹部力量耐力變化暫未出現受運動密度或性別影響的變化趨勢。

3 討論

3.1不同運動密度對運動能耗的影響學校體育課中運動密度、運動負荷、運動強度是不可分割的整體,三者是影響體育教學質量的主要因素[4,13]。體育課是青少年健康促進的主要措施和有效實施路徑。60%心率儲備(HRR)對應的60%THR是ACSM推薦中大強度的臨界點[26],該強度下運動密度對運動能耗和體質健康影響價值閾的研究是解決中國學生身心健康問題的關鍵之一[20]。體力活動、能量消耗與健康促進研究成為國內外研究的熱點[1,32-33],但其多采用全天或相關運動方式佩戴能耗儀,從而使體育課失去監(jiān)測效度。

圖4 不同運動密度對坐位體前屈、肺活量和跳繩的影響

Figure 4 The variation diagram of progress rate in the sit and reach,lung capacity and rope skipping

本文通過運動能耗與組別交互作用的統(tǒng)計結果顯示,KCAL、MVPA、STEPS 3個水平運動能耗呈現隨運動密度增大而增大的趨勢。根據能量消耗公式[34]和Ndahimana等[35]研究表明,運動強度、持續(xù)時間和活動頻率是運動能耗的3大影響因素。本實驗中3個實驗班運動強度(60%THR)相同,運動時間取決于運動密度設計,依次遞增5 min,所以監(jiān)測到的KCAL、MVPA和STEPS依次增大,36%～54%的運動密度是引起3個水平消耗差異的最小閾值,但較大STEPS顯著性差異需要75%以上運動密度才能實現。本文實驗1～3班兩兩比較能量消耗無顯著性差異,可能與運動表征情景下出現的神經高效現象[36]有關。MET、%MVPA兩水平運動能耗雖在低、中運動密度出現略有下降的拐點,無統(tǒng)計學意義(MET均值相差0.04,%MVPA均值相差0.26)可能與實驗設置的運動強度有關,36%～54%的運動密度是引起MET、%MVPA水平消耗差異的最小閾值,但較大MET、%MVPA顯著性差異需要75%以上的運動密度才能實現。實驗組與對照組相比在被試內變量(5水平)上的單獨效應均達到顯著性差異,說明干預因素效果明顯,不同運動密度干預顯著優(yōu)于對照班。實驗3班與實驗2班、實驗1班相比在被試內變量(除KCAL和MVPA外)3個水平上的單獨效應均達到顯著性差異,說明高運動密度干預因素顯著優(yōu)于中、低運動密度。實驗1班與實驗2班相比在被試內變量(5個水平)上的單獨效應均未達到顯著性差異,說明低、中運動密度干預效果差別不明顯。

3.2不同運動密度對體質健康的影響本文結果顯示,55%～74%的運動密度是引起B(yǎng)MI下降的最小閾值;實驗2班與實驗3班BMI差異不具有顯著性差異表明,60%THR運動強度、55%～74%與75%以上的運動密度對BMI的維持或降低具有同樣的劑量效應。圖3顯著性檢驗表明,75%以上的運動密度是引起往返跑、50 m跑、坐位體前屈顯著性進步的最小閾值。肺活量項目性別單獨效應說明,引起男生肺活量顯著性變化的最小閾值(60%THR強度下)是75%的運動密度;實驗2班女生取得了最好的效果,但與其他班級并不存在顯著性差異,暫未觀察到哪種運動密度可以引起女生肺活量的顯著變化;班級單獨效應進一步說明女生在運動密度(60%THR強度下)超過75%時肺活量未呈現升高趨勢,與男生差異變大,55%～74%的運動密度可能是女生發(fā)展肺活量項目的價值閾。跳繩項目性別單獨效應說明36%～54%的低運動密度是顯著性提高男生跳繩能力的最小閾值,55%～74%的中等運動密度不適宜發(fā)展男生跳繩能力,75%以上運動密度時才會取得更顯著的效果。相反,女生在實驗2班取得最好效果,說明55%～74%的中運動密度適宜發(fā)展女生跳繩能力,班級單獨效應也進一步驗證了這一點。

3.3本文與國內外運動干預結果的比較本文結果支持了Freedson用MET分類運動強度預測能量消耗,評估輕度、中度和劇烈活動效果[37],將中等強度的閾值界定在3～6METs[26,38-39]的理論;并與Ainsworth[33]根據MET值推薦身體活動作為能量消耗的指標保持一致。本文得出60%THR心率區(qū)間為148～165b/m,與3METs對應的HR%最佳臨界點為55%對應正常心率區(qū)間為93～155b/m的研究結果不太一致[40]。究其因,體力活動難以精確測量,加之受試者正值青春發(fā)育期,靜息心率個體間差異較大,故與本文由理論推導的控制負荷強度差異較大,也可能與本文受試者的年齡差異有關。本文結果與Steele[41]用MVPA活動總時間(min)遏制10歲兒童肥胖的研究結果一致,即長時間的MVPA累積與BMI下降呈強相關。本文結果支持武海潭等[42]關于50%以上累積MVPA顯著改善心肺耐力的研究結果。我國青少年僅靠體育課MVPA累積與每天60 min MVPA推薦活動時間相距甚遠[43][實驗3班平均為(19.28±3.10) min]。目前國內外對青少年每日步數的研究較多,美國兒童青少年平均每日步數為(1 1981±3 410)步[44]。Pillay等[45]研究表明,運動強度似乎是衡量步數的重要因素。Tudor-Locke等[46-47]以中等強度最少100步/min推測,進行30 min中等強度活動時最小推薦量為3 000步。本文聚焦35 min體育課獲得75%以上運動密度的步數為(1 544±337)步的結果,具體推薦步數有待于后續(xù)研究。

“超量恢復”學說和“運動適應”理論是解釋人體運動能力變化的經典理論[48],實踐中運用超量恢復規(guī)律的關鍵是合理安排休息間歇[49]。75%以上運動密度達到了引起運動能力提高的最小運動負荷閾值,從圖1實驗3班3個時段的運動能耗依次降低的趨勢可知,同樣負荷的運動出現身體機能節(jié)省化,并在隨后的運動中產生了運動適應。本文結果與Sollerhed等[50]的研究結果一致,盡早在兒童青少年時期開展每天大于40 min的學校體育運動,特別是有氧運動可以對BMI提升有良好的預防作用;支持了Rowan等[51]提出的引起心肺耐力變化需達到65%～80%VO2max運動強度、并能有效防止氧化應激反應[52]的研究結果,這可能與中等強度的持續(xù)性訓練引起線粒體含量增加有關[53];支持了“事先不告知練習者練習次數[54]和較短休息時間的訓練[55]可以提高最快速度的能力”的研究結果,并與“柔韌性提高可以增加力的作用范圍和時間、導致運動速度的增加”[56]的研究結果一致;支持了“跳繩是中等到高強度身體活動的有效干預措施”[57]的研究結果,在控制運動強度的前提下,加大跳繩運動密度練習,有利于縮短搖繩與起跳反應時,從而打破動作速度與準確性成反比的菲茨定律[58],使跳繩動作速度快、準確率高;與Faigenbaum等[21]提出的8周MVPA體適能和技能練習未能顯著提高仰臥起坐能力的研究結果一致。50%～90%1RM的負荷范圍被認為是發(fā)展力量的有效刺激[59],為保證10～11歲青少年骨骼和心肺功能健康發(fā)展,本實驗未設置相應強度的刺激,因此,腹部核心力量在4個班級間均未取得顯著改善。

4 結論與建議

4.1結論

(1) 運動密度是影響運動能耗和體質健康顯著性改變的主要因素。就小學35 min的體育課而言,60%THR運動強度、36%～74%運動密度的運動負荷產生的運動能耗相對穩(wěn)定,但不能引起體質健康相關指標(男生跳繩除外)數據的顯著性提高,該組合是維持身體基本運動能力的最小閾值。60%THR運動強度、55%～74%的運動密度是引起B(yǎng)MI下降的最小閾值,55%～74%與75%以上的運動密度對BMI的維持或降低具有同樣的劑量效應。60%THR運動強度、75%以上運動密度使機體的運動能耗(STEPS、MET、%MVPA 3個水平)和往返跑、50 m跑、坐位體前屈、肺活量(男生)、跳繩(男生)等項目能力顯著性提高,該運動負荷是實現健康促進效應和提高運動能力的價值閾。

(2) 55%～74%運動密度對青少年體質健康影響存在性別差異。60%THR運動強度、36%～54%運動密度的運動負荷是顯著性提高男生跳繩能力的最小閾值,75%以上運動密度干預會取得更顯著的效果。60%THR運動強度、55%～74%運動密度的運動負荷適宜發(fā)展女生跳繩能力,但不適宜男生;是否適宜發(fā)展女生肺活量有待進一步研究,提示在教學中應注意根據練習項目和性別區(qū)別安排練習密度。

(3) 60%THR運動強度是否有利于發(fā)展力量耐力有待進一步探討。本實驗干預內容源于《體育與健身》課程內容,然而課堂干預措施并無專門的力量耐力項目發(fā)展腰腹力量[26]。因此,60%THR運動強度、不同運動密度對青少年仰臥起坐成績的改善無顯著性影響,但并不能得出該運動負荷不適宜發(fā)展10～11歲青少年腰腹力量的結論。未來應進一步探討運動項目、運動強度、持續(xù)時間和練習次數之間的交互作用對體質健康的影響。

4.2建議有效銜接國家課程標準“中國健康體育課程模式”倡導的“每節(jié)課的運動密度應在75%左右,運動心率達140～160 b/m”的目標[20],為制訂青少年健康促進計劃[60]提供參考。