運用數據級數推斷對大學生足球專項課堂教學比賽負荷數據的分析

張恒亮，毛萬麗，劉鴻優

教育部制定的校園足球發展規劃中提出，到2020年中小學足球特色學校的數量將達到2萬所，同時，支持建設200支高水平大學生足球運動隊。毫無疑問，2萬所特色足球學校需要大量的中小學足球教師和足球教練員，而200支高校足球運動隊則需要大量的高水平大學足球專項學生。中小學足球教師和教練員以及高水平的大學足球專項學生最主要的來源當屬普通高等院校的體育教育與運動訓練專業足球專項的學生。因此，這兩個專業的足球專項課堂教學質量尤其重要。

保障高校足球專項課堂教學質量的關鍵是制定科學化的教學計劃、實現科學化的足球教學與訓練，實現這一點的基礎則是準確地量化評估高校足球專項學生在課堂教學中的運動負荷特征，并以此為基礎制定科學合理的教學與訓練計劃和內容。

運動負荷是指學生在完成一定的課堂學習、訓練或比賽任務時，機體在生理和心理方面所承受的總刺激，可以通過這兩方面所表現出來的機體內部應答反應程度來表征[1]。運動負荷是促進學生競技能力提升的核心因素[2]，學生承受的教學與訓練負荷的質和量決定了其運動水平和比賽成績[3]，因此，對學生在課堂教學與訓練中的運動負荷進行科學合理的量化極其重要。

足球作為同場對抗球類集體運動項目，具有集體性和對抗性強的特征，影響其運動負荷的因素復雜多變，量化評估的難度較大[4,5]。一般認為，足球項目的運動負荷主要包括外部運動負荷和內部運動負荷兩種形式[2]。足球外部運動負荷可由球員在足球訓練或比賽中的外在運動形式來表征，包括跑動、加速、急停、跳躍等[6]。足球內部運動負荷是指教學、訓練或比賽任務對球員身體所施加的生物學刺激，包括生理和心理刺激[6]。心率、血乳酸、攝氧量和主觀疲勞等變量都可用來評估足球運動中的內部運動負荷[6]，而其中運用得最廣泛的是心率指標[7]。目前，國內外高水平足球運動隊廣泛采取GPS全球定位系統和心率監測系統兩種可穿戴電子設備來監控和評估運動員在訓練與比賽中的外部和內部運動負荷[8]。

本研究將從實證研究角度出發，以華南師范大學體育教育專業足球專項班的學生為研究對象，采取GPS全球定位系統和心率監測系統兩種可穿戴電子設備探討普通高等院校足球專項課堂教學比賽的運動負荷特征。

1 研究方法

1.1 實驗測試

1.1.1 研究對象

本研究選取的研究對象為華南師范大學體育科學學院體育教育專業2014級足球專項班的14名大學足球專項學生[身高（174.7±4.8）cm，體重（70.8±7.1）kg，年齡（20.8±2.2） 歲，BMI指數（23.3±3.0） kg/m2]。實驗測試在征得研究對象及任課老師的同意后進行。

1.1.2 測試實施

實驗測試安排在2016—2017學年度，連續跟蹤研究對象的多次足球專項課。為了盡可能地保證實驗測試的客觀性，實驗測試人員不干涉或更改任課老師的教學計劃。每次課前15 min，實驗人員登記好研究對象的姓名、年齡、場上位置等基本信息，幫助研究對象佩戴并激活實時心率跟蹤儀（Polar Team2，芬蘭）和GPS定位系統（Catapult Optimeye S5，澳大利亞），精確地記錄課堂中的各個關鍵時間點（如，課堂開始時間和結束時間、教學比賽開始和結束時間等）。課程結束后，實驗人員幫助研究對象解除其佩戴的電子設備。

Polar Team2心率跟蹤儀和Catapult Optimeye S5 GPS定位系統通過胸帶和背心佩戴于研究對象身上，并不影響研究對象的正常活動，且兩種設備均被前人的研究證實能夠準確采集佩戴者的實時心率、實時移動位置及速度信息[9,10]。

課堂實驗測試結束后，測試人員會及時通過軟件從心率跟蹤儀和定位系統中導出研究對象的心率數據和跑動數據。為了方便本研究的研究討論，筆者選取了3次該班級與其他班級進行的十一人制足球教學比賽課進行研究。

1.1.3測試變量

1.1.3.1 外部運動負荷變量

本研究采用的Catapult Optimeye S5 GPS定位系統融合了GPS全球定位系統、3D加速度傳感器（16G，1 000Hz）、3D 陀螺傳感器（2 000 °/s，1 000Hz）和 3D 磁力傳感器（1 200 mT，100Hz），能有效跟蹤到大學足球專項學生在課堂教學比賽中的所有跑動、加速、急停等相關信息。參照前人的研究，本文選取以下指標來量化評估大學足球專項學生在足球專項課堂教學比賽中的外部運動負荷（表1）[11]。

表1 本研究選取的外部運動負荷變量Table I Variables of External Training Load

（續表 1）

1.1.3.2 內部運動負荷變量

本研究研究采用的Polar Team2心率跟蹤儀可跟蹤到大學足球專項學生在足球課堂教學比賽過程中的心跳。參照前人的研究，本文選取了以下心率指標來量化評估大學足球專項學生在足球專項課堂教學比賽中的內部運動負荷（表2）[7]。

表2 本研究選取的內部運動負荷變量Table II Variables of Internal Training Load

1.2 數據分析

本研究跟蹤測試的3次課堂教學足球比賽都分上、下半場進行（中場休息約10 min），比賽總時間（第一場比賽用時50 min，上半場27 min、下半場23 min；第二場比賽用時 73 min，上半場 34 min、下半場 39 min；第三場比賽用時 66 min，上半場38 min、下半場28 min）及每名大學足球專項學生的上場時間不等（8～73 min），因此，本研究選取了每一場比賽中打滿全場的大學足球專項學生的數據（N=12）進行進一步研究。由于3場比賽時間的不一致，本文采用Excel軟件將以m、s、次為單位的距離、時間和次數變量以及加速度負荷這些“絕對值”變量，標準化為90 min（一場標準的十一人制足球比賽時間）的距離、時間、次數和負荷。而百分比變量、平均時間、平均距離和平均速度這些“相對值”變量則保留原始值。標準化后的數據被導入到SPSS（v20.0）進行進一步分析。

首先，對所有大學足球專項學生在3場比賽中的每一項內、外部運動負荷變量進行描述性分析，得出足球專項課堂教學比賽運動負荷的總體特征。

其次，采取數據級數推斷的方法，對所有大學足球專項學生的每一項內、外部運動負荷變量在上、下半場的變化值（CS，Change Score）進行統計學分析：以上半場數值的標準差為基準，將變化值的均值進行標準化，標準化之后的變化值的ES（Effect Size,Cohen’s D值）按照以下閾值進行劃分：無意義微小變化 ＜0.2＜小變化 ＜0.6＜中度變化 ＜1.2＜大變化＜2.0＜非常大變化＜4.0＜極其大變化。同時，采取90%置信區間，對總體變化值落在各個區間的可能性大小作出以下劃分：極其不可能＜0.5%＜非常不可能 ＜5%＜很不可能 ＜25%＜可能 ＜75%＜很可能＜95%＜非常可能＜99.5%＜極其可能[12]。

2 研究結果

2.1 大學足球專項學生足球專項課堂教學比賽外部運動負荷特征

由表3可見，足球專項課堂教學比賽中，大學足球專項學生平均跑動距離為8 319 m。從跑動速度角度來看，大學足球專項學生在比賽中的平均跑動速度為 5.59 km/h，低速跑（＜12 km/h）跑動距離 6 218 m，占總距離的75.5%，高速跑（＞21 km/h）跑動距離為374 m，僅占4.5%；低速跑跑動時間占總比賽時間的91.2%，而高速跑跑動時間只占1.03%；學生在每90 min的比賽中平均完成19次高速跑（21～24 km/h）和7.6次沖刺跑（＞24 km/h），每次高速跑和沖刺跑持續的平均時間為1.75 s和2.14 s，持續的平均距離為10.9 m和15.9 m。從加速度的角度來看，學生在比賽中96.7%的跑動距離和98.2%的比賽時間中都是以-2 m/s2至2 m/s2的低強度完成加/減速的。綜合速度和加速度來分析，大學生在十一人制的足球專項課堂教學比賽中，平均間隔80 s完成一次反復高強度跑動，整場比賽中平均完成45次反復高強度跑動。大學足球專項學生在上半場的跑動總距離，平均跑動速度，慢速跑、低速跑、中低速跑、中速跑、中高速跑和高速跑跑動距離、跑動時間與次數，高強度減速跑跑動距離和時間，低強度減速跑跑動距離、時間和次數，低強度加速跑跑動距離和次數，加速度負荷，反復高強度跑動次數都明顯高于下半場（ES介于0.35～1.22，可能性皆大于75%），上半場的步行移動時間（ES=0.94，可能性＞99.5%）和高強度跑動之間的平均恢復時間（ES=1.60，可能性 ＞99.9%）則明顯低于下半場。

表3 足球課堂教學比賽中大學足球專項學生各項外部運動負荷相關變量數據Table III Variables of the External Training Load on College Football Players in the Simulation Match

（續表 3）

2.2 大學生足球專項課堂教學比賽內部運動負荷特征

由表4中的數據可見，在十一人制的足球專項課堂教學比賽中，大學足球專項學生的平均心率為165次/分鐘，約占最大心率的82.8%，整場比賽中僅有1.6%的時間處在低于60%最大心率強度的時間內，38.9%的時間處在60%～80%最大心率強度區間，而59.5%的比賽時間是處于80%最大心率強度以上區間。大學生在比賽中的平均心率以及低強度、中低強度、中等強度心率區間的時間均體現出較大的浮動性（標準差較大），因此上、下半場的均值變化并不清晰。大學生在下半場處在中高強度心率區間的時間明顯多于上半場（ES=0.5，可能性介于75%～95%），而上、下半場大學生處在高強度心率區間的時間只存在微小無意義的差異 （ES=0.15，可能性介于75%～95%）。

表4 足球課堂教學比賽中大學足球專項學生各項內部運動負荷相關變量數據Table IV Variables of the Internal Training Load on College Football Players in the Simulation Match

3 討論與分析

當前，國內外研究者已廣泛采取GPS全球定位系統和心率監測系統來對高水平足球運動員在訓練與比賽中的外部和內部運動負荷進行量化[2,8]，并取得了一定的前期研究成果，但對我國高校足球運動員與足球專項大學生在教學、訓練與比賽中的運動負荷特征進行量化評估的研究則不多。

在足球運動員外部負荷方面，Torreno等采取GPS全球定位系統對西班牙足球甲級聯賽職業足球運動員進行了研究，結果顯示：在90 min的比賽中，運動員跑動距離達10 161 m，其中914 m為高強度跑動[11]；Buchheit等的研究則得出：18歲的高水平青年足球運動員在90 min的十一人制比賽中跑動距離達8 867m，低速跑、中速跑、高速跑和沖刺跑跑動距離分別為6 650 m、976 m、574 m和666 m[13]；而最新的對南非大學生水平的足球比賽的研究顯示，運動員全場跑動距離為9 329 m，高強度跑動時間占總比賽時間的1.3%[14]。本研究的結果顯示，足球專項大學生在90 min的課堂教學比賽中的跑動總距離為8 319 m，高速跑跑動距離為374 m，高速跑跑動時間占總比賽時間的1.03%，3項指標與國外的青少年運動員和大學生運動員都存在一定差距，與高水平職業足球運動員的差距較大。此外，本研究采用Catapult Optimeye S5 GPS系統，獲得了更加細化的足球專項大學生的外部運動負荷數據，具體為：在十一人制的足球專項課堂教學比賽中，大學生在每90分鐘的比賽時間內平均完成19次高速跑和7.6次沖刺跑，每次高速跑和沖刺跑持續的平均時間為1.75 s和2.14 s，持續的平均距離為10.9 m和15.9 m，大學生平均每間隔80 s完成一次反復高強度跑動，整場比賽中平均完成45次反復高強度跑動。這些細化的外部運動負荷數據可以為足球專項教學、訓練與比賽備戰提供基礎的參考信息。

在足球運動員內部負荷方面，趙剛等使用suuto團隊心率表對普通高校足球校隊運動員在比賽中的心率特征進行了分析，結果指出，運動員在比賽中的平均心率為160.2次/分鐘，在低強度和中低強度心率區間的運動時間占比賽總時間的74%，中等強度和中高強度心率區間的運動時間占比賽總時間的20%，高強度心率區間運動時間占總比賽時間的6%[15]；Alexandre等[7]對國外文獻的綜述研究顯示，在十一人制足球比賽中，無論是正式比賽還是教學交流賽，青年和成年運動員的平均心率都在165～175次/分鐘之間，占最大心率的80%～89%。與以上結果類似，本研究發現，足球專項大學生在課堂教學比賽中的平均心率為165次/分鐘，約占最大心率的82.8%。與前人研究結果不同的是，本研究顯示，普通高校足球專項大學生在比賽中有23.2%的時間處于高強度心率區間，65.5%的時間處在中高強度和中等強度區間，中低強度和低強度心率區間內的運動時間僅占11.3%。需要注意的是，高強度心率區間的標準差較大，顯示出被研究對象的個體差異較大。

在官方正式的足球比賽中都會有15 min以內的中場休息時間，雖然通過中場休息，足球運動員的生理狀態可以得到一定的恢復，但依然不足以完全消除運動員的肌肉疲勞，因此，運動員下半場的運動能力和運動表現都會出現一定程度的下降[11,15]。準確與客觀地量化與認知運動員在下半場出現的運動能力下降的具體形式，對于科學地制定訓練與比賽方案具有較大的現實意義。在外部負荷方面，Torreno等的研究指出，在西班牙足球甲級聯賽中，運動員下半場的跑動總距離和13 km/h以上速度跑動的距離都出現了顯著性下降[11]。與此類似，本研究顯示，足球專項大學生在課堂教學比賽中，下半場的跑動總距離，平均跑動速度，慢速跑、低速跑、中低速跑、中速跑、中高速跑和高速跑跑動距離、跑動時間與次數，高強度減速跑跑動距離和時間，低強度減速跑跑動距離、時間和次數，低強度加速跑跑動距離和次數，加速度負荷，反復高強度跑動次數都明顯低于上半場，而步行移動時間和反復高強度跑動之間的平均恢復時間則明顯高于上半場。說明上半場累積的肌肉疲勞已經嚴重影響到了足球專項大學生在下半場的運動能力。趙剛等的研究發現，在我國的大學生足球比賽中，運動員上、下半場的平均心率分別為165.6次/分鐘和149.4次/分鐘，下半場下降了1.6個標準差[15]。本研究的結果顯示，足球專項課堂教學比賽中，足球專項大學生在上、下半場的平均心率差異并不清晰，但足球專項大學生在下半場處在中高強度心率區間的時間明顯多于上半場。結合內、外部負荷的結果不難看出，足球專項大學生在下半場比賽中需要應對較高的心肺負荷來完成有球與無球跑動，且跑動能力尤其是高強度跑動能力出現了明顯的下降。前人的研究認為，高強度跑動能力是決定足球比賽勝負的關鍵能力[11]，因此，加強足球專項大學生在出現肌肉疲勞狀態下的高強度跑動能力訓練顯得尤其重要。

4 結論

4.1 相對于國外的青少年和大學足球專項學生，我國普通高校足球專項大學生在課堂教學比賽中的跑動總距離、高速跑和沖刺跑跑動距離和跑動時間都偏低，體現出比賽激烈程度偏低，比賽節奏偏慢的特征。與此同時，跑動總距離、加速度負荷等表征外部負荷量的指標，與平均跑動速度，高速跑跑動距離、時間與次數，反復高強度跑動次數等表征外部負荷強度的指標在下半場都出現明顯下降，表明足球專項大學生在下半場的運動能力受到上半場累積的肌肉疲勞的影響較大。

4.2 與國內外各級別的足球比賽類似，我國普通高校足球專項大學生在十一人制的足球專項課堂教學比賽中，賽時平均心率約占最大心率的82.8%，但體現出較大的個體差異性。足球專項大學生在下半場處在中高強度心率區間的時間明顯多于上半場，而上、下半場足球專項大學生處在高強度心率區間的時間只存在微小無意義的差異。結合上、下半場的外部負荷變化特征可以表明，足球專項大學生在下半場的心肺負荷顯著增高，卻不能完成更多的有球和無球跑動，大學生在出現肌肉疲勞狀態下的跑動能力尤其是高強度跑動能力亟待提升。