男大學(xué)生有氧能力/心肺適能的跑步測評方式驗證與比較

胡海旭，呂玉軍，賀茜娜，宋衛(wèi)東

《國家學(xué)生體質(zhì)健康標準》(下文簡稱“標準”)是促進學(xué)生體質(zhì)健康發(fā)展、激勵學(xué)生積極進行身體鍛煉的教育手段。所選用的指標可以反映與身體健康關(guān)系密切的身體成分、心血管系統(tǒng)功能、肌肉的力量和耐力、以及關(guān)節(jié)和肌肉的柔韌性等要素的基本狀況。其中的心血管功能系統(tǒng)和耐力在大學(xué)生群體測試中分別通過1 000 m、肺活量指數(shù)等成績數(shù)據(jù)來反映，是對大學(xué)生有氧能力/心肺適能(cardiorespiratory fitness，CRF)的一個綜合評價。從2007年開始，教育部、國家體育總局、共青團中央下發(fā)了《關(guān)于開展全國億萬學(xué)生陽光體育運動的決定》，結(jié)合《國家學(xué)生體質(zhì)健康標準》的全面實施在全國各級各類學(xué)校中廣泛、深入地開展全國億萬學(xué)生陽光體育運動[1]，由此每年對按照《標準》面向全國大中小學(xué)生測試一次，考核學(xué)生等級并統(tǒng)計數(shù)據(jù)上報教育部，以此來提高學(xué)生體質(zhì)健康水平。探析國家大學(xué)生體質(zhì)健康測試中評價有氧能力/心肺適能的效度，以及以此作為男大學(xué)生體質(zhì)健康促進的“指揮棒”。

有氧能力/心肺適能是指心血管和呼吸系統(tǒng)在持續(xù)運動中的總體供氧能力[2]。它不僅與心血管健康水平成正比[3-4]，而且是重要的死亡預(yù)測因子[5]。不僅如此，它對認知健康也有積極效益，能夠促進執(zhí)行功能提高和記憶力的改善[6-7]。因此，有氧能力/心肺適能是最為重要的健康標志之一，甚至超過了其他傳統(tǒng)的指標，如體重狀況，血壓或膽固醇水平[8]。國際上一般以最大攝氧量(˙VO2max)來衡量有氧能力/心肺適能水平，但由于電動跑臺測試、機械負荷功率車測試等直接測試方法采用的儀器過于昂貴且耗時，美國運動醫(yī)學(xué)學(xué)會(American College of Sports Medicine，ACSM)推薦健康成人的間接測試方法有庫珀(Cooper)12 min跑、1.5 mi(2 400 m)跑，1.6 mi快步走[9]，以及歐洲青少年采用的20 m折返跑等[10]，該測試與我國現(xiàn)行的男生1 000 m、女生800 m跑測試方法不同。因此，文章主要研究目的是對現(xiàn)行《標準》中的有氧能力/心肺適能效度進行驗證，為男大學(xué)生有氧能力/心肺適能的體育課程設(shè)置和教育教學(xué)改革提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究對象

45名健康中國大學(xué)男生自愿參加本項課題研究。年齡(19.11±0.6)歲，體重(68.17±8.5)kg，身高(1.75±0.05)m。受試數(shù)據(jù)均來自2017-2018學(xué)年第二學(xué)期大學(xué)體育和航空體育教學(xué)班級中。測試前對受試參與測試的目的、測試方法和注意事項等均進行了詳細講解和現(xiàn)場示范。受試篩選標準包括：沒有心血管和代謝類疾病，骨骼肌無任何損傷，測試期間沒有因病吃藥。所有受試者在實驗前了解實驗?zāi)康暮土鞒滩⒑炗喼橥鈺?/p>

1.2 程序

1 000 m測試為學(xué)期期末考試，時間越短分數(shù)越高，每位受試均參加，體育課教學(xué)的第10周進行集中測試。3 000 m跑和12 min跑對學(xué)生的體能要求較高，最終只有航空體育的23名學(xué)生完成該2項測試，其中的3 000 m是期末考試內(nèi)容，12 min跑是作為3 000 m考試的準備練習(xí)，并和學(xué)生商議，將12 min跑納入平時成績。測試時間為1 000 m考試結(jié)束后的第3天和第6天。所有受試在進行跑步測試前的48 h內(nèi)禁止進行大強度運動。所有測試過程都是由相同的2名實驗指導(dǎo)人員指導(dǎo)進行。

最大攝氧量˙VO2max測試。

自所有跑步測試結(jié)束的第3天開始，在實驗室內(nèi)佩戴便攜式心肺功能遙測儀(K5，Cosmed，Rome，Italy)通過電動跑臺直接測試˙VO2max。每次測試前，用氣體校正儀對O2和CO2進行校準。測試時，佩戴氣體收集面罩，面罩邊上附著有硅膠密封條防止氣體泄漏。采用修訂Balke方案進行測試，每2 min遞增3%的速度強度持續(xù)跑動，直到精疲力竭。具體力竭標準滿足下列條件之二：(1)在積極鼓勵的前提下依然無法按照設(shè)定的功率車速率的節(jié)奏蹬踏；(2)運動負荷不斷增加，而攝氧量出現(xiàn)平臺期，低于2 ml·kg-1·min-1；(3)達到最大心率的95%以上(最大心率=220-年齡)；(4)呼吸商≥1.10；(5)受試表現(xiàn)出不舒適/大量出汗和痛苦表情等癥狀，Borg自覺疲勞量表RPE＞17[11]。

根據(jù)《國家學(xué)生體質(zhì)健康標準》解讀及前文論述，除了1 000 m之外，與˙VO2max有關(guān)的指標還有肺活量指數(shù)，肺活量/體重(在下文機器學(xué)習(xí)方法的多變量競爭中，本文還將“肺活量/體重2”作為一個類似對比的肺活量指數(shù)納入自變量)。此外，體重指數(shù)BMI也是衡量體成分的重要內(nèi)容，脂肪含量與肺功能負相關(guān)，非脂肪含量與肺功能正相關(guān)[12-13]，身體成分特征可能是肺功能改變的預(yù)測因素[14]，本研究將BMI及其相關(guān)的身高、體重指標也納入影響˙VO2max的因素中。此外，坐位體前屈反映腰部髖關(guān)節(jié)和腿部韌帶的柔韌性，可能會影響1 000 m跑的步幅，因此將坐位體前屈也納入自變量中。所有受試在參與˙VO2max測試之前，均在實驗室進行教育部規(guī)定的室內(nèi)體質(zhì)健康測試內(nèi)容，包括身高、體重、肺活量、坐位體前屈4項，測試儀器使用的是恒康佳業(yè)無線測試設(shè)備。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

(1)運用一般線性回歸線擬合1 000 m跑成績與˙VO2max的關(guān)系圖。(2)應(yīng)用一般線性回歸分析選取的自變量(1 000 m、肺活量指數(shù)、坐位體前屈、BMI)對因變量˙VO2max.kg-1.min-1和˙VO2max.min-1的方差變異解釋情況。(3)為了比較3 000 m，12 min跑和1 000 m三者之間與最大攝氧量關(guān)系的強弱，又鑒于完整參與的受試對象只有23名，無法適應(yīng)傳統(tǒng)經(jīng)典的統(tǒng)計模型的“基本假定”。本文采用機器學(xué)習(xí)方法之一的隨機森林算法模型分析。所謂隨機森林是對每一個樣本建立一顆決策樹，在每個節(jié)點，在所有競爭的自變量中，隨機選擇幾個(而不是所有的變量)來競爭拆分變量。隨機森林的每棵樹都不剪枝，讓其充分生長。隨機森林能夠處理觀測值很少但卻自變量很多的問題[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 描述性分析

表1 經(jīng)典線性回歸模型中變量描述 (N=45)Table 1 Variable description in classical linear regression model

表2 隨機森林模型中變量描述 (N=23)Table 2 Variable description in random forest model

從表1、表2數(shù)據(jù)可見，按照《標準》，體質(zhì)健康測試的均值評分都在合格以上水平。與經(jīng)典線性回歸比較，隨機森林中相應(yīng)指標數(shù)據(jù)的平均值較高，或者說體質(zhì)健康水平更好。由于參加12 min跑與3 000 m跑測試要求學(xué)生最大可能發(fā)揮跑步水平，在自愿基礎(chǔ)上，篩選的男大學(xué)生時也考慮到體質(zhì)健康水平的優(yōu)劣，確保測試更準確和安全。

圖1 ˙VO2max.kg-1.min-1與1 000 m跑成績的關(guān)系擬合線Graph 1 Fit line of˙VO2max.kg-1.min-1and 1 000 m running score

2.2 1 000 m跑與˙VO2max的關(guān)系

為簡單分析大學(xué)生體質(zhì)健康測試中的男生1 000 m跑與最大攝氧量˙VO2max之間的關(guān)系，對二者的關(guān)系進行簡單的線性擬合。如圖1所示是以˙VO2max.kg-1.min-1為Y軸，1 000 m跑為X軸分別進行一般線性回歸線擬合和立方擬合曲線。據(jù)圖所示，總體趨勢表現(xiàn)為1 000 m跑成績越好(時間越短)最大攝氧量水平相應(yīng)也越高。其中的一般線性方程擬合R2=39.7%，立方擬合曲線方程擬合R2=42.1%，可知，目前大學(xué)生體質(zhì)健康測試中的測試男生耐力和心血管系統(tǒng)功能的1 000 m只能解釋˙VO2max.kg-1.min-1的39.7%的變異，立方擬合曲線也只解釋了42.1%總方差。同理，圖2所示以˙VO2max.min-1為Y軸，1 000 m跑為X軸，˙VO2max.min-1與1 000 m跑成績正相關(guān)，但一般線性方程擬合R2=29.9%，立方擬合曲線方程擬合 R2=33.7%。可見，1 000 m也僅僅解釋了˙VO2max.min-1的不到1/3的總方差。為了進一步驗證，《標準》測試項目中反映身體機能與耐力的相關(guān)指標共同對最大攝氧量解釋的總方差變異，下文將采用多元線性回歸方程納入《標準》中的所有與最大攝氧量相關(guān)的變量進行驗證。分析結(jié)果如表3所示。

分別將˙VO2max.kg-1.min-1和˙VO2max.min-1作為被解釋變量，納入《標準》中的1 000 m跑、肺活量指數(shù)、BMI和坐位體前屈作為解釋變量。其中的坐位體前屈一般作為運動素質(zhì)中的柔韌性測試指標，結(jié)合前文可能對1 000 m跑的步幅有影響，以及可能間接反映腰腹肥胖(內(nèi)臟脂肪)，在進行多元回歸方程自變量納入時，分別比較選擇和不選擇坐位體前屈時的方程對最大攝氧量的解釋力度。分析結(jié)果表明：(1)對于因變量是˙VO2max.kg-1.min-1，模型1解釋了其總方差的48%，去掉坐位體前屈的模型2也解釋了總方差的47.6%，說明坐位體前屈的調(diào)整R2很小(僅為0.4%)，基本上可以忽略不計。模型1中只有1 000 m達到顯著水平，即在其他變量保持不變的情況下，1 000 m的成績提高與˙VO2max.kg-1.min-1增加的正比關(guān)系是可靠的。(2)對于因變量是˙VO2max.min-1，模型3解釋了其總方差的44.4%，去掉坐位體前屈的模型4僅解釋了總方差的38.7%，調(diào)整R2達到了5.7%，可見坐位體前屈雖然與˙VO2max.kg-1.min-1無關(guān)，但是可能對˙VO2max.min-1的影響較大，原因或在于每千克體重與坐位體前屈反映了某一相同屬性，體重與髖關(guān)節(jié)柔韌性有關(guān)合乎常規(guī)。本研究中坐位體前屈的系數(shù)并未達到顯著水平，但不能武斷的忽略之，至少可以作為控制變量納入模型，有待后續(xù)繼續(xù)驗證。模型3和模型4中的1 000 m跑和肺活量指數(shù)的系數(shù)均達到顯著水平，即控制方程中的其他變量，1 000 m速度或肺活量指數(shù)提高相應(yīng)的˙VO2max.min-1也增加。

圖2 ˙VO2max.min-1與1 000 m跑成績的線性擬合Graph 2 Fit line of˙VO2max.min-1and 1 000 m running score

表3 《標準》中相關(guān)變量對最大攝氧量的多元回歸分析結(jié)果Table 3 Multivariate regression analysis results for maximal oxygen uptake of relevant variables in the National Student's Physical Health Standards

綜合而言，《標準》中1 000 m跑是與最大攝氧量關(guān)系最密切的，也是最能間接反映有氧能力/心肺適能的指標。然而，1 000 m對最大攝氧量的解釋力度在30% ～40%，而《標準》測試中結(jié)合所有相關(guān)變量對最大攝氧量的解釋力度也僅在44%～48%之間。那么，有沒有更為適合的反映最大攝氧量的運動方式呢?考慮到與1 000 m跑接近，比如常見的12 min跑和3 000 m跑，與1 000 m相比能反映最大攝氧量的程度如何?

2.3 ˙VO2max解釋力度:基于隨機森林算法的12 min跑、3 000 m跑與1 000 m跑對比

隨機森林既能根據(jù)數(shù)據(jù)特征對數(shù)據(jù)進行分類，又能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的回歸，是一種應(yīng)用非常廣泛的數(shù)據(jù)挖掘算法。除此之外，隨機森林算法具有評估變量重要性的功能，變量的重要性評分越高，則表明該變量越有能力對結(jié)局變量進行分類。

隨機森林算法利用OOB誤差計算特征變量重要性：根據(jù)袋外數(shù)據(jù)計算隨機森林中每個決策樹的袋外誤差et；然后隨機改變袋外數(shù)據(jù)第j個特征變量Xj的值，并計算新的袋外誤差ej t；最后變量Xj的重要性V(Xj)表示為[16]：

Xj變量的變化引起的袋外誤差增加越大，精度減少的越多，說明該變量越重要。本文采用R軟件中randomForest數(shù)據(jù)包實現(xiàn)隨機森林模型的構(gòu)建，僅用以比較選擇變量的重要性。隨機森林算法可以通過兩種指標來度量變量重要性，包含從分類結(jié)果來看的正確率下降指標(Mean Decrease Accuracy)以及從分支不純度降低指標(MEeanDecrease Gini)，如圖3和圖4所示。

圖3 影響˙VO2max.min-1的變量重要性排序Graph 3 Ranking of variables affecting˙VO2max.min-1 by importance

圖4 影響˙VO2max.kg-1.min-1的變量重要性排序Graph 4 Ranking of variables affecting˙VO2max.kg-1.min-1by importance

圖3是以˙VO2max.min-1為因變量，圖4是以˙VO2max.kg-1.min-1為因變量。結(jié)合兩種分類方法，從特征變量的重要性可以看出，對˙VO2max.min-1貢獻最大的特征變量是12 min跑(min12)、坐位體前屈(tiqianq)、肺活量(feihl)；對˙VO2max.kg-1.min-1產(chǎn)生影響的特征變量中3 000 m(m 3 000 m)、BMI、12 min(min12)重要性靠前。值得關(guān)注的是，最大攝氧量在3種類型的跑步測試中，與1 000 m跑的關(guān)系是最弱的。由此可知，12 min和3 000 m在間接測評男大學(xué)生的最大攝氧量更為有效。

1968年Cooper[17]提出12 min室外田徑場跑步測試來間接測量最大攝氧量，并陸續(xù)得到很好地重復(fù)性驗證[18-19]，同樣，近期的一項關(guān)于采用時間和距離相結(jié)合的跑步/步行測試方法預(yù)測最大攝氧量的meta分析，在綜合考慮到測試者的性別、年齡和˙VO2max水平以及˙VO2max的得分(包括˙VO2max.min-1、˙VO2max.kg-1.min-1等)，再次得出最為有效的方法也是12 min跑和1.5 mi跑(1.5 mi=2 414.01 m，相當于2 400 m)，它們與最大攝氧量的Pearson相關(guān)系數(shù)分別是12 min為0.78，1.5 mi為=0.79[19]，換算成一般線性回歸方程中R2，12 min為0.61，1.5 mi為0.62，均高于本研究中1 000 m的R2=0.48(r=0.7)。3 000 m跑的測試中，文獻中報道指出3 000 m是與有一定運動訓(xùn)練基礎(chǔ)的運動員的˙VO2max最為密切[20-21]，GORMAN等對比12 min跑、3 000 m跑、20 m折返跑與預(yù)測最大攝氧量的有效性和準確性指出，3 000 m跑和12 min跑更為準確和有效，而20m折返跑對于預(yù)測那些同場對抗的集體球類項目，如橄欖球、足球等運動員更為實用和有效[22]。本文對于中國大學(xué)生人群的研究，發(fā)現(xiàn)了與國際上關(guān)于最大攝氧量間接測評方式相一致的結(jié)論。但是仍然需要繼續(xù)擴大研究樣本量和樣本的代表性進行驗證，反復(fù)查找吻合中國大學(xué)生最大攝氧量的“測、評、練”方式方法，以更好地促進大學(xué)生體質(zhì)健康水平。

3 結(jié)論與建議

與《國家學(xué)生體質(zhì)健康標準》測試中的1 000 m作為男大學(xué)生有氧能力/心肺適能促進策略和評價方法相比，12 min跑和3 000 m跑更優(yōu)。課程設(shè)置中，12 min跑和3 000 m跑均可納入課堂教學(xué)和課外鍛煉內(nèi)容；作為考核有氧能力/心肺適能的間接方式，考慮到測評時間合理性和操作便利性，選擇12 min計程跑或者與之接近的2 400 m(1.5 mi)計時跑更為合理。