心率在小學體育教學負荷監控與運動調適中的應用研究

楊勁松，吳一波，楊 漾

（1. 同濟大學文科辦公室，上海 200092；2. 同濟大學職業技術教育學院，上海 200092；3. 上海市教育發展有限公司，上海 2 00011）

在基礎體育教育教學中，心率是一個有效判斷的運動負荷的重要指標。通過實時心率測量和數據分析，可以幫助教師科學觀測教學活動中的學生運動負荷狀態和課后調適結果，更好地掌握課程的節奏，實現對學生個性化體育教學，對提高體育教學質量具有積極作用和現實意義。本文基于物聯網技術實時獲取心率開展基礎教育體育教學負荷監控與運動調適的應用研究，以心率數據作為負荷監控與體質調適的主要參數，面向小學體育課堂教學開展運動負荷監控與課后體質調適實踐研究，探討基于小學體育課堂的靶心率計算公式，建立心率與運動負荷的換算關系，并根據分析結果在實際教學中開展定量和個性化的運動負荷和運動后調適指導。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

心率在小學體育教學負荷監控與運動調適中的應用。

1.2 關鍵算法

采用整群抽樣的方法，在上海市楊浦區選取一所小學作為調查學校，選擇四年級2個班級的全體學生作為測量對象。每次隨機選擇10～12人次進行數據采集和測量，累計采集和測量110人次。

1.2.1 心率與運動負荷的換算辦法常用的心率監測指標有安靜心率、最大心率、運動心率和運動后的恢復心率等。安靜心率是一個人總體健康水平的有效指標。最大心率的一般計算方式為：男子最高心率＝205-年齡/2，女子最高心率＝220-年齡。國際一般用220-年齡所得值作為最大心率，通常達到最大心率60%～70%的心率稱之為靶心率。運動時心率和恢復后的心率變化則是身體做功的有效指標，最大心率和安靜心率的差值則是人體的最大心率儲備。美國運動醫學會推薦儲備心率法主要是作為計算儲備心率的標準，庫柏最佳心率法、卡沃南計算運動心率法、卡爾森心率測定法和靶心率測定法（Target Heart Rate，THR）都是基于儲備心率及運動強度來計算最適合的運動心率，結果的不同取決于其對最適合運動強度的標準不一致，年齡算法和心率百分比法相對簡單，是年齡算法以年齡為基本標準，心率百分比法以最大心率為基本標準，而運動量百分比分級法和其他方法的差異比較大。論文綜合這些方法，本系統將采用靶心率測定法作為運動負荷計算的主要方法，使用初期將強度閾值設置在60%～80%，安靜心率設置為72b/min，而后在實際應用中根據系統的自我學習和人工干預來調整各種閾值，以達到最好的實際應用效果。

靶心率測定法為：

轉換為求最大心率指數為：

其中運動心率（YR）、安靜心率（AR）為采集數據，年齡（AGE）為客觀數據，最大心率指數（MR）是參考指數，默認使用220，（最大心率指數-年齡）就是一般情況下計算的最大心率，（最大心率-安靜心率）即是美國運動醫學會推薦的儲備心率，需要自我學習的就是最大心率指數，從而得到更客觀的最大心率。用（220-年齡）的方法計算最大心率是一種國際方法。根據轉換為求最大心率的公式，可以看到運動心率和安靜心率是可直接采集的數據，負荷強度則通過RPE獲得，通過此公式計算得到最大心率指數，把不同性別和年齡的學生的數據分組，當其數據符合正態分布時，取期望值（均數）為該性別和年齡的學生的最大心率指數，最終得出不同性別和年齡相對應的最大心率指數，并在實際應用中使用更為客觀實際的最大心率指數。

1.2.2 運動強度與運動自覺量表（RPE）和靶心率的對照RPE是用主觀感覺來反映身體負荷強度的一種方法，它是監測個體對運動負荷的一個有價值的、可信賴的指標。目前在國外已經廣泛用于運動試驗、制定運動處方和指導健身者進行鍛煉。

運動負荷監控的基本依據是在采集到的各個學生的心率等運動狀態數據之后，根據學生的出生日期計算出當前年齡，以學生的年齡和性別從數據庫中調用相匹配的參數值代入靶心率等核心參數測定法后計算當前負荷強度，通過靶心率測定法得到學生當前的RPE級別來判斷運動負荷是否足夠或超載。參考學生的歷史記錄，對各種可能發生的意外情況進行預警，對當前負荷的強度提出相關建議，并對課程安排的合理性做出指導。

1.2.3 合理運動負荷閾值的自我學習根據RPE級別換算出來的運動負荷強度和心率是根據公式得到的，可以通過大數據分析，不斷調整各個參數。由于年齡、性別等原因，學生還存在著較大的個體差異，可以將其他影響因素加入進來，以得到更加個性化的運動負荷閾值。以集體平均的運動負荷閾值作為參照，結合學生個體的歷史記錄，以數理統計法得到更有參考意義的學生個體的運動負荷閾值。

1.3 數理統計法處理

實驗使用SQL Server2012數據庫記錄通過系統收集的傳感器采集數據和教師主動錄入的主觀評價數據，通過多種計算公式分析后用柱狀圖、折線圖和雷達圖對心率、運動負荷強度和RPE進行描述，并進行統計學分析。

2 研究結果

2.1 學生基本情況

為檢驗研究的有效性，本研究進行了10次實驗。以最后一次實驗在某小學四年級學生的某一次體育課進行，隨機指定10位學生進行測試。學生基本信息如表1。

表1 學生基本信息表

2.2 體育課內容安排

課程運動安排如下。（1）課程開始，集合整隊、師生問好、檢查服裝、宣布課程內容，時長2min。（2）準備活動1，隊列：立正、稍息、集合、報數，時長3 min。（3）準備活動2，慢跑，時長5min。（4）基本運動1，站立式起跑動作教學，跑步距離小于10 m，時長10 min。（5）基本運動2，游戲：迎面接力（內容略），時長10 min。課后調適方案如下。（1）放松運動，時長5 min；（2）調適教室休息，擦汗、喝水并保持慢步行走，時長5 min。

2.3 學生心率變化情況

學生負荷監控通過運動手環采集學生的心率數據，從數據中可以看出學生的心率與負荷強度是一個從低到高再回落的一個過程，心率的高峰期主要集中在120～160b/min，負荷強度的高峰期主要集中在 50%～80%。RPE 的數據采集是通過教師在授課過程中觀察學生的身體狀態，將學生的身體狀態根據RPE 指標進行 RPE 評級，并5min主動記錄1次，實驗結果中 RPE 級別的走勢與心率變化的走勢基本保持一致。運動調適后續課堂表現數據通過次日收集發給后續課程教師的問卷，將問卷為每個學生根據選項對得分進行匯總，各學生的后續課堂表現都比較接近。

3 討 論

根據“中小學生體育鍛煉運動負荷衛生標準”（ WS/T 101 -1998），以實測心率平均數在120～200 b/min為運動負荷合理區間，過低的負荷起不到鍛煉身體的作用，過高的運動負荷則會傷害身體。李偉、張元鋒、張雷等研究了多種通過心率研究運動負荷的方法，對運動強度與運動自覺量表（Rating of Perceived Exertion，RPE）做了詳細的描述，并將之與實際結合做了一定的分析。倪道明通過心率對運動負荷的監控應用的研究，由此來提高體育教學質量與效率。呂望山研究了脈搏率和心率值在監控運動強度和運動負荷的一致性和相對可靠性，尋求通過對心率的監測來實現運動負荷監控的目的。張明珍、諸葛慧貞研究了相對心率、運動負荷的簡易計算方法。關姣、高立東研究了體育教學中合理安排運動負荷的重要性及體育教學的運動負荷是實現體育教學目標的重要因素。Cottin F等人研究了運動負荷和呼吸頻率對心率和血壓變化的影響。Foster C研究了使用運動強度與運動自覺量表方法和使用心率標準方法對運動負荷的量化的比較。

近年來，物聯網（Internet of Things， IOT）和大數據技術日趨成熟，使用心率等體質參數傳感器和無線網絡，實時采集學生體育教學過程心率數據，進行大數據積累，推衍出運動負荷監控和運動后體質調適的基于學生個性化指導標準，幫助學生提升運動質量，幫助體育教師提高教學效果，更好地完成體育教學目標，已具備了技術條件。HB Cheng 論述了物聯網對于學校體育教學的作用，探討了其應用的前景。楊勁松等研究了現代教育技術對傳統教育的影響及其對教育的推動作用。虞麗娟等探討了基于物聯網的傳感器實時信息采集分析的智慧服務系統架構，進行了實踐研究。PP Ray探討了一種基于物聯網架構的體育運動體質參數監測系統框架。段佳麗等驗證了通過物聯網技術可以方便有效的采集心率數據，驗證了心率數據與運動負荷存在了必然的聯系。陸勇、王憲探討構建學生體育鍛煉的身體機能反饋的物聯網系統。由于有關技術在小學教育的應用程度不夠，目前國內小學體育體質關鍵指標的實時性和量化監測研究尚無系統的研究和實踐成果。

從實驗結果看，學生的心率數據和教師觀察的RPE級別趨勢上基本一致，靶心率測定法轉換得到的RPE級別與教師觀察的RPE級別極為相近，這說明研究可以幫助教師和學生實施查看教學活動中的運動負荷和課后調適狀態，對于提高體育教學質量和實施個性化體育教學具有現實意義。下一步，可以擴大實驗范圍，并加入性別、身高、體重、血壓、體溫等更多參數，研究更精確的個性化運動負荷標準，進一步完善研究內容。