新型可穿戴電子設(shè)備運(yùn)用于校園足球訓(xùn)練與比賽負(fù)荷評估的研究

玉溪師范學(xué)院體育學(xué)院 華南師范大學(xué)體育科學(xué)學(xué)院 汪 雄

玉溪師范學(xué)院體育學(xué)院 陳玉林

華南師范大學(xué)體育科學(xué)學(xué)院 毛萬麗 黃國虎 王 壘 張恒亮 劉鴻優(yōu)

近年來，校園足球被認(rèn)為是中國足球發(fā)展的基石，為此，我國相繼出臺重要文件措施，強(qiáng)調(diào)重視校園足球運(yùn)動的發(fā)展。提升校園足球運(yùn)動的水平，有助于夯實(shí)青少年足球群眾基礎(chǔ)，有利于挖掘青少年足球潛力，有益于提升我國足球發(fā)展整體水平。而提升校園足球運(yùn)動水平的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)科學(xué)化的足球訓(xùn)練與備戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的基礎(chǔ)，則是準(zhǔn)確地量化評估學(xué)生在校園足球訓(xùn)練與比賽中的運(yùn)動負(fù)荷特征，并以此為基礎(chǔ)制定科學(xué)合理的訓(xùn)練與比賽計劃和內(nèi)容。

運(yùn)動負(fù)荷是指學(xué)生在完成一定的訓(xùn)練或比賽任務(wù)時，機(jī)體在生理和心理方面所承受的總刺激，并可以通過這兩方面所表現(xiàn)出來的機(jī)體內(nèi)部應(yīng)答反應(yīng)程度來表征[1]。運(yùn)動負(fù)荷是促進(jìn)學(xué)生競技能力提升的核心因素[2]，學(xué)生承受的教學(xué)與訓(xùn)練負(fù)荷的質(zhì)和量決定了其運(yùn)動水平和比賽成績[3]，因此，對學(xué)生的訓(xùn)練與比賽負(fù)荷進(jìn)行科學(xué)合理的量化顯得極其重要。

足球作為同場對抗球類集體運(yùn)動項目，具有集體性和對抗性強(qiáng)的特征，影響其運(yùn)動負(fù)荷的因素復(fù)雜多變，量化評估的難度較大[4,5]。一般認(rèn)為，足球運(yùn)動負(fù)荷主要包括外部運(yùn)動負(fù)荷和內(nèi)部運(yùn)動負(fù)荷兩種形式[2]。足球運(yùn)動員的外部運(yùn)動負(fù)荷是指運(yùn)動員在足球訓(xùn)練或比賽中的外在運(yùn)動形式，包括跑動、加速、急停、跳躍等[6]，而跑動是足球運(yùn)動中最主要的運(yùn)動形式。足球運(yùn)動員的內(nèi)部運(yùn)動負(fù)荷是指訓(xùn)練或比賽任務(wù)對運(yùn)動員身體所施加的生物學(xué)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(yùn)動員的內(nèi)部運(yùn)動負(fù)荷[6]，而其中運(yùn)用最廣泛的是心率指標(biāo)[7]。

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，心率跟蹤設(shè)備和全球定位系統(tǒng)兩種可穿戴電子設(shè)備已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于國內(nèi)外高水平足球運(yùn)動隊的訓(xùn)練與比賽實(shí)踐之中，并被認(rèn)為能夠有效而科學(xué)地評估和提升運(yùn)動員與運(yùn)動隊的訓(xùn)練與比賽表現(xiàn)[8]。目前，由飛速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)帶來的紅利，這兩類可穿戴電子設(shè)備的價格正逐漸變得經(jīng)濟(jì)、親民，不少中小學(xué)足球教學(xué)與訓(xùn)練已經(jīng)可以接觸到類似產(chǎn)品。

因而，探討新型可穿戴電子設(shè)備在校園足球運(yùn)動實(shí)踐中的運(yùn)用，既可以為提高校園足球訓(xùn)練質(zhì)量、提升校園足球的技術(shù)水平、提倡科學(xué)訓(xùn)練與備戰(zhàn)提供一定的理論參考價值，也必將成為未來高校足球教學(xué)改革的發(fā)展趨勢[9]。

本論文基于國內(nèi)、外對于新型可穿戴電子設(shè)備最前沿的科學(xué)研究成果，探討可穿戴全球定位系統(tǒng)和便攜式心率監(jiān)測系統(tǒng)兩種可穿戴電子設(shè)備在校園足球訓(xùn)練與比賽負(fù)荷評估中的應(yīng)用價值。

1.可穿戴全球定位系統(tǒng)評估足球外部運(yùn)動負(fù)荷

最早的專門運(yùn)用于團(tuán)隊運(yùn)動表現(xiàn)監(jiān)控的全球定位設(shè)備出現(xiàn)在2003年[10]，為澳大利亞GPSports公司生產(chǎn)的GPSports Systems SPI-10，隨后幾年，該公司陸續(xù)改進(jìn)并生產(chǎn)了SPI-Pro，WiSPI和SPIElite等版本。2006年，另一家致力于體育運(yùn)動表現(xiàn)監(jiān)控專用全球定位設(shè)備生產(chǎn)的澳大利亞公司Catapult Innovation誕生，并陸續(xù)推出了Catapult Minimax系列和Catapult Optimeye系列可穿戴全球定位設(shè)備。Catapult公司生產(chǎn)的可穿戴全球定位設(shè)備能提供更多的運(yùn)動表現(xiàn)變量和更精確的算法，從而超越GPSports，成為了體育運(yùn)動表現(xiàn)監(jiān)控專用全球定位設(shè)備生產(chǎn)領(lǐng)域的主要供應(yīng)商。

Catapult Innovation公司生產(chǎn)的最新全球定位系統(tǒng)為Optimeye S5，該系統(tǒng)融合了GPS全球定位系統(tǒng)、3D加速度傳感器（16G，1000Hz）、3D陀螺傳感器（2000°/s，1000Hz）和3D磁力傳感器（1200毫特斯拉，100Hz），可以有效地跟蹤和量化足球運(yùn)動員的外部運(yùn)動負(fù)荷，準(zhǔn)確地記錄運(yùn)動員在每一次訓(xùn)練和比賽中的跑動距離、跑動速度、不同跑動速度段內(nèi)的跑動次數(shù)和距離、不同強(qiáng)度的加速和急停距離與次數(shù)、不同強(qiáng)度的跳躍和變向次數(shù)。該系統(tǒng)允許使用者根據(jù)自身運(yùn)動員和運(yùn)動項目特征對跑動速度段、加速度、跳躍和變向的強(qiáng)度進(jìn)行自主設(shè)置。在十一人制的校園足球訓(xùn)練與比賽中，可供參考的一個跑動速度劃分標(biāo)準(zhǔn)為：（1）走或站立：以0-5.9km/h的速度(持續(xù)0.6秒或以上，下同)跑動；（2）慢跑：以6-7.9km/h的速度跑動；（3）低速跑：以8-11.9km/h的速度跑動；（4）中低速跑：以12-14.9km/h的速度跑動（5）中速跑：以15-17.9km/h的速度跑動；（6）中高速跑：以18-20.9km/h的速度跑動；（7）高速跑：以21-23.9km/h的速度跑動；（8）沖刺跑：以≥24km/h的速度跑動。在五人制、七人制、八人制或九人制的校園足球訓(xùn)練與比賽中，由于場地縮小，運(yùn)動員跑動速度段的劃分則可參照以下標(biāo)準(zhǔn)：（1）走或站立：以0-5.9km/h的速度跑動；（2）慢跑：以6-7.9km/h的速度跑動；（3）低速跑：以8-11.9km/h的速度跑動；（4）中速跑：以12-14.9km/h的速度跑動（5）高速跑：以15-17.9km/h的速度跑動；（6）沖刺跑：以≥18km/h的速度跑動。而加速、急停和變向的強(qiáng)度則根據(jù)加速度(持續(xù)0.2秒或以上)的大小劃分為：（1）低強(qiáng)度：1.5-2.49 m/s2；（2）中強(qiáng)度：2.5-3.49 m/s2；（3）高強(qiáng)度≥3.5m/s2。當(dāng)前的研究顯示，相對于采取固定的、通用的速度和強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)每個運(yùn)動員的最大攝氧量、最大有氧速度和乳酸閾等指標(biāo)確定的個性化劃分標(biāo)準(zhǔn)會讓運(yùn)動員的外部運(yùn)動負(fù)荷得到根據(jù)科學(xué)合理的評估[11]。

表1 Edwards等[12]和Stagno等[13]的內(nèi)部運(yùn)動負(fù)荷算法

2.便攜式心率監(jiān)測系統(tǒng)測試足球內(nèi)部運(yùn)動負(fù)荷

便攜式心率監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對學(xué)生在足球訓(xùn)練和比賽過程中的每一次心跳進(jìn)行跟蹤，具有代表性的運(yùn)用于足球內(nèi)部運(yùn)動負(fù)荷監(jiān)控的便攜式心率監(jiān)測系統(tǒng)有：芬蘭生產(chǎn)的Polar Team2系統(tǒng)、Firstbeat系統(tǒng)等。便攜式心率監(jiān)測系統(tǒng)一般都能提供運(yùn)動員在每一次訓(xùn)練中的平均心率、最大心率、不同心率區(qū)間的訓(xùn)練時間等量化指標(biāo)。在校園足球?qū)嵺`中，可根據(jù)學(xué)生在訓(xùn)練和比賽中的實(shí)時心率占其最大心率的百分比，將訓(xùn)練和比賽進(jìn)行不同心率強(qiáng)度區(qū)間劃分，如：（1）低強(qiáng)度心率區(qū)間：實(shí)時心率處于＜60%最大心率的運(yùn)動時間；（2）中低強(qiáng)度心率區(qū)間：實(shí)時心率處于60-69%最大心率的運(yùn)動時間；（3）中等強(qiáng)度心率區(qū)間：實(shí)時心率處于70-79%最大心率的運(yùn)動時間；（4）中高強(qiáng)度心率區(qū)間：實(shí)時心率處于80-89%最大心率的運(yùn)動時間；（5）高強(qiáng)度心率區(qū)間：實(shí)時心率處于90-100%最大心率的運(yùn)動時間。

此外，利用便攜式心率監(jiān)測系統(tǒng)測出的學(xué)生在校園足球訓(xùn)練和比賽中的實(shí)時心率數(shù)據(jù)，還可以通過進(jìn)一步的算法，量化其內(nèi)部運(yùn)動負(fù)荷，較為典型的代表性算法可參見表1。

3.新型可穿戴電子設(shè)備在校園足球訓(xùn)練與比賽負(fù)荷評估的實(shí)踐運(yùn)用價值探討

首先，新型可穿戴電子設(shè)備可以科學(xué)、準(zhǔn)確地反映學(xué)生的訓(xùn)練與比賽情況，給學(xué)生帶來全新的訓(xùn)練與比賽體驗(yàn)。學(xué)生可以認(rèn)識到自身在訓(xùn)練和比賽中的運(yùn)動負(fù)荷狀況，了解自身的優(yōu)勢與劣勢，保持與提升自身的訓(xùn)練與比賽表現(xiàn)。例如，學(xué)生可以通過自己在訓(xùn)練中的跑動總距離和高強(qiáng)度反復(fù)沖刺次數(shù)與隊友的這兩項指標(biāo)進(jìn)行對比，對自己的有氧耐力和無氧耐力素質(zhì)進(jìn)行科學(xué)合理的定位，有針對性地進(jìn)行訓(xùn)練與練習(xí)，提升自己的體能弱項，增強(qiáng)自身的體能優(yōu)勢，從而調(diào)動其訓(xùn)練主動性和積極性，最終從學(xué)生的角度提高了足球訓(xùn)練效果和效率。

其次，新型可穿戴電子設(shè)備可以為校園足球教師和教練員提供準(zhǔn)確、科學(xué)而及時的信息反饋，掌控學(xué)生的訓(xùn)練與比賽狀態(tài)，為科學(xué)制定訓(xùn)練與備戰(zhàn)計劃提供最直接的理論依據(jù)。傳統(tǒng)的足球訓(xùn)練更多強(qiáng)調(diào)的是足球教師和教練員與學(xué)生之間的技能交流與互動，并未納入新型電子科學(xué)設(shè)備提供的科學(xué)反饋，教師和教練員對學(xué)生技能和體能負(fù)荷的判斷基本停留在經(jīng)驗(yàn)與觀察之上，具有較大的主觀性。而通過可新型穿戴電子設(shè)備在校園足球中的運(yùn)用，教師和教練員對學(xué)生訓(xùn)練和比賽狀態(tài)的認(rèn)識(尤其是體能狀況的認(rèn)識)變得更加直接而客觀。例如，在一次校園足球訓(xùn)練中，所有學(xué)生的平均心率和高強(qiáng)度心率區(qū)間時間都低于平時，則證明該次訓(xùn)練的負(fù)荷強(qiáng)度不夠，不能達(dá)到正常的訓(xùn)練效果，足球教師或教練員需要及時對訓(xùn)練內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。另外，教師或教練員還可以利用可穿戴電子設(shè)備開展足球技戰(zhàn)術(shù)評價、足球比賽與訓(xùn)練體能負(fù)荷監(jiān)控、足球教學(xué)教法改革、足球運(yùn)動員比賽與訓(xùn)練心理等各方面的與教學(xué)改革相關(guān)的研究，可以從深層次科學(xué)地探索足球人才培養(yǎng)的規(guī)律與特征?？茖W(xué)研究的結(jié)果不僅可以作為研究論文與專著，作為教師的科研業(yè)績，還可以直接反饋到訓(xùn)練與比賽實(shí)踐，提升足球教育人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

最后，在校園足球?qū)嵺`中科學(xué)、合理和充分地利用可穿戴電子設(shè)備，將成為未來校園足球教學(xué)與訓(xùn)練改革的發(fā)展趨勢。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，越來越多的新型可穿戴電子設(shè)備將被開發(fā)出來，而其價格也將逐漸變得經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，絕大多數(shù)中小學(xué)足球教學(xué)與訓(xùn)練都可以獲得該類產(chǎn)品的輔助。正如前人研究預(yù)測的一般，“在未來的體育教學(xué)改革中，將傳統(tǒng)的教學(xué)模式與多媒體技術(shù)相結(jié)合將是主要的趨勢”[9]。