心率在小學(xué)體育教學(xué)負(fù)荷監(jiān)控與運(yùn)動(dòng)調(diào)適中的應(yīng)用研究

楊勁松，吳一波，楊 漾

（1. 同濟(jì)大學(xué)文科辦公室，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué)職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院，上海 200092；3. 上海市教育發(fā)展有限公司，上海 2 00011）

在基礎(chǔ)體育教育教學(xué)中，心率是一個(gè)有效判斷的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的重要指標(biāo)。通過(guò)實(shí)時(shí)心率測(cè)量和數(shù)據(jù)分析，可以幫助教師科學(xué)觀測(cè)教學(xué)活動(dòng)中的學(xué)生運(yùn)動(dòng)負(fù)荷狀態(tài)和課后調(diào)適結(jié)果，更好地掌握課程的節(jié)奏，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生個(gè)性化體育教學(xué)，對(duì)提高體育教學(xué)質(zhì)量具有積極作用和現(xiàn)實(shí)意義。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)獲取心率開展基礎(chǔ)教育體育教學(xué)負(fù)荷監(jiān)控與運(yùn)動(dòng)調(diào)適的應(yīng)用研究，以心率數(shù)據(jù)作為負(fù)荷監(jiān)控與體質(zhì)調(diào)適的主要參數(shù)，面向小學(xué)體育課堂教學(xué)開展運(yùn)動(dòng)負(fù)荷監(jiān)控與課后體質(zhì)調(diào)適實(shí)踐研究，探討基于小學(xué)體育課堂的靶心率計(jì)算公式，建立心率與運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的換算關(guān)系，并根據(jù)分析結(jié)果在實(shí)際教學(xué)中開展定量和個(gè)性化的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷和運(yùn)動(dòng)后調(diào)適指導(dǎo)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

心率在小學(xué)體育教學(xué)負(fù)荷監(jiān)控與運(yùn)動(dòng)調(diào)適中的應(yīng)用。

1.2 關(guān)鍵算法

采用整群抽樣的方法，在上海市楊浦區(qū)選取一所小學(xué)作為調(diào)查學(xué)校，選擇四年級(jí)2個(gè)班級(jí)的全體學(xué)生作為測(cè)量對(duì)象。每次隨機(jī)選擇10～12人次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和測(cè)量，累計(jì)采集和測(cè)量110人次。

1.2.1 心率與運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的換算辦法常用的心率監(jiān)測(cè)指標(biāo)有安靜心率、最大心率、運(yùn)動(dòng)心率和運(yùn)動(dòng)后的恢復(fù)心率等。安靜心率是一個(gè)人總體健康水平的有效指標(biāo)。最大心率的一般計(jì)算方式為：男子最高心率＝205-年齡/2，女子最高心率＝220-年齡。國(guó)際一般用220-年齡所得值作為最大心率，通常達(dá)到最大心率60%～70%的心率稱之為靶心率。運(yùn)動(dòng)時(shí)心率和恢復(fù)后的心率變化則是身體做功的有效指標(biāo)，最大心率和安靜心率的差值則是人體的最大心率儲(chǔ)備。美國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)會(huì)推薦儲(chǔ)備心率法主要是作為計(jì)算儲(chǔ)備心率的標(biāo)準(zhǔn)，庫(kù)柏最佳心率法、卡沃南計(jì)算運(yùn)動(dòng)心率法、卡爾森心率測(cè)定法和靶心率測(cè)定法（Target Heart Rate，THR）都是基于儲(chǔ)備心率及運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度來(lái)計(jì)算最適合的運(yùn)動(dòng)心率，結(jié)果的不同取決于其對(duì)最適合運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)不一致，年齡算法和心率百分比法相對(duì)簡(jiǎn)單，是年齡算法以年齡為基本標(biāo)準(zhǔn)，心率百分比法以最大心率為基本標(biāo)準(zhǔn)，而運(yùn)動(dòng)量百分比分級(jí)法和其他方法的差異比較大。論文綜合這些方法，本系統(tǒng)將采用靶心率測(cè)定法作為運(yùn)動(dòng)負(fù)荷計(jì)算的主要方法，使用初期將強(qiáng)度閾值設(shè)置在60%～80%，安靜心率設(shè)置為72b/min，而后在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)和人工干預(yù)來(lái)調(diào)整各種閾值，以達(dá)到最好的實(shí)際應(yīng)用效果。

靶心率測(cè)定法為：

轉(zhuǎn)換為求最大心率指數(shù)為：

其中運(yùn)動(dòng)心率（YR）、安靜心率（AR）為采集數(shù)據(jù)，年齡（AGE）為客觀數(shù)據(jù)，最大心率指數(shù)（MR）是參考指數(shù)，默認(rèn)使用220，（最大心率指數(shù)-年齡）就是一般情況下計(jì)算的最大心率，（最大心率-安靜心率）即是美國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)會(huì)推薦的儲(chǔ)備心率，需要自我學(xué)習(xí)的就是最大心率指數(shù)，從而得到更客觀的最大心率。用（220-年齡）的方法計(jì)算最大心率是一種國(guó)際方法。根據(jù)轉(zhuǎn)換為求最大心率的公式，可以看到運(yùn)動(dòng)心率和安靜心率是可直接采集的數(shù)據(jù)，負(fù)荷強(qiáng)度則通過(guò)RPE獲得，通過(guò)此公式計(jì)算得到最大心率指數(shù)，把不同性別和年齡的學(xué)生的數(shù)據(jù)分組，當(dāng)其數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布時(shí)，取期望值（均數(shù)）為該性別和年齡的學(xué)生的最大心率指數(shù)，最終得出不同性別和年齡相對(duì)應(yīng)的最大心率指數(shù)，并在實(shí)際應(yīng)用中使用更為客觀實(shí)際的最大心率指數(shù)。

1.2.2 運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與運(yùn)動(dòng)自覺(jué)量表（RPE）和靶心率的對(duì)照RPE是用主觀感覺(jué)來(lái)反映身體負(fù)荷強(qiáng)度的一種方法，它是監(jiān)測(cè)個(gè)體對(duì)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的一個(gè)有價(jià)值的、可信賴的指標(biāo)。目前在國(guó)外已經(jīng)廣泛用于運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)、制定運(yùn)動(dòng)處方和指導(dǎo)健身者進(jìn)行鍛煉。

運(yùn)動(dòng)負(fù)荷監(jiān)控的基本依據(jù)是在采集到的各個(gè)學(xué)生的心率等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)之后，根據(jù)學(xué)生的出生日期計(jì)算出當(dāng)前年齡，以學(xué)生的年齡和性別從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用相匹配的參數(shù)值代入靶心率等核心參數(shù)測(cè)定法后計(jì)算當(dāng)前負(fù)荷強(qiáng)度，通過(guò)靶心率測(cè)定法得到學(xué)生當(dāng)前的RPE級(jí)別來(lái)判斷運(yùn)動(dòng)負(fù)荷是否足夠或超載。參考學(xué)生的歷史記錄，對(duì)各種可能發(fā)生的意外情況進(jìn)行預(yù)警，對(duì)當(dāng)前負(fù)荷的強(qiáng)度提出相關(guān)建議，并對(duì)課程安排的合理性做出指導(dǎo)。

1.2.3 合理運(yùn)動(dòng)負(fù)荷閾值的自我學(xué)習(xí)根據(jù)RPE級(jí)別換算出來(lái)的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷強(qiáng)度和心率是根據(jù)公式得到的，可以通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，不斷調(diào)整各個(gè)參數(shù)。由于年齡、性別等原因，學(xué)生還存在著較大的個(gè)體差異，可以將其他影響因素加入進(jìn)來(lái)，以得到更加個(gè)性化的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷閾值。以集體平均的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷閾值作為參照，結(jié)合學(xué)生個(gè)體的歷史記錄，以數(shù)理統(tǒng)計(jì)法得到更有參考意義的學(xué)生個(gè)體的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷閾值。

1.3 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法處理

實(shí)驗(yàn)使用SQL Server2012數(shù)據(jù)庫(kù)記錄通過(guò)系統(tǒng)收集的傳感器采集數(shù)據(jù)和教師主動(dòng)錄入的主觀評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，通過(guò)多種計(jì)算公式分析后用柱狀圖、折線圖和雷達(dá)圖對(duì)心率、運(yùn)動(dòng)負(fù)荷強(qiáng)度和RPE進(jìn)行描述，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

2 研究結(jié)果

2.1 學(xué)生基本情況

為檢驗(yàn)研究的有效性，本研究進(jìn)行了10次實(shí)驗(yàn)。以最后一次實(shí)驗(yàn)在某小學(xué)四年級(jí)學(xué)生的某一次體育課進(jìn)行，隨機(jī)指定10位學(xué)生進(jìn)行測(cè)試。學(xué)生基本信息如表1。

表1 學(xué)生基本信息表

2.2 體育課內(nèi)容安排

課程運(yùn)動(dòng)安排如下。（1）課程開始，集合整隊(duì)、師生問(wèn)好、檢查服裝、宣布課程內(nèi)容，時(shí)長(zhǎng)2min。（2）準(zhǔn)備活動(dòng)1，隊(duì)列：立正、稍息、集合、報(bào)數(shù)，時(shí)長(zhǎng)3 min。（3）準(zhǔn)備活動(dòng)2，慢跑，時(shí)長(zhǎng)5min。（4）基本運(yùn)動(dòng)1，站立式起跑動(dòng)作教學(xué)，跑步距離小于10 m，時(shí)長(zhǎng)10 min。（5）基本運(yùn)動(dòng)2，游戲：迎面接力（內(nèi)容略），時(shí)長(zhǎng)10 min。課后調(diào)適方案如下。（1）放松運(yùn)動(dòng)，時(shí)長(zhǎng)5 min；（2）調(diào)適教室休息，擦汗、喝水并保持慢步行走，時(shí)長(zhǎng)5 min。

2.3 學(xué)生心率變化情況

學(xué)生負(fù)荷監(jiān)控通過(guò)運(yùn)動(dòng)手環(huán)采集學(xué)生的心率數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中可以看出學(xué)生的心率與負(fù)荷強(qiáng)度是一個(gè)從低到高再回落的一個(gè)過(guò)程，心率的高峰期主要集中在120～160b/min，負(fù)荷強(qiáng)度的高峰期主要集中在 50%～80%。RPE 的數(shù)據(jù)采集是通過(guò)教師在授課過(guò)程中觀察學(xué)生的身體狀態(tài)，將學(xué)生的身體狀態(tài)根據(jù)RPE 指標(biāo)進(jìn)行 RPE 評(píng)級(jí)，并5min主動(dòng)記錄1次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中 RPE 級(jí)別的走勢(shì)與心率變化的走勢(shì)基本保持一致。運(yùn)動(dòng)調(diào)適后續(xù)課堂表現(xiàn)數(shù)據(jù)通過(guò)次日收集發(fā)給后續(xù)課程教師的問(wèn)卷，將問(wèn)卷為每個(gè)學(xué)生根據(jù)選項(xiàng)對(duì)得分進(jìn)行匯總，各學(xué)生的后續(xù)課堂表現(xiàn)都比較接近。

3 討 論

根據(jù)“中小學(xué)生體育鍛煉運(yùn)動(dòng)負(fù)荷衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)”（ WS/T 101 -1998），以實(shí)測(cè)心率平均數(shù)在120～200 b/min為運(yùn)動(dòng)負(fù)荷合理區(qū)間，過(guò)低的負(fù)荷起不到鍛煉身體的作用，過(guò)高的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷則會(huì)傷害身體。李偉、張?jiān)h、張雷等研究了多種通過(guò)心率研究運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的方法，對(duì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與運(yùn)動(dòng)自覺(jué)量表（Rating of Perceived Exertion，RPE）做了詳細(xì)的描述，并將之與實(shí)際結(jié)合做了一定的分析。倪道明通過(guò)心率對(duì)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的監(jiān)控應(yīng)用的研究，由此來(lái)提高體育教學(xué)質(zhì)量與效率。呂望山研究了脈搏率和心率值在監(jiān)控運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的一致性和相對(duì)可靠性，尋求通過(guò)對(duì)心率的監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷監(jiān)控的目的。張明珍、諸葛慧貞研究了相對(duì)心率、運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的簡(jiǎn)易計(jì)算方法。關(guān)姣、高立東研究了體育教學(xué)中合理安排運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的重要性及體育教學(xué)的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷是實(shí)現(xiàn)體育教學(xué)目標(biāo)的重要因素。Cottin F等人研究了運(yùn)動(dòng)負(fù)荷和呼吸頻率對(duì)心率和血壓變化的影響。Foster C研究了使用運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度與運(yùn)動(dòng)自覺(jué)量表方法和使用心率標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的量化的比較。

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things， IOT）和大數(shù)據(jù)技術(shù)日趨成熟，使用心率等體質(zhì)參數(shù)傳感器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)采集學(xué)生體育教學(xué)過(guò)程心率數(shù)據(jù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)積累，推衍出運(yùn)動(dòng)負(fù)荷監(jiān)控和運(yùn)動(dòng)后體質(zhì)調(diào)適的基于學(xué)生個(gè)性化指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，幫助學(xué)生提升運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，幫助體育教師提高教學(xué)效果，更好地完成體育教學(xué)目標(biāo)，已具備了技術(shù)條件。HB Cheng 論述了物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于學(xué)校體育教學(xué)的作用，探討了其應(yīng)用的前景。楊勁松等研究了現(xiàn)代教育技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)教育的影響及其對(duì)教育的推動(dòng)作用。虞麗娟等探討了基于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器實(shí)時(shí)信息采集分析的智慧服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)，進(jìn)行了實(shí)踐研究。PP Ray探討了一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的體育運(yùn)動(dòng)體質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架。段佳麗等驗(yàn)證了通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以方便有效的采集心率數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了心率數(shù)據(jù)與運(yùn)動(dòng)負(fù)荷存在了必然的聯(lián)系。陸勇、王憲探討構(gòu)建學(xué)生體育鍛煉的身體機(jī)能反饋的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。由于有關(guān)技術(shù)在小學(xué)教育的應(yīng)用程度不夠，目前國(guó)內(nèi)小學(xué)體育體質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)的實(shí)時(shí)性和量化監(jiān)測(cè)研究尚無(wú)系統(tǒng)的研究和實(shí)踐成果。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，學(xué)生的心率數(shù)據(jù)和教師觀察的RPE級(jí)別趨勢(shì)上基本一致，靶心率測(cè)定法轉(zhuǎn)換得到的RPE級(jí)別與教師觀察的RPE級(jí)別極為相近，這說(shuō)明研究可以幫助教師和學(xué)生實(shí)施查看教學(xué)活動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷和課后調(diào)適狀態(tài)，對(duì)于提高體育教學(xué)質(zhì)量和實(shí)施個(gè)性化體育教學(xué)具有現(xiàn)實(shí)意義。下一步，可以擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)范圍，并加入性別、身高、體重、血壓、體溫等更多參數(shù)，研究更精確的個(gè)性化運(yùn)動(dòng)負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步完善研究?jī)?nèi)容。