北京市6～15 歲兒童與青少年有氧耐力曲線構(gòu)建及標(biāo)準(zhǔn)劃定

李佑發(fā),吳莉麗,石雨桐,魏高峽

兒童青少年的生長發(fā)育情況需要綜合、科學(xué)的評價體系進行監(jiān)控，有氧耐力作為體質(zhì)健康發(fā)展的重要基礎(chǔ)和保護性因素［1］，其測量及評價機制應(yīng)予以高度重視［2］。目前在我國，兒童青少年耐力測評沿用傳統(tǒng)的800/1 000 m 跑作為測試項目，以測試完成時間作為評價指標(biāo)，基于以標(biāo)準(zhǔn)差法和百分位數(shù)等級法構(gòu)建的評價標(biāo)準(zhǔn)進行評價。

國際上針對各項生長發(fā)育指標(biāo)，廣泛使用了以精確年齡為協(xié)變量繪制百分位數(shù)曲線圖或列表［3］。為進一步接軌國際，同時提高施測過程安全系數(shù)，我國于2011 年首次將15 m 漸進性有氧耐力跑（以下簡稱15 m PACER）作為有氧耐力測試項目引進國內(nèi)，并于2015 年5 月和2018 年5 月在全國范圍實施 2 個周期，覆蓋全國31 個?。ㄊ小⒆灾螀^(qū)），測試樣本達(dá)40 萬名中小學(xué)生。

相較傳統(tǒng)測試方法，15 m PACER 具有場地要求低、安全性高、可靠性強等特點。目前，最大攝氧量仍是描述個體有氧耐力狀況的“金標(biāo)準(zhǔn)”，對于大型體質(zhì)健康監(jiān)測來說，最大攝氧量的實驗室監(jiān)測方法精準(zhǔn)，但測試過程風(fēng)險偏高，儀器昂貴，同時對測試人員的專業(yè)化水平和經(jīng)驗要求較高，故存在施測成本偏高，安全存在隱患的局限。因此，美國的FITNESSGRAM、加拿大的體商測試（CAPL）以及日本的體力·運動能力調(diào)查均采用PACER 測試［4］作為有氧能力的評價工具。漸進性有氧耐力跑測試結(jié)果與最大攝氧量實測結(jié)果相關(guān)性良好［5］，因此可將測試成績以多層線性模型轉(zhuǎn)化為最大攝氧量數(shù)值完成測試評價。該測試使用伴奏帶對個體跑動的起始速度和單節(jié)固定增速進行了標(biāo)準(zhǔn)化處理：以8.5 km/h 為起始速度，以0.5 km/h 作為單節(jié)增速，實現(xiàn)測試難度階梯樣增長，并劃分出難度等級（level）。該測試在自然環(huán)境復(fù)現(xiàn)了實驗室力竭測試的負(fù)荷階梯性增加過程［4］，使受試者心率呈規(guī)律性遞增［6］，最大限度還原了連續(xù)分級遞增負(fù)荷模式（GXT）的基本測試控制要義［7］10。相較之前使用的長跑測試，漸進性的提示音規(guī)劃了個體速度的控制和體力的分配，標(biāo)準(zhǔn)化了被試體力輸出的模式，提高了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，也提高了測試的安全性。為了適應(yīng)校方測試場地規(guī)模［8］，有研究者對伴奏提示音間隔進行調(diào)整，開發(fā)了更為靈巧的15 m 漸進性有氧耐力跑測試。就最大攝氧量預(yù)測結(jié)果而言，該測試體現(xiàn)了良好的最大攝氧量同步增長性（R=0.948），測試上限（12 級時）可達(dá)（51.18±8.28）mL/（kg·min）［9］。McClain 等通過對68 名中年男性進行了15 m PACER、1 500 m快速走、最大攝氧量斜坡方案測試，發(fā)現(xiàn)15 m PACER結(jié)果與實驗室最大攝氧量結(jié)果存在較高相關(guān)性［r=0.86(p＜0.01)］，該結(jié)果支持了15 m PACER 的安全性和有效性［10］。同時，兩測試在鑒別結(jié)果上也趨于一致［7］10。

然而在評價層面，15 m PACER 雖在國內(nèi)經(jīng)多年度、多輪次的推廣應(yīng)用，但因引入時間不長，推廣仍受限于自身系統(tǒng)的不完整性。雖然實測操作的相對成熟，但其后期的評價標(biāo)準(zhǔn)尚需進一步地建立和完善,且受試群體僅為中小學(xué)四、八年級學(xué)生，并未對整個義務(wù)教育階段學(xué)生進行能力監(jiān)控健康預(yù)警和提供指導(dǎo)。故應(yīng)進一步拓寬測試群體年齡段，了解學(xué)生各年齡段有氧能力發(fā)展的動態(tài)及特征，為實際教學(xué)提供科學(xué)的指導(dǎo)，同時構(gòu)建完善的有氧能力測評機制。

我國第一個兒童生長百分位數(shù)圖出版于1985年，自此以后曲線圖多基于假設(shè)樣本正態(tài)或?qū)?shù)分布樣本繪制，并采用多項式法進行簡單擬合。而LMS 法使用條件更為寬泛，除適用于正態(tài)分布對象外還同樣適用于大部分人體測量的偏態(tài)分布對象。LMS 方法是利用偏度系數(shù)（L）、中位數(shù)（M）以及變異系數(shù)（S）描述每個年齡組的分布特征，以年齡為自變量分別擬合L、M、S 平滑曲線，通過懲罰似然法使3 條曲線達(dá)到平滑［11］，所得結(jié)果能產(chǎn)生滿足任何需要的百分位數(shù)，整體優(yōu)于簡單排序計數(shù)法，具有百分位數(shù)估計標(biāo)準(zhǔn)誤更小、涵蓋各個生長時期變化特點、便于同一兒童發(fā)育狀況前后對比等多項特點［1，12］。因此，本研究立足國家基礎(chǔ)教育質(zhì)量監(jiān)測的工作經(jīng)驗和大規(guī)模數(shù)據(jù)分析結(jié)果，嘗試以連續(xù)截面數(shù)據(jù)對兒童青少年有氧耐力測試成績進行常模構(gòu)建，在原有百分等級、離差法評價基礎(chǔ)上更進一步提出基于身體發(fā)展曲線的評價方式，旨在通過LMS 方法構(gòu)建以15 m PACER 為測試項目的北京市義務(wù)教育全年齡段兒童青少年有氧耐力百分位數(shù)曲線和評價常模，以期了解該群體有氧耐力水平發(fā)展規(guī)律，探索其有氧能力發(fā)展敏感期，為分階段科學(xué)培養(yǎng)學(xué)生有氧耐力提供理論支持。同時對身體發(fā)展曲線在素質(zhì)評價指標(biāo)中的應(yīng)用實踐經(jīng)驗進行了補充，建立了以15 m PACER 測試為評價手段的義務(wù)教育全年齡段有氧耐力評價體系，制定出適合評價該群體有氧耐力水平的參考體系，并提升了有氧耐力測試項目的科學(xué)性和評價標(biāo)準(zhǔn)的完整性，為15 m PACER 測試在各年齡段學(xué)生群體中的推廣應(yīng)用提供評價依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究采取分層隨機抽樣方法，以國家教育質(zhì)量監(jiān)測中體育與健康學(xué)科的監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)為參考，在義務(wù)教育各年齡段男、女生有氧耐力體測成績表現(xiàn)低、中、高水平學(xué)生群體中等比抽取被試，共招募北京市海淀區(qū)、朝陽區(qū)、房山區(qū)、密云區(qū)的7 所中小學(xué)校的學(xué)生，回收樣本男生為2 408 人、女生為2 250人，剔除極端異常樣本后有效樣本中男生為2 382 人、女生為2 229人（1.07∶1）。參與實驗的被試需滿足達(dá)標(biāo)條件、知情同意、自愿參加、學(xué)校允準(zhǔn)的基本要求，無明顯創(chuàng)傷、外傷（尤其是顱腦外傷）記錄，測試前1 周無感冒、發(fā)燒、頭疼、頭暈、腹瀉、嘔吐等軀體不適，基于以上前提編制最終測試名單。

1.2 研究方法

人口統(tǒng)計學(xué)指標(biāo)包括年齡、性別。記錄最后一次測試的日期，被試年齡=測試日期-出生日期，所得結(jié)果保留一位小數(shù)，整數(shù)即周歲。按照《國家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)》要求對被試身高、體質(zhì)量兩項指標(biāo)進行數(shù)據(jù)采集。身高單位為cm、體質(zhì)量單位為kg，均精確至小數(shù)點后一位。同時通過公式BMI=體質(zhì)量（kg）/身高的平方（m2），計算被試身體質(zhì)量指數(shù)，結(jié)合“中國學(xué)齡兒童青少年超重、肥胖篩查BMI 值分類標(biāo)準(zhǔn)”［13］對超重學(xué)生進行劃分。

使用15 m PACER 測試方法對研究對象的有氧耐力水平測試數(shù)據(jù)進行收集。該項跑步測試是集持續(xù)性、表現(xiàn)性和體能屬性于一體的高水平有氧耐力測試。測試屬于間歇訓(xùn)練范疇，是多階段折返跑的一種，具備“運動強度低、運動時間長”的優(yōu)點。15 m PACER作為2015 年、2018 年國家義務(wù)教育質(zhì)量監(jiān)測中體育學(xué)科的測試項目，其測試可操作性及有效性已得到了充分的驗證，成熟的測試方案及成套的測試工具（主試培訓(xùn)光盤、包含指導(dǎo)語的測試音樂伴奏、測試場地布置指南）為高效、準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)提供了保障。測試要求學(xué)生跟隨音樂伴奏及指令引導(dǎo)，在逐漸縮短的單位時間內(nèi)按照既定節(jié)奏完成多次單程距離15 m 的往返跑，連續(xù)失誤（即未在指示音響起之前達(dá)線）兩次則測試停止，以學(xué)生最終完整往返的次數(shù)作為測試成績。這種以短程跑步距離替代中長程跑步的方式增加了評分彈性，測試難度隨測試進程逐漸增加，具有梯度的穩(wěn)定性和漸進性，使所有參與測試的學(xué)生都可以獲得相應(yīng)的成績。規(guī)則可操作性強，學(xué)生在測試過程中自主決定繼續(xù)參與或終止測試，無任何強迫完成量，運動過量風(fēng)險較低，消除了參與者參與測試的畏難情緒。同時，由于該測試所采用的“節(jié)奏引跑”規(guī)則與以往跑步測試規(guī)則差異較大，故在正式測試前加入了4 次練習(xí)測試，保證測試者在最終測試前熟悉規(guī)則、發(fā)揮穩(wěn)定，所得成績能準(zhǔn)確反映學(xué)生真實水平。

1.3 數(shù)據(jù)處理

取5 次測試中最高值作為被試最終有氧耐力成績，使用SPSS 22.0 軟件建立數(shù)據(jù)庫，清理缺失值，利用百分位數(shù)對數(shù)據(jù)進行篩查，剔除每個年齡段中小于P0.13和大于 P99.87的數(shù)據(jù)［14］，男生共剔除 26 名（剔除率1%）、女生共剔除21 名（剔除率0.93%）。將清理后數(shù)據(jù)導(dǎo)入 LMS 程序軟件（LMS Chartmaker Light 2.54），獲得Z 分?jǐn)?shù)分布、L、M、S 及百分位圖，基于所擬合參考曲線，描述不同年齡段男、女生有氧耐力百分位數(shù)值（P3，P10，P25，P50，P75，P90，P97）。

2 研究結(jié)果

2.1 北京市6～15 歲兒童青少年身高、體重和身體質(zhì)量指數(shù)情況

基于BMI 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：6～15 歲各年齡段學(xué)生均存在超重甚至肥胖群體，且其占比隨年齡遞增。小學(xué)學(xué)段7～8 歲超重群體占比較高，初中學(xué)段12～14 歲超重群體占比較高。各年齡段男、女生身高、體重和身體質(zhì)量指數(shù)（BMI）如表1所示。

表1 北京市6～15 歲兒童青少年身高、體重和身體質(zhì)量指數(shù)情況

2.2 北京市6～15 歲兒童青少年15 m PACER 成績

由表2 可知，在8 歲之前，男、女生之間的有氧耐力水平并不存在差異（p 值均＞0.05），而隨著年齡的增長，男生逐漸體現(xiàn)優(yōu)勢，11 歲時男、女生差距縮?。╬值均＞0.05）而后再次增大，其他年齡段男生成績表現(xiàn)均明顯優(yōu)于女生。

表2 北京市6～15 歲兒童青少年15 m PACER 成績

2.3 15 m PACER 的LMS 曲線構(gòu)建及百分位數(shù)劃定

2.3.1 15 m PACER 曲線擬合結(jié)果

將清理后的數(shù)據(jù)錄入LMS 程序軟件，調(diào)整及驗證后輸出 6～15 歲男、女生偏度系數(shù)（L）、中位數(shù)（M）、變異系數(shù)（S）以及各百分位數(shù)參考值（見表3，表4）。將擬合所得第50 百分位數(shù)與其實際值相比較（見表5），15 m PACER 測試評價標(biāo)準(zhǔn)各評價等級中成績次數(shù)區(qū)間均在10 次左右，比較其真實值及擬合值之間的差值均小于3，處于合理誤差范圍內(nèi)，曲線擬合效果較好。需特別提出的是，15 m PACER 曲線擬合檢驗不同于身高、體質(zhì)量等身體形態(tài)指標(biāo)，其為間接測量值而非實際測量值與擬合值的比較，對其曲線擬合的標(biāo)準(zhǔn)還需進一步驗證優(yōu)化。

表5 北京市6～15 歲兒童青少年15 m PACER P50 實際值與擬合值比較

表3 北京市6～15 歲男生15 m PACER 成績主要百分位數(shù)參考值 單位：次

表4 北京市6～15 歲女生15 m PACER 成績主要百分位數(shù)參考值 單位：次

2.3.2 北京市6～15 歲兒童青少年15 m PACER 成績水平

基于輸出偏度系數(shù)、中位數(shù)、變異系數(shù)結(jié)果可知：女生較男生的數(shù)值正態(tài)化程度更高，樣本內(nèi)部分化情況更為明顯。男、女生15 m PACER 成績中位數(shù)均隨年齡以相近增幅穩(wěn)定上升且離散程度均較小。具體各年齡段男、女生15 m PACER 成績百分位數(shù)表如表3 和表4 所示。綜合圖1、圖2 來看，隨著年齡的增加，男、女生15 m PACER 成績發(fā)展曲線均呈穩(wěn)步上升-趨于平緩-再上升的趨勢。比較兩者曲線發(fā)現(xiàn)，前期男、女生15 m PACER 成績增長趨勢大致相同，在經(jīng)歷第一

圖1 北京市6～15 男生PACER 成績對應(yīng)百分位數(shù)

2.3.3 北京市6～15 歲兒童青少年15m PACER 成績評價標(biāo)準(zhǔn)劃定

將各百分位數(shù)成績進位取整，再參照我國目前《國家體質(zhì)監(jiān)測健康標(biāo)準(zhǔn)》的評價標(biāo)準(zhǔn)劃分（不及格≤9%，及格10%～74%，良好75%～89%，優(yōu)秀≥90%），所得男、女生各年齡各水平評價標(biāo)準(zhǔn)如表6 所示。

表6 北京市6～15 歲兒童青少年15 m PACER 4 級評價標(biāo)準(zhǔn)單位：次

3 分析與討論

本研究運用LMS 法成功擬合了北京市6～15 歲兒童青少年15 m PACER 的百分位數(shù)發(fā)展曲線，從結(jié)果可以看出：義務(wù)教育階段，男生有氧耐力水平明顯優(yōu)于女生。將擬合所得男、女生曲線疊加對比來看，兩條曲線走勢基本一致，均為穩(wěn)步上升-趨于平緩-再上升的過程。雖因男、女生進入發(fā)展敏感期時間差原因在10 歲出現(xiàn)趨同趨勢，但并未出現(xiàn)類似身高、體質(zhì)量生長發(fā)育曲線的“兩次交叉”情況，與現(xiàn)有以800/1 000 m為測試手段的兒童青少年有氧耐力發(fā)展研究所繪曲線趨勢一致。女生有氧耐力水平相較于男生，分化情況更為明顯。相較于女生，男生各百分位數(shù)曲線更趨次拐點（男、女生均為8 歲）后趨于平緩，后于11 歲（男生）和10 歲（女生）迎來二次增長，其后男生以更大增長速率領(lǐng)先于女生。于平行，說明男生各年齡段有氧耐力成績均相對集中，離散程度較小。隨著年齡增大，各水平間女生成績差值增大，故所呈現(xiàn)出的成績分化現(xiàn)象越來越明顯。

圖2 北京市6～15 歲女生PACER 成績對應(yīng)百分位數(shù)

LMS 程序軟件同時輸出 L 圖、M 圖和 S 圖。L 圖即偏度系數(shù)圖，反映樣本數(shù)據(jù)正態(tài)化程度，其值越低，偏態(tài)越明顯。從數(shù)據(jù)表現(xiàn)來看，女生相較男生數(shù)據(jù)正態(tài)化程度更高。M圖即中位數(shù)圖，代表樣本中等水平，可看出男、女生15 m PACER 中段樣本成績均隨年齡以相近增幅穩(wěn)定上升。S 圖即變異系數(shù)圖，體現(xiàn)數(shù)據(jù)離散程度，就數(shù)據(jù)結(jié)果而言，男、女生成績離散程度均較小，同時可看出男、女生有氧耐力突增年齡分別為11歲和10 歲，與身高、體質(zhì)量等生長曲線特征相同，反映被試有氧耐力水平會在青春期形成拐點并迎來突增，該年齡段即為發(fā)展有氧耐力的關(guān)鍵期，均為男、女生青春期開始時間段，且符合女生較男生生長發(fā)育更早的客觀事實。也正是由于男、女生進入青春期的時間差，導(dǎo)致從10 歲左右開始，男、女生有氧耐力水平差異逐漸縮小，至11 歲男生開始進入青春期快速發(fā)育之后男、女生差異再次拉開。此期間女生成績增勢較男生更加平緩。由于本研究所用有氧耐力測試工具（15 m PACER）引入中國時間較短，國內(nèi)僅有少量且僅覆蓋部分年齡段學(xué)生的以15 m PACER 為測試手段的有氧耐力標(biāo)準(zhǔn)劃定研究，且現(xiàn)有研究選用的有氧耐力測試項目多為800/1 000 m，項目標(biāo)準(zhǔn)之間不具可比性。且國外基于15 m PACER 成熟測試經(jīng)驗所定標(biāo)準(zhǔn)在中國的適用性尚待探究，故本研究成果進行全面的國內(nèi)或國際比較分析時，還需進一步研究探討。

相較于現(xiàn)有的針對國內(nèi)兒童青少年的少量同類研究，本研究所建常模的成績跨度范圍更大：及格線更低，良好線相近，優(yōu)秀線更高。此差別產(chǎn)生原因主要有三點：其一，研究所用量具不同。本研究與現(xiàn)有通過不同群體的最大攝氧量對PACER 進行等值處理得到的評價標(biāo)準(zhǔn)相比較，結(jié)果間的差異可歸因為對被試有氧耐力水平指標(biāo)使用了不同的測量手段。其二，數(shù)據(jù)收集時控制條件不同。在國內(nèi)15 m PACER 測試實踐經(jīng)驗較少的情況下，部分研究在使用該測試對被試有氧耐力水平指標(biāo)數(shù)據(jù)進行收集時，為確保被試人身安全而人為設(shè)置了天花板值，即當(dāng)被試測試成績達(dá)到優(yōu)秀等級（例如80 次）時，則直接終止測試，記所設(shè)置天花板值為學(xué)生測試成績。而本研究基于前人研究經(jīng)驗、現(xiàn)有數(shù)據(jù)、測試校學(xué)情、主試配合等諸多因素，在保證被試安全的前提下放開次數(shù)限制，不設(shè)上限值，使得最終所得數(shù)據(jù)呈原始分布，故本研究所建常模中劃定的優(yōu)秀值大于現(xiàn)有研究。其三，間接測量的身體指標(biāo)產(chǎn)生了誤差。LMS 法多應(yīng)用于BMI 等直接生理指標(biāo)，本研究使用LMS 法對15 m PACER 這一有氧耐力間接測量值進行成績擬合，其所產(chǎn)生的誤差也在接受范圍內(nèi)［3,7,15-17］。

LMS 法被廣泛運用于擬合生長發(fā)育相關(guān)指標(biāo)曲線，是目前國際公認(rèn)的兒童生長曲線擬合方法。肥胖問題工作小組、美國疾病控制和預(yù)防中心、世界衛(wèi)生組織使用該方法構(gòu)建兒童身高、體質(zhì)量、身體質(zhì)量指數(shù)等生長發(fā)育指標(biāo)的百分位數(shù)曲線［18-19］。在國內(nèi)，尚磊等最早將該方法引入衛(wèi)生統(tǒng)計學(xué)領(lǐng)域，構(gòu)建了西安市0～18 歲兒童青少年年齡身高、體重、胸圍、BMI 百分位數(shù)曲線圖［20］。蔣一方等使用該方法在構(gòu)建生長曲線的基礎(chǔ)上進一步制定了標(biāo)準(zhǔn)［21］。而后Ma J 等在構(gòu)建不同人群生長標(biāo)準(zhǔn)曲線的基礎(chǔ)上進行了國際比較［22］。隨著LMS 法不斷的完善，其擬合指標(biāo)不再僅僅局限于身體形態(tài)指標(biāo)，機能指標(biāo)和素質(zhì)指標(biāo)也被納入到研究范圍內(nèi)［17］。

基于此制定的相應(yīng)評價常?，F(xiàn)階段是一次全新且較為成功的嘗試，可為下一步制定全地區(qū)、全年齡段以15 m PACER 為測試項目的兒童青少年有氧耐力評價體系提供經(jīng)驗，且LMS 法在有氧耐力研究領(lǐng)域的適用，進一步拓展了其適應(yīng)擬合指標(biāo)的范圍，為后續(xù)更多兒童青少年生長發(fā)育趨勢研究提供思路和理論支撐。

本研究還存在一定不足，在研究取樣上，年齡為6歲的學(xué)生樣本無論是總體數(shù)量還是不同性別的數(shù)量都相對偏少，可能會對研究結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差。后續(xù)研究可以配足相關(guān)年齡樣本，并可在全國范圍內(nèi)抽取代表性樣本進行深入研究，以構(gòu)建全國兒童青少年的有氧耐力發(fā)展曲線并劃定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本研究構(gòu)建了北京市6～15 歲兒童青少年有氧耐力發(fā)展曲線，男生有氧耐力水平始終高于女生，男、女生有氧耐力發(fā)展關(guān)鍵期分別為11 歲與10 歲。劃定了具有性別和年齡參照的15 mPACER 評價標(biāo)準(zhǔn)，為有氧耐力的教學(xué)訓(xùn)練提供參考，對義務(wù)教育階段兒童青少年體質(zhì)健康和體能的篩查、分析及監(jiān)測具有實用價值。