基于儿童、青少年健身器材开发进行的身体形态增长特征研究

The D istinction of Human Body M orphological Characteristics in Children and Youngsters Applying to Fitness Equipment

李 然，蔡 睿，何申杰，刘 智，江崇民

“增强青少年体质关键技术的研究与应用”是国家体育总局结合中共中央《关于加强青少年体育增强青少年体质的意见》以及实施“全民健身与奥运同行”长效机制的具体需要提出的具有战略意义的科研项目。研制适合儿童、青少年科学健身的器材正是其中的重要步骤之一，而研制的前提之一就是要掌握儿童、青少年身体形态的增长特征并能够指导健身器材实际设计。

人体生长发育具有阶段性和非等比性，因而，人体的身体形态、机能、身体素质和运动能力的发展都有突增期，即敏感期。身体素质的敏感期是指人体某项身体素质和运动能力相对快速增长的时期。在各项素质或能力的敏感期间练习，会得到明显的提高，反之，错过敏感期，会影响其今后相应能力的提高。这种敏感期绝大多数都是在儿童、青少年时期。然而，目前我国尚缺乏较为科学的青少年使用的健身器材，主要体现在适宜运动负荷、人机工程以及心理需求等方面，其中，人机工程学方面的研究是关系到健身器材是否适用的一个重要因素。只有对儿童、青少年进行“量体裁衣”，才能使得健身器材使用起来舒服和安全，才能进一步发挥健身强体的作用。众所周知，儿童、青少年时期是人生中最为重要的生长发育阶段，人体的各个器官系统都发生了巨大的变化。人体形态也随之发生快速变化，形态指标的变化主要反映了骨骼、肌肉和脂肪等组织的生长发育情况。儿童、青少年时期体育锻炼的主要目的之一是促进学生身体生长发育、增进健康，使学生掌握一定的锻炼身体的知识、方法。因而，掌握青少年身体发育的形态特征和规律也是指导体育锻炼的前提。

目前对儿童、青少年阶段身体发育的研究认为，7岁以后，人体各部位的发育顺序一般遵循“向心律”规律，即按足长、小腿长、下肢长、手长、上肢长、躯干的先后顺序从肢体远端开始发育，先长度，后宽度，再围度，骨骼的变化最快，肌肉落后于骨的生长速度。由于对过多的形态指标测量较为繁琐，所以，在以往大样本人群的身体测量中主要集中在身高、坐高、胸围、腰围、肩宽、骨盆宽、上肢长和下肢长等少数几个主要指标[2，3]。本研究则在以上的形态指标的基础上，将指标数量增加到25项，基本包括了身体各主要部分的长度、宽度和围度指标。通过对7～18岁儿童、青少年25项形态指标变化趋势的综合分析，完成依据身体形态增长特征的年龄阶段划分。

7～18岁儿童、青少年时期是人体生长发育的重要时段，但是这一年龄段跨度较大，基本涵盖了中、小学各个年级。在实际工作中发现，对7～18岁的儿童、青少年粗略的采用相同尺寸的体育器材存在很大不适性，同时对以一岁年龄区别进行相应的体育器材的研制也过于繁琐。所以，对7～18岁儿童、青少年时期的身体形态增长特征的研究在于能够为针对7～18岁儿童、青少年的体育教学和健身器材研发提供参考依据。

1 研究对象与方法

本次测试对象为7～18岁的儿童、青少年，每1岁为一个年龄组，每个性别年龄组测试样本约100人，共计2 590人。测试地点为山西省长治市。采集指标为身高、坐高、体重、肩宽、骨盆宽、手长、前臂长、上肢长、下肢长 A （髂前上棘高）、小腿长（小腿加足高）、拇食指环长、拇指长、手宽、肘关节宽、膝关节宽、足长、胸围、腰围、臀围、头围、前臂围、上臂围、大腿围、小腿围和踝围，共计25个形态指标。测量工具选择身高坐高计、体重计、直脚规、短马丁尺、中马丁尺、长马丁尺、游标卡尺、拇指长测量仪和围度尺。测试人员统一培训后分为5组，每组负责4～5个指标。每个测试日录入并核对当天数据。数据库分析使用SPSS 10.0软件，采用Q型聚类分析，K-Means聚类分析方法。

2 结果

2.1 7～18岁儿童、青少年身体形态基本情况

7～18岁的男生和女生身体形态指标的平均数变化趋势与以往的研究一致，遵循“向心律”规律，即按足长、小腿长、下肢长、手长、上肢长、躯干的先后顺序从肢体远端开始发育。如图1、图2所示，足长、小腿长和下肢长的平均数的拟合增量曲线峰值均提前于手长和上肢长增量曲线的峰值，坐高增量曲线的峰值在以上形态指标增量曲线峰值之后出现。由此可见，在本次测试中，7～18岁男性和女性儿童、青少年人群的选取是较为合理的，其身体形态的增长变化规律和以往研究的一致性，为进一步研究儿童、青少年生长发育特征提供了前提。

图1 7～18岁男性儿童、青少年部分形态指标随年龄增量曲线图

图2 7～18岁女性儿童、青少年部分形态指标随年龄增量曲线图

2.2 形态指标反映的生长发育的年龄阶段差异

随着儿童、青少年的生长发育阶段性特征，其各种形态指标也呈现相应的阶段化特点。各形态指标每年递增平均数体现了儿童、青少年生长发育的快慢，对各形态指标每年递增平均数的聚类分析可以发现在7～18岁年龄阶段形态指标总体变化特点。通过对男生和女生7～18岁共12个年龄组形态指标每年递增平均数进行2～5类的逐步聚类分析发现，男生11岁和13岁的形态指标增长最快，7～14岁年龄段形态指标增长速度明显快于15～18岁年龄段（表1）；女生9岁和11岁的形态指标增长最快，7～14岁年龄段形态指标增长速度明显快于15～18岁年龄段（表2）。通过根据各形态指标在各年龄阶段的贡献进行聚类分析，可以从形态指标逐年增长量上发现女生生长发育提前于男生，但都遵循“先快后慢”的趋势，这和以往的研究是相互验证的。然而，通过本次分析进一步发现，男、女生增长最快的阶段基本一致，即7～14岁阶段，这说明尽管男生身体形态上的生长增量在11岁以前是相对慢于女生的，但是之后的生长增量一定快于女生，所以，在成年阶段体现出正常男性的形态指标平均水平高于女性。这种规律同时提示，在进行儿童、青少年健身器材开发时，一定要综合考虑儿童、青少年在生长发育过程中存在的性别和年龄的差异，只有明确这些差异的具体体现，才能够做到儿童青少年健身器材的合理设计。

表1 本研究7～18岁男性儿童、青少年25项形态指标每年递增平均数的聚类分析结果一览表

表2 本研究7～18岁女性儿童、青少年25项形态指标每年递增平均数的聚类分析结果一览表

2.3 依据形态指标数据进行的年龄阶段划分

首先，需要将形态指标数据中各指标平均数接近的年龄段划分为一类，这是为了体现儿童、青少年身体形态增长变化特征的同时，尽可能减少年龄段的分类，避免过于繁杂和浪费。当然，这也是儿童、青少年健身器材设计工作中必须解决的一个实际问题。之后，对各年龄组儿童、青少年男性和女性形态指标平均数的差值进行2～5类的逐步聚类分析。结果发现，无论是哪种分类，都显示7～12岁年龄段男性和女性形态指标平均数的差异最小，13～15岁年龄段男性和女性形态指标差异逐渐加大，16～18岁年龄段男性和女性形态指标的差异最为明显（表3）。所以，有关涉及到儿童、青少年形态指标的体育教学和健身器材的标准，应该考虑在13岁以后年龄段儿童、青少年的男、女差别。而在7～12岁年龄段虽然男、女形态差别很小，但是由于该年龄段增长速度较快，在进行不同年龄段合并时，跨度不能过大，应该控制在3岁以内。综合以上分析，可以得出较为适合的性别年龄分组：7～9岁年龄组（无性别差异）；10～12岁年龄组（无性别差异）；13～15岁年龄组女生；13～15岁年龄组男生；16～18岁年龄组女生；16～18岁年龄组男生。所以，在儿童、青少年健身器材设计过程中，尤其是针对7～18岁儿童、青少年，器材的类型至少应该考虑以上6种分组情况，从而做到遵循形态增长特征规律的科学性和针对性。

表3 本研究7～18岁男、女儿童、青少年25项形态指标平均数差值的聚类分析结果一览表

3 讨论与结论

通过本次研究发现，7～18岁的儿童、青少年身体形态指标的平均数变化趋势遵循“向心律”规律，女生生长发育提前于男生，但都遵循“先快后慢”的趋势，其增长最快的阶段基本一致，即7～14岁阶段。这种规律提示，在进行儿童、青少年健身器材开发时，一定要综合考虑儿童、青少年身体形态在生长发育过程中存在的性别和年龄的差异。进一步根据儿童、青少年形态指标特征分析在年龄和性别上的差异，确定较为适合的儿童、青少年性别年龄分组，即健身器材研发应该参考的儿童、青少年性别年龄分组是：7～9岁年龄组（无性别差异）；10～12岁年龄组（无性别差异）；13～15岁年龄组女生；13～15岁年龄组男生； 16～18岁年龄组女生；16～18岁年龄组男生。

3.1 大样本的横断面研究生长发育规律的可行性

基于儿童、青少年健身器材开发进行的形态生长特征分析离不开对儿童、青少年人群的科学选择和研究方法的正确应用。在本研究中，首先要考虑的是选择横断面的研究方式进行样本选择和测试，还是进行纵向的随访调查研究。其中，横向研究生长发育规律时，可以在较短的时间内对大量的研究对象作一次性的观测，结果主要反映样本生长发育的一般水平和现状，由于存在同一年龄不同发育类型个体差异，对调查结果精确度必然产生影响。那么，是否采用纵向追踪调查法对相同的研究对象进行连续观测，则可以比较准确地揭示儿童、青少年生长发育的规律性，减少对调查结果精确度的影响呢?北京体育大学儿童、青少年生长发育追踪课题组关于6～17岁学生的身高生长的纵向追踪研究结果表明，身高在大样本调查条件时，纵向追踪调查与横断面调查的平均数基本一致，在研究群体的生长发育规律方面，两种方法的研究效果应该是差异很小，而且，纵向追踪调查法容易受到研究周期长、见效慢、样本流失等因素的影响[1，6]。所以，综合考虑以上因素，本研究仍采取横断面的研究方式，并且通过对儿童、青少年生长阶段身体形态的变化规律的分析进一步证实了该研究的可行性。

3.2 儿童、青少年身体形态变化的规律性

目前的研究证明：下肢长、小腿长的发育与身高的发育有相似特征，均以身高增长最快的年龄为界，身高增长高峰之前，各项指标随年龄增大而加大，身高增长高峰之后则随年龄增大而减小[3]。此外，人体生长发育表现出非等比性，下肢长度的增长早于躯干。身高的增加在突增高峰之前是以下肢增长为主的，其后是坐高。7岁以后，人体各部位的发育顺序一般遵循“向心律”规律，即按足长、小腿长、下肢长、手长、上肢长、躯干的先后顺序从肢体远端开始发育，先长度，后宽度，再围度，骨骼的变化最快，肌肉落后于骨的生长速度[2，5，7]。从为儿童、青少年健身器材提供身体形态依据的角度来看，以前的研究是依据几个主要的身体形态指标概括出身体形态的发育趋势，这对于理论研究无疑是重要的，然而将其进行应用时，却往往不知如何下手。此外，较多的身体形态指标如何综合分析，而不是仅仅考虑到几个身体形态指标，也是一个在实际分析中需要解决的问题。所以，本研究采用聚类分析的方式综合考虑男性和女性儿童、青少年多个身体形态指标变化在年龄上的分布规律，发现11岁之前女生身体形态增长相对快于男生，但都遵循“先快后慢”的趋势，其增长最快的阶段基本一致，即7～14岁阶段。进而根据儿童、青少年身体形态变化的性别年龄段差异提出了7个性别年龄分组，以供器材研制参考。

然而，如何更为精确的测量形态指标变化的细节特征显然是目前人体测量中的共性问题。所以，在今后的研究中，随着测量技术和方法的进步，能够展开对形态指标细节变化规律的研究，将更好地认识 7～18岁儿童、青少年的生长发育在身体形态上的规律，为研制更先进科学的供儿童、青少年使用的器材和工具提供人机工程学参数。

3.3 儿童、青少年身体形态特征与人机工程学

人机工程学是从人的生理和心理特性出发，研究人，机，环境的相互关系和相互作用的规律，以优化人-机-环境的一门科学，是一种把使用产品的“人”作为产品设计出发点的理念，要求产品的外形、色彩、性能等都要围绕人的生理、心理特点来设计；然后是一系列的知识基础和研究方法，其知识基础来源于工程心理学、预防医学、技术美学、人体测量学等，再是整理形成的设计技术，包括设计准则、标准、计算机辅助设计软件等；这些设计技术再和特定领域的其他设计技术及制造技术相结合，就形成符合人机工程学的产品，这些产品让使用者更健康、高效、愉快地使用和享受着它为人们带来的便利[4，8]。针对儿童、青少年设计的各种器材，在设计中对人机工程学的运用已成为衡量其成功与否的关键。其中，很重要的一个方面就是对儿童、青少年的身体形态特征的应用。但是，目前的体育器材在设计中缺乏对不同性别年龄段身体形态特征的分析。实际上，由于绝大部分产品来自于中、小型企业，产品质量良莠不齐。在设计水平上，各种设计大部分是模仿国外成型产品。所以，希望本研究能够为设计儿童、青少年使用的各种器材制造商提供一定的参考，尤其是在研究和设计儿童、青少年使用的健身器材时能够科学的区分不同性别、年龄儿童、青少年的身体形态特征，为儿童、青少年提供安全科学的健身器材，从而有效地发挥健身器材促进儿童、青少年生长发育、锻炼身体的作用。

[1]北京体育大学儿童少年生长发育追踪课题组.关于6～17岁学生的身高生长的纵向追踪研究[J].北京体育大学学报，2000，23（2）：206-211.

[2]陈明达，于道中.实用体质学[M].北京：北京医科大学/中国协和医科大学联合出版社，1993：84-330.

[3]苟波，陈佩杰.青少年身体形态发育特征及运动对发育的影响[J].体育科研，2004，25（4）：34-36.

[4]王翔晶.浅谈儿童用品设计中的人机工学[J].湖北广播电视大学学报，2010，30（2）：76-77.

[5]邢文华.十六省（市）省会汉族学生1979—1985年身体形态、机能发育和素质发展的动态分析[J].体育科学，1987，7（3）：19.

[6]袁捷，林琬生.中国学生身高发育高峰年龄的研究[J].体育科学，1991，11（4）：39-42.

[7]袁雪霞，何洋，阎建辉.1979—1983年太原市少年儿童生长发育速度的研究[J].山西体育科技，1985，4（2）：34-39.

[8]赵占西，王小妍，于洽.人机工程学应用研究综述[J].人类工效学，2009，15（4）：69-71.