男大学生有氧能力/心肺适能的跑步测评方式验证与比较

胡海旭，吕玉军，贺茜娜，宋卫东

《国家学生体质健康标准》(下文简称“标准”)是促进学生体质健康发展、激励学生积极进行身体锻炼的教育手段。所选用的指标可以反映与身体健康关系密切的身体成分、心血管系统功能、肌肉的力量和耐力、以及关节和肌肉的柔韧性等要素的基本状况。其中的心血管功能系统和耐力在大学生群体测试中分别通过1 000 m、肺活量指数等成绩数据来反映，是对大学生有氧能力/心肺适能(cardiorespiratory fitness，CRF)的一个综合评价。从2007年开始，教育部、国家体育总局、共青团中央下发了《关于开展全国亿万学生阳光体育运动的决定》，结合《国家学生体质健康标准》的全面实施在全国各级各类学校中广泛、深入地开展全国亿万学生阳光体育运动[1]，由此每年对按照《标准》面向全国大中小学生测试一次，考核学生等级并统计数据上报教育部，以此来提高学生体质健康水平。探析国家大学生体质健康测试中评价有氧能力/心肺适能的效度，以及以此作为男大学生体质健康促进的“指挥棒”。

有氧能力/心肺适能是指心血管和呼吸系统在持续运动中的总体供氧能力[2]。它不仅与心血管健康水平成正比[3-4]，而且是重要的死亡预测因子[5]。不仅如此，它对认知健康也有积极效益，能够促进执行功能提高和记忆力的改善[6-7]。因此，有氧能力/心肺适能是最为重要的健康标志之一，甚至超过了其他传统的指标，如体重状况，血压或胆固醇水平[8]。国际上一般以最大摄氧量(˙VO2max)来衡量有氧能力/心肺适能水平，但由于电动跑台测试、机械负荷功率车测试等直接测试方法采用的仪器过于昂贵且耗时，美国运动医学学会(American College of Sports Medicine，ACSM)推荐健康成人的间接测试方法有库珀(Cooper)12 min跑、1.5 mi(2 400 m)跑，1.6 mi快步走[9]，以及欧洲青少年采用的20 m折返跑等[10]，该测试与我国现行的男生1 000 m、女生800 m跑测试方法不同。因此，文章主要研究目的是对现行《标准》中的有氧能力/心肺适能效度进行验证，为男大学生有氧能力/心肺适能的体育课程设置和教育教学改革提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究对象

45名健康中国大学男生自愿参加本项课题研究。年龄(19.11±0.6)岁，体重(68.17±8.5)kg，身高(1.75±0.05)m。受试数据均来自2017-2018学年第二学期大学体育和航空体育教学班级中。测试前对受试参与测试的目的、测试方法和注意事项等均进行了详细讲解和现场示范。受试筛选标准包括：没有心血管和代谢类疾病，骨骼肌无任何损伤，测试期间没有因病吃药。所有受试者在实验前了解实验目的和流程并签订知情同意书。

1.2 程序

1 000 m测试为学期期末考试，时间越短分数越高，每位受试均参加，体育课教学的第10周进行集中测试。3 000 m跑和12 min跑对学生的体能要求较高，最终只有航空体育的23名学生完成该2项测试，其中的3 000 m是期末考试内容，12 min跑是作为3 000 m考试的准备练习，并和学生商议，将12 min跑纳入平时成绩。测试时间为1 000 m考试结束后的第3天和第6天。所有受试在进行跑步测试前的48 h内禁止进行大强度运动。所有测试过程都是由相同的2名实验指导人员指导进行。

最大摄氧量˙VO2max测试。

自所有跑步测试结束的第3天开始，在实验室内佩戴便携式心肺功能遥测仪(K5，Cosmed，Rome，Italy)通过电动跑台直接测试˙VO2max。每次测试前，用气体校正仪对O2和CO2进行校准。测试时，佩戴气体收集面罩，面罩边上附着有硅胶密封条防止气体泄漏。采用修订Balke方案进行测试，每2 min递增3%的速度强度持续跑动，直到精疲力竭。具体力竭标准满足下列条件之二：(1)在积极鼓励的前提下依然无法按照设定的功率车速率的节奏蹬踏；(2)运动负荷不断增加，而摄氧量出现平台期，低于2 ml·kg-1·min-1；(3)达到最大心率的95%以上(最大心率=220-年龄)；(4)呼吸商≥1.10；(5)受试表现出不舒适/大量出汗和痛苦表情等症状，Borg自觉疲劳量表RPE＞17[11]。

根据《国家学生体质健康标准》解读及前文论述，除了1 000 m之外，与˙VO2max有关的指标还有肺活量指数，肺活量/体重(在下文机器学习方法的多变量竞争中，本文还将“肺活量/体重2”作为一个类似对比的肺活量指数纳入自变量)。此外，体重指数BMI也是衡量体成分的重要内容，脂肪含量与肺功能负相关，非脂肪含量与肺功能正相关[12-13]，身体成分特征可能是肺功能改变的预测因素[14]，本研究将BMI及其相关的身高、体重指标也纳入影响˙VO2max的因素中。此外，坐位体前屈反映腰部髋关节和腿部韧带的柔韧性，可能会影响1 000 m跑的步幅，因此将坐位体前屈也纳入自变量中。所有受试在参与˙VO2max测试之前，均在实验室进行教育部规定的室内体质健康测试内容，包括身高、体重、肺活量、坐位体前屈4项，测试仪器使用的是恒康佳业无线测试设备。

1.3 数据分析方法

(1)运用一般线性回归线拟合1 000 m跑成绩与˙VO2max的关系图。(2)应用一般线性回归分析选取的自变量(1 000 m、肺活量指数、坐位体前屈、BMI)对因变量˙VO2max.kg-1.min-1和˙VO2max.min-1的方差变异解释情况。(3)为了比较3 000 m，12 min跑和1 000 m三者之间与最大摄氧量关系的强弱，又鉴于完整参与的受试对象只有23名，无法适应传统经典的统计模型的“基本假定”。本文采用机器学习方法之一的随机森林算法模型分析。所谓随机森林是对每一个样本建立一颗决策树，在每个节点，在所有竞争的自变量中，随机选择几个(而不是所有的变量)来竞争拆分变量。随机森林的每棵树都不剪枝，让其充分生长。随机森林能够处理观测值很少但却自变量很多的问题[15]。

2 结果与分析

2.1 描述性分析

表1 经典线性回归模型中变量描述 (N=45)Table 1 Variable description in classical linear regression model

表2 随机森林模型中变量描述 (N=23)Table 2 Variable description in random forest model

从表1、表2数据可见，按照《标准》，体质健康测试的均值评分都在合格以上水平。与经典线性回归比较，随机森林中相应指标数据的平均值较高，或者说体质健康水平更好。由于参加12 min跑与3 000 m跑测试要求学生最大可能发挥跑步水平，在自愿基础上，筛选的男大学生时也考虑到体质健康水平的优劣，确保测试更准确和安全。

图1 ˙VO2max.kg-1.min-1与1 000 m跑成绩的关系拟合线Graph 1 Fit line of˙VO2max.kg-1.min-1and 1 000 m running score

2.2 1 000 m跑与˙VO2max的关系

为简单分析大学生体质健康测试中的男生1 000 m跑与最大摄氧量˙VO2max之间的关系，对二者的关系进行简单的线性拟合。如图1所示是以˙VO2max.kg-1.min-1为Y轴，1 000 m跑为X轴分别进行一般线性回归线拟合和立方拟合曲线。据图所示，总体趋势表现为1 000 m跑成绩越好(时间越短)最大摄氧量水平相应也越高。其中的一般线性方程拟合R2=39.7%，立方拟合曲线方程拟合R2=42.1%，可知，目前大学生体质健康测试中的测试男生耐力和心血管系统功能的1 000 m只能解释˙VO2max.kg-1.min-1的39.7%的变异，立方拟合曲线也只解释了42.1%总方差。同理，图2所示以˙VO2max.min-1为Y轴，1 000 m跑为X轴，˙VO2max.min-1与1 000 m跑成绩正相关，但一般线性方程拟合R2=29.9%，立方拟合曲线方程拟合 R2=33.7%。可见，1 000 m也仅仅解释了˙VO2max.min-1的不到1/3的总方差。为了进一步验证，《标准》测试项目中反映身体机能与耐力的相关指标共同对最大摄氧量解释的总方差变异，下文将采用多元线性回归方程纳入《标准》中的所有与最大摄氧量相关的变量进行验证。分析结果如表3所示。

分别将˙VO2max.kg-1.min-1和˙VO2max.min-1作为被解释变量，纳入《标准》中的1 000 m跑、肺活量指数、BMI和坐位体前屈作为解释变量。其中的坐位体前屈一般作为运动素质中的柔韧性测试指标，结合前文可能对1 000 m跑的步幅有影响，以及可能间接反映腰腹肥胖(内脏脂肪)，在进行多元回归方程自变量纳入时，分别比较选择和不选择坐位体前屈时的方程对最大摄氧量的解释力度。分析结果表明：(1)对于因变量是˙VO2max.kg-1.min-1，模型1解释了其总方差的48%，去掉坐位体前屈的模型2也解释了总方差的47.6%，说明坐位体前屈的调整R2很小(仅为0.4%)，基本上可以忽略不计。模型1中只有1 000 m达到显著水平，即在其他变量保持不变的情况下，1 000 m的成绩提高与˙VO2max.kg-1.min-1增加的正比关系是可靠的。(2)对于因变量是˙VO2max.min-1，模型3解释了其总方差的44.4%，去掉坐位体前屈的模型4仅解释了总方差的38.7%，调整R2达到了5.7%，可见坐位体前屈虽然与˙VO2max.kg-1.min-1无关，但是可能对˙VO2max.min-1的影响较大，原因或在于每千克体重与坐位体前屈反映了某一相同属性，体重与髋关节柔韧性有关合乎常规。本研究中坐位体前屈的系数并未达到显著水平，但不能武断的忽略之，至少可以作为控制变量纳入模型，有待后续继续验证。模型3和模型4中的1 000 m跑和肺活量指数的系数均达到显著水平，即控制方程中的其他变量，1 000 m速度或肺活量指数提高相应的˙VO2max.min-1也增加。

图2 ˙VO2max.min-1与1 000 m跑成绩的线性拟合Graph 2 Fit line of˙VO2max.min-1and 1 000 m running score

表3 《标准》中相关变量对最大摄氧量的多元回归分析结果Table 3 Multivariate regression analysis results for maximal oxygen uptake of relevant variables in the National Student's Physical Health Standards

综合而言，《标准》中1 000 m跑是与最大摄氧量关系最密切的，也是最能间接反映有氧能力/心肺适能的指标。然而，1 000 m对最大摄氧量的解释力度在30% ～40%，而《标准》测试中结合所有相关变量对最大摄氧量的解释力度也仅在44%～48%之间。那么，有没有更为适合的反映最大摄氧量的运动方式呢?考虑到与1 000 m跑接近，比如常见的12 min跑和3 000 m跑，与1 000 m相比能反映最大摄氧量的程度如何?

2.3 ˙VO2max解释力度:基于随机森林算法的12 min跑、3 000 m跑与1 000 m跑对比

随机森林既能根据数据特征对数据进行分类，又能实现数据的回归，是一种应用非常广泛的数据挖掘算法。除此之外，随机森林算法具有评估变量重要性的功能，变量的重要性评分越高，则表明该变量越有能力对结局变量进行分类。

随机森林算法利用OOB误差计算特征变量重要性：根据袋外数据计算随机森林中每个决策树的袋外误差et；然后随机改变袋外数据第j个特征变量Xj的值，并计算新的袋外误差ej t；最后变量Xj的重要性V(Xj)表示为[16]：

Xj变量的变化引起的袋外误差增加越大，精度减少的越多，说明该变量越重要。本文采用R软件中randomForest数据包实现随机森林模型的构建，仅用以比较选择变量的重要性。随机森林算法可以通过两种指标来度量变量重要性，包含从分类结果来看的正确率下降指标(Mean Decrease Accuracy)以及从分支不纯度降低指标(MEeanDecrease Gini)，如图3和图4所示。

图3 影响˙VO2max.min-1的变量重要性排序Graph 3 Ranking of variables affecting˙VO2max.min-1 by importance

图4 影响˙VO2max.kg-1.min-1的变量重要性排序Graph 4 Ranking of variables affecting˙VO2max.kg-1.min-1by importance

图3是以˙VO2max.min-1为因变量，图4是以˙VO2max.kg-1.min-1为因变量。结合两种分类方法，从特征变量的重要性可以看出，对˙VO2max.min-1贡献最大的特征变量是12 min跑(min12)、坐位体前屈(tiqianq)、肺活量(feihl)；对˙VO2max.kg-1.min-1产生影响的特征变量中3 000 m(m 3 000 m)、BMI、12 min(min12)重要性靠前。值得关注的是，最大摄氧量在3种类型的跑步测试中，与1 000 m跑的关系是最弱的。由此可知，12 min和3 000 m在间接测评男大学生的最大摄氧量更为有效。

1968年Cooper[17]提出12 min室外田径场跑步测试来间接测量最大摄氧量，并陆续得到很好地重复性验证[18-19]，同样，近期的一项关于采用时间和距离相结合的跑步/步行测试方法预测最大摄氧量的meta分析，在综合考虑到测试者的性别、年龄和˙VO2max水平以及˙VO2max的得分(包括˙VO2max.min-1、˙VO2max.kg-1.min-1等)，再次得出最为有效的方法也是12 min跑和1.5 mi跑(1.5 mi=2 414.01 m，相当于2 400 m)，它们与最大摄氧量的Pearson相关系数分别是12 min为0.78，1.5 mi为=0.79[19]，换算成一般线性回归方程中R2，12 min为0.61，1.5 mi为0.62，均高于本研究中1 000 m的R2=0.48(r=0.7)。3 000 m跑的测试中，文献中报道指出3 000 m是与有一定运动训练基础的运动员的˙VO2max最为密切[20-21]，GORMAN等对比12 min跑、3 000 m跑、20 m折返跑与预测最大摄氧量的有效性和准确性指出，3 000 m跑和12 min跑更为准确和有效，而20m折返跑对于预测那些同场对抗的集体球类项目，如橄榄球、足球等运动员更为实用和有效[22]。本文对于中国大学生人群的研究，发现了与国际上关于最大摄氧量间接测评方式相一致的结论。但是仍然需要继续扩大研究样本量和样本的代表性进行验证，反复查找吻合中国大学生最大摄氧量的“测、评、练”方式方法，以更好地促进大学生体质健康水平。

3 结论与建议

与《国家学生体质健康标准》测试中的1 000 m作为男大学生有氧能力/心肺适能促进策略和评价方法相比，12 min跑和3 000 m跑更优。课程设置中，12 min跑和3 000 m跑均可纳入课堂教学和课外锻炼内容；作为考核有氧能力/心肺适能的间接方式，考虑到测评时间合理性和操作便利性，选择12 min计程跑或者与之接近的2 400 m(1.5 mi)计时跑更为合理。