心率在小学体育教学负荷监控与运动调适中的应用研究

杨劲松，吴一波，杨 漾

（1. 同济大学文科办公室，上海 200092；2. 同济大学职业技术教育学院，上海 200092；3. 上海市教育发展有限公司，上海 2 00011）

在基础体育教育教学中，心率是一个有效判断的运动负荷的重要指标。通过实时心率测量和数据分析，可以帮助教师科学观测教学活动中的学生运动负荷状态和课后调适结果，更好地掌握课程的节奏，实现对学生个性化体育教学，对提高体育教学质量具有积极作用和现实意义。本文基于物联网技术实时获取心率开展基础教育体育教学负荷监控与运动调适的应用研究，以心率数据作为负荷监控与体质调适的主要参数，面向小学体育课堂教学开展运动负荷监控与课后体质调适实践研究，探讨基于小学体育课堂的靶心率计算公式，建立心率与运动负荷的换算关系，并根据分析结果在实际教学中开展定量和个性化的运动负荷和运动后调适指导。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

心率在小学体育教学负荷监控与运动调适中的应用。

1.2 关键算法

采用整群抽样的方法，在上海市杨浦区选取一所小学作为调查学校，选择四年级2个班级的全体学生作为测量对象。每次随机选择10～12人次进行数据采集和测量，累计采集和测量110人次。

1.2.1 心率与运动负荷的换算办法常用的心率监测指标有安静心率、最大心率、运动心率和运动后的恢复心率等。安静心率是一个人总体健康水平的有效指标。最大心率的一般计算方式为：男子最高心率＝205-年龄/2，女子最高心率＝220-年龄。国际一般用220-年龄所得值作为最大心率，通常达到最大心率60%～70%的心率称之为靶心率。运动时心率和恢复后的心率变化则是身体做功的有效指标，最大心率和安静心率的差值则是人体的最大心率储备。美国运动医学会推荐储备心率法主要是作为计算储备心率的标准，库柏最佳心率法、卡沃南计算运动心率法、卡尔森心率测定法和靶心率测定法（Target Heart Rate，THR）都是基于储备心率及运动强度来计算最适合的运动心率，结果的不同取决于其对最适合运动强度的标准不一致，年龄算法和心率百分比法相对简单，是年龄算法以年龄为基本标准，心率百分比法以最大心率为基本标准，而运动量百分比分级法和其他方法的差异比较大。论文综合这些方法，本系统将采用靶心率测定法作为运动负荷计算的主要方法，使用初期将强度阈值设置在60%～80%，安静心率设置为72b/min，而后在实际应用中根据系统的自我学习和人工干预来调整各种阈值，以达到最好的实际应用效果。

靶心率测定法为：

转换为求最大心率指数为：

其中运动心率（YR）、安静心率（AR）为采集数据，年龄（AGE）为客观数据，最大心率指数（MR）是参考指数，默认使用220，（最大心率指数-年龄）就是一般情况下计算的最大心率，（最大心率-安静心率）即是美国运动医学会推荐的储备心率，需要自我学习的就是最大心率指数，从而得到更客观的最大心率。用（220-年龄）的方法计算最大心率是一种国际方法。根据转换为求最大心率的公式，可以看到运动心率和安静心率是可直接采集的数据，负荷强度则通过RPE获得，通过此公式计算得到最大心率指数，把不同性别和年龄的学生的数据分组，当其数据符合正态分布时，取期望值（均数）为该性别和年龄的学生的最大心率指数，最终得出不同性别和年龄相对应的最大心率指数，并在实际应用中使用更为客观实际的最大心率指数。

1.2.2 运动强度与运动自觉量表（RPE）和靶心率的对照RPE是用主观感觉来反映身体负荷强度的一种方法，它是监测个体对运动负荷的一个有价值的、可信赖的指标。目前在国外已经广泛用于运动试验、制定运动处方和指导健身者进行锻炼。

运动负荷监控的基本依据是在采集到的各个学生的心率等运动状态数据之后，根据学生的出生日期计算出当前年龄，以学生的年龄和性别从数据库中调用相匹配的参数值代入靶心率等核心参数测定法后计算当前负荷强度，通过靶心率测定法得到学生当前的RPE级别来判断运动负荷是否足够或超载。参考学生的历史记录，对各种可能发生的意外情况进行预警，对当前负荷的强度提出相关建议，并对课程安排的合理性做出指导。

1.2.3 合理运动负荷阈值的自我学习根据RPE级别换算出来的运动负荷强度和心率是根据公式得到的，可以通过大数据分析，不断调整各个参数。由于年龄、性别等原因，学生还存在着较大的个体差异，可以将其他影响因素加入进来，以得到更加个性化的运动负荷阈值。以集体平均的运动负荷阈值作为参照，结合学生个体的历史记录，以数理统计法得到更有参考意义的学生个体的运动负荷阈值。

1.3 数理统计法处理

实验使用SQL Server2012数据库记录通过系统收集的传感器采集数据和教师主动录入的主观评价数据，通过多种计算公式分析后用柱状图、折线图和雷达图对心率、运动负荷强度和RPE进行描述，并进行统计学分析。

2 研究结果

2.1 学生基本情况

为检验研究的有效性，本研究进行了10次实验。以最后一次实验在某小学四年级学生的某一次体育课进行，随机指定10位学生进行测试。学生基本信息如表1。

表1 学生基本信息表

2.2 体育课内容安排

课程运动安排如下。（1）课程开始，集合整队、师生问好、检查服装、宣布课程内容，时长2min。（2）准备活动1，队列：立正、稍息、集合、报数，时长3 min。（3）准备活动2，慢跑，时长5min。（4）基本运动1，站立式起跑动作教学，跑步距离小于10 m，时长10 min。（5）基本运动2，游戏：迎面接力（内容略），时长10 min。课后调适方案如下。（1）放松运动，时长5 min；（2）调适教室休息，擦汗、喝水并保持慢步行走，时长5 min。

2.3 学生心率变化情况

学生负荷监控通过运动手环采集学生的心率数据，从数据中可以看出学生的心率与负荷强度是一个从低到高再回落的一个过程，心率的高峰期主要集中在120～160b/min，负荷强度的高峰期主要集中在 50%～80%。RPE 的数据采集是通过教师在授课过程中观察学生的身体状态，将学生的身体状态根据RPE 指标进行 RPE 评级，并5min主动记录1次，实验结果中 RPE 级别的走势与心率变化的走势基本保持一致。运动调适后续课堂表现数据通过次日收集发给后续课程教师的问卷，将问卷为每个学生根据选项对得分进行汇总，各学生的后续课堂表现都比较接近。

3 讨 论

根据“中小学生体育锻炼运动负荷卫生标准”（ WS/T 101 -1998），以实测心率平均数在120～200 b/min为运动负荷合理区间，过低的负荷起不到锻炼身体的作用，过高的运动负荷则会伤害身体。李伟、张元锋、张雷等研究了多种通过心率研究运动负荷的方法，对运动强度与运动自觉量表（Rating of Perceived Exertion，RPE）做了详细的描述，并将之与实际结合做了一定的分析。倪道明通过心率对运动负荷的监控应用的研究，由此来提高体育教学质量与效率。吕望山研究了脉搏率和心率值在监控运动强度和运动负荷的一致性和相对可靠性，寻求通过对心率的监测来实现运动负荷监控的目的。张明珍、诸葛慧贞研究了相对心率、运动负荷的简易计算方法。关姣、高立东研究了体育教学中合理安排运动负荷的重要性及体育教学的运动负荷是实现体育教学目标的重要因素。Cottin F等人研究了运动负荷和呼吸频率对心率和血压变化的影响。Foster C研究了使用运动强度与运动自觉量表方法和使用心率标准方法对运动负荷的量化的比较。

近年来，物联网（Internet of Things， IOT）和大数据技术日趋成熟，使用心率等体质参数传感器和无线网络，实时采集学生体育教学过程心率数据，进行大数据积累，推衍出运动负荷监控和运动后体质调适的基于学生个性化指导标准，帮助学生提升运动质量，帮助体育教师提高教学效果，更好地完成体育教学目标，已具备了技术条件。HB Cheng 论述了物联网对于学校体育教学的作用，探讨了其应用的前景。杨劲松等研究了现代教育技术对传统教育的影响及其对教育的推动作用。虞丽娟等探讨了基于物联网的传感器实时信息采集分析的智慧服务系统架构，进行了实践研究。PP Ray探讨了一种基于物联网架构的体育运动体质参数监测系统框架。段佳丽等验证了通过物联网技术可以方便有效的采集心率数据，验证了心率数据与运动负荷存在了必然的联系。陆勇、王宪探讨构建学生体育锻炼的身体机能反馈的物联网系统。由于有关技术在小学教育的应用程度不够，目前国内小学体育体质关键指标的实时性和量化监测研究尚无系统的研究和实践成果。

从实验结果看，学生的心率数据和教师观察的RPE级别趋势上基本一致，靶心率测定法转换得到的RPE级别与教师观察的RPE级别极为相近，这说明研究可以帮助教师和学生实施查看教学活动中的运动负荷和课后调适状态，对于提高体育教学质量和实施个性化体育教学具有现实意义。下一步，可以扩大实验范围，并加入性别、身高、体重、血压、体温等更多参数，研究更精确的个性化运动负荷标准，进一步完善研究内容。