北京市6～15 岁儿童与青少年有氧耐力曲线构建及标准划定

2021-04-09李佑发吴莉丽石雨桐魏高峡

首都体育学院学报 2021年2期

李佑发,吴莉丽,石雨桐,魏高峡

儿童青少年的生长发育情况需要综合、科学的评价体系进行监控，有氧耐力作为体质健康发展的重要基础和保护性因素［1］，其测量及评价机制应予以高度重视［2］。目前在我国，儿童青少年耐力测评沿用传统的800/1 000 m 跑作为测试项目，以测试完成时间作为评价指标，基于以标准差法和百分位数等级法构建的评价标准进行评价。

国际上针对各项生长发育指标，广泛使用了以精确年龄为协变量绘制百分位数曲线图或列表［3］。为进一步接轨国际，同时提高施测过程安全系数，我国于2011 年首次将15 m 渐进性有氧耐力跑（以下简称15 m PACER）作为有氧耐力测试项目引进国内，并于2015 年5 月和2018 年5 月在全国范围实施 2 个周期，覆盖全国31 个省（市、自治区），测试样本达40 万名中小学生。

相较传统测试方法，15 m PACER 具有场地要求低、安全性高、可靠性强等特点。目前，最大摄氧量仍是描述个体有氧耐力状况的“金标准”，对于大型体质健康监测来说，最大摄氧量的实验室监测方法精准，但测试过程风险偏高，仪器昂贵，同时对测试人员的专业化水平和经验要求较高，故存在施测成本偏高，安全存在隐患的局限。因此，美国的FITNESSGRAM、加拿大的体商测试（CAPL）以及日本的体力·运动能力调查均采用PACER 测试［4］作为有氧能力的评价工具。渐进性有氧耐力跑测试结果与最大摄氧量实测结果相关性良好［5］，因此可将测试成绩以多层线性模型转化为最大摄氧量数值完成测试评价。该测试使用伴奏带对个体跑动的起始速度和单节固定增速进行了标准化处理：以8.5 km/h 为起始速度，以0.5 km/h 作为单节增速，实现测试难度阶梯样增长，并划分出难度等级（level）。该测试在自然环境复现了实验室力竭测试的负荷阶梯性增加过程［4］，使受试者心率呈规律性递增［6］，最大限度还原了连续分级递增负荷模式（GXT）的基本测试控制要义［7］10。相较之前使用的长跑测试，渐进性的提示音规划了个体速度的控制和体力的分配，标准化了被试体力输出的模式，提高了测试结果的准确性，也提高了测试的安全性。为了适应校方测试场地规模［8］，有研究者对伴奏提示音间隔进行调整，开发了更为灵巧的15 m 渐进性有氧耐力跑测试。就最大摄氧量预测结果而言，该测试体现了良好的最大摄氧量同步增长性（R=0.948），测试上限（12 级时）可达（51.18±8.28）mL/（kg·min）［9］。McClain 等通过对68 名中年男性进行了15 m PACER、1 500 m快速走、最大摄氧量斜坡方案测试，发现15 m PACER结果与实验室最大摄氧量结果存在较高相关性［r=0.86(p＜0.01)］，该结果支持了15 m PACER 的安全性和有效性［10］。同时，两测试在鉴别结果上也趋于一致［7］10。

然而在评价层面，15 m PACER 虽在国内经多年度、多轮次的推广应用，但因引入时间不长，推广仍受限于自身系统的不完整性。虽然实测操作的相对成熟，但其后期的评价标准尚需进一步地建立和完善,且受试群体仅为中小学四、八年级学生，并未对整个义务教育阶段学生进行能力监控健康预警和提供指导。故应进一步拓宽测试群体年龄段，了解学生各年龄段有氧能力发展的动态及特征，为实际教学提供科学的指导，同时构建完善的有氧能力测评机制。

我国第一个儿童生长百分位数图出版于1985年，自此以后曲线图多基于假设样本正态或对数分布样本绘制，并采用多项式法进行简单拟合。而LMS 法使用条件更为宽泛，除适用于正态分布对象外还同样适用于大部分人体测量的偏态分布对象。LMS 方法是利用偏度系数（L）、中位数（M）以及变异系数（S）描述每个年龄组的分布特征，以年龄为自变量分别拟合L、M、S 平滑曲线，通过惩罚似然法使3 条曲线达到平滑［11］，所得结果能产生满足任何需要的百分位数，整体优于简单排序计数法，具有百分位数估计标准误更小、涵盖各个生长时期变化特点、便于同一儿童发育状况前后对比等多项特点［1，12］。因此，本研究立足国家基础教育质量监测的工作经验和大规模数据分析结果，尝试以连续截面数据对儿童青少年有氧耐力测试成绩进行常模构建，在原有百分等级、离差法评价基础上更进一步提出基于身体发展曲线的评价方式，旨在通过LMS 方法构建以15 m PACER 为测试项目的北京市义务教育全年龄段儿童青少年有氧耐力百分位数曲线和评价常模，以期了解该群体有氧耐力水平发展规律，探索其有氧能力发展敏感期，为分阶段科学培养学生有氧耐力提供理论支持。同时对身体发展曲线在素质评价指标中的应用实践经验进行了补充，建立了以15 m PACER 测试为评价手段的义务教育全年龄段有氧耐力评价体系，制定出适合评价该群体有氧耐力水平的参考体系，并提升了有氧耐力测试项目的科学性和评价标准的完整性，为15 m PACER 测试在各年龄段学生群体中的推广应用提供评价依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究采取分层随机抽样方法，以国家教育质量监测中体育与健康学科的监测结果数据为参考，在义务教育各年龄段男、女生有氧耐力体测成绩表现低、中、高水平学生群体中等比抽取被试，共招募北京市海淀区、朝阳区、房山区、密云区的7 所中小学校的学生，回收样本男生为2 408 人、女生为2 250人，剔除极端异常样本后有效样本中男生为2 382 人、女生为2 229人（1.07∶1）。参与实验的被试需满足达标条件、知情同意、自愿参加、学校允准的基本要求，无明显创伤、外伤（尤其是颅脑外伤）记录，测试前1 周无感冒、发烧、头疼、头晕、腹泻、呕吐等躯体不适，基于以上前提编制最终测试名单。

1.2 研究方法

人口统计学指标包括年龄、性别。记录最后一次测试的日期，被试年龄=测试日期-出生日期，所得结果保留一位小数，整数即周岁。按照《国家学生体质健康标准》要求对被试身高、体质量两项指标进行数据采集。身高单位为cm、体质量单位为kg，均精确至小数点后一位。同时通过公式BMI=体质量（kg）/身高的平方（m2），计算被试身体质量指数，结合“中国学龄儿童青少年超重、肥胖筛查BMI 值分类标准”［13］对超重学生进行划分。

使用15 m PACER 测试方法对研究对象的有氧耐力水平测试数据进行收集。该项跑步测试是集持续性、表现性和体能属性于一体的高水平有氧耐力测试。测试属于间歇训练范畴，是多阶段折返跑的一种，具备“运动强度低、运动时间长”的优点。15 m PACER作为2015 年、2018 年国家义务教育质量监测中体育学科的测试项目，其测试可操作性及有效性已得到了充分的验证，成熟的测试方案及成套的测试工具（主试培训光盘、包含指导语的测试音乐伴奏、测试场地布置指南）为高效、准确地采集数据提供了保障。测试要求学生跟随音乐伴奏及指令引导，在逐渐缩短的单位时间内按照既定节奏完成多次单程距离15 m 的往返跑，连续失误（即未在指示音响起之前达线）两次则测试停止，以学生最终完整往返的次数作为测试成绩。这种以短程跑步距离替代中长程跑步的方式增加了评分弹性，测试难度随测试进程逐渐增加，具有梯度的稳定性和渐进性，使所有参与测试的学生都可以获得相应的成绩。规则可操作性强，学生在测试过程中自主决定继续参与或终止测试，无任何强迫完成量，运动过量风险较低，消除了参与者参与测试的畏难情绪。同时，由于该测试所采用的“节奏引跑”规则与以往跑步测试规则差异较大，故在正式测试前加入了4 次练习测试，保证测试者在最终测试前熟悉规则、发挥稳定，所得成绩能准确反映学生真实水平。

1.3 数据处理

取5 次测试中最高值作为被试最终有氧耐力成绩，使用SPSS 22.0 软件建立数据库，清理缺失值，利用百分位数对数据进行筛查，剔除每个年龄段中小于P0.13和大于 P99.87的数据［14］，男生共剔除 26 名（剔除率1%）、女生共剔除21 名（剔除率0.93%）。将清理后数据导入 LMS 程序软件（LMS Chartmaker Light 2.54），获得Z 分数分布、L、M、S 及百分位图，基于所拟合参考曲线，描述不同年龄段男、女生有氧耐力百分位数值（P3，P10，P25，P50，P75，P90，P97）。

2 研究结果

2.1 北京市6～15 岁儿童青少年身高、体重和身体质量指数情况

基于BMI 数据发现：6～15 岁各年龄段学生均存在超重甚至肥胖群体，且其占比随年龄递增。小学学段7～8 岁超重群体占比较高，初中学段12～14 岁超重群体占比较高。各年龄段男、女生身高、体重和身体质量指数（BMI）如表1所示。

表1 北京市6～15 岁儿童青少年身高、体重和身体质量指数情况

2.2 北京市6～15 岁儿童青少年15 m PACER 成绩

由表2 可知，在8 岁之前，男、女生之间的有氧耐力水平并不存在差异（p 值均＞0.05），而随着年龄的增长，男生逐渐体现优势，11 岁时男、女生差距缩小（p值均＞0.05）而后再次增大，其他年龄段男生成绩表现均明显优于女生。

表2 北京市6～15 岁儿童青少年15 m PACER 成绩

2.3 15 m PACER 的LMS 曲线构建及百分位数划定

2.3.1 15 m PACER 曲线拟合结果

将清理后的数据录入LMS 程序软件，调整及验证后输出 6～15 岁男、女生偏度系数（L）、中位数（M）、变异系数（S）以及各百分位数参考值（见表3，表4）。将拟合所得第50 百分位数与其实际值相比较（见表5），15 m PACER 测试评价标准各评价等级中成绩次数区间均在10 次左右，比较其真实值及拟合值之间的差值均小于3，处于合理误差范围内，曲线拟合效果较好。需特别提出的是，15 m PACER 曲线拟合检验不同于身高、体质量等身体形态指标，其为间接测量值而非实际测量值与拟合值的比较，对其曲线拟合的标准还需进一步验证优化。

表5 北京市6～15 岁儿童青少年15 m PACER P50 实际值与拟合值比较

表3 北京市6～15 岁男生15 m PACER 成绩主要百分位数参考值单位：次

表4 北京市6～15 岁女生15 m PACER 成绩主要百分位数参考值单位：次

2.3.2 北京市6～15 岁儿童青少年15 m PACER 成绩水平

基于输出偏度系数、中位数、变异系数结果可知：女生较男生的数值正态化程度更高，样本内部分化情况更为明显。男、女生15 m PACER 成绩中位数均随年龄以相近增幅稳定上升且离散程度均较小。具体各年龄段男、女生15 m PACER 成绩百分位数表如表3 和表4 所示。综合图1、图2 来看，随着年龄的增加，男、女生15 m PACER 成绩发展曲线均呈稳步上升-趋于平缓-再上升的趋势。比较两者曲线发现，前期男、女生15 m PACER 成绩增长趋势大致相同，在经历第一

图1 北京市6～15 男生PACER 成绩对应百分位数

2.3.3 北京市6～15 岁儿童青少年15m PACER 成绩评价标准划定

将各百分位数成绩进位取整，再参照我国目前《国家体质监测健康标准》的评价标准划分（不及格≤9%，及格10%～74%，良好75%～89%，优秀≥90%），所得男、女生各年龄各水平评价标准如表6 所示。

表6 北京市6～15 岁儿童青少年15 m PACER 4 级评价标准单位：次

3 分析与讨论

本研究运用LMS 法成功拟合了北京市6～15 岁儿童青少年15 m PACER 的百分位数发展曲线，从结果可以看出：义务教育阶段，男生有氧耐力水平明显优于女生。将拟合所得男、女生曲线叠加对比来看，两条曲线走势基本一致，均为稳步上升-趋于平缓-再上升的过程。虽因男、女生进入发展敏感期时间差原因在10 岁出现趋同趋势，但并未出现类似身高、体质量生长发育曲线的“两次交叉”情况，与现有以800/1 000 m为测试手段的儿童青少年有氧耐力发展研究所绘曲线趋势一致。女生有氧耐力水平相较于男生，分化情况更为明显。相较于女生，男生各百分位数曲线更趋次拐点（男、女生均为8 岁）后趋于平缓，后于11 岁（男生）和10 岁（女生）迎来二次增长，其后男生以更大增长速率领先于女生。于平行，说明男生各年龄段有氧耐力成绩均相对集中，离散程度较小。随着年龄增大，各水平间女生成绩差值增大，故所呈现出的成绩分化现象越来越明显。

图2 北京市6～15 岁女生PACER 成绩对应百分位数

LMS 程序软件同时输出 L 图、M 图和 S 图。L 图即偏度系数图，反映样本数据正态化程度，其值越低，偏态越明显。从数据表现来看，女生相较男生数据正态化程度更高。M图即中位数图，代表样本中等水平，可看出男、女生15 m PACER 中段样本成绩均随年龄以相近增幅稳定上升。S 图即变异系数图，体现数据离散程度，就数据结果而言，男、女生成绩离散程度均较小，同时可看出男、女生有氧耐力突增年龄分别为11岁和10 岁，与身高、体质量等生长曲线特征相同，反映被试有氧耐力水平会在青春期形成拐点并迎来突增，该年龄段即为发展有氧耐力的关键期，均为男、女生青春期开始时间段，且符合女生较男生生长发育更早的客观事实。也正是由于男、女生进入青春期的时间差，导致从10 岁左右开始，男、女生有氧耐力水平差异逐渐缩小，至11 岁男生开始进入青春期快速发育之后男、女生差异再次拉开。此期间女生成绩增势较男生更加平缓。由于本研究所用有氧耐力测试工具（15 m PACER）引入中国时间较短，国内仅有少量且仅覆盖部分年龄段学生的以15 m PACER 为测试手段的有氧耐力标准划定研究，且现有研究选用的有氧耐力测试项目多为800/1 000 m，项目标准之间不具可比性。且国外基于15 m PACER 成熟测试经验所定标准在中国的适用性尚待探究，故本研究成果进行全面的国内或国际比较分析时，还需进一步研究探讨。

相较于现有的针对国内儿童青少年的少量同类研究，本研究所建常模的成绩跨度范围更大：及格线更低，良好线相近，优秀线更高。此差别产生原因主要有三点：其一，研究所用量具不同。本研究与现有通过不同群体的最大摄氧量对PACER 进行等值处理得到的评价标准相比较，结果间的差异可归因为对被试有氧耐力水平指标使用了不同的测量手段。其二，数据收集时控制条件不同。在国内15 m PACER 测试实践经验较少的情况下，部分研究在使用该测试对被试有氧耐力水平指标数据进行收集时，为确保被试人身安全而人为设置了天花板值，即当被试测试成绩达到优秀等级（例如80 次）时，则直接终止测试，记所设置天花板值为学生测试成绩。而本研究基于前人研究经验、现有数据、测试校学情、主试配合等诸多因素，在保证被试安全的前提下放开次数限制，不设上限值，使得最终所得数据呈原始分布，故本研究所建常模中划定的优秀值大于现有研究。其三，间接测量的身体指标产生了误差。LMS 法多应用于BMI 等直接生理指标，本研究使用LMS 法对15 m PACER 这一有氧耐力间接测量值进行成绩拟合，其所产生的误差也在接受范围内［3,7,15-17］。

LMS 法被广泛运用于拟合生长发育相关指标曲线，是目前国际公认的儿童生长曲线拟合方法。肥胖问题工作小组、美国疾病控制和预防中心、世界卫生组织使用该方法构建儿童身高、体质量、身体质量指数等生长发育指标的百分位数曲线［18-19］。在国内，尚磊等最早将该方法引入卫生统计学领域，构建了西安市0～18 岁儿童青少年年龄身高、体重、胸围、BMI 百分位数曲线图［20］。蒋一方等使用该方法在构建生长曲线的基础上进一步制定了标准［21］。而后Ma J 等在构建不同人群生长标准曲线的基础上进行了国际比较［22］。随着LMS 法不断的完善，其拟合指标不再仅仅局限于身体形态指标，机能指标和素质指标也被纳入到研究范围内［17］。

基于此制定的相应评价常模现阶段是一次全新且较为成功的尝试，可为下一步制定全地区、全年龄段以15 m PACER 为测试项目的儿童青少年有氧耐力评价体系提供经验，且LMS 法在有氧耐力研究领域的适用，进一步拓展了其适应拟合指标的范围，为后续更多儿童青少年生长发育趋势研究提供思路和理论支撑。

本研究还存在一定不足，在研究取样上，年龄为6岁的学生样本无论是总体数量还是不同性别的数量都相对偏少，可能会对研究结果产生一定的偏差。后续研究可以配足相关年龄样本，并可在全国范围内抽取代表性样本进行深入研究，以构建全国儿童青少年的有氧耐力发展曲线并划定相应标准。