北京市6～15 歲兒童與青少年有氧耐力曲線構建及標準劃定

李佑發,吳莉麗,石雨桐,魏高峽

兒童青少年的生長發育情況需要綜合、科學的評價體系進行監控，有氧耐力作為體質健康發展的重要基礎和保護性因素［1］，其測量及評價機制應予以高度重視［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，基于以標準差法和百分位數等級法構建的評價標準進行評價。

國際上針對各項生長發育指標，廣泛使用了以精確年齡為協變量繪制百分位數曲線圖或列表［3］。為進一步接軌國際，同時提高施測過程安全系數，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，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 個省（市、自治區），測試樣本達40 萬名中小學生。

相較傳統測試方法，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“金標準”，對于大型體質健康監測來說，最大攝氧量的實驗室監測方法精準，但測試過程風險偏高，儀器昂貴，同時對測試人員的專業化水平和經驗要求較高，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果與最大攝氧量實測結果相關性良好［5］，因此可將測試成績以多層線性模型轉化為最大攝氧量數值完成測試評價。該測試使用伴奏帶對個體跑動的起始速度和單節固定增速進行了標準化處理：以8.5 km/h 為起始速度，以0.5 km/h 作為單節增速，實現測試難度階梯樣增長，并劃分出難度等級（level）。該測試在自然環境復現了實驗室力竭測試的負荷階梯性增加過程［4］，使受試者心率呈規律性遞增［6］，最大限度還原了連續分級遞增負荷模式（GXT）的基本測試控制要義［7］10。相較之前使用的長跑測試，漸進性的提示音規劃了個體速度的控制和體力的分配，標準化了被試體力輸出的模式，提高了測試結果的準確性，也提高了測試的安全性。為了適應校方測試場地規模［8］，有研究者對伴奏提示音間隔進行調整，開發了更為靈巧的15 m 漸進性有氧耐力跑測試。就最大攝氧量預測結果而言，該測試體現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（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，發現15 m PACER結果與實驗室最大攝氧量結果存在較高相關性［r=0.86(p＜0.01)］，該結果支持了15 m PACER 的安全性和有效性［10］。同時，兩測試在鑒別結果上也趨于一致［7］10。

然而在評價層面，15 m PACER 雖在國內經多年度、多輪次的推廣應用，但因引入時間不長，推廣仍受限于自身系統的不完整性。雖然實測操作的相對成熟，但其后期的評價標準尚需進一步地建立和完善,且受試群體僅為中小學四、八年級學生，并未對整個義務教育階段學生進行能力監控健康預警和提供指導。故應進一步拓寬測試群體年齡段，了解學生各年齡段有氧能力發展的動態及特征，為實際教學提供科學的指導，同時構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圖出版于1985年，自此以后曲線圖多基于假設樣本正態或對數分布樣本繪制，并采用多項式法進行簡單擬合。而LMS 法使用條件更為寬泛，除適用于正態分布對象外還同樣適用于大部分人體測量的偏態分布對象。LMS 方法是利用偏度系數（L）、中位數（M）以及變異系數（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 條曲線達到平滑［11］，所得結果能產生滿足任何需要的百分位數，整體優于簡單排序計數法，具有百分位數估計標準誤更小、涵蓋各個生長時期變化特點、便于同一兒童發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教育質量監測的工作經驗和大規模數據分析結果，嘗試以連續截面數據對兒童青少年有氧耐力測試成績進行常模構建，在原有百分等級、離差法評價基礎上更進一步提出基于身體發展曲線的評價方式，旨在通過LMS 方法構建以15 m PACER 為測試項目的北京市義務教育全年齡段兒童青少年有氧耐力百分位數曲線和評價常模，以期了解該群體有氧耐力水平發展規律，探索其有氧能力發展敏感期，為分階段科學培養學生有氧耐力提供理論支持。同時對身體發展曲線在素質評價指標中的應用實踐經驗進行了補充，建立了以15 m PACER 測試為評價手段的義務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性和評價標準的完整性，為15 m PACER 測試在各年齡段學生群體中的推廣應用提供評價依據。

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，以國家教育質量監測中體育與健康學科的監測結果數據為參考，在義務教育各年齡段男、女生有氧耐力體測成績表現低、中、高水平學生群體中等比抽取被試，共招募北京市海淀區、朝陽區、房山區、密云區的7 所中小學校的學生，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標條件、知情同意、自愿參加、學校允準的基本要求，無明顯創傷、外傷（尤其是顱腦外傷）記錄，測試前1 周無感冒、發燒、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

人口統計學指標包括年齡、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，所得結果保留一位小數，整數即周歲。按照《國家學生體質健康標準》要求對被試身高、體質量兩項指標進行數據采集。身高單位為cm、體質量單位為kg，均精確至小數點后一位。同時通過公式BMI=體質量（kg）/身高的平方（m2），計算被試身體質量指數，結合“中國學齡兒童青少年超重、肥胖篩查BMI 值分類標準”［13］對超重學生進行劃分。

使用15 m PACER 測試方法對研究對象的有氧耐力水平測試數據進行收集。該項跑步測試是集持續性、表現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”的優點。15 m PACER作為2015 年、2018 年國家義務教育質量監測中體育學科的測試項目，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（主試培訓光盤、包含指導語的測試音樂伴奏、測試場地布置指南）為高效、準確地采集數據提供了保障。測試要求學生跟隨音樂伴奏及指令引導，在逐漸縮短的單位時間內按照既定節奏完成多次單程距離15 m 的往返跑，連續失誤（即未在指示音響起之前達線）兩次則測試停止，以學生最終完整往返的次數作為測試成績。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，具有梯度的穩定性和漸進性，使所有參與測試的學生都可以獲得相應的成績。規則可操作性強，學生在測試過程中自主決定繼續參與或終止測試，無任何強迫完成量，運動過量風險較低，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“節奏引跑”規則與以往跑步測試規則差異較大，故在正式測試前加入了4 次練習測試，保證測試者在最終測試前熟悉規則、發揮穩定，所得成績能準確反映學生真實水平。

1.3 數據處理

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 軟件建立數據庫，清理缺失值，利用百分位數對數據進行篩查，剔除每個年齡段中小于P0.13和大于 P99.87的數據［14］，男生共剔除 26 名（剔除率1%）、女生共剔除21 名（剔除率0.93%）。將清理后數據導入 LMS 程序軟件（LMS Chartmaker Light 2.54），獲得Z 分數分布、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值（P3，P10，P25，P50，P75，P90，P97）。

2 研究結果

2.1 北京市6～15 歲兒童青少年身高、體重和身體質量指數情況

基于BMI 數據發現：6～15 歲各年齡段學生均存在超重甚至肥胖群體，且其占比隨年齡遞增。小學學段7～8 歲超重群體占比較高，初中學段12～14 歲超重群體占比較高。各年齡段男、女生身高、體重和身體質量指數（BMI）如表1所示。

表1 北京市6～15 歲兒童青少年身高、體重和身體質量指數情況

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，男生逐漸體現優勢，11 歲時男、女生差距縮小（p值均＞0.05）而后再次增大，其他年齡段男生成績表現均明顯優于女生。

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 曲線構建及百分位數劃定

2.3.1 15 m PACER 曲線擬合結果

將清理后的數據錄入LMS 程序軟件，調整及驗證后輸出 6～15 歲男、女生偏度系數（L）、中位數（M）、變異系數（S）以及各百分位數參考值（見表3，表4）。將擬合所得第50 百分位數與其實際值相比較（見表5），15 m PACER 測試評價標準各評價等級中成績次數區間均在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，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、體質量等身體形態指標，其為間接測量值而非實際測量值與擬合值的比較，對其曲線擬合的標準還需進一步驗證優化。

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、中位數、變異系數結果可知：女生較男生的數值正態化程度更高，樣本內部分化情況更為明顯。男、女生15 m PACER 成績中位數均隨年齡以相近增幅穩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 成績發展曲線均呈穩步上升-趨于平緩-再上升的趨勢。比較兩者曲線發現，前期男、女生15 m PACER 成績增長趨勢大致相同，在經歷第一

圖1 北京市6～15 男生PACER 成績對應百分位數

2.3.3 北京市6～15 歲兒童青少年15m PACER 成績評價標準劃定

將各百分位數成績進位取整，再參照我國目前《國家體質監測健康標準》的評價標準劃分（不及格≤9%，及格10%～74%，良好75%～89%，優秀≥90%），所得男、女生各年齡各水平評價標準如表6 所示。

表6 北京市6～15 歲兒童青少年15 m PACER 4 級評價標準單位：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 的百分位數發展曲線，從結果可以看出：義務教育階段，男生有氧耐力水平明顯優于女生。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，均為穩步上升-趨于平緩-再上升的過程。雖因男、女生進入發展敏感期時間差原因在10 歲出現趨同趨勢，但并未出現類似身高、體質量生長發育曲線的“兩次交叉”情況，與現有以800/1 000 m為測試手段的兒童青少年有氧耐力發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，故所呈現出的成績分化現象越來越明顯。

圖2 北京市6～15 歲女生PACER 成績對應百分位數

LMS 程序軟件同時輸出 L 圖、M 圖和 S 圖。L 圖即偏度系數圖，反映樣本數據正態化程度，其值越低，偏態越明顯。從數據表現來看，女生相較男生數據正態化程度更高。M圖即中位數圖，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定上升。S 圖即變異系數圖，體現數據離散程度，就數據結果而言，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，該年齡段即為發展有氧耐力的關鍵期，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，國內僅有少量且僅覆蓋部分年齡段學生的以15 m PACER 為測試手段的有氧耐力標準劃定研究，且現有研究選用的有氧耐力測試項目多為800/1 000 m，項目標準之間不具可比性。且國外基于15 m PACER 成熟測試經驗所定標準在中國的適用性尚待探究，故本研究成果進行全面的國內或國際比較分析時，還需進一步研究探討。

相較于現有的針對國內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，優秀線更高。此差別產生原因主要有三點：其一，研究所用量具不同。本研究與現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準相比較，結果間的差異可歸因為對被試有氧耐力水平指標使用了不同的測量手段。其二，數據收集時控制條件不同。在國內15 m PACER 測試實踐經驗較少的情況下，部分研究在使用該測試對被試有氧耐力水平指標數據進行收集時，為確保被試人身安全而人為設置了天花板值，即當被試測試成績達到優秀等級（例如80 次）時，則直接終止測試，記所設置天花板值為學生測試成績。而本研究基于前人研究經驗、現有數據、測試校學情、主試配合等諸多因素，在保證被試安全的前提下放開次數限制，不設上限值，使得最終所得數據呈原始分布，故本研究所建常模中劃定的優秀值大于現有研究。其三，間接測量的身體指標產生了誤差。LMS 法多應用于BMI 等直接生理指標，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，其所產生的誤差也在接受范圍內［3,7,15-17］。

LMS 法被廣泛運用于擬合生長發育相關指標曲線，是目前國際公認的兒童生長曲線擬合方法。肥胖問題工作小組、美國疾病控制和預防中心、世界衛生組織使用該方法構建兒童身高、體質量、身體質量指數等生長發育指標的百分位數曲線［18-19］。在國內，尚磊等最早將該方法引入衛生統計學領域，構建了西安市0～18 歲兒童青少年年齡身高、體重、胸圍、BMI 百分位數曲線圖［20］。蔣一方等使用該方法在構建生長曲線的基礎上進一步制定了標準［21］。而后Ma J 等在構建不同人群生長標準曲線的基礎上進行了國際比較［22］。隨著LMS 法不斷的完善，其擬合指標不再僅僅局限于身體形態指標，機能指標和素質指標也被納入到研究范圍內［17］。

基于此制定的相應評價常模現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、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驗，且LMS 法在有氧耐力研究領域的適用，進一步拓展了其適應擬合指標的范圍，為后續更多兒童青少年生長發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歲的學生樣本無論是總體數量還是不同性別的數量都相對偏少，可能會對研究結果產生一定的偏差。后續研究可以配足相關年齡樣本，并可在全國范圍內抽取代表性樣本進行深入研究，以構建全國兒童青少年的有氧耐力發展曲線并劃定相應標準。

4 結論

本研究構建了北京市6～15 歲兒童青少年有氧耐力發展曲線，男生有氧耐力水平始終高于女生，男、女生有氧耐力發展關鍵期分別為11 歲與10 歲。劃定了具有性別和年齡參照的15 mPACER 評價標準，為有氧耐力的教學訓練提供參考，對義務教育階段兒童青少年體質健康和體能的篩查、分析及監測具有實用價值。