韓 麗

(寧波大紅鷹學(xué)院 公共體育部，浙江 寧波 315175)

1 問題的提出

1.1 選題目的

國民體質(zhì)健康狀況反映了一個(gè)國家或民族的身體素質(zhì)和健康水平,對(duì)一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步起著決定性的作用。近幾年來，國民的體質(zhì)健康情況不容樂觀,尤其在校學(xué)生的體質(zhì)健康狀況堪憂[1]。

國家體育總局在2015年公布了第四次全國國民體質(zhì)監(jiān)察結(jié)果，在校學(xué)生大部分屬于成人組(20-59歲)。結(jié)果顯示，根據(jù)性別的劃分，在校女大學(xué)生在身體形態(tài)、身體機(jī)能、身體素質(zhì)方面存在比同齡男性更為突出的問題。因此，培養(yǎng)良好的鍛煉習(xí)慣，找到一種良好的鍛煉方法，提高在校女大學(xué)生的體質(zhì)健康狀況，成為了急需解決的問題。

腦電作為一種生物電技術(shù)，可以直觀的反應(yīng)出一個(gè)人的健康狀況[2]。腦電信號(hào)(EEG)是通過大腦皮層記錄到的神經(jīng)細(xì)胞的電活動(dòng)信號(hào)，腦電波節(jié)律的種類很多，而且變化多樣[3]。各種不同的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷下，腦電波必然隨之變化。這種特征使腦電的研究者相信在EEG信號(hào)里必然蘊(yùn)含著大量的對(duì)我們有用的信息[4]。因此，深入開展EEG在學(xué)校體育領(lǐng)域指導(dǎo)鍛煉方面的研究有重大意義。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀述評(píng)

根據(jù)萬方檢索，關(guān)鍵字“腦電”在體育類學(xué)科中的論文共137篇。

檢索結(jié)果顯示：在體育領(lǐng)域里，腦電的研究主要為兩個(gè)方向。一個(gè)是競(jìng)技體育里，針對(duì)專業(yè)運(yùn)動(dòng)員這一特殊人群進(jìn)行的一系列研究，用來指導(dǎo)其今后的訓(xùn)練。如王麗巖等的《乒乓球運(yùn)動(dòng)員發(fā)球動(dòng)作識(shí)別時(shí)的神經(jīng)效率——來自EEG的證據(jù)》、王琳的《優(yōu)秀蹦床運(yùn)動(dòng)員腦電超慢漲落參數(shù)特征的研究》、王霆《腦電非線性動(dòng)力學(xué)分析在優(yōu)秀射箭運(yùn)動(dòng)員中樞疲勞研究中的應(yīng)用》；另外一類是針對(duì)普通人群的某個(gè)特定項(xiàng)目的研究，僅論證了某一項(xiàng)目的有效性。如孫紅敏等的《普拉提運(yùn)動(dòng)想象的腦電功率譜分析》、魏凱明等的《瑜伽冥想練習(xí)對(duì)男性腦電α波影響的研究》。

目前存在的問題：對(duì)腦電的研究只停留在針對(duì)某個(gè)項(xiàng)目(太極拳、瑜伽等)和某個(gè)特殊人群(專業(yè)運(yùn)動(dòng)員)。對(duì)于社會(huì)體育范疇和學(xué)校體育范疇，腦電的研究和應(yīng)用非常少。

2 研究的總體設(shè)計(jì)

2.1 研究思路

圖1 研究思路

2.2 研究方法

2.2.1 文獻(xiàn)資料法。根據(jù)研究任務(wù)的需要，一方面，廣泛地學(xué)習(xí)與借鑒運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練學(xué)、運(yùn)動(dòng)生理學(xué)等方面的有關(guān)理論與方法。另一方面，利用萬方檢索，對(duì)2002年1月至2017年8月有關(guān)以下幾個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行了檢索，其中關(guān)鍵字“腦電”在體育學(xué)科中的論文137篇。通過分析近年來國內(nèi)外有關(guān)腦電和訓(xùn)練學(xué)研究的最新文獻(xiàn)，吸收國內(nèi)外在腦電方面的研究成果，為研究做好必要的理論準(zhǔn)備。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)研究法。

2.2.2.1 選取樣本。根據(jù)大學(xué)生體質(zhì)健康測(cè)試結(jié)果，實(shí)驗(yàn)組選取30名800m成績(jī)不及格者(>4min34s)在校女大學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)照組選擇30名800m成績(jī)?yōu)閮?yōu)秀的(<3min30s)在校女大學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。年齡均為18～20歲。

2.2.2.2 研究設(shè)備。本研究采用系統(tǒng)ThinkGear AM芯片由美國Neurosky公司研發(fā)的世界第一款的腦電圖傳感器，采用了干電極傳感器[5]。單導(dǎo)腦電采集系統(tǒng)采集6次60人的腦電信號(hào)，此設(shè)備采用無線技術(shù)，操控簡(jiǎn)單，便于攜帶。通過專用軟件對(duì)原始腦電波進(jìn)行分析，計(jì)算出受試者的專注度 (attention) 和放松度(meditation)[6]等指標(biāo)。放松度可以理解為α波活躍時(shí)的體現(xiàn)，而專注度是α波被抑制的體現(xiàn)。

圖2 腦電中的專注度和放松度

2.2.2.3 數(shù)據(jù)采集。首先，采集實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組學(xué)生安靜時(shí)的腦電信號(hào)。然后，進(jìn)行3min臺(tái)階測(cè)試。測(cè)試結(jié)束，測(cè)試者全部測(cè)試進(jìn)入休息狀態(tài)。分別采集測(cè)試結(jié)束即刻1min和3min的腦電信號(hào)。

2.2.2.4 分析結(jié)果 建立模型。本研究將在統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)條件下提取以上兩類人的EEG信號(hào)，系統(tǒng)地分析各參數(shù)與體質(zhì)健康狀況的相關(guān)性。分析60人6次采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立對(duì)照組(耐力素質(zhì)優(yōu)秀)的腦電模型。

2.2.2.5 利用腦電模型論證鍛煉方法的有效性。針對(duì)實(shí)驗(yàn)組30人隨機(jī)分成2組，(每組15人)進(jìn)行為期3個(gè)月的耐力素質(zhì)練習(xí)。兩組分別采用不同的方法訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)組1采用較為傳統(tǒng)的訓(xùn)練方法，實(shí)驗(yàn)組2比對(duì)腦電模型實(shí)時(shí)調(diào)整練習(xí)計(jì)劃，期間進(jìn)行腦電的實(shí)時(shí)監(jiān)控。最后來論證哪一組的鍛煉方法更為有效。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 安靜時(shí)、臺(tái)階測(cè)試結(jié)束即刻1min、3min對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組的專注度、放松度比較分析

首先，兩組測(cè)試者坐在椅子上，閉目充分休息，不眨眼，不轉(zhuǎn)眼，不入睡。采集安靜狀態(tài)下腦電1min，記錄下安靜時(shí)的專注度值和放松度值。然后進(jìn)行3min臺(tái)階測(cè)試。臺(tái)階測(cè)試結(jié)束，采集測(cè)試結(jié)束即刻腦電1min和3min。由表1可知，安靜狀態(tài)下,對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組的專注度值的結(jié)果無明顯差異。臺(tái)階測(cè)試結(jié)束后即刻1min的專注度值結(jié)果比較，兩組存在較明顯差異。臺(tái)階測(cè)試結(jié)束即刻3min的專注度值差異不大。安靜狀態(tài)下,對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組的放松度值差異不明顯。臺(tái)階測(cè)試結(jié)束即刻1min的放松度值存在一定差異，臺(tái)階測(cè)試結(jié)束即刻3分鐘的放松度值存在極大差異。

表1 安靜及測(cè)試后1min、3min專注度、放松度比較

由圖3可見，對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的專注度值隨著負(fù)荷的增加均有升高，臺(tái)階測(cè)試結(jié)束即刻1min時(shí)，對(duì)照組的專注度值有大幅上升，實(shí)驗(yàn)組的專注度值略有上升。臺(tái)階測(cè)試結(jié)束即刻3min時(shí)，對(duì)照組的專注度值迅速下降，而實(shí)驗(yàn)組的專注度值繼續(xù)上升超過對(duì)照組專注度值，兩組專注度值出現(xiàn)交叉。說明短時(shí)間中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)后，大腦皮層興奮性加強(qiáng)。表現(xiàn)為β波的波幅增高，抑制減弱[1]。安靜狀態(tài)下，對(duì)照組的放松度值明顯優(yōu)于實(shí)驗(yàn)組。臺(tái)階測(cè)試結(jié)束即刻1min時(shí)，兩組放松度數(shù)值均有上升；臺(tái)階測(cè)試結(jié)束即刻3min時(shí)，實(shí)驗(yàn)組的放松度數(shù)值明顯下降，而對(duì)照組放松度值繼續(xù)上升。

圖3 安靜及測(cè)試結(jié)束即刻1min、3min專注度、放松度數(shù)值

影響腦代謝的因素很多。中等強(qiáng)度負(fù)荷后，腦的代謝加速主要與腦的溫度有關(guān)，α波隨著負(fù)荷的增加而增加[7]。所以在臺(tái)階測(cè)試結(jié)束即刻1min，兩組的放松度值均為顯著上升。而在臺(tái)階測(cè)試結(jié)束后即刻3min時(shí)體現(xiàn)的差異，主要說明對(duì)照組的代謝水平要優(yōu)于實(shí)驗(yàn)組，表現(xiàn)出放松度值隨著時(shí)間的推移不斷上升，這同時(shí)也是神經(jīng)中樞對(duì)抗疲勞的一種表現(xiàn)[8]。因此放松度值可以直觀的從另一個(gè)角度說明不同運(yùn)動(dòng)水平人群的對(duì)抗疲勞能力[9]。

因此，體能主導(dǎo)項(xiàng)目的訓(xùn)練中，放松度和專注度能夠較為準(zhǔn)確地反映出人群的疲勞程度和抗疲勞能力，可以作為訓(xùn)練和教學(xué)的理論依據(jù)[10]。

3.2 利用數(shù)據(jù)分析工具IBM? SPSS? Modeler建立對(duì)照組專注度、放松度模型

IBM?SPSS?Modeler 是一個(gè)預(yù)測(cè)性分析平臺(tái)，能夠?yàn)閭€(gè)人、團(tuán)隊(duì)、系統(tǒng)和企業(yè)做決策提供預(yù)測(cè)性智能。它可提供各種高級(jí)算法和技術(shù)(包括文本分析、實(shí)體分析、決策管理與優(yōu)化)，幫助選擇可實(shí)現(xiàn)更佳成果的操作。

利用SPSS MODELER中的線性回歸模型對(duì)對(duì)照組(成績(jī)優(yōu)秀者)專注度安靜時(shí)的數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)束即刻1min、3min的數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型擬合，分別得到如下模型1和模型2。

專注度模型：

臺(tái)階測(cè)試結(jié)束即刻1min=24.24+安靜時(shí)專注度*0.6829

(1)

臺(tái)階測(cè)試結(jié)束即刻3min=14.92+安靜時(shí)專注度*0.7415

(2)

從以上兩個(gè)模型也能看出，測(cè)試結(jié)束后的專注度和安靜狀態(tài)下專注度成正相關(guān)，且相關(guān)性較強(qiáng)。在原來數(shù)據(jù)上對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試分析，分析結(jié)果如圖4、圖5所示，證明專注度模型準(zhǔn)確有效。

圖4 模型1的結(jié)果分析

圖5 模型2的結(jié)果分析

同樣利用SPSS MODELER中的線性回歸模型對(duì)對(duì)照組(成績(jī)優(yōu)秀者)放松度安靜時(shí)的數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)束即刻1min、3min的數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型擬合，分別得到如下模型3和模型4。

放松度模型：

臺(tái)階測(cè)試結(jié)束即刻1min=19.16+安靜時(shí)放松度*0.7657

(3)

臺(tái)階測(cè)試結(jié)束即刻3min=25.88+安靜時(shí)放松度*0.7304

(4)

從以上兩個(gè)模型也能看出，測(cè)試結(jié)束后的放松度和安靜狀態(tài)下放松度成正相關(guān)，相關(guān)性較強(qiáng)，并且休息時(shí)間越長(zhǎng)，放松度值越高。同樣直接在原來數(shù)據(jù)上對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試分析，得到的分析結(jié)果如圖6和圖7所示，證明放松度模型準(zhǔn)確有效。

圖6 模型3的結(jié)果分析

圖7 模型4的結(jié)果分析

3.3 實(shí)驗(yàn)組1、2鍛煉效果的比較分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)組的30名同學(xué)隨機(jī)分成2組，實(shí)驗(yàn)組1與實(shí)驗(yàn)組2。分別進(jìn)行為期3個(gè)月的耐力練習(xí)。實(shí)驗(yàn)組1采用較為傳統(tǒng)的練習(xí)方法(表2)，每個(gè)月更改一次訓(xùn)練計(jì)劃，每周兩次練習(xí)。實(shí)驗(yàn)組2根據(jù)SPSS MODELER建立的對(duì)照組腦電模型，隨時(shí)調(diào)整走跑交替訓(xùn)練計(jì)劃(表3)，每周兩次練習(xí)。

表2 實(shí)驗(yàn)組1的運(yùn)動(dòng)方案

表3 實(shí)驗(yàn)組2的運(yùn)動(dòng)方案

經(jīng)過3個(gè)月的耐力練習(xí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)組1、2進(jìn)行800m測(cè)試。成績(jī)?nèi)绫?所示。經(jīng)分析，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)組1與實(shí)驗(yàn)組2的800m成績(jī)分布具有明顯差異。差異是根據(jù)SPSS MODELER建立的腦電模型隨時(shí)調(diào)整的走跑交替訓(xùn)練計(jì)劃引起的。結(jié)果表明，腦電信號(hào)的反饋具有導(dǎo)向性，走跑交替的運(yùn)動(dòng)方案對(duì)提高耐力素質(zhì)有顯著作用，值得在高校體育課中推廣。

表4 實(shí)驗(yàn)組1、2的800m成績(jī)分布

4 研究結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

耐力素質(zhì)具有較大差異的對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組，腦電信號(hào)的反饋也具有明顯區(qū)別。這同時(shí)也驗(yàn)證了之前的研究假設(shè)。本研究在針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)組練習(xí)方法的選擇上，還存在練習(xí)手段單一、設(shè)備簡(jiǎn)陋、場(chǎng)地選擇有限等方面的制約，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但不影響最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

腦電可以作為一個(gè)重要參考指標(biāo)，指導(dǎo)有氧運(yùn)動(dòng)的開展，提高耐力素質(zhì)。以無限接近腦電模型(提取對(duì)照組學(xué)生的腦電建立的數(shù)學(xué)模型)為前提，隨時(shí)調(diào)整走跑交替的訓(xùn)練方案。三個(gè)月后，實(shí)驗(yàn)組2的耐力素質(zhì)水平要優(yōu)于實(shí)驗(yàn)組1。

4.2 討論

本研究把腦電技術(shù)運(yùn)用到了“學(xué)校體育”范疇之中，與以往的“競(jìng)技體育”圈中的研究具有很大區(qū)別?！皩W(xué)校體育”具有很大的人群基數(shù)，未來可以把腦電技術(shù)與學(xué)校體育中可開展的體育項(xiàng)目結(jié)合，找到更好的教學(xué)方法讓學(xué)生高效地掌握某項(xiàng)運(yùn)動(dòng)技術(shù)。讓腦電技術(shù)更多地服務(wù)于“學(xué)校體育”中。

我們近年來一直從事大學(xué)生體質(zhì)健康狀況的研究，從腦電信號(hào)分析與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)相結(jié)合的角度，為此研究帶來全新的視角和強(qiáng)大的技術(shù)支持。本研究的順利實(shí)施將對(duì)提高本省在校學(xué)生體質(zhì)健康的水平帶來積極意義，具有良好的社會(huì)效益和應(yīng)用市場(chǎng)，對(duì)促進(jìn)和諧浙江建設(shè)也必將發(fā)揮積極作用。

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