新型可穿戴电子设备运用于校园足球训练与比赛负荷评估的研究

玉溪师范学院体育学院 华南师范大学体育科学学院 汪 雄

玉溪师范学院体育学院 陈玉林

华南师范大学体育科学学院 毛万丽 黄国虎 王 垒 张恒亮 刘鸿优

近年来，校园足球被认为是中国足球发展的基石，为此，我国相继出台重要文件措施，强调重视校园足球运动的发展。提升校园足球运动的水平，有助于夯实青少年足球群众基础，有利于挖掘青少年足球潜力，有益于提升我国足球发展整体水平。而提升校园足球运动水平的关键是实现科学化的足球训练与备战，实现这一点的基础，则是准确地量化评估学生在校园足球训练与比赛中的运动负荷特征，并以此为基础制定科学合理的训练与比赛计划和内容。

运动负荷是指学生在完成一定的训练或比赛任务时，机体在生理和心理方面所承受的总刺激，并可以通过这两方面所表现出来的机体内部应答反应程度来表征[1]。运动负荷是促进学生竞技能力提升的核心因素[2]，学生承受的教学与训练负荷的质和量决定了其运动水平和比赛成绩[3]，因此，对学生的训练与比赛负荷进行科学合理的量化显得极其重要。

足球作为同场对抗球类集体运动项目，具有集体性和对抗性强的特征，影响其运动负荷的因素复杂多变，量化评估的难度较大[4,5]。一般认为，足球运动负荷主要包括外部运动负荷和内部运动负荷两种形式[2]。足球运动员的外部运动负荷是指运动员在足球训练或比赛中的外在运动形式，包括跑动、加速、急停、跳跃等[6]，而跑动是足球运动中最主要的运动形式。足球运动员的内部运动负荷是指训练或比赛任务对运动员身体所施加的生物学刺激，包括生理和心理刺激[6]。心率、血乳酸、摄氧量和主观疲劳等变量都可用来评估足球运动员的内部运动负荷[6]，而其中运用最广泛的是心率指标[7]。

随着电子信息技术的发展，心率跟踪设备和全球定位系统两种可穿戴电子设备已经被广泛运用于国内外高水平足球运动队的训练与比赛实践之中，并被认为能够有效而科学地评估和提升运动员与运动队的训练与比赛表现[8]。目前，由飞速发展的科学技术带来的红利，这两类可穿戴电子设备的价格正逐渐变得经济、亲民，不少中小学足球教学与训练已经可以接触到类似产品。

因而，探讨新型可穿戴电子设备在校园足球运动实践中的运用，既可以为提高校园足球训练质量、提升校园足球的技术水平、提倡科学训练与备战提供一定的理论参考价值，也必将成为未来高校足球教学改革的发展趋势[9]。

本论文基于国内、外对于新型可穿戴电子设备最前沿的科学研究成果，探讨可穿戴全球定位系统和便携式心率监测系统两种可穿戴电子设备在校园足球训练与比赛负荷评估中的应用价值。

1.可穿戴全球定位系统评估足球外部运动负荷

最早的专门运用于团队运动表现监控的全球定位设备出现在2003年[10]，为澳大利亚GPSports公司生产的GPSports Systems SPI-10，随后几年，该公司陆续改进并生产了SPI-Pro，WiSPI和SPIElite等版本。2006年，另一家致力于体育运动表现监控专用全球定位设备生产的澳大利亚公司Catapult Innovation诞生，并陆续推出了Catapult Minimax系列和Catapult Optimeye系列可穿戴全球定位设备。Catapult公司生产的可穿戴全球定位设备能提供更多的运动表现变量和更精确的算法，从而超越GPSports，成为了体育运动表现监控专用全球定位设备生产领域的主要供应商。

Catapult Innovation公司生产的最新全球定位系统为Optimeye S5，该系统融合了GPS全球定位系统、3D加速度传感器（16G，1000Hz）、3D陀螺传感器（2000°/s，1000Hz）和3D磁力传感器（1200毫特斯拉，100Hz），可以有效地跟踪和量化足球运动员的外部运动负荷，准确地记录运动员在每一次训练和比赛中的跑动距离、跑动速度、不同跑动速度段内的跑动次数和距离、不同强度的加速和急停距离与次数、不同强度的跳跃和变向次数。该系统允许使用者根据自身运动员和运动项目特征对跑动速度段、加速度、跳跃和变向的强度进行自主设置。在十一人制的校园足球训练与比赛中，可供参考的一个跑动速度划分标准为：（1）走或站立：以0-5.9km/h的速度(持续0.6秒或以上，下同)跑动；（2）慢跑：以6-7.9km/h的速度跑动；（3）低速跑：以8-11.9km/h的速度跑动；（4）中低速跑：以12-14.9km/h的速度跑动（5）中速跑：以15-17.9km/h的速度跑动；（6）中高速跑：以18-20.9km/h的速度跑动；（7）高速跑：以21-23.9km/h的速度跑动；（8）冲刺跑：以≥24km/h的速度跑动。在五人制、七人制、八人制或九人制的校园足球训练与比赛中，由于场地缩小，运动员跑动速度段的划分则可参照以下标准：（1）走或站立：以0-5.9km/h的速度跑动；（2）慢跑：以6-7.9km/h的速度跑动；（3）低速跑：以8-11.9km/h的速度跑动；（4）中速跑：以12-14.9km/h的速度跑动（5）高速跑：以15-17.9km/h的速度跑动；（6）冲刺跑：以≥18km/h的速度跑动。而加速、急停和变向的强度则根据加速度(持续0.2秒或以上)的大小划分为：（1）低强度：1.5-2.49 m/s2；（2）中强度：2.5-3.49 m/s2；（3）高强度≥3.5m/s2。当前的研究显示，相对于采取固定的、通用的速度和强度划分标准，根据每个运动员的最大摄氧量、最大有氧速度和乳酸阈等指标确定的个性化划分标准会让运动员的外部运动负荷得到根据科学合理的评估[11]。

表1 Edwards等[12]和Stagno等[13]的内部运动负荷算法

2.便携式心率监测系统测试足球内部运动负荷

便携式心率监测系统可实现对学生在足球训练和比赛过程中的每一次心跳进行跟踪，具有代表性的运用于足球内部运动负荷监控的便携式心率监测系统有：芬兰生产的Polar Team²系统、Firstbeat系统等。便携式心率监测系统一般都能提供运动员在每一次训练中的平均心率、最大心率、不同心率区间的训练时间等量化指标。在校园足球实践中，可根据学生在训练和比赛中的实时心率占其最大心率的百分比，将训练和比赛进行不同心率强度区间划分，如：（1）低强度心率区间：实时心率处于＜60%最大心率的运动时间；（2）中低强度心率区间：实时心率处于60-69%最大心率的运动时间；（3）中等强度心率区间：实时心率处于70-79%最大心率的运动时间；（4）中高强度心率区间：实时心率处于80-89%最大心率的运动时间；（5）高强度心率区间：实时心率处于90-100%最大心率的运动时间。

此外，利用便携式心率监测系统测出的学生在校园足球训练和比赛中的实时心率数据，还可以通过进一步的算法，量化其内部运动负荷，较为典型的代表性算法可参见表1。

3.新型可穿戴电子设备在校园足球训练与比赛负荷评估的实践运用价值探讨

首先，新型可穿戴电子设备可以科学、准确地反映学生的训练与比赛情况，给学生带来全新的训练与比赛体验。学生可以认识到自身在训练和比赛中的运动负荷状况，了解自身的优势与劣势，保持与提升自身的训练与比赛表现。例如，学生可以通过自己在训练中的跑动总距离和高强度反复冲刺次数与队友的这两项指标进行对比，对自己的有氧耐力和无氧耐力素质进行科学合理的定位，有针对性地进行训练与练习，提升自己的体能弱项，增强自身的体能优势，从而调动其训练主动性和积极性，最终从学生的角度提高了足球训练效果和效率。

其次，新型可穿戴电子设备可以为校园足球教师和教练员提供准确、科学而及时的信息反馈，掌控学生的训练与比赛状态，为科学制定训练与备战计划提供最直接的理论依据。传统的足球训练更多强调的是足球教师和教练员与学生之间的技能交流与互动，并未纳入新型电子科学设备提供的科学反馈，教师和教练员对学生技能和体能负荷的判断基本停留在经验与观察之上，具有较大的主观性。而通过可新型穿戴电子设备在校园足球中的运用，教师和教练员对学生训练和比赛状态的认识(尤其是体能状况的认识)变得更加直接而客观。例如，在一次校园足球训练中，所有学生的平均心率和高强度心率区间时间都低于平时，则证明该次训练的负荷强度不够，不能达到正常的训练效果，足球教师或教练员需要及时对训练内容进行调整。另外，教师或教练员还可以利用可穿戴电子设备开展足球技战术评价、足球比赛与训练体能负荷监控、足球教学教法改革、足球运动员比赛与训练心理等各方面的与教学改革相关的研究，可以从深层次科学地探索足球人才培养的规律与特征。科学研究的结果不仅可以作为研究论文与专著，作为教师的科研业绩，还可以直接反馈到训练与比赛实践，提升足球教育人才的培养质量。

最后，在校园足球实践中科学、合理和充分地利用可穿戴电子设备，将成为未来校园足球教学与训练改革的发展趋势。随着科学技术的进一步发展，越来越多的新型可穿戴电子设备将被开发出来，而其价格也将逐渐变得经济实惠，绝大多数中小学足球教学与训练都可以获得该类产品的辅助。正如前人研究预测的一般，“在未来的体育教学改革中，将传统的教学模式与多媒体技术相结合将是主要的趋势”[9]。