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台阶试验作为学生体质监测中评测最大摄氧量的有效性研究摘要1.前言台阶试验在学生体质监测中作为测量和评价学生心肺功能和有氧工作能力的重要方法，在实际应用过程中其信度和效度收到广大体育科学工作者的高度关注。本研究旨在和最大摄氧量直接测试法相比较，对影响台阶试验科学性的因素加以剖析，从而验证台阶试验推算最大摄氧量的有效性。台阶试验是目前世界上应用较为广泛，评价体系相对比较成熟的最大摄氧量评价方法之一。如：哈佛台阶试验，俄亥俄台阶试验、奎因台阶试验等。这些方法原则上是以完成定量负荷后心率的变化作为评定依据的，普遍被用于评价心血管功能系统水平和耐力素质。422.研究方法2.1研究对象本研究采用随机抽样的方法，随机抽取北京体育大学19-22岁在校学生100名（无运动经历），其中，男女生各50名。具体情况见表1：表1：受试样本基本信息（MeanSD）性别N身高（cm）体重（kg）年龄（岁）男50170.47.659.99.119.61.0女50165.14.855.27.219.30.82.2最大摄氧量的测定2.2.1直接测试法试验设备为德国产便携式心肺功能仪（mata-max3B）和意大利产TECHNOGYM跑台。本测试采用非稳态负荷方案测得。2.2.2台阶试验本研究采用学生体质监测台阶试验方案，要求受试者在高度为40cm（男台）和35cm（女台）的台阶上做上下台阶运动，踏阶频率为30次/分，持续运动3分钟。然后将计算所得的身体效率指数代入方程（1）、（2）推算最大摄氧量数值男性：VO2max(ml/kgmin-1)=0.2588PEI24.170（1）女性：VO2max(ml/kgmin-1)=0.1912PEI17.264（2）2.3数理统计通过spss13.0统计分析软件，对所采集的数据进行整理分析。其中测量结果均已平均值标准差（MeanSD）表示。3.结果与分析3.1台阶试验指标数据和推算结果表1 台阶试验测试指标及推算数据（MeanSD）性别HR1HR2HR3PEIVO2max推算值绝对值相对值男59854852955.98.92.050.6233.426.49女62757755852.36.61.520.2127.641.67（HR1 HR2 HR3：beat/min，绝对值：L/min，相对值：ml/minkg-1）从表1中得知，通过计算男性学生的PEI为55.98.9，最大摄氧量的绝对值平均为2.050.62L/min，相对值平均为33.426.49 ml/minkg-1；女性学生的PEI为52.36.6，最大摄氧量的绝对值平均为1.520.21L/min，相对值平均为27.641.67 ml/minkg-1。3.2台阶试验与跑台VO2max测试法的相关性分析表10 跑台实测值（绝对值）与台阶试验推测值（绝对值）的相关分析性别跑台实测值（MeanSD）台阶试验推测值（MeanSD）r男3.270.422.050.620.848*女2.050.301.520.210.768*：p0.01 表11 跑台实测值（相对值）与台阶试验推测值（相对值）的相关分析性别跑台实测值（MeanSD）台阶试验推测值（MeanSD）r男49.954.7033.426.490.661*女37.303.4027.641.670.217*：p0.01 通过对50名女性受试者的数据分析可知（表10），跑台测量最大摄氧量绝对值的平均值为2.050.30L/min，台阶推算最大摄氧量绝对值的平均值为1.520.21 L/min，台阶试验推算最大摄氧量绝对值与跑台测量最大摄氧量绝对值的相关系数r=0.768，P0.01，相关具有高度显著性。通过配对样本t检验显示，p值小于0.01，二者之间差异具有高度显著性。二者拟合程度如下图所示：图1：台阶试验与跑台VO2max测试法相关性分析（女）图1中所示的拟合曲线的决定系数为0.597，当跑台测量最大摄氧量绝对值在1.8-2.4L/min，台阶试验推算最大摄氧量绝对值在1.4-1.8L/min这一区间时，二者的拟合程度较高，线性关系明显。但是从总体看来，二者间不存在良好的线性关系。表11显示，台阶试验推算最大摄氧量相对值与跑台测量最大摄氧量相对值的相关系数r=0.217，p=0.130，相关不具显著性，提示通过台阶指数并不能准确推算最大摄氧量。50名女性受试者中，跑台测量最大摄氧量相对值的平均值为37.303.40 ml/minkg-1，台阶试验推算最大摄氧量相对值的平均值为27.641.67 ml/minkg-1 通过配对样本t检验可知，p值小于0.01，二者之间差异具有高度显著性。二者之间拟合程度如下图所示：图2：台阶试验与跑台VO2max测试法相关性分析（女）上图中拟合曲线的决定系数仅为0.093，台阶试验推算最大摄氧量相对值与跑台测量最大摄氧量相对值两组数值之间不具有线性关系，对于高校女生而言，用台阶指数推算最大摄氧量进而评价女生有氧工作能力，存在较大误差。通过对50名男性受试者的数据（表10）分析可知，台阶试验推算最大摄氧量绝对值与跑台测量最大摄氧量绝对值的相关系数r=0.848，P0.01，相关具有高度显著性，二者拟合程度如下图所示：图3：台阶试验与跑台VO2max测试法相关性分析（男）当跑台测量最大摄氧量的绝对值在2.8-3.8L/min，台阶试验推测最大摄氧量的绝对值在2.2-3.0L/min这一区间时，二者的拟合程度良好，图中拟合曲线的决定系数为0.719，提示二者间存在良好的线性关系。在50名男性受试者中，跑台测量最大摄氧量绝对值的平均值为3.270.42L/min，台阶试验推算最大摄氧量绝对值的平均值为2.050.62L/min，通过配对样本t检验可知，p0.01，二者之间差异具有高度显著性。在两种测试方法不变的前提下，对50名男性受试者最大摄氧量的相对值进行相关分析可知，其相关系数r=0.661，p值小于0.01，二者之相关具有高度显著性，二者之间拟合程度如下图所示：图4：台阶试验与跑台VO2max测试法相关性分析（男）当跑台测量最大摄氧量相对值在45-54ml/minkg-1，台阶试验推测最大摄氧量相对值为36-42ml/minkg-1这一区间时，二者间拟合程度较好，图中拟合曲线的决定系数为0.437，提示两组数据间没有良好的线性关系。在50名男性受试者中，跑台测量最大摄氧量相对值的平均值为49.954.70ml/minkg-1，台阶试验推算最大摄氧量相对值的平均值为393.426.49ml/minkg-1，经配对样本t检验发现，p=0.000，小于0.01，提示二者之间差异具有高度显著性相比较而言，男性受试者的各项指标均优于女生，台阶试验所推算的最大摄氧量数值男生为33.426.49 ml/minkg-1，女生为27.641.67 ml/minkg-1，和本年龄段人群正常最大摄氧量数值相差甚远。因此台阶试验只适合用于简单评价学生心肺功能的好与坏，而不能精确评价个体的最大摄氧量水平。4.讨论4.1台阶试验推算最大摄氧量的有效性分析台阶试验是1943年有美国哈佛疲劳实验室的Brouha教授所提出来的，是以蹬阶运动后的心跳恢复速率来判定心血管系统的一种简单而有效的方法。43该实验要求受试者在高度为50.8cm（男子）或42cm（女子）的台阶上做上下台阶运动，步频为30次/分，运动时间为5min。测试结束后记录恢复期第1至1.5min，第2至2.5min，第3至3.5min的心率（分别用HR1、HR2、HR3表示）然后按照回归方程计算身体效率指数（Physical Eficiency Index）由于哈佛台阶试验无法精确反映受试者的有氧工作能力，同时为使台阶试验应用与更广泛的人群，体育科研人员不断改变台阶试验的负荷条件，这些变化主要集中在台阶高度，踏阶频率，运动持续时间和推算公式上。其中俄亥俄（Ohio）台阶试验和奎因（Quin）台阶试验比较有影响。俄亥俄（Ohio）台阶试验是专门为18岁以上的男性设计的多次渐增负荷的次最大强度试验通过测定心率达到150次/分的运动组数，实际上是从运动时间长短来评价心血管系统对运动的适应能力44。奎因台阶实验是专门为大学女生设计的心血管机能评价试验，实验设计的原理同哈佛台阶实验45。 作为一种评价最大摄氧量的间接测试方法，实验的信度和效度成为广大运动专家关心的重点。 最早，Bruce和同事选取了2000名哈佛大学的学生，来探讨台阶试验的信度和效度。研究结果表明：短时程PEI在效度方面与长时程PEI相当，采用重复实验的信度为0.8246。 这初步肯定了哈佛台阶实验的应用价值。S Chatterjee选取了30名在校的印度男性大学生，用奎因台阶试验间接测试最大摄氧量，其平均值为39.3 ml/kgmin-1，与直接测试法的平均数值（39.7 ml/kgmin-1）相比，两者高度相关（r=0.95，p0.001）。研究表明奎因台阶测试适合与大样本量的场地测试，有较高的实用价值47。而与之恰恰相反的是，在他的另外一项对印度女性的研究中显示：由于台阶高度的原因，其测试结果与实测值之间存在较低的相关性，这就要求必须建立新的回归方程，方能精确反映受试者的最大摄氧量48。 从以上的分析中我们可以看到，无论是国际影响比较深远的哈佛台阶试还是其他改良后台阶试验，若想客观的评价大样本人群的最大摄氧量均存在一定的局限性，其原因一方面表现为测试本身所施加的负荷，运动的持续时间及不同台阶实验算法的各异，影响了测试结果；另一方面作为受试者本身而言，种族、性别、年龄、体质状况等个体差异的存在导致了测试结果的差异性。近些年来已有学者对台阶试验能否有效反映个体心肺功能水平提出质疑，我国学者王建，邓树勋认为：台阶指数与心肺功能呈现明显的“低相关，高误差”现象，并不能取代最大摄氧量和最大心输出量等经典指标。同时，台阶指数不能反映心肺功能不能有效反映心肺功能的增龄性变化规律和性别差异49。刘定一，曹电康等学者认为，体重因素是影响台阶指数有效性的关键性因素，对于相同高度的台阶而言，体重大者做功大，心脏负荷大，台阶指数小；体重小者做功小，心脏负荷小，台阶指数大50。于此同时，我国学者张启迪，冉清泉对四川攀枝花学院的1668名男生和1429名女生进行研究，分别进行台阶试验，1000米（男），800米（女）三项测试，对两组数据进行比较，结果显示，两者成绩不相符的男生高达49.8%，女生为56.4%，从而，对台阶试验的有效性提出质疑51。王玉秀，黄滨也进行了与之相似的实证研究，他们在试验中又加入了3000米（男），2400米（女）两项测试，结果显示：台阶指数与1000米/800米及3000米/2400米的运动成绩相关程度较低（P0.05）而1000米/800米和3000米/2400米之间存在良好的相关关系（P0.05）52。虽然众多学者对台阶试验的效度进行质疑，但是，在研究中都缺失台阶试验和经典最大摄氧量测试的对比及相关分析。最大摄氧量的直接测试法已被公认是评价心肺功能的“金标准”。因此，这两者之间的相关性分析对于台阶试验的效度评判更具意义。在本研究中，对于女性受试者而言台阶试验推算最大摄氧量相对值与跑台测量值之间的相关系数最低，r=0217，P0.05，二者间相关不具显著性。而在男性受试者中，上述两组数值的相关系数r=0.661，P0.01，二者之间的相关具有高度显著性，因此，学生体质测试所采用的台阶试验及其衍生指标并不适合精确评价个体的心肺功能。尤以女性受试者为甚。4.2台阶试验的影响因素分析台阶指数（PEI）作为一种心肺功能评价指标，集中反映了个体在大负荷运动后机体的应激水平。台阶指数的计算过程中存在两个自变量，分别是运动时间和不同时刻的回复心率。在运动时间一定的情况下，恢复期的心率越高，台阶指数越低，反之台阶指数越高。这就反映了机体对剧烈运动的适应能力和运动后身体机能的回复能力53。就台阶试验自身的测试方法而言，影响测试结果的因素共有3个，分别是踏阶频率，运动时间和台阶高度。其中尤以台阶高度受到广大学者的关注。哈佛台阶试验是当今国际影响力较高的测试方案，其信度和效度也得到了广泛的认同。该测试采用的台阶高度为男性台高50.8cm，女性台高42cm，运动时间为5分钟，踏阶频率为30次/min。但是台阶高度和运动强度对于儿童少年和老年人来讲并不适合，因此哈佛台阶的应用受到一定的局限。专门为18岁以上男性设计俄亥俄台阶对台阶高度，踏阶频率和整个测试过程进行了调整。把单一负荷运动完善为阶段式渐增负荷运动。俄亥俄台阶试验最大的特点是分段式进行，运动负荷呈递增式增长。该方案把台阶高度降低至45cm，三个阶段的踏阶频率分别为24次/min，30次/min，36次/min，在测试过程中心率只要达到150次/min即可终止测试。俄亥俄台阶与哈佛台阶有本质的不同，通过俄亥俄台阶试验推算最大摄氧量的公式中只有运动组数一个自变量，其实质是考察个体心率达到150次/min这一运动强度的运动时间，是根据运动时间的长短来评价心血管系统对运动的适应能力44。这与以考察大运动负荷后机体的恢复能力的哈佛台阶截然不同。此外，为女性设计的奎因台阶测试方案把台阶高度增加值43cm，在增加高度的同时降低了踏阶频率。该方案设计的原理与哈佛台阶相同。研究表明俄亥俄台阶试验和奎因台阶试验具有较高的信度和效度，因此，可以用来测量和评价个体的有氧工作能力。在国内学生体质监测中使用的台阶高度为男性40cm，女性35cm，踏阶频率为30次/min，运动时间为3分钟。相比哈佛台阶而言，该方案的运动负荷大幅度缩减。故此在本研究中所测得的数值和效标数值相差甚远。经统计学分析，台阶试验后3个恢复期心率与跑台测量最大摄氧量相对值的相关系数分别为-0.038，0.018和0.096，且p值均大于0.05，二者之间的相关不具显著性，无统计学意义。参考国外对台阶试验的研究结果，说明在既定的试验方法中没有达到预定的运动负荷，从而影响了试验的准确性。综上所述，运动负荷和运动强度的控制成为影响台阶试验信度和效度的关键环节，为了提高测试精度，必须在踏阶频率，运动时间和台阶高度三个方面进行科学的调整。5.结论与建议5.1台阶试验的效度在本研究中以得到初步的验证。该方法能够应用于粗略评价个体的心肺功能，但是不能精确推算受试者的最大摄氧量，因此在有氧工作能力的评价中应当慎用。5.2 在今后的研究中，应继续追加样本量，扩大样本的代表性，针对推算结果与效标结果间差距较大的问题建议改进通过PEI推算最大摄氧量的回归方程。同时，调整台阶实验的运动强度，把踏阶频率，运动时间和台阶高度三者有机结合。参考文献42Pertrella RJ,Wight D.An office-based instrument for exercise counseling and prescription in primary care-the step test exercise prescription(STEP)J.Atchives of fanmily midcine. 2000,9(4):339-344.43Brouha,L.The step test:A simple method of measuring physical fitness for muscular work in young menJ.Research quarterly for Exercise and Sport,1943,14:31-36.44Kuruncz R L.Construction of the Ohio state University cardiovascular fitness testM.Unpublished doctoral dissertation:Ohio state University,1967.45Mcardle W D.Reliability and interrelati0nship between maximal oxygen uptake，physical