周博军 ,邓玉新 ,王 旺 ,马福海
(1.西安体育学院 研究生部,陕西 西安 710000;2.青海体育科学研究所,青海 西宁 810000)
2019 年9 月 《国务院办公厅关于印发体育强国建设纲要的通知》要求,提升竞技体育综合实力,增强为国争光能力。 重大工程“科技助力奥运”明确要求,加强对训练过程机能指标监控、训练专项指标测试、体能指标测试、伤病及康复等数据的规范和管理,科学分析、指导训练参赛工作[1]。运动生理学和运动生物化学是发展迅猛的综合性交叉学科, 是指导体育教学和运动训练与竞赛,引领体育科学发展的基础性学科。 近几十年来,国外对运动生理生化研究呈现了研究领域不断精细、研究方法日益多元、研究视野不断拓展的局面。 其他国家对运动生理生化研究现状有什么样的特征及趋势? 研究热点以及前沿聚焦在哪些方面? 面对数以万计的科技文献情报,研究人员必须有效把握相关领域研究热点, 才可能有机会进入该领域研究前沿。本研究试图通过Web of Science 所收录的运动生理(生化)相关研究文献索引资料,利用文献计量学方法和可视化软件CiteSpaceⅤ对国外运动生理生化研究的发文情况、核心研究机构、 主要研究国家以及研究热点等进行量化研究与分析, 以洞悉国外运动生理生化发展脉络和宏观把握现阶段研究热点。
本研究以 Web of Science(包括 SCI-E、SSCI、A & HCI)科学引文索引数据库中运动人体科学领域内2010~2019 年关于生化(Biochemical)或生理 (Physiological)研究文献 索引为对象,应用文献计量分析方法,运用CiteSpaceⅤ等可视化技术对当前国外运动生化指标研究概况分布与研究现状进行定量分析。 进入 Web of Science 检索页面,检索主题词为“TS(主题)=(biochemical or physiological)and 语 言=(English)and 文 献 类型=(Article)数据库=Science Citation Index Expanded(SCI-E)、Social Science Citation Index (SSCI)、Arts&Humanities Citation Index(A &HCI),入库时间=2010-2019 年”,共检索出相关索引文献444 108 篇,对文献进行筛选点击“查看全部选项”选择研究方向 “Sport Science” 精炼后剩余 7 028 篇, 检索日期2020 年 4 月 16 日。 所检索文献中期刊论文 5 498 篇,占文献检索总数78.22%,综述文献834 篇,占文献检索总数11.87%,会议摘要443 篇,占文献检索总数6.30%,会议文献176 篇,占文献检索总数2.50%, 其他类型文献78 篇, 占检索总数1.10%。
文献计量法是对所搜集的所有文献的主要信息进行处理,通过矩阵化、整合等处理,发现在大量文献中潜伏的规律和信息。 信息可视化是将信息转化为图形的方式,方便揭示信息所蕴藏的内容,是数据挖掘的一种方法[2]。在Web of Science检索界面手动剔除综述论文(Review)和不相关文献(会议摘要、会议记录和信件等)剩余5 503 篇,将所检索文献按照发表时间进行排序下载,导入CiteSpace 输入文件夹(input)除重(Remove Duplicates)剔除重复与不在研究时间范围内文献45篇, 除去重复文献后剩余 5 458 篇有效文献。 将时间跨度(Time Slicing)设置为 2010 年至 2019 年,时间分区(Years per slice)设置为“1”,术语来源(Term Source)同时选择文献题目(Title)、摘要(Abstract)、作者关键词(Author Keywords)、关键词(Keywords Plus),分析数据抽取对象与调节阈值不做修改为默认值。 最后,根据分析所需分别选择相应功能,其中作者(Author)、机构(Institution)、国家(Country)为合作网络分析,特征词(Term)、关键词(Keyword)、学科类别(Category)为共现网络分析,文献共被引(Cited Reference)、作者共被引(Cited Author)、期刊共被引(Cited Journal)为共被引分析[3]。
某学科在一定时间段内发表文章数量的变化可直观地看出研究热度的变化, 是衡量该学科在这一时间段发展趋势的重要指标, 对分析发展趋势和预测未来走向具有重要意义[4]。通过对“CNKI(中国知网)”进行高级检索,“期刊”选择社会科学Ⅱ辑——体育,选择文献来源“中文文献”,以“生化”或“生理”为主题,时间为2010~2019 年进行检索。 经检索发现相关文献索引记录共1 862 条,其中CSSCI(含扩展版)刊物共478篇,说明我国学者对运动生理生化指标研究关注程度较高,但有影响力研究较少。 由图1 可知,2010~2012 年 3 年间,国外有关运动生理生化方向的研究呈快速上升趋势,2013 年略微下降, 之后6 年均呈迅猛发展态势,2019 发文数相对于2010年上升了65.25%,总体研究热度呈上升趋势。 国内相关研究文献前3 年呈缓慢增长状态,2013 年下降至最低数量,之后数量快速上升,2015 年之后又呈下降趋势,总体研究热度呈下降趋势。 从文献数量来看,国外年均发文数量在540 篇左右,而国内年均约为47 篇。 显而易见,运动生理生化的研究热度国外始终高于国内。
图1 国内外运动生理生化研究的文献分布
这些高产机构代表着这一领域的权威, 它们是本领域相对的知识创造和集散中心。 这就需要对部分高产机构节点进行更为深入的分析, 了解这些高产机构近10 年的研究焦点,能让未来的研究人员更为清晰地了解到这些引领体育科学有关于运动生理生化研究的机构过去与现今在做哪方面的研究。 这对我国遴选优秀国际运动生理生化研究科研合作机构,科研人员出国访学以及高等院校或科研机构引进人才、 追踪国际前沿研究机构关注焦点有重要的作用[5]。
选定节点类型(Node Types)“机构”(Institute),运行软件得到生理生化研究领域的机构共现网络图谱, 每个节点代表一个机构,节点大小表明该机构发表文献数,如图2 所示。 过去判定文献常利用文献计量学中的普赖斯定律以确定最低文献发表数,为核心候选作者的入选提供重要参考依据[6],由公式①可计算出核心机构候选的最低发文数(N)。
式①中,ηmax为 2010 年 1 月~2019 年 12 月发表文献最多高校或机构的论文数。 发文最多机构为圣保罗大学114 篇,经计算后取整数得知发文≥9 篇的机构入选为核心机构群,此次分析的高校与研究机构共有297 所, 入选核心机构的高校及研究所共151 所,排名前10 的核心研究机构(表1)分别是圣保罗大学(University of Sao Paulo)、哥本哈根大学(University of Copenhagen)、埃克塞特大学(University of Exeter)、巴斯克大学(University of the Basque Country)、利物浦约翰摩尔大学(Liverpool John Moores University)、澳大利亚体育研究所(Australian Institute of Sport)、波尔图大学(University of Porto)、昆士兰大学(The University of Queensland)、拉夫堡大学(Loughborough University)、米兰大学(The University of Milan)、埃迪斯科文大学(Edith Cowan University)不列颠哥伦比亚大学(U-niversity of British Columbia)。 通过可视化分析结果表明,国外运动生理生化研究的主力军以高校为主。
表1 2010~2019 年国外运动生理生化研究主要高校与机构一览表(前10 名)
图2 运动生理生化研究机构网络分析图(2010~2019)
机构间的连线代表着是否存在合作关系, 连线的粗细为机构之间的合作频率。 根据图2 可视化网络分析图可知,各高校与研究所均存在不同程度的合作, 澳大利亚体育研究所(Australian Institute of Sport) 与排名前 10 的 7 所机构有合作关系;哥本哈根大学(University of Copenhagen)与埃克塞特大学(University of Exeter)之间的合作最为紧密,10 年间共合作了36 次; 中国在该领域与域外合作较为密切的是香港大学(University of Hong Kong), 与昆士兰大学 (The University of Queensland)10 年间进行了 8 次合作。
这些处于运动生理生化研究前沿的高校院所, 在运动生理学领域各有专注或具有代表性的研究方向和科研成果。 圣保罗大学(University of Sao Paulo)专注于同场对抗类竞技项群(摔跤、柔道等)与运动损伤防治,2011 年发表于运动医学杂志《Sports Medicine》的“Physiological Profiles of Elite Judo Athletes”及2013 年发表于国际运动表现杂志《International Journal of Performance Analysis in Sport》的“Judo combat: time-motion analysis and physiology”是同场对抗类具有代表性的文献,分别被引232 次和97 次。 运动损伤防治具有代表性的文献是2010 年和2012 年发表于骨科与运动物理治疗杂志《Journal of Orthopaedic & Sports Physical Therapy》的“Effects of Low-Level Laser Therapy (LLLT) in the Development of Exercise-Induced Skeletal Muscle Fatigue and Changes in Biochemical Markers Related to Postexercise Recovery”和“Trunk, Pelvis, Hip, and Knee Kinematics, Hip Strength, and Gluteal Muscle Activation During a Single-Leg Squat in Males and Females With and Without Patellofemoral Pain Syndrome”,分别被引 109 次和 149次。 哥本哈根大学(University of Copenhagen)则在运动免疫领域和运动生理生化分子领域有着丰硕的研究成果。 2012 年发表于运动免疫学评论杂志 《Exercise Immunology Review》的“Leucocytes, cytokines and satellite cells: what role do they play in muscle damage and regeneration following eccentric exercise?”和2018 年发表于应用生理学《Journal of Applied Physiology》的“Using molecular classification to predict gains in maximal aerobic capacity following endurance exercise training in humans”分别被引用 253 次和 178 次。 埃克塞特大学(University of Exeter)和澳大利亚体育研究所(Australian Institute of Sport)高度集中在运动营养和有氧运动方面。 巴斯克大学(University of Basque Country) 与利物浦约翰摩尔大学 (Liverpool John Moores University) 在足球专项训练生理监控和运动可穿戴设备领域有较高的影响力。 米兰大学(The University of Milan)、波尔图大学(University of Porto)、昆士兰大学(The University of Queensland)、拉夫堡大学(Loughborough University)、不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia)在运动医学领域和青少年体质研究较为深入。 埃迪斯科文大学 (Edith Cowan University) 则在影响力量发展的一些生理学因素研究中取得了较高的影响。
选定节点类型(Node Types)“国家”(Country),设置“阈值Top N=50” 运行得到生理生化研究领域的地域合作网络分析图,每个节点代表一个国家,节点大小代表该国发表文献数,最外层紫色光圈为中介中心性, 中介中心性≥0.1 是关键节点,表明该国家所发表运动生理生化相关文献影响力较大。 根据表2 与图3 分析可知, 发文数排名前10 的国家近10 年发表运动生理生化相关研究文献总计5 148 篇, 占总发文量的93.86%。 2010~2019 年美国在运动生理生化领域发表研究文献最多,是其他国家的1.60~7.51 倍,但其中介中心性低于英国、西班牙、加拿大。 此外具有较高影响力的国家为俄罗斯、波兰与奥地利,其中介中心性分别为0.09、0.14 和0.11。 美国与澳大利亚合作较为密切,10 年间共进行了67 次合作。 中国在此次国家分析中位于第十八名,在海外发表相关研究文献106篇,中介中心性为0.03,说明我国在该领域影响力较小,但与2000~2009 年所发表的34 篇文献相比较数量已提升3.12 倍。中国在该领域与美国合作较为密切,共进行了17 次合作。 语言可能是阻碍我国学者发表外文文献的原因之一。
表2 2010~2019 年国外运动生理生化主要研究国家分布一览表(前 10 名)
图3 运动生理生化国家网络分析图
研究热点是在某一时期内,有内在联系的、数量相对较多的一组论文所探讨的热门问题或专题, 文献关键词词频的高低分布可以用来研究该领域发展动向和研究热点[7],研究前沿是在该领域内存在的一组突现的动态概念和潜在的研究问题,而关键词突现图谱借助关键词,呈现共现次出现次数的变化率,用以反映研究前沿发展变化的基本特点,对研究方向的明确起到至关重要的作用。 关键词聚类图谱可总结各关键词节点间的相似性, 依据数据运算将共词关系明显的节点聚成一类,准确描绘研究前沿的重点[8]。
将 Node Type 设置为 Keyword,Selection Criteria 设置为Top N=50,根据普赖斯定律[5]计算得出关键词出现频率≥29为研究热点关键词,修剪选择寻径算法(Pathfinder),得到国外运动生理生化的研究热点知识图谱如图4 所示。通过对5 485篇运动生理生化领域文献的关键词进行共现分析, 对部分出现频率较高的孤点与中介中心性为0 的关键词舍去, 剩余44个(见表3)。 就关键词出现的次数而言,Exercise(运动)、Performance(表现)、Physiological Response(生理反应)等高频关键词,分别出现了1 453 次、1 391 次和626 次,均代表了运动生理生化研究的热点话题, 这与运动生理生化探求机体活动规律这一主题发展趋势基本契合。 中介中心性较高的关键词Reliability(可靠性),其中心性为1.30。另外高中介中心性关键词 Performance(表现)、Heart rate(心率)、Recovery(恢复)分别为 1.19、1.02、0.77。
图4 国外运动生理生化研究热点共现图谱
为了进一步了解运动生理生化相关研究热点的知识结构,对关键词进行聚类分析(如图5),紧密度代表聚类成员之间的相似程度, 数值越高代表聚类成员间的相似程度越高;Log-Likelihood Ratio(LLR)为对数似然,LLR 越大的词越具有对这个聚类的代表性(表4)。 模块值(Modularity Q)和平均轮廓值(Mean Silhouette)是反映聚类边界清晰度和聚类规模的两个指标,Q 值一般在[0,1)区间内,Q>0.3 就意味着划分出来的社团结构是显著的,当S 值大于0.7 时,聚类是高效率令人信服的,若在0.5 以上,聚类一般认为是合理的[2],此次的聚类模块值 Q=0.831 8(>0.3),平均轮廓值 S=0.887 5(>0.5),说明该聚类视图是显著且合理的。 从关键词聚类视图可知形成了#0physical activity (体育活动)、#1blood lactate (血乳酸)、#2adolescent(青少年)、#3carbohydrate oxidation(碳水化合物氧化率)、#4football (足球)、#5resistance training (耐力训练)、#6skeletal muscle (骨骼肌)、#7muscle damage (肌肉损伤)、#8modeling(模型)、#9biomechanics(生物力学)、#10running economy(跑步效率)、#11oxygen uptake(摄氧量)12 个聚类群,通过可视化图谱与聚类表格结合文献发现, 运动生理生化的主要研究热点主要聚焦于6 个聚类。
聚类#0:体育运动和体成分相关研究,主要包括的关键词有 strength(强度)、physical activity(体育活动)、body composition(体成分)、elite(精英)、health(健康)、physiological characteristics(生理特征)、muscle strength(肌肉力量)、age(年龄)、nutrition(营养)、obesity(肥胖)、older adult(老年人)、physiological profile(生理概要)、force(力)。该聚类是从人们日常锻炼层面到高水平运动训练及竞赛层面相关的生理的影响因素。 在普通大众日常锻炼层面,主要是不同运动强度对体质的改善、肥胖治疗以及对体内激素的调节。 在高水平运动训练及竞赛层面, 不同的竞赛项目及所处位置对运动员需具备的能力不同,有学者对团体运动员的体成分(身高、体重、体脂百分比)、爆发力(垂直跳),速度(5m、10m 和 30m 短距离冲刺),敏捷性(T 检验),力量(卧推和深蹲 1 次重复最大值[1RM])和心肺耐力测试,研究表明团体性运动项目(足球、篮球、橄榄球等)运动员年龄和所处位置均存在角色差异,需要因“位”施训[9-11]。
表3 运动生理生化关键词分析
聚类#1: 运动疲劳相关研究, 主要包含关键词有perceived exertion(疲劳感知)、blood lactate(血乳酸)、physiology(生理)、competition(竞赛)、athlete(运动员)、profile(分布)、training(训练)、energy expenditure(能量消耗)、walking(竞走)、perception (感知)、combat sport (格斗运动)、exercise intensity(运动强度)。 疲劳和恢复之间的关系以及其对运动成绩的影响一直是体育科学所研究的热门论点, 疲劳可分为精神疲劳和身体疲劳两个方面。 精神疲劳是指在长时间的认知活动中或认知之后所感受到的疲劳感, 研究发现精神疲劳感通常会影响运动员决策、注意力、动机和意愿,所以精神疲劳会对运动表现产生负面影响[12]。 在身体疲劳层面,部分学者在探寻有关运动训练的临界功率(Critical Power),这一概念在优化运动训练方案、提高运动成绩、改善慢性病患者的生活质量等方面具有巨大的应用潜力[13]。
聚类#2: 青少年足球运动员训练与竞赛生理特征相关研究,主要包含关键词有 fatigue(疲劳)、muscle(肌肉)、soccer(足球)、capacity(能力)、physical performance(身体表现)、physiological demand (生理需求)、children (儿童)、athletic performance(运动表现)、association(关联)、elite soccer(精英足球)、adolescent(青少年)、match play(比赛)。 在儿童青少年足球运动员的训练与竞赛方面, 分别从运动免疫、 肌肉损伤标志物(肌酸激酶和乳酸脱氢酶)和全球定位系统(GPS)监控训练与竞赛的全程跑动距离、最大冲刺速度、平均恢复时间等多方面分析足球运动员高强度活动概况, 这些数据为教练员制定足球专项训练提供了有力的科学保障[14-16]。
聚类#3: 运动前补充电解质与碳水化合物对运动成绩的影响, 主要包含关键词有physiological response (生理反应)、demand(需求)、exercise performance(运动表现)soccer player(足球运动员)、prolonged exercise (长时间运动)、running performance(运动成绩)、running(跑)、intermittent recovery test(间歇性恢复测试)、heart rate response(心率反应)、acclimatization(习服)。 这一聚类主要研究运动前后补充碳水化合物 (葡萄糖、果糖、咖啡)与无机盐(硝酸盐)对运动成绩的影响。 在无机盐补充方面,研究发现在4km 和16.1km 自行车赛前补充0.5L甜菜根汁 (类似于6.2mmol 硝酸盐) 成绩分别提高了2.8%和2.7%[17]。在碳水化合物补充方面,研究表明进行高强度间歇运动时,适当地摄入咖啡因可以延缓疲劳出现,降低肌肉组织间K+[18]。 在 100km 自行车计时试验中,参与者每隔 15min 补充36g 果糖-葡萄糖的混合饮品和仅含葡萄糖的饮品, 结果表明混合饮品对运动成绩提升更为显著[19]。
聚类#8:运动模型构研究,主要包含关键词有exercise(锻炼)、human(人)、blood flow(血液流动)、rehabilitation(康复)、model(模型)、cycling(循环)、system(系统)、thermoregulation(体温调节)、stability(稳定性)。 该聚类对身体姿势对颅内压的影响建立了3 个预测模型并给出了应用于临床研究的评价[20]。大鼠潜水反应的实验室模型, 初步解释潜水对血流动力学的影响[21]。 耐力跑性能预测经典模型的检验,该模型检验了VO2max 时的速度综合了最大有氧功率和跑步的经济性,是预测跑步成绩的最佳指标。
聚类#10: 有氧运动和乳酸阈研究, 主要包含关键词有performance(表现)、response(反应)、sport(运动)、maximal oxygen uptake(最大摄氧量)、efficiency(效率)、running economy(跑步经济性)、aerobic capacity(有氧能力)。 在有氧运动方面,运用分子分类的方法预测人体耐力训练后最大有氧能力增长[22],“热”适应可以提升在寒冷温带条件下的有氧运动成绩,热习服的生理适应包括在固定输出功率下减少摄氧量, 节省肌肉糖原,增加骨骼肌力产生,增加血浆容量等[23]。 在乳酸阈方面,可以通过最大乳酸浓度的降低诊断是否训练过度[24],热习服可提高乳酸阈值, 且在运动强度不变的情况下热习服已被证明可以降低血乳酸浓度[23]。
表4 运动生理生化聚类群分析
图5 运动生理生化聚类可视化图
关键词突变(Burst)提供了特定关键字出现频率激增相关联的证据, 关键词的爆发表明一个潜在的话题已经或正在引起研究人员在特定时期不同寻常的关注[25]。 在CiteSpace 中导入用于分析的5 485 篇记录文献, 将突现词的最小持续时间(Minimum Duration) 单位设置为 2, 共得到 24 个突现关键词(图6)。 根据突现词的突现时间和持续时间跨度,结合Citation History 中的折线图, 将研究前沿划分为稳健型研究前沿和最新研究前沿。
图6 突现关键词可视化图谱
4.3.1 稳健型研究前沿
从图6 和图7 可以可以得出,“soccer player” 的突现时间较早且时间跨度最长,相关研究的分年度文献波动较为稳定,因此该关键词所涉及的研究方向为稳健型研究前沿。 “soccer player”指的是足球运动员,在该研究中包括了运动损伤的防治、疲劳恢复、可穿戴设备研发、赛季前后的训练监控、运动员在赛场上的生理反应以及活动特征。 大量研究表明有关应用于足球运动生理方面技术设备、 训练及监控方法也在逐步向其他运动项目应用推广。
图7 稳健型研究前沿“soccer player”研究趋势图
4.3.2 最新研究前沿
剔除部分含义过于宽泛的突现关键词,结合图6、图8、图9、 图10 可 以 看 出 突现关 键 词 为 “health、temperature、team sport”,这几个关键词突显为近3 年,因此这几个词在运动生理生化研究领域是当前也是未来一段时间内学习和投入研究的最新研究方向。 “health”表示对运动健康领域的关注,具体研究内容包括不同运动强度的间歇运动对人体抗氧化和抗炎症作用[26];抗阻训练、中等强度训练(continuous moderate intensity)、高强度训练(high-intensity interval training)对早期糖尿病患者的血糖控制[27];休闲运动对肥胖青少年的身体指标影响等[28]。
图8 最新研究前沿“health”的研究趋势
“temperature”即体温调节,研究重点在训练前后的冷处理和热适应训练,该研究方向主要为运动员全身预冷处理对自由配速间歇短跑运动神经肌肉功能及运动能力的影响[29];热适应训练对体能恢复和肌肉糖原的含量恢复的影响[30];高水平专业运动员热适应训练相关的生理反应和运动表现[31],结合聚类#10 分析可以发现该点既是研究热点也是研究前沿。
图9 最新研究前沿“temperature”的研究趋势
“team sport”即团队运动、集体项目(足球、篮球、橄榄球等),该方向的关注点在运动员在训练与比赛时所表现的生理特征[32-33];运动训练负荷和有氧-无氧体能(Aerobic-Anaerobic Fitness)的关系[34];可穿戴设备对训练和竞赛中所发生的碰撞次数和碰撞强度的记录[35],该技术为运动员进行训练和损伤恢复所需周期提供了客观数据支撑。
图10 最新研究前沿“team sport”的研究趋势
本文利用可视化分析工具CitespaceⅤ对国外有关运动生理生化的发文量、核心研究机构、主要研究国家、研究热点及研究前沿分别进行了统计整理和分析,得出以下结论:
1) 通过对国内外的发文量进行统计分析,发现国外无论在文献数量还是文献数量的增长幅度上都要高于国内, 对运动生理生化的研究热度要高于国内。 从发展态势来看,国内外发文量的差距正在进一步扩大, 说明我国对运动生理生化领域研究不够重视。
2) 通过对核心研究机构进行分析,研究的主力军以高校为主,各机构在运动生理生化领域分别专注于运动损伤防治、运动免疫、运动营养、可穿戴设备和青少年体质等方向。
3) 通过对研究该领域的国家分析, 发现美国2010~2019年在运动生理生化领域发表研究文献最多, 共发文1 284 篇占近10 年来发文总数的23.41%, 但其影响力远小于英国和西班牙。 通过对高频关键词进行聚类分析和突显词探测从而发现研究热点和研究前沿, 得出国外对运动生理生化领域研究热点主要聚焦在运动疲劳、 青少年足球运动员训练与竞赛生理特征、碳水化合物与电解质补充剂对运动的影响、运动模型构建研究以及有氧运动和乳酸阈的研究。 研究前沿则为足球运动员、热适应与冷处理、运动健康和团队运动。 足球作为世界上最热门运动之一,其先进的训练监和控方法、损伤防治以及可穿戴设备的应用起到了引领其他运动项目的作用。 近些年运动干预慢性疾病(早期糖尿病、抑郁症、阿尔茨海默症等) 开始逐渐走进研究人员的视野并且在临床应用有较好效果。 热适应与冷处理训练则为近些年新兴的训练方法,对运动进行冷处理或热适应训练后到气候温和的环境下竞赛运动成绩有明显提升,近似于高原训练法。 团队运动的关注点则为训练与竞赛的生理特征以及运动训练负荷和体能。