孔凡明 朱苗苗 米靖 赵丽 马杰
1 北京体育大学竞技体育学院(北京 100084)
2 聊城市第一实验学校(聊城 252001)
3 北京体育大学运动人体科学学院(北京 100084)
4 中国戏曲学院艺术管理与文化交流系(北京 100073)
量化负荷是数字化和科学化训练的基础,精准剂量化负荷安排不仅可以提高训练效率,而且可以有效防止运动损伤。长时间、高强度的负荷安排是精英耐力项目运动员训练的核心环节,因此,探寻避免过度训练并达到最大生理适应的最优训练强度分布(training intensity distribution,TID)模式一直是周期性耐力项目关注的热点。通过Polar 心率表、训练强度及体能恢复评估系统(Firstbeat)以及主观体力感觉(rating of perceived exertion,RPE)和说话测试(talk test,TT)等主客观形式的负荷监控,探寻人体对运动负荷的应激与适应原理,运动表现提升的“黑箱”逐步被打开[1]。黎涌明等[1-3]研究发现,在过去的80 余年中,以静水皮划艇为代表的周期性耐力项目的运动成绩提升了30%~40%,上述现象不仅得益于运动选材、组织形式以及器材装备等方面的改善,以运动监控、负荷统计为重点的负荷量化研究同样发挥了重要作用。
然而,由于训练强度分布的研究涉及数据上传、截取、录入、统计与分析等工作,实验流程和操作细节较为繁杂且工作量较大,加之负荷数据的统计还需考虑专项与非专项、陆上与水上(冰上、雪上)等不同训练内容的关系,因此,量化周期性耐力项目训练强度分布一直是我国竞训领域的难点和短板。目前我国关于周期性耐力项目训练强度分布的研究无论是起源发展、概念界定、基本类型与负荷特征等理论层面,还是前瞻性(prospective)的准实验(quasi-experimental)和实验(experimental)干预的研究设计、操作流程与注意事项等应用方法学层面仍处于起步阶段,对上述问题缺乏清晰全面的梳理与介绍,尤其是既往文献在研究方法与设计部分对训练强度分布的介绍较为薄弱,缺乏具体操作性建议与方法学策略[1]。基于此,本研究从周期性耐力项目训练强度分布的历史起源、概念释义、基本类型、负荷特征以及方法学策略等方面对其进行综述,旨在为科学地认识、理解和应用该训练方法提供理论指引和实践指导,以期为当前我国奥运备战中的基础体能大项的训练突破提供理论认识和方法学参考。
训练强度分布是继负荷结构、统计、评价与监控之后的又一研究热点,它综合了负荷监控、统计与评价等多种要素,是制定、监控和调整耐力训练负荷的新方法,兼具周期性、阶段性和普适性等特点,在周期性耐力项目训练实践中发挥着重要作用。训练强度分布最初起源于德国、挪威等国家的越野滑雪、中长跑、赛艇等精英耐力运动员的训练实践[3-5],其原因可能是相比于对抗类、难美类以及评分类等技能主导类非周期性项目,跑步、游泳、赛艇以及越野滑雪等周期性耐力项目的动作结构较为单一、负荷监控较为简单,更容易进行量化记录和分析,因此,训练强度分布的研究主要集中于以上项目。由于精英运动员已达到较高的体能水平,在其日常训练中加入其他额外训练内容不仅不会提高运动表现,反而会引起过度训练[6];加之精英运动员的比赛频率较高,对其进行实验干预较为困难,因此,早期关于训练强度分布的研究多以回顾性(retrospective)跟踪调查为主,前瞻性的准实验和实验干预类研究较少。
训练强度分布是负荷强度的延伸与拓展,训练强度或负荷强度作为运动负荷的重要构件,有必要对其上位概念运动负荷进行介绍。运动负荷又称训练负荷(“training load”或“work load”),是贯穿运动训练过程的主线和提升运动表现的关键,同时也是近些年竞技训练领域的研究热点,它一般指各种练习施加于运动员机体生理和心理训练刺激的总和[3]。训练强度分布又称训练负荷模式或训练负荷强度分布,它一般指运动员在某一训练时期内(数日、数周、数月或年度)不同负荷强度运动时间的比例结构或不同负荷强度的训练量占总负荷量的百分比,它首次将负荷强度和训练时间统一在运动负荷的框架之内[2,7,13]。训练强度分布的强度评价通常包括以速度和功率为代表的运动学强度,以心率、血乳酸、通气阈(ventilatory threshold,VT)或摄氧量为代表的生理学强度以及以自我疲劳感觉度为代表的心理学强度[1,8]。周期性耐力项目运动量或负荷量的评价指标主要包括课次训练量、日训练量、周训练量、年训练量以及总训练量等[1]。从基本类型划分来说,训练强度分布主要包括高量低强度模式(high-volume low-intensity training,HVLIT)、高强度模式(high intensity training,HIT)、乳酸阈模式(threshold training model,THR)、金字塔模式(pyramidal training model,PYR)、两极化模式(polarized training model,POL)、反极化模式(inverse polarized training model,IPOL)、反金字塔模式(inverse pyramidal training model,IPYR)和平化型模式(even equal uniform,EEU)等多种类别[6,9-12]。经过近百年的发展,乳酸阈模式(又称阈值模式或集中模式)、金字塔模式和两极化模式(又称极化模式)的学术关注度较高,实践应用范围较为广泛,以上三种训练模式凭借其各自功效与适用范围(见表1),互为补充,逐步成为该领域研究的经典代表[9,13-14]。从运动形式和训练分区划分而言,周期性耐力项目运动员总训练时间主要包括力量训练、耐力训练和速度训练三种训练形式(training forms,TF),其中依据训练时长和负荷强度可以进一步划分为3 个强度区间(3-zone)、4 个强度区间(4-zone)、5 个强度区间(5-zone)甚至是7 个强度区间等多种类型[15-17]。5 个强度区间(5-zone)中1-2 区间为低强度训练区间(low intensity training,LIT),3-5 区间为高强度训练区间(high intensity training,HIT);5 个强度区间的训练强度分布更为细致,负荷调控更为精准,因而适用于有经验的高水平运动员。3个强度区间(3-zone)包括低强度训练区间(LIT)、中等强度训练区间(moderate intensity training,MIT)和高强度训练区间(HIT),该类型划分更为直观、简洁(绿、黄和红色区间),因而适合青少年运动员或业余水平(recreational athletes)的耐力运动员。从能量代谢的视角来说,低强度训练区间(LIT)是指低于第一通气阈(VT1)的区域,其能量供应主要来自有氧供能系统;中等强度训练区间(MIT)是指介于第一通气阈(VT1)和第二通气阈(VT2)之间的区域,其供能来源主要是有氧供能系统和糖酵解系统;高强度训练区间(HIT)是指高于第二通气阈(VT2)的区域,其能量供应主要来自糖酵解供能系统和磷酸原供能系统,能源物质主要是糖类[1,13,18-19]。
表1 三种常见耐力训练强度分布模式的特征
(续表1)
如上所述,训练强度分布的研究离不开负荷监控与训练强度划分。早期耐力项目的心率监控主要通过脉搏、主观体力感觉的方式进行,如过去教练员通常采用调查问卷、训练日记、生理监测或教育学观察等手段观察运动员的训练反应[20]。当时学者们将耐力训练强度分布的研究分为轻松(easy)、中等(moderate)和困难(hard)三种强度,并将150 次/min 作为轻松和中等强度的分界线,将175 次/min 作为中等强度和困难的分界线。较低心率强度(150 次/min)与2 mmol/L 的血乳酸浓度密切相关,以此强度进行运动时人体主要进行有氧代谢,因此,将150 次/min 作为有氧训练或轻松(easy)训练的心率上限。高强度或困难(hard)强度(177 次/min)与4 mmol/L 的血乳酸浓度密切相关,机体以此强度运动30~60 min 血乳酸水平可保持相对稳定。随着可穿戴设备的发展和普及,可以采用遥测心率的方式进行实时监控,通过将心率数据进行储存,后续可以进行回放和分析。Polar表和训练强度及体能恢复评估系统(Firstbeat)是当前训练实践中较为常用的两款心率监控设备,在训练强度分布研究的训练监控与负荷统计方面发挥着重要作用。
综上所述,本部分从起源发展、概念释义、基本类型、负荷特征、优势与局限以及适用范围等方面对训练强度分布进行了详细介绍,每一种训练强度分布模式均有其优势与局限,实践中应秉持因人、因项、因阶段而异的原则灵活应用[21]。如Seiler 等[4-5]认为耐力项目高水平运动员长期进行“乳酸阈强度”或“混氧强度”的训练会导致交感神经出现过度疲劳,机体不能产生最佳应激,这与Foster 等[22]提出的训练单一化会增加训练适应不利的风险相一致。两极化模式以低强度训练和多样化的训练为主,不同强度的训练节奏分明,在低强度的背景下配合以少量短时的高强度间歇训练(high intensity interval training,HIIT),有利于突出强度的训练[14],进而诱导相关基因的表达和相关信号通路的传导,改善线粒体的生物合成,从而提高三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的供给[23]。高强度耐力训练可以动员更多的Ⅱ型肌纤维参与工作,增强心血管和呼吸系统功能并提高将氧气输送到骨骼肌的能力,但负荷“变异率”增加的同时,可能导致伤病率升高[24]。
由于训练强度分布模式的相关研究尤其是实验干预研究涉及注册建档、心率采集、数据上传、截取标准以及统计分析等多项工作,实验过程和操作细节较为繁杂、工作量较大,目前学术界对上述问题缺乏系统全面的介绍,因此,有必要对其方法学问题进行归纳总结[25]。
2.1.1 注册建档与群组建立
以Polar 表为例,首先通过Polar Flow 界面(网址为https://flow.polar.com/)采集运动员的姓名、年龄、性别和邮箱等人口统计学信息进行注册建档,依据队伍训练计划设定好相应的运动内容(如室内跑步、室内划船、力量训练等百余种),通过注册邮箱进行账号激活(30天内);随后教练员通过Polar Coach 界面把运动员拉入自己的训练群组,通过每日心率数据的上传,教练员可以分析每名运动员的日报告、月报告和年报告等训练信息,包含运动时间、运动距离、最大步速、平均步速、平均步频、最大心率、最小心率、平均心率、心率变异性(heart rate variability,HRV)和能量消耗等多种信息。
2.1.2 设备佩戴与数据上传
如前所述,Polar 表和训练强度及体能恢复评估系统(Firstbeat)是当前市面上常用的两款心率监控设备,其中Firstbeat 主要应用于室内团体运动的训练监控,监控范围较小、信号不稳定,因此,实践中更多采用运动模式更为多元、监控范围更广、信号传导更为稳定的Polar 表进行心率监控。以胸带式心率带为例,Polar 表心率监控设备共包含心率带和运动手表两部分,运动手表依据个人习惯,按照普通手表的佩戴方法进行操作即可;随后将心率带绕过胸部,心率传感器佩戴位置一般位于胸部肌肉下方,传感器Polar 图标位于中央,顶端朝上,之后调整弹性带的长度至舒适状态;建议运动员到达训练场地后立即进行设备佩戴,先将运动手表匹配上当节课次的运动内容,随后进行5~10 min 的静息,其目的是反映机体上次训练课的恢复情况;运动员经过热身激活、正式训练和拉伸放松等一堂完整训练课后,在离开训练场前,停止运动记录并保存数据后再摘卸设备。
以最新款Polar Pacer 数据传输为例,首先在电脑上打开提前下载的Polar Flow 客户端,然后通过专门的数据线将运动手表与电脑相连接,连接成功和数据传输成功后运动手表会发出短暂的轻微震动,等待数据传输进程全部完成即可,正常情况下每日数据上传时间约为5 min左右。
2.1.3 建立统计标准与截取目标数据
当前竞技体育成绩愈加接近人类极限,对训练负荷进行精准把控和微调是获得运动表现历史性突破的必然选择[26]。在上述训练理念的驱动下,定期测试血乳酸值、通气阈值等生理指标并以此确定最佳训练负荷已成为精英耐力运动员的通行做法[27]。周期性耐力项目运动员通常佩戴便携式气体代谢分析仪和Polar表等可穿戴设备,采用专项性多级递增负荷测试确定运动员的个体乳酸阈(individual lactic acid threshold,ILAT)、通气阈(VT)、最大心率百分比(HRmax%),并以此确定中低高训练强度的分界点[28-29]。以ILAT 为例,当前实践中多以血乳酸浓度为2 mmol/L 或2.5 mmol/L作为中低训练强度的分界点,并以此强度对应的功率作为P2 功或P2.5 功,以此强度对应的心率作为H2 心率或H2.5 心率;以血乳酸浓度为4 mmol/L 作为中高训练强度的分界点,并以此强度对应的功率作为P4 功,以此强度对应的心率作为H4 心率;4 mmol/L 乳酸阈的生理学基础来自跑步运动中所测得的最大乳酸稳态(maximal lactate steady state,MLSS);根据受试者3个强度区间的累计训练时间进行量化并以此确定各自的训练模式。需要注意的是,在应用于周期性耐力项目之前需要对多级测试方法或乳酸阈的固定值进行修正并定期更新,从而制定出专项性、科学化的训练强度区间[30]。
在确定了训练强度分布的统计标准后,便可以对训练强度分布进行量化统计,该流程是决定统计结果最为关键的部分。目前实践中常用的训练强度分布统计方法包括强度区间累计时间法(time in zone,TIZ)、课次目标心率法(session goal,SG)、跟踪记录法(documentation)、训练日记分析法(diary)和课次主观疲劳法(session RPE)等,每种统计方法均有各自的功效与适用范围(见表2)。与回顾性跟踪调查不同,前瞻性实验干预类研究应提前设定一个预期的训练强度分布比例,并随时进行调整,从而较为精确地达到预定的训练模式。受运动形式、运动水平以及年龄等主客观因素的影响,既往研究在制定TID 方案时出现了偏差。此外,由于不同研究所采用量化TID 的指标(摄氧量、心率和跑速等)不同,同一训练所得出的TID 也会不同[1,31-34]。当前周期性耐力项目训练实践中最为常用的是依据相应的强度分区标准对训练过程中的原始心率数据进行时间统计,即强度区间累计时间法(TIZ)[19]。TIZ 方法最早由Bannister 等[35]提出,当时主要依据训练期间的平均心率和持续时间评估训练状态[36]。TIZ 方法的优势是可以通过心血管系统反映机体疲劳、恢复以及生理适应等整体状态,从而更为直观地调整训练计划。当然TIZ方法也存在局限,如随着运动时间的持续,机体会逐渐产生疲劳,在此情况下继续以恒定速度或功率进行运动会使心率发生变化,运动强度也会随之改变,最终导致训练效果发生变化。此外,TIZ 方法的过程性统计会将练习间歇时的较低训练状态数值纳入,加之生理惰性的影响,人体通常需要在1 min 甚至更长时间才能使心率达到Z3,TIZ 方法对低强度区间(Z1)的记录较多,对高强度区间(Z3)的记录较少。
表2 训练强度分布常见负荷统计方法的基本特征
数理科学与运动科学的交叉融合背景下,量化负荷、精准剂量化负荷成为竞技训练领域的主流趋势,因此,有必要对训练监控较为精准客观、可信度高的强度区间累计时间法(TIZ)的数据统计标准进行介绍。心率数据上传后,教练员登录Polar Coach 界面的训练报告窗口对受试者心率设备上传的每次训练课数据分别进行统计处理,时间设为自选周期,心率区的数据即为训练强度分布情况;当前Polar Coach 系统界面显示5个强度区间(5-zone),其中红色与黄色区间对应高强度(HIT)区间,绿色区间对应中强度(MIT)区间,蓝色与灰色区间对应低强度(LIT)区间。通常一次完整训练课可划分为热身活动(warm up)、正式训练课和放松活动(cool down)三个部分;当把热身环节和放松环节纳入统计范围时,TIZ 统计方法则会高估Z1 的时间占比[34]。
2.2.1 特殊人群与特殊时机
第一,部分人群如易出汗体质人群,在测试过程中需注意提前备好毛巾或纸巾擦拭汗液,在条件允许的情况下,增加易出汗人群心率带的更换频率。第二,体形身材较瘦人群尤其是部分青少年运动员,其体型较为瘦小,心率带调至最紧仍然松动,导致信号传输不稳定,容易丢失部分心率数据;此时可采用垫毛巾或用夹子固定的方法加以解决。第三,秋冬季节皮肤较为干燥,心率带佩戴前为增加电极区域与皮肤的接触面积,一般会涂抹少量水或用医用酒精擦拭。第四,夏季人体运动出汗较多,在保证每次训练课结束用医用酒精湿巾擦拭的前提下,适当增加心率带的清洗频率。需要注意的是心率传感器使用软毛巾或酒精湿巾擦拭即可,弹性带可以用清水冲洗。第五,为强化心率带卫生条件的维护,应提醒运动员依据个人尺码选择适合个人专属的心率带并牢记编号,做到一人一带。此外,为减少每次设备配对的时间,建议将运动手表和心率带统一进行单独收纳(如使用塑封袋),并做好标记以便于提高佩戴效率。
2.2.2 紧急或突发情况
第一,运动员在特殊情况下未佩戴心率带或数据采集出现异常导致部分心率数据丢失时,可依据教练员的训练日志作为参考样本统计训练数据。第二,电池的更换问题,新款Polar 运动手表的电池电量较为充足,标准训练模式可持续30 小时,日常待机则可持续5天,且可以通过屏幕实时显示电量,而腕式Polar 运动手表无法实时显示心率带传感器中纽扣电池的电量,因此,应提前备好与心率监控设备相匹配的纽扣电池,以备随时随地更换。第三,需注意测试中心率监控设备因运动员操作不当、设备故障等原因导致的信号丢失问题,以及服装的静电、带钢圈文胸等外部因素对心率信号传导和接收产生的干扰[37]。第四,实践中强度区间累计时间法(TIZ)常以周为单位,统计所有运动员不同强度训练区间的平均时间,最后按照实验周期内各个强度训练区间的平均时间计算训练强度分布。因此,如果运动员本周内缺少1 次及以上完整训练课,则删除此运动员该周数据[38]。
综上所述,由于训练强度分布的实验研究涉及众多方法学因素的影响,因此训练强度分布必须遵循基于科学证据的方法学建议。本部分通过梳理国内外相关文献并结合前期实践经验,从实验流程、操作细节以及特殊情况下的方法学策略等方面对训练强度的实验研究进行了较为详细的梳理与介绍,旨在为本领域教练员和科研人员提供实操指南。
在运动科学领域,任何训练方法或训练模式的应用都有其适用范围、优势与局限、禁忌事项与剂量效应等方法学问题,尽管本文基于训练强度分布的相关文献并结合实践经验给出了诸多方法学建议,但与高强度间歇运动(high-intensity interval training,HIIT)、冲刺间歇运动(sprint interval training,SIT)和中等强度持续训练(moderate-intensity continuous training,MICT)等传统训练方法相比,训练强度分布理论基础仍较为薄弱、方法学应用尚未成熟,学术界关于不同训练强度分布还有诸多有待解决的问题,后期需要学者们开展更多的实践应用和科学研究,为该领域补充更具科学性和解释力的理论支持。
1)不同训练强度分布的负荷特征、适用阶段以及优点与局限等训练学问题尚未明晰,如不同训练负荷模式发展专项竞技运动表现的最佳干预周期等基础理论问题尚未形成共识。
2)目前训练强度分布的研究主要集中于竞技体育领域,尤其是中长跑、越野滑雪、赛艇、铁人三项和自行车等周期性耐力项目,以无训练经验人群和青少年为受试对象的研究较少,其是否可以应用以及如何应用于无训练经验人群和青少年尚需进一步研究。
3)当前训练强度分布的研究多以专项训练内容(以项目本身对应的运动方式进行的训练,如赛艇测功仪训练或水上划船训练)的运动负荷进行统计,不同运动项目力量、耐力、速度等训练内容的截取范围以及统计方法等方面尚无统一定论。
4)不同训练强度分布的运动依从性、运动损伤、长期训练效应问题,如高强度训练可在短时间内明显提高耐力水平,但产生的适应不稳定,低强度的训练负荷提升效果虽较为缓慢但生理刺激较小且过程更为稳定,因此,不同训练强度分布模式的长期训练效应仍有待进一步探索。
5)不同训练强度分布模式的安全性问题,如两极化模式低强度训练(LIT)和高强度训练(HIT)的频繁切换使负荷“变异率”或“变异度”(varying degrees,VD)增加,从而导致伤病率升高[39]。
1)设计、实施不同训练负荷模式的实验干预研究时要考虑心率表等仪器设备的数量配备与使用方法、运动员的人文关怀以及教练员的协调配合等问题。如不同个体的最大心率差异较大,因此,在实验条件允许下,应尽量避免采用最大心率的理论推导公式进行推算。此外,实践中心率监控设备数量不足时,应依据运动成绩居中、依从性高、伤病少等因素选取少数运动员的心率数据作为“主要参考样本”。
2)应明确不同训练强度分布模式所适用的训练阶段,如两极化模式多用于赛前训练阶段,同时它的出现在一定程度上颠覆了“大运动量、长时间、高RPE、大汗淋漓”等传统耐力训练理念,更加突出大量基础有氧与少量高强度相结合的训练理念。
3)鉴于周期性耐力项目训练实践中愈发强调基础有氧的作用[10],极化模式中Z1 训练比例应控制在70%~90%,其原因可能是低强度训练时机体主要以有氧供能为主,这与此类项目的以有氧供能为主的能量供应比例特征相吻合[1]。由于不同周期性耐力项目在运动方式、发力模式和供能比例上存在较大差异,现有研究Z2 和Z3 比例之和在7%~32%,Z2 和Z3 的比例如何分配以及业余运动员的最佳训练模式应因人、因项目、因阶段而异,避免机械地应用2 mmol/L和4 mmol/L[40]。
4)为了使机体在低强度训练时神经肌肉激活程度、肌纤维募集以及能量储存和利用达到最优化,实践中Z1心率强度应尽量保持在65%~70%左右。其原因可能是Z1 心率过低对心肺机能刺激较小,神经肌肉激活程度较低、肌纤维募集速度较慢、募集范围较小;Z1心率较高则不利于储存和利用能量,对运动恢复不利。此外,为了给机体更为强烈的刺激,增加低中高负荷的变异度,两极化模式中高强度训练(Z3)期间的休息方式应为中等强度(Z2)的积极性休息。
5)训练强度分布的研究源于国外多年训练跟踪回顾的调查研究,它仅是从众多耐力训练实践中归纳总结出来的、较为抽象的理论模型,考虑到跑步、游泳、赛艇以及越野滑雪等周期性耐力项目的专项动作模式(如发力顺序、动员肌群和能量供应比例)、生物学适应特征(心肺适应与骨骼肌适应)、训练组织形式(运动水平、训练阶段)和赛道界质(水、陆、冰、雪)等方面存在较大差异,目前很难给出一个具有普适性、最优化的训练强度分布模式。此外,训练强度区间是一个灵活的动态区间,它是依据乳酸阈和通气阈来确定的负荷强度区间,由于机体每日的乳酸阈水平受疲劳恢复、膳食营养以及情绪波动等训练状态的影响,加之个体乳酸阈水平(individual lactic acid threshold,ILAT)的可训练性较高,因此,实际功率或心率与预设目标可能存在小幅偏差,建议训练中参照功率、配速以及心率等指标进行综合考量。
训练强度分布是继负荷结构、统计、评价与监控之后的又一研究热点,它的出现拓宽了运动负荷研究的视角。本文从周期性耐力项目训练强度分布的起源发展、概念界定、基本类型、负荷特征以及应用方法学因素等方面进行了系统介绍。当下量化训练、个性化训练和数字化训练成为运动训练的主流发展趋势,借助Polar心率表、训练强度及体能恢复评估系统(Firstbeat)等便携式可穿戴设备以及大数据、机器学习等新兴数字化和智能化理论和技术,以训练强度分布为主题的研究,未来在运动训练尤其是耐力训练中将发挥越来越重要的作用。
训练强度分布是实现耐力训练科学化的关键途径和重要推动力,相关科学研究和实践应用领域应对其给予更多的关注。建议后续研究从不同项目、不同专项以及不同年龄等方面的实验干预着手,既可从方法学层面对比分析不同负荷统计方法的效果,也可借助气体代谢分析仪、肺功能仪和肌氧仪等仪器设备以及蛋白质组学、基因组学和代谢组学等先进技术手段,从摄取氧、运输氧和利用氧的视角,多层次、宽领域探讨不同训练负荷模式的生理适应特征和相关分子代谢的应答机制,从而为我国周期性耐力项目的奥运备战与科学训练提供理论支持。