0　引言

运动负荷又称生理负荷，主要包括运动量和运动强度两个方面。运动负荷评估在日常生活中具有评价人的心肺功能，指导、纠正人群的运动习惯等重要作用。而目前运动负荷评估主要包括生理指标评估和生化指标评估两个方面，生理指标评估仅仅通过心率、血压、最大摄氧量、摄氧量储备等参数来进行，生化指标则通过对血乳酸、尿蛋白等生理参数进行评测。单一的生理参数和相对大型的仪器设备给基于这些指标的运动负荷评估造成了一定困难，且生化指标的测量还具有滞后性。

从运动生理学角度来说，人在运动后之所以会感到疲劳，是因为人的氧摄取量不能达到相应能量代谢的需求，从而造成了运动后过量氧耗(excess post-exercise oxygen consumption，EPOC)[1]的出现。现有研究表明，有氧运动造成的EPOC与运动持续时间、运动强度有关，在运动过程中以及运动后，人体对氧的摄取量增大。而氧摄取量既与心率有关，亦与每搏输出量有关，因此，仅使用心率、血压等参数对人的运动负荷进行评估是片面的。

最大摄氧量法则是评估运动负荷较为科学的方法。研究表明，运动强度越大，人的摄氧量也就越大。以最大摄氧量的百分比表示相应的运动强度，可以反映出心肺和血管运输氧气到各组织器官的能力，以及运动当中机体消耗氧的机械效率。意大利Cosmed公司生产的K4b2心肺功能测试仪，依据最大摄氧量法对能量消耗进行测量，被认为是运动负荷评估的金标准。然而，通过该方法获得运动负荷评估需要较为复杂的器械方能完成。

本文旨在通过光电容积脉搏波这一较为便捷的方式，将脉搏波测定运动负荷的评估方式与通过最大摄氧量法获得的能量消耗E值进行结果对比，从而总结出一套通过脉搏波测定运动负荷的方法。

目前，盐碱地改良探索实践了流转企业的新型经营合作模式，为农企双赢提供了有力保障。科研院校初步筛选和试验了一批具有较好耐盐碱性的牧草、粮经作物、绿肥等优良新品种。优选了一批生物型、化学型的复合生态改良剂与调理制剂，暗管排盐、上膜下秸、节水灌溉等关键技术研发初见成效。项目实施企业试验示范地块的牧草、食葵、水稻等作物在轻、中度盐碱地上长势良好，对比试验效果显著。盐碱地水产养殖、地下水抽咸换淡、油菜覆膜播种等特色技术的试验工作进展顺利。

1　方法

1.1　实验方法

1.1.1　指夹式光电容积脉搏波传感器

本文中采用的脉搏波波形检测仪器为指夹式光电容积脉搏波传感器，采用红外线透射式指夹来检测被试手指末梢血管的血容积变化[图1(a)]，其脉搏波信号的采样频率为2 000 Hz，通过放大、调理、AD等电路将实时的血容积变化信号转换成数字信号，并通过蓝牙设备传送到手机专用App上[图1(b)]，该App具有实时显示、存储脉搏波波形的功能，可供实验后对脉搏波相关数据进行后续的处理。

图1　指夹式光电脉搏波传感器组件 Figure 1　Elements of the finger-type photoelectric pulse wave sensor

脉搏波是由心脏的搏动沿动脉血管和血流向外周传播形成，其收缩期的上升坡度与人体心脏的每搏输出量、血管外周阻力呈相关关系，因此，当人体运动负荷增加时，人体的耗氧量增加，心脏的每搏输出量与血管外周阻力都会相应地发生变化，心率加快，从而导致脉搏波的周期变短，脉搏波的收缩期面积和舒张期面积也会相应地发生一些变化[2-4]。本研究欲在人体运动负荷增加后的脉搏波波形变化与能量消耗E之间寻找一定的相关关系，通过该相关关系使用脉搏波对能量消耗进行评测，从而建立基于脉搏波波形的运动负荷评估模型。

1.1.2　最大耗氧量测定——K4b2心肺功能测试仪

本实验的对照标准为意大利Cosmed公司生产的K4b2心肺功能测试仪，它采用间接测热法对所消耗的能量进行测量，其原理为使用其内置的快速热敏传感分析器，双向数字流速感应器对所流经的气体的浓度、体积进行测量，从而获得受试者每一次呼吸所产生的氧气消耗量Ou(单位:L)、二氧化碳产生量Op(单位:L)，最后使用Weir公式[5][公式(1)]计算出单位时间内受试者的能量消耗E(kcal)(1 kcal=4.18 kJ)。

E=3.9Ou+1.1Op

(1)

K4b2心肺功能测试仪测试部分的组成包括:硅胶面罩、便携式测试仪(包括采样泵、气压传感器、氧气和二氧化碳分析器)、接收器、背带、头套和电池(图1)，该系统使用遥感技术对受试者呼吸时的气体进行实时监测，遥测距离为800 m(无障碍物的情况下)。该系统得到的参数包括:呼吸频率、潮气量、通气量、消耗氧气量、呼出二氧化碳量、呼吸商、每天的能量消耗E等。实验开始前，需先将K4b2心肺功能测试仪常温下预热45 min，预热过程中需要使用Cosmed K4b2软件和K4b2便携式测量仪对系统进行校正。校正完成后，向受试者介绍实验目的、实验要求及实验过程中应注意的问题，让受试者先熟悉测试环境，通过短时间的练习达到实验中对运动姿势和速度等的要求。之后，使用K4b2心肺功能测试仪对受试者进行测试。根据实验目的，在使用其配套软件对受试者进行测试时，对每一名受试者建立新的数据档案，选择GasBxB/遥感模式对受试者进行测量[图2(b)]。在该模式下，受试者每一次呼吸均产生一次数据记录，可满足本实验的测量需求。

1.2.3　线性回归方法

图2　K4b2心肺功能测试仪软硬件系统 Figure 2　Software and hardware system of K4b2 pulmonary function equipment

对应受试者由静息状态到功率车运动状态下由K4b2心肺功能测试仪所测的能量消耗E变化[图7(a)为每秒消耗的能量，(b)则为时间从0 s开始消耗的总能量]，可以发现总能量消耗E在静息状态(0～360 s)和功率车(440～790 s)运动状态下(360～440 s为中间状态转换过程)均与时间具有一定的线性关系，且总能量消耗E对时间的斜率在功率车运动状态下比静息状态下更大。而根据本文所述，光电脉搏波波形幅值变化是与血容量相关的[9-15]，而血容量的变化对应血液运输的氧气变化，即耗氧量的变化，而耗氧量与能量消耗E又有着直接的关系。由2.2节所得实验结果，在静息状态与功率车运动状态下，脉搏波波形幅值对时间的积分J与时间t亦有着相应的线性关系,且功率车运动状态下其最佳拟合直线的斜率大于静息状态下的斜率。故而，将通过静息状态下与功率车运动状态下光电容积脉搏波波形幅值对时间的积分J与能量消耗E之间的关系来对本文一开始提出的使用脉搏波波形进行运动评估的问题进行探索。

实验分为静息状态下的实验测量和功率车运动状态下的实验测量两部分。这两部分的脉搏波以及能量消耗E测量时间皆为6 min。静息状态下，受试者同时使用K4b2心肺功能测试仪和指压式光电脉搏波采集系统进行能耗和脉搏波波形的采集。参考Tsushima等[6]使用的功率自行车实验，该实验是一种单一负荷实验，总共持续6 min，其蹬车频率为50周/min，调整适宜的强度以使受试者的心率增大直至达到平台期(正常人心率达到100～170次/min且不再增加时，该数字因人而异)，取其平均值。采用上述光电容积脉搏波传感器跟踪测量脉搏波波形，采集相对应时间段的脉搏波波形进行处理，同时使用K4b2运动心肺测试系统对受试者同一时刻的能量消耗E进行同步跟踪检测。本实验采集了32名18～60岁健康者的脉搏波及能量消耗数据。

王洪学：PHA可降解农膜克服了传统不可降解材料的弊端，具有比较明显的优势。第一，材料的加工性能大幅提升。在工业级地膜生产设备上可制造出6微米以下的地膜，薄膜厚度最薄达到3微米左右。第二，地膜的综合材料性能大幅提升，同时实现高强度和高韧性，拉伸强度超过35MPa，断裂伸长率超过670%，满足机械铺膜要求。第三，地膜的使用寿命可根据作物的生长需求调节，可满足不同气候条件、不同作物的需要。第四，完全符合生物降解要求，相对生物分解率高。第五，材料成本较现有生物降解地膜降低40%左右，单位面积农田的覆膜用量有所减少，可节省农民购买地膜开支和回收地膜的用工成本。

1.2　脉搏波信号处理及特征提取

1.2.1　脉搏波信号处理

在功率车运动状态下，能量消耗与脉搏波幅值对时间的积分的最佳拟合直线斜率k1大于在静息状态下其最佳拟合直线斜率k2，并且二者之间呈现一定的比例关系。而运动状态下，较之于静息状态，人体的能量消耗增加，组织器官的耗氧量随之增加，心脏向外周血管提供的血氧量也随之增加，即总输出量也随之增加。因此，k1与k2之间的关系符合现有生理规律认知。

Wn(t)=W(t)/As

(2)

式中:W(t)为脉搏波随时间变化的实时观察值；As为静息状态下所测脉搏波主波峰值的平均值；Wn(t)是脉搏波归一化后随时间变化的观察值。

1.2.2　脉搏波信号的特征

本文中提取的脉搏波信号的特征主要包括:脉搏波周期T、主波峰值Am、脉搏波面积S以及脉搏波幅值对时间的积分A(t)(图3)。脉搏波是由于心脏搏动而向动脉及外周血管射血而形成，其一个周期为脉搏波一次搏动所需要的时间。由于外周血管对脉搏波的反射，其波形中除主波外，还可以观察到1～2次的重搏波，如图3所示。脉搏波在心脏向外周血管射血的过程中，其波形幅值增长速度较快，其在一个周期内首次达到的峰值为主波的峰值Am。在一个周期内，脉搏波幅值对于时间的积分为脉搏波的面积S。而在任意一段时间t内，所有脉搏波幅值对于这段时间的积分为脉搏波幅值对时间的积分A(t)。本文将对能量消耗E与脉搏波上述特征之间的关系进行探讨。

图3　脉搏波特征示意图 Figure 3　Schematic plot of features of pulse waveform

谢婉娇看到的李兰芬总是时时为家人考虑，用多一点付出、多一点忍耐塑造着和谐的家庭氛围。“她特别害怕家里面有不和睦的事情，一坐下来就会和张伦说，希望他每天都平安、和善。”

提取相关脉搏波特征后，可以得到受试者在静息状态与功率车运动状态下这些特征与时间的关系，而从K4b2运动心肺功能测试仪的存储数据中则可以得到受试者在相应状态下能量消耗E值与时间的关系。分析二者随时间的变化，可以提取出与能量消耗E值具有相关关系的特征量。之后，采用线性回归的方法对二者之间的关系进行进一步的分析。

2　实验结果与分析

2.1　归一化结果

受试者在静息状态和功率车运动状态下，其脉搏波面积亦会发生相应的变化(图6)。根据数据处理结果，32名受试者的脉搏波面积，静息状态下为0.57±0.09，而在功率车运动状态下为0.48±0.18。由此可知，在功率车运动状态下受试者的脉搏波面积平均值较静息状态下有所减小，标准差则增大。

图4　脉搏波波形 Figure 4　Pulse waveform

2.2　脉搏波信号特征与时间的关系

观察功率车运动状态下受试者的脉搏波(图5)，可以发现其脉搏波频率明显较静息状态下的脉搏波频率增加，而对于脉搏波波形而言，其主波峰值的稳定性随时间、运动强度变化大大下降，但基本稳定在0.8～1.2之间，而重搏波波形则由于心脏在功率车运动状态下对组织器官输血量的增大而变得不稳定。

图5　受试者脉搏波波形 Figure 5　The pulse waveform of the subjects

本实验存储的脉搏波数据使用Matlab R2013a进行后续处理，根据脉搏波的形态学特征，可获得归一化后的各脉搏波主波峰值点、各脉搏波的起始点。取完点后，根据脉搏波周期T、主波峰值Am、脉搏波面积S的定义可以计算出脉搏波波形随时间的变化图，以方便下一步的分析。其中，脉搏波周期的单位为s，主波峰值Am和脉搏波面积S都是没有量纲的变量。

32名受试者在静息状态下的脉搏波周期为0.72 s±0.12 s(正常人静息状态下心率为60～100次/min，即心动周期为0.6～1s之间，而脉搏波周期与心动周期应是匹配的)；功率车运动状态下的脉搏波周期为(0.61±0.22)s，如图6所示。由此得出，功率车运动状态下，受试者的脉搏波周期变小，标准差变大。

比较受试者在静息状态和功率车运动状态下脉搏波的变化，脉搏波周期平均值在功率车运动状态下较静息状态有所降低。脉搏波主波峰值和脉搏波面积的平均值均较静息状态有所降低。此外，三者的标准差均增大。静息状态和功率车运动状态下受试者的脉搏波波形变化规律，也符合对脉搏波的已有认识[7-8]。由于脉搏波周期与人的心率直接相关，而脉搏波主波峰值和脉搏波面积则与心脏向外周血管输出的血氧量相关，即与人的每搏输出量相关，因此可以得出，在功率车运动状态下，人由于运动需要通过心脏向外周血管运输更多的血氧，然而，每次心脏向外输出血氧时血氧量并未显著增加，即脉搏波的主波峰值和脉搏波面积并不会显著增加，而脉搏波周期会显著减小。而对于受试者脉搏波幅值对时间的积分这一特征而言，在静息状态和功率车运动状态下皆与时间具有较好的线性关系，且在功率车运动状态下，该斜率的值更大。

目前，矮小症主要通过注射生长激素来治疗，生长激素是垂体前叶分泌的一种蛋白质，是人出生后促进生长的最主要激素，刺激儿童骨骺软骨细胞的分化、增殖、长骨生长，使人体长高，同时调节物质代谢和能量平衡。基因重组人生长激素虽然是“外援”，但化学结构和人自然分泌的完全一样。更重要的是，它是美国食品和药物管理局（FDA）批准的促进儿童身高增长的唯一安全有效的药物，对各种生长发育迟缓均有较确切的疗效，同时不会促进骨骺愈合和性发育提前。

分析最终的脉搏波波形，在经过归一化后，脉搏波波形并不会发生改变(图4)，而随着受试者运动负荷的增加，其脉搏波波形却会发生明显的变化(图5)。在功率车运动状态下，由于受试者的脉搏波频率、振幅均会发生变化，故而在功率车运动状态下，亦选择静息状态下受试者脉搏波主波峰值的平均值作为归一化的标准。

分析脉搏波幅值对时间的积分与时间之间的关系，如图6所示，可以看出在静息状态和功率车运动状态下，两者具有较好的线性关系。相同时间内，静息状态下脉搏波幅值对时间的积分与时间的最佳拟合直线斜率为0.78，运动状态下该值为0.84。

对于脉搏波主波峰值这个特征而言，将存储的脉搏波数据经过归一化处理后，取受试者6 min静息状态下主波峰值的平均值作为归一化参数，其标准差为0.06；而在功率车运动状态下，主波峰值为0.95±0.09；由此可见(图6)，在功率车运动状态下，主波峰值的平均值有所下降，标准差变得更大，因此，在该状态下，脉搏波的稳定性较静息状态变差，但主波峰值的范围依然在0.8～1.2之间。

2.3　脉搏波波形幅值对时间的积分J与能量消耗E之间的关系

1.1.3　测量方法

图6　脉搏波信号特征/时间散点图 Figure 6　The pulse waveform signal features/time scatter diagram

图7　K4b2心肺功能测试仪所测消耗能量变化 Figure 7　Energy variation of the K4b2 pulmonary function equipment

同一时间内，以脉搏波波形幅值对时间的积分J为自变量，能量消耗E为因变量，对二者之间的关系进行分析。实验结果显示，静息状态下，脉搏波波形幅值对时间的积分J与能量消耗E呈线性关系，而对每个人而言，这种线性关系的斜率是不相同的。其原因是不同的人由于其基础代谢率不同，静息状态下的基础能耗也不同。受试者的数据中两者相关性均达到0.992 0以上。图8所示为两种状态下两者之间的关系及其线性拟合直线。随着时间变化，两者具有较好的线性关系。相同时间内，静息状态下脉搏波幅值对时间的积分与时间的最佳拟合直线斜率为0.78，功率自行车运动状态下该值为0.84。在功率自行车运动状态下，受试者脉搏波幅值对时间的积分随着时间的变化，其增幅比在静息状态下要大。因此，在后续的分析中，可以选择脉搏波幅值积分J作为能量消耗评估的特征。

图8　脉搏波波形幅值对时间的积分J与能量消耗E之间的关系及其拟合直线 Figure 8　Relationship between the integration on time for the pulse waveform area J and the energy consumption E and their optimum fitting straight lines

根据实验结果，脉搏波波形幅值对时间的积分J与能量消耗E亦为线性关系，受试者数据中两者相关性均达到0.994 7以上，如图8所示。

根据线性回归方法，32名受试者在功率车运动状态下，能量消耗E与脉搏波波形幅值对时间的积分J之间的最佳拟合直线斜率k1为10.40±3.11；而在静息状态下，其能量消耗E与脉搏波波形幅值对时间的积分J之间的最佳拟合直线斜率k2为4.80±1.29；两者比值k1/k2为2.21±0.68。其盒图如图9所示。

图9　受试者最佳拟合直线斜率盒图 Figure 9　Box diagram of the slopes for the optimum fitting straight lines of the subjects

能量消耗与耗氧量直接相关，而在氧气运输的生理过程中，脉搏波幅值对时间的积分实际上反映了血氧由心脏运输到外周血管的总量，即总输出量。根据实验结果，能量消耗与脉搏波幅值对时间的积分呈正相关的线性关系，也符合总输出量与能量消耗间存在的生理规律。

将指夹式光电脉搏波传感器所采集的脉搏波数据经过平滑、滤波，可获得脉搏波波形。为避免指夹式光电脉搏波传感器在测量过程中与受试者手指间接触的松紧问题等因素带来的误差，对所得到的脉搏波进行了归一化，即所获得的脉搏波数值须除以静息状态下6 min内所测得的脉搏波主波峰值的平均值，如下公式所示:

对k1和k1/k2，k2和k1/k2分别作F检验，设定置信度为5%，得到检验结果P值分别为4.21×10-14和7.63×10-6，即k1和k1/k2方差存在显著性差异，k2和k1/k2方差亦存在显著性差异。上述的统计结果说明，k1和k2的个体差异较大，但k1/k2的个体差异显著小于前两者，这为普适性的基于脉搏波波形特征的运动负荷评估方法提供了基础。

3　讨论与结论

随着人体在骑功率车过程中运动状态的改变，脉搏波波形也随之发生变化。静息状态下，脉搏波周期、主波峰值和脉搏波面积较为稳定；而在功率车运动状态下，脉搏波周期、主波峰值和脉搏波面积的平均值变小，标准差变大。

本文结合《中国学生发展核心素养》的理论框架和美国Georgette Yakman[13]教授的STEAM教育教学过程卡片，从STEAM课程、STEAM学习形式及STEAM核心三个特点出发，构建基于STEAM教育高中生发展核心素养策略模型，如图2所示。

较之于使用心率作为生理参数来计算人体的运动负荷，脉搏波法测量能量消耗避免了准动态带来的时间误差，比心率法更为全面地提供了能量消耗的评估指标。较之于大部分的生化指标评估(例如血乳酸的检测)、以及部分无法通过体表传感器测得的生理指标评估作为能量消耗的评估指标，脉搏波能量消耗法更为便利。不管是以生化指标和无法直接通过体表测得的生理指标作为能量消耗评估手段，均对检测该指标的医疗器械以及相关的操作人员的专业水平要求较高，不适用于日常生活中对运动负荷的实时检测需求。相对于使用摄氧量法(需要人体的氧气消耗量、二氧化碳产生量等参数，需要佩戴呼吸面罩)进行能量消耗的评估方法，脉搏波能量消耗法具有更高的实用价值。

5037 陈 燕，华 山 “沉浸式”对外汉语项目现状和存在问题———以美国路易斯安那州爱丽丝国际语言学校为

王姐说：段主任，就为了取颗假牙，开胸是不是有点儿太夸张了？段主任说：这颗牙早晚都得取，实在不行，你就得开胸。王姐说：别介呀，您这儿取不出，能不能另外再给推荐一家医院，没准他们有好办法呢。段主任便是一醒，说：两个月前，也有位气管异物患者来咱医院就诊，他掉气管里的好像是个钢笔帽，在咱医院没取出来，我给他们推荐到哈尔滨市第一医院去了，不知道取出来没有。王姐说：哈尔滨市第一医院要是不行呢？段主任说：哈尔滨市第一医院要是不行，省内任何一家都不行，那你们就只能去北京了。王姐说：您和他们那的医生有熟悉吗？段主任说：有熟悉的，两个月前，我还和第一医院呼吸科主任蒋利学院长在一个学术研讨会上见过面呢。

因此，使用光电容积脉搏波特征进行运动负荷评估，具有广阔前景和实用价值。

通过“美丽乡村”等一系列政策引导，政府把工作重点逐渐转移到乡村。以“江苏模式”为典型，江苏作为南方经济大省，新农村建设一直走在前列。“江苏模式的实质是国家权利主动介入乡村营建，通过大量专项资金的快速注入，在短期内改善人居环境，在一定程度上促进农村和谐社会的建设，并通过大量建设行动间接带动相关行业的发展”[7]。以政府为主导的乡建有利于统一人民思想、快速改善环境，但要注意避免因片面追求“任务和指标”，所导致的被动式的技术输出和粗放的模块化复制等问题。

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很快一个月过去了，当我把变卖废纸所得的56元钱高高举在孩子们面前时，大家一个个兴奋不已，甭提有多自豪了。

有的知识分子则看到了儿童在救亡工作中的潜力，认为应发挥儿童在抗战中的重要作用，使儿童从小直面抗战的现实，了解抗战，从而为长期抗战做好准备：“一方面可以使他们在救亡工作中学习成长和认识他们自己的能力和地位；一方面利用他们集体行动的伟大效果来影响大众，来教育成人，来巩固我们的抗日阵线”［19］。