基于關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘的大學(xué)生體育鍛煉行為 階段體質(zhì)健康知識(shí)發(fā)現(xiàn)

張崇林，王世香，王 卉，胡達(dá)道

（1.井岡山大學(xué)體育學(xué)院，江西，吉安 343009；2.井岡山大學(xué)體質(zhì)研究中心，江西，吉安 343009）

1983 年，Prochaska 和DiClemente 提出階段變化理論，認(rèn)為行為變化由變化階段、均衡決策、變化過(guò)程和自我效能(self-efficacy)等4個(gè)因素組成。將該理論應(yīng)用于體育鍛煉行為，認(rèn)為體育鍛煉行為變化經(jīng)歷了5 個(gè)階段，即前預(yù)期階段、預(yù)期階段、準(zhǔn)備階段、行動(dòng)階段和維持階段[1]。體育鍛煉行為的研究屬鍛煉心理學(xué)范疇[2]，就心理因素與體育鍛煉之間的內(nèi)在關(guān)系論，研究顯示，不同體育鍛煉行為階段，改變策略、決策平衡（正向、負(fù)向效應(yīng)）和自我效能4 個(gè)變量的均值均達(dá)顯著差異水平，說(shuō)明心理因素在體育鍛煉行為變化階段發(fā)揮的作用存在差異性[3]。

在信息高度發(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會(huì)，如何從海量數(shù)據(jù)中發(fā)掘有用的信息，傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法難以滿足需求。數(shù)據(jù)挖掘成為大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上知識(shí)發(fā)現(xiàn)的重要手段。關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘即在大數(shù)據(jù)中，通過(guò)設(shè)定關(guān)聯(lián)規(guī)則，挖掘數(shù)據(jù)集中關(guān)聯(lián)映射關(guān)系，發(fā)現(xiàn)知識(shí)[4]，更好地為決策支持服務(wù)。

大學(xué)生群體是未來(lái)國(guó)家建設(shè)的重要力量，其擁有豐富的鍛煉資源，但是自1985 年，大學(xué)生體質(zhì)健康持續(xù)下降[5]，引起域內(nèi)專家學(xué)者廣泛關(guān)注，解決大學(xué)生體質(zhì)健康問(wèn)題刻不容緩。本研究擬對(duì)大學(xué)生體育鍛煉行為進(jìn)行調(diào)查，同時(shí)測(cè)試大學(xué)生體質(zhì)，通過(guò)關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘，發(fā)現(xiàn)不同體育鍛煉行為大學(xué)生體質(zhì)健康關(guān)聯(lián)規(guī)則，為大學(xué)生體質(zhì)健康決策支持服務(wù)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

以學(xué)生自由選課形成的大學(xué)體育課上課班級(jí)為單位，從井岡山大學(xué)非體育專業(yè)抽取大一和大二女生651 人、男生557 人為研究對(duì)象，嚴(yán)格排除以下情況：（1）長(zhǎng)期服用改變體成分的藥物如治療內(nèi)分泌疾病和自身免疫性疾病的類固醇藥物；（2）消耗性疾病如癌癥或器官衰竭；（3）懷孕（女生）；（4）植入性電子醫(yī)療器械。

1.2 問(wèn)卷調(diào)查

在《國(guó)際體力活動(dòng)問(wèn)卷》(International Physical Activity Questionnaire,IPAQ)基礎(chǔ)上，增加問(wèn)題“您的體育鍛煉情況（體育課除外）”，備選答案為：A.近6 個(gè)月沒(méi)有鍛煉的想法；B.近3 個(gè)月有鍛煉計(jì)劃；C.近1 個(gè)月有鍛煉想法，并積極進(jìn)行裝備、器械準(zhǔn)備；D.我有進(jìn)行體育鍛煉。如果被試選擇D，則繼續(xù)填寫(xiě)表格，包括運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目、運(yùn)動(dòng)頻率、有每次持續(xù)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)自我感覺(jué)（調(diào)查運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度）、堅(jiān)持時(shí)間等問(wèn)題。在“堅(jiān)持時(shí)間”備選項(xiàng)分別為：A.小于1個(gè)月；B.1-3 個(gè)月；C.3-6 個(gè)月；D.大于6 個(gè)月。結(jié)合司琦等人[1]體育鍛煉行為階段劃分理論，對(duì)大學(xué)生體育鍛煉行為進(jìn)行調(diào)查。

1.3 體質(zhì)測(cè)試

體質(zhì)測(cè)試指標(biāo)及方法同課題組文章[6]。測(cè)試與問(wèn)卷調(diào)查同時(shí)進(jìn)行，于2017 年3-6 月在井岡山大學(xué)體質(zhì)研究中心完成，本研究得到井岡山大學(xué)醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，受試者測(cè)試前均簽署《知情同意書(shū)》。

1.4 關(guān)聯(lián)規(guī)則建模

用Clementine12.0 數(shù)據(jù)挖掘軟件，建立關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘模型。

1.4.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)成

每個(gè)測(cè)試對(duì)象確定唯一的標(biāo)識(shí)(TID)，則每個(gè)TID 含如下信息：體育鍛煉行為階段（1 字段）、性別(1 字段)、體質(zhì)測(cè)試指標(biāo)(11 字段。測(cè)試指標(biāo)中的身高、體重派生BMI，BMI=體重(kg)/身高（m）2，VO2max 和肺活量分別處以體重構(gòu)成相對(duì)VO2max和相對(duì)肺活量），構(gòu)成數(shù)據(jù)庫(kù)D。

1.4.2 數(shù)據(jù)字段規(guī)范化處理

Clementine12.0 數(shù)據(jù)挖掘軟件在建模時(shí)，要求對(duì)輸入變量與輸出變量的數(shù)據(jù)進(jìn)行類型一致化和無(wú)量綱化處理。關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘輸入字段的類型一般要求為數(shù)值型(number)，可按《國(guó)民體質(zhì)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)》[8-9]，實(shí)現(xiàn)了體質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)的數(shù)值化，即將測(cè)試結(jié)果按其優(yōu)劣取5、4、3、2、1 得分即可；在關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘時(shí)，要求設(shè)置的輸出字段的類型為字符型( string)，即將輸出字段“體育鍛煉行為”按“前預(yù)期階段、預(yù)期階段、準(zhǔn)備階段、行動(dòng)階段和維持階段”5 種類型。

1.4.3 構(gòu)建數(shù)據(jù)挖掘模型

本次關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘旨在發(fā)現(xiàn)不同鍛煉行為階段的大學(xué)生體質(zhì)健康狀況，故輸出字段為“體育鍛煉行為”，輸入字段為“體質(zhì)指標(biāo)”，即構(gòu)成“體育鍛煉行為”與“體質(zhì)指標(biāo)”的映射關(guān)系。體育鍛煉行為X 的支持度(support) 是指在數(shù)據(jù)庫(kù)D中包含X 的事務(wù)占整個(gè)事務(wù)的比例，記為 sup( X)，即體現(xiàn)“某種體育鍛煉行為相對(duì)總事務(wù)所占的比重”：sup(X)= P(X) ≈ X 出現(xiàn)次數(shù)/事務(wù)總數(shù)T。為了發(fā)現(xiàn)事務(wù)間強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)某一體育鍛煉行為X出現(xiàn)的同時(shí)，針對(duì)某性別體質(zhì)健康指標(biāo)Y 與含數(shù)據(jù)集X 的事物的比，即sup(X∪Y)/(X)，其映射關(guān)系即為“某一體育鍛煉行為X 在某一體質(zhì)指標(biāo)Y 影響下相對(duì)數(shù)據(jù)集D 所占的比重”，構(gòu)成該映射關(guān)系的可信度(confidence)，即conf( Y X) = P( Y X) = P( XY) /P( X) = XY 出現(xiàn)次數(shù) /X 出現(xiàn)次數(shù)。關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘的含義即為 X→Y，它的含義是 X∪Y 的支持度 sup( X∪Y) 大于用戶制定的最小支持度min_sup，且可信度 conf 大于用戶指定的最小可信度min_conf。關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘即在事務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)D 中找出滿足用戶指定最小支持度 min_sup和最小可信度min_conf 的所有關(guān)聯(lián)規(guī)則[7]。根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)置min_sup，以“體質(zhì)測(cè)試單項(xiàng)指標(biāo)得分”為輸入字段，設(shè)置min_conf，建立“體育鍛煉行為與單項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)挖掘規(guī)則”模型，以探究體育鍛煉行為對(duì)體質(zhì)的影響，并為大學(xué)生不同體育鍛煉行為體質(zhì)健康提供決策支持。

2 不同體育鍛煉行為階段大學(xué)生體質(zhì)健康知識(shí)發(fā)現(xiàn)及決策支持

2.1 基于關(guān)聯(lián)規(guī)則男大學(xué)生體質(zhì)健康知識(shí)發(fā)現(xiàn)及決策支持

設(shè)置min_Sup=8%，Confidence=50%，體育鍛煉行為階段為輸出，規(guī)則結(jié)果最大條目數(shù)是5，共發(fā)現(xiàn)22 條知識(shí)。經(jīng)篩選，共發(fā)現(xiàn)9 條具有決策意義的知識(shí)，如表1。

表1 不同體育鍛煉行為男大學(xué)生的關(guān)聯(lián)規(guī)則知識(shí)發(fā)現(xiàn) Table 1 Rule knowledge discovery in different physical exercise behaviors of male

男大學(xué)生體育鍛煉行為預(yù)期階段，共3 條有意義的知識(shí)（表1 序號(hào)1、2、3）?？偨Y(jié)3 條強(qiáng)關(guān)聯(lián)的知識(shí)發(fā)現(xiàn)，預(yù)期階段男大學(xué)生柔韌性（雙手背勾）皆為“優(yōu)”，反應(yīng)時(shí)皆為“中”，而心肺機(jī)能（VO2max、VO2max 相）則皆為“差”。3 條規(guī)則的支持度9.158%～9.707%，置信度50.0%～50.943%，可見(jiàn)，預(yù)期階段影響男大學(xué)生體質(zhì)健康的主要表現(xiàn)為心肺機(jī)能低下，這也是最近大學(xué)生體質(zhì)測(cè)試男生跑1000 m 屢見(jiàn)猝死的原因。另外，男大學(xué)生反應(yīng)時(shí)僅為“中”也值得引起注意，因?yàn)榇髮W(xué)階段，學(xué)生神經(jīng)系統(tǒng)靈活性應(yīng)處于最靈敏階段[10]。

準(zhǔn)備階段男大學(xué)生強(qiáng)關(guān)聯(lián)的體質(zhì)健康知識(shí)共3條（表1 序號(hào)4、5、6）。序號(hào)6，準(zhǔn)備階段男大學(xué)生反應(yīng)時(shí)“差”，該規(guī)則支持度8.791%，置信度達(dá)91.667%，值得引起足夠重視。序號(hào)4，反應(yīng)時(shí)“及”和握力“差”，支持度8.425%，置信度67.391%；序號(hào)5，反應(yīng)時(shí)“及”和VO2max “差”支持度8.974%，置信度61.224%。綜合而言，準(zhǔn)備階段男大學(xué)生反應(yīng)時(shí)差、力量素質(zhì)差、心肺機(jī)能差。分析認(rèn)為，之所以處在“準(zhǔn)備階段”，可能是因?yàn)檫@部分學(xué)生已經(jīng)感知其體質(zhì)健康差，并產(chǎn)生一定體育鍛煉動(dòng)機(jī)，以改善其體質(zhì)狀況。對(duì)于該階段學(xué)生，應(yīng)積極引導(dǎo)，強(qiáng)化體育態(tài)度，加強(qiáng)體育技能學(xué)習(xí)，并讓其在體育鍛煉過(guò)程中得到積極的情緒體驗(yàn)，促進(jìn)其體育鍛煉向行動(dòng)階段轉(zhuǎn)變。

行動(dòng)階段男大學(xué)生關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘出3 條有意義知識(shí)（表1 序號(hào)7、8、9）。序號(hào)7 的知識(shí)反應(yīng)時(shí)為“優(yōu)”，該知識(shí)支持度8.791%，置信度100%，對(duì)比序號(hào)6 的知識(shí)，說(shuō)明體育鍛煉能積極有效地增強(qiáng)男大學(xué)生神經(jīng)系統(tǒng)靈活性。序號(hào)8 和9 的知識(shí)說(shuō)明，即便已經(jīng)進(jìn)行體育鍛煉，但其VO2max 和握力依然為差，分析其原因可能有以下兩點(diǎn)，一是大學(xué)生體育鍛煉存在盲目性，因?yàn)榇穗A段大學(xué)生已經(jīng)進(jìn)行一個(gè)月以上鍛煉，但其心肺機(jī)能和握力未見(jiàn)改善，說(shuō)明其鍛煉針對(duì)性不強(qiáng)；二是男大學(xué)生體育鍛煉怕吃苦，從運(yùn)動(dòng)生理學(xué)理論而言，發(fā)展心肺機(jī)能鍛煉要求65%～85%的最大心率持續(xù)運(yùn)動(dòng)10 min 以上[10]，該強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)會(huì)給鍛煉者“痛苦”的情緒體驗(yàn)；而力量練習(xí)后的肌肉酸痛，也使大學(xué)生不愿進(jìn)行力量練習(xí)，故而握力差。因此，對(duì)于積極參與體育鍛煉的男大學(xué)生，應(yīng)引導(dǎo)其有針對(duì)性地科學(xué)鍛煉，強(qiáng)化以運(yùn)動(dòng)處方進(jìn)行鍛煉，主要發(fā)展其心肺機(jī)能和力量練習(xí)，從心理上培養(yǎng)其吃苦耐勞的精神。

鍛煉行為堅(jiān)持階段和前預(yù)期階段男大學(xué)生未發(fā)現(xiàn)符合挖掘要求的知識(shí)。

2.2 基于關(guān)聯(lián)規(guī)則女大學(xué)生體質(zhì)健康知識(shí)發(fā)現(xiàn)及決策支持

設(shè)置min_Sup=10%，Confidence=60%，體育鍛煉行為階段為輸出，規(guī)則結(jié)果最大條目數(shù)為5，共發(fā)現(xiàn)60 條知識(shí)。經(jīng)篩選，共發(fā)現(xiàn)7 條具有決策意義的知識(shí)，如表2。據(jù)喬克滿等人[12]對(duì)數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果的3 類解釋，該知識(shí)屬“不合理”規(guī)則知識(shí)，因?yàn)橥瑯訉?duì)身體形態(tài)（體成分）進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果應(yīng)該一致，出現(xiàn)“體重正常的胖子”的矛盾現(xiàn)象，說(shuō)明兩種評(píng)價(jià)身體形態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)本身存在矛盾。研究證實(shí)，BMI 評(píng)價(jià)體成分敏感性和特異性都值得懷疑[13-15]。但是我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中，由于BMI 簡(jiǎn)單易行而廣泛使用，致使許多女生認(rèn)為自己的身體形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，而實(shí)際處于超重或肥胖狀態(tài)[15]。對(duì)此決策支持時(shí)需要使用更科學(xué)的體成分評(píng)價(jià)方法，建議采用設(shè)備相對(duì)便宜而精確度較高的生物電阻抗測(cè)試法[16]。另外，預(yù)期階段女大學(xué)生其他體質(zhì)健康得分中等或及格，都需提升。所以，應(yīng)積極鼓勵(lì)其參與體育鍛煉，并全面發(fā)展力量、心肺耐力素質(zhì)。

表2 不同體育鍛煉行為女大學(xué)生的關(guān)聯(lián)規(guī)則知識(shí)發(fā)現(xiàn) Tab2 Rule knowledge discovery in different physical exercise behaviors of female

處于行動(dòng)階段女大學(xué)生可供決策支持的知識(shí)發(fā)現(xiàn)共3 條（表2 序號(hào)5、6、7），序號(hào)6 的知識(shí)發(fā)現(xiàn)同序號(hào)3 的知識(shí)發(fā)現(xiàn)，表現(xiàn)為身體形態(tài)及體成分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一問(wèn)題。該階段女大學(xué)生身體素質(zhì)表現(xiàn)為力量差、反應(yīng)時(shí)中等、柔韌性優(yōu)秀的特征。力量差、反應(yīng)時(shí)中等、體脂率超重、心肺機(jī)能低下可能是女大學(xué)生參與體育鍛煉的原因，因?yàn)閺哪挲g階段而言，女大學(xué)生諸指標(biāo)均應(yīng)處于“巔峰”時(shí)期，但實(shí)際并非如此，說(shuō)明該階段女大學(xué)生已經(jīng)了解相關(guān)體質(zhì)健康知識(shí)，并期望通過(guò)體育鍛煉提高體質(zhì)健康狀況。決策支持可繼續(xù)鼓勵(lì)其參與體育鍛煉，形成體育習(xí)慣，并通過(guò)定期體質(zhì)測(cè)試，增強(qiáng)體育鍛煉的信心[17]。

3 結(jié)論

（1）男大學(xué)生心肺機(jī)能低下、力量素質(zhì)差是各個(gè)體育鍛煉行為階段的體質(zhì)特征，男大學(xué)生需加強(qiáng)力量素質(zhì)和心肺機(jī)能鍛煉。

（2）女大學(xué)生柔韌性良好、心肺機(jī)能和力量素質(zhì)低下以及“體重正常的胖子”現(xiàn)象廣泛存在于各個(gè)體育鍛煉行為階段，體育鍛煉需針對(duì)性的改善。