动作学习与控制(1)

动作学习与控制 动作学习与控制的发展历程 1 对动作技能的自然认识 能力 人有三种能力 一般智力含认知定向能力和记忆加工能力 知觉速度能力主要是解决复杂性渐增问题的敏感性有关的能力和解决信息加工速度的能力 运动能力主要是与动作速度和准确性有关的能力 2 菲兹定律 Fitts law 1945 当速度和准确性对于一项技能都很重要时 就会面临速度 准确性的权衡 3 弗兰克林 1950 1960 运动技能研究之父 运动能力特异性假说 个体拥有多种运动能力 并且这些能力都是相对独立的 如一个人有很高的平衡能力并不能据此预测他的反应能力很强 4 闭环控制系统 closed loopcontrolsystem JackAdams 1970 5 开环控制系统 open loopcontrolsystem RichardASchmidt 1980 6 动作控制理论 动作程序为基础的理论 一般动作程序 固有特征 参数 动力模式理论 非线性的动力观点 自组织 重要术语 动作行为 是一门研究人体遗传性和目标导向性动作表现的一门科学 动作学习 指人通过练习对技能的掌握 动作控制 指与人执行技能性动作有关的一系列神经学 生理学和行为学机制 动作发展 指人的技能动作表现随时间的变化和发展过程 菲滋定律 关于控制有目的的快速动作的动作定律 指出动作时间与动作难度呈线形关系闭环控制 一种使用反馈 发现错误和改正错误过程来保持理想的目标状态的控制方式 被人用来控制慢速的随意动作 重要术语 开环控制 采用有中枢神经系统决定的 预先组织好的指令传达到受动器系统的一种动作控制形式 这种形式没有反馈调节 用于控制快速的分立动作 动作程序 执行动作前预先组织好的一系列动作指令 它决定了技能型动作的基本细节 使人能够在没有反馈的情况下完成动作 相当于中枢动作形式发生器 动作的程序化必须包含下列因素 产生动作需要的特定肌群 这些肌群被激活参与工作的顺序 各个肌肉收缩的相对力量 这些肌肉收缩活动的相对时间和时序 各个肌肉收缩活动的时间过程 研究方法 研究对象 人类动作技能的学习过程和影响这些学习过程的各种变量 研究方法 行为科学 试验心理学和人体生物信息处理技术 如观察 访问 刺激反应测试和调查问卷 神经生理 医学技术来研究生理与外部动作行为 生物力学 运用生物力学来确定身体动作的力学基础以及由外部动作行为变化所产生的变化 信息技术 受系统论 信息论和控制论理论影响 运用现代的一些思维方式 跳深着地阶段股直肌 股内侧肌表面肌电曲线 跳深着地阶段足底反作用力值变化曲线 动作技能的分类 定义 按照一定的技术要求 完成某种动作的能力 动作目的 执行的随意动作 身体动作完成 分类 一 按动作任务的组织形式 可分为 分立技能 开始与结束界限分明 持续时间短 如投掷 击打 跳跃 序列技能 分立动作被结合在一起 动作的顺序对动作成功起关键作用 连续技能 没有明显的开始与结束 具有重复性特点 如跑步 游泳 自行车 动作技能的分类 二 按运动与认知的重要程度 运动性技能 把动作质量作为动作成功的主要决定因素的这类技能 如体育动作 认知性技能 把对动作的感知和做决定方面作为主要决定因素的这类技能 如下棋 三 以执行动作技能中环境变化的可预见性分类 开式技能 在变化和不可预见的环境中执行的运动动作 如拳击 摔跤等 闭式技能 在稳定和可预见的环境中执行的运动动作 如太极拳 跳高等 动作技能的特征 从动作的目的 组成和获得形式来分析 动作技能有三个基本特征 具有专门的目的由身体或肢体的随意动作组成技能的获得和提高需要一定的动作学习与经验 高水平动作技能的特征是 达成目标的最大确定性最小的能量和精力消耗最短的动作时间 动作结构 动作组成 明晰动作结构能提高学习者的对动作的认知能力 加快对动作技术的认识与掌握 按动作结构分类进行动作学习 能提高动作学习效率 促进动作技能迁移 通过对动作结构研究 尤其是对动作的节奏结构的研究 能促使学生对关键技术动作的掌握 缩短学习时间 快速提高学生掌握动作技术的能力 有教学经验的教师都知道 在动作学习初期 学生掌握节奏比学习动作细节重要的多 有些项目的动作学习就是从学习节奏开始的 动作结构 明白影响动作结构的各种因素 能有针对性地完善与提高运动员的动作技术 快速提高运动成绩 对高水平运动员动作技术结构的诊断与分析是完善技术 挖掘运动潜力的最有效方法 也是最快捷的途径 动作结构研究有助于技术动作优化与动作创新 动作的创新就是依据不同目的将不同的单一动作按一定的关系组合起来 使其具有某种功能或达到某种效果 技术动作的优化就是将这种相互关系合理化 效益最大化 动作结构的构成原则 动作结构是按项目目的原则 最合理原则和完整性原则进行动作组合的 按时序进行组织的 即具有时间序 动作系统内各动作的开始 进行和结束是在同一时间序列或者依次推进的 在这一过程中 动作要呈现一定的时间顺序和时间比例 和空间序 动作各成分或各要素的空间构成应有规则 这个规则是根据运动目的和一些规律制定的 动作结构应具备的特性 客观性动作结构的形成从性质上讲不能臆造 它应有合理的客观依据 首先 它要符合生物学规律 其次它要符合生物力学规律 再次它要符合社会学要求 规则 行为目的等 和自然环境 运动环境 气候环境等 有序性有序性是指描述事物之间和事物内部要素之间关系的范畴 指事物内部的要素和事物之间有规则的联系和转化 动作结构的有序性首先表现为 空间序 即从横向看 动作各成分 各要素的空间构成应是有规则的 这个规则是根据运动目的和一些规律制定的 动作结构的有序性其次表现为 时间序 动作系统中各动作的开始 运行和结束是在同一时间序列同时或者依次推进的 在这个过程中 动作各要素呈现一定的时间顺序和时间比例 时间序与空间序结合在一起构成时空序 它们共同说明动作结构的规则性和有序性特征 是动作结构的基本存在方式 动作结构应具备的特性 序变性动作结构不仅要有较高的有序性 而且还应有较强的序变能力 其一 动作结构不应是静止的 而应是动态发展的 其二 不同对象 不同环境 不同的发展阶段都有各自的特性 动作结构必须有较强的序变能力才能适应这些差异 动作结构的序变能力大小直接取决于动作结构序变方式的容量 序变方式越多 序变能力就越大 动作结构就越能适应更多的环境变化 扩大序变方式主要是扩大基础构成要素的变化 即要素数量的变化 原有要素自身的变化和新要素的分化 如改变动作力量 增减动作时间和距离等 动作结构应具备的特性 相对稳定性其一 对于以动作质量和稳定性为评分标准的动作 动作结构的稳定性是取胜的关键 如射击 跳水等 其二 由于动作结构的稳定决定技术动作的稳定性 反过来 在一定条件下 要求技术动作稳定首先就是要求动作结构稳定 如高水平运动员的技术动作 动作技能学习与表现的阶段 动作学习与表现的阶段 一 认知阶段 获得动作概念 基本协调方式 二 联系阶段 修正和调整动作细节 联系动作方式与动作环境和动作任务 三 自动阶段 追求目标的最大稳定性 最小的能量消耗 最短的时间 动作技能学习阶段模式 认知阶段 联系阶段 自动阶段 认知与反应 认知与行为联系起来 信息处理和行动自动完成 减少关节动作自由度 释放和恢复关节动作自由度 释放和重组关节动作自由度 动作技能的学习方式 内隐学习 implicitlearning指有机体在与环境接触的过程中不知不觉的获得了一些经验并因之改变其事后一些行为的学习 外显学习 explicitlearning指有机体有意识的作出努力的和清晰的一种学习 内隐学习 内隐知识能自动地产生 无需有意识地去发现任务操作内的外显规则 内隐学习具有概括性 内隐学习具有无意识性 且内隐获得的知识是不能用言语来表达的 与外显学习的本质不同可能在于它们的信息加工过程 内隐学习是一种自动化的信息加工过程 而外显学习则是一种控制化的信息加工过程 内隐学习的主要优势 运动技能的保持时间长 骑自行车 复杂技能的掌握 乒乓球 应激条件下的技能操作 情急中的射门 多种技能的同时操作 聊天时打毛衣 动作信息处理过程 人体动作表现信息处理的简单模型 输入 人体 输出 动作信息处理过程 输入信息来源 给运动者一个刺激 主动和被动的 人的经验影响从外界获取信息的方式 信息处理阶段 刺激确认 通过视觉 听觉 触觉 运动感觉 嗅觉等将刺激进行确认 如果是 就确认 反应选择 一旦刺激确认 动作执行者将综合各种信息 作出一个动作选择 反应程序 一旦作出动作选择 由运动系统做出正确动作 输出信息 三个信息处理阶段的最终结果 如挥拍击球 足球传球 这些动作可能成功 也可能失败 动作信息处理过程 人体动作表现信息处理模型 输入 刺激确认 感知 反应选择 决定 反应程序 动作 输出 动作信息处理过程 动作信息处理过程中闭式技能和开式技能的主要区别 确认阶段 刺激 明确动作任务 选择阶段 筛选相关刺激 程序阶段 建立基本动作形式 固定阶段 变化阶段 闭式技能 开式技能 执行动作任务不断调整和完善 使动作形式适应环境要求 反应与动作决定 反应时 指从提供一个在时间上不可预知的刺激 到人开始做出反应的时间间隔 它是人体动作处理速度的指标 影响反应时的因素刺激 反应选择的数量 一个刺激 一个反应的时间间隔最短 被称为简单反应时 刺激 反应的次数越多 反应时就越长 这种关系被称为 海克定律 刺激 反应的兼容性 指刺激和它引起的反应以 自然 方式结合的程度 刺激 反应的兼容性越高 选择反应时增加的程度越小 练习量 练习量越大 选择反应时越短 如果练习的性质同一 选择反应时也会短 因为同样的刺激总是引起相同的反应 反应时也就短了 反应与动作决定 对 动作延迟 的处理方法 信息加工过程中对 动作延迟 的处理方法是预料 根据环境的变化预料将要发生什么情况 在什么时间发生 提前进行信息处理 预料的种类 空间预料 预料对手将采用什么动作 时间预料 预料对手在什么时间发生 预料的好处 提前应对 动作的规律性 变化动作形式 不让对方发现规律 预料的代价 错误预料 无效反应 最简单的动作也需要40毫秒才能停止 利用预料的策略 通过动作时间和空间的变化迷惑对手的预料活动 动作的随机化 设计假动作 引诱对手做出错误反应 唤醒与焦虑状态下的信息加工 唤醒和焦虑 动机与压力 是影响技能表现的重要因素 唤醒 指一个人中枢神经系统的激活水平 焦虑 人理解特定环境条件的方式以及与他理解方式相关的情绪因素 倒U原理 当人的唤醒水平提高时动作表现水平也提高 一般中等唤醒水平动作表现最高 如果唤醒水平继续提高 动作表现水平开始下降 人 动作任务 环境 焦虑状态下的信息处理 感知狭窄 忽略一些环境信息的倾向 可以使人把更多的注意力放在最紧迫和直接相关的信息上 如深海游泳 也可使人动作失控如酒后驾车 利用提示假说 当人处在低唤醒水平和大量环境提示状态时 由于人接受了很大比例的无关提示 动作表现低下 当人处在高唤醒状态和发生感知狭窄时 由于人只有很少的提示选择 动作表现也受伤害 唤醒与焦虑状态下的信息加工 唤醒调节技术肌肉 意念技术 采用身体活动对唤醒状态进行调节 如呼吸练习和渐进放松练习 意念 肌肉技术 采用意念活动诱导身体进入激活状态或放松状态如想象技术 信息处理能力的局限 注意的有限容量一心不能二用 主要动作复杂时就会减少对次要动作的注意减少 高水平运动员能排除干扰动作任务相互间的干扰 人体可以在刺激确认阶段平行处理信息 干扰发生在反应选择阶段 反应选择阶段的信息处理分控制处理和自动处理 控制处理时 缓慢 要求注意 按顺序进行 受意识支配 自动处理时 快捷 不要求注意 平行进行 不受意识支配 双手执行动作任务的竞争 感觉信息的来源 感觉信息来源主要有 外源信息与内源信息 外源信息主要来自视觉 感知时间和空间 和听觉 内源信息主要是 本体感觉信息 来源于身体内部的感觉信息 指示身体和肢体的姿势和动作 如关节的姿势 肌肉产生的力量 身体的空间定向 和动觉 来源于运动系统的感觉信息 与本体感受有关 指示肌肉收缩和肢体动作 有一些重要的感受器如前庭感受器 感受身体姿势和平衡 骨骼肌肌腹中的肌梭 感受肌肉被拉长时肌肉收缩的速度和关节姿势变化 肌肉与肌键接点处的高尔基键器官 感受不同部位的肌肉力量 皮肤感受器 感受压力 温度和接触等 动觉包括了来自不同感受器的复杂信息 必须通过中枢神经系统把它们整合起来 这与提供单一信息的视觉和听觉不同 闭环控制系统 输入 执行器 输出 受动器 比较器 错误 理想状态 反馈 实际状态 闭环控制 人体动作表现认知模型 输出 刺激确认反应选择反应程序 动作程序 脊髓 肌肉 输出 比较器 错误 理想状态 本体感觉反馈 肌肉力量 长度 关节姿势 身体姿势 视觉 听觉 外源反馈 实际状况 执行器 受动器 闭环控制系统 闭环控制模型是理解人体控制持续的长时间动作技能的最有效方式 在完成动作任务中 比较器不断地评估期望的正确动作或理想的肢体姿势 身体定位反馈与实际做出的动作之间的区别和相似性 如果有错误 把信息传给执行器进行适当的纠正 一个错误动作的改正需要几百毫秒 包括在刺激确认阶段处理错误 在反应阶段选择纠正错误 在反应程序阶段开始纠正动作 其控制速度非常慢 无法对快速跟踪行为和短时间的分立动作任务进行控制 认知模型下闭环控制的局限性 闭环认知模型不适宜完成如下动作 1 快速跟踪行为 在闭环系统认知模型中 一个错误的动作发生后得到纠正需要大约几百毫秒 2 短时间的分立动作任务 短时间的分立动作取决于预先的动作计划和程序 不取决于处理较慢的信息处理阶段 闭环控制系统的优势和劣势 优势 能够做出人还没有经过练习的动作 信息处理过程便于动作控制 使动作具有结构的可塑性和调节的灵活性 允许根据任务需要和环境条件采用多种动作策略和选择 能够产生精确的动作 劣势 需要高度集中注意力执行和纠正动作 耗费时间长 尤其是在反应程序阶段 有效性局限于执行相对慢速的动作 动作技能的反射调节 反射 指人通过神经系统 对外界或内部的各种刺激所发生的有规律反应 它是神经调节的基本方式 非条件反射条件反射 遗传特性 先天具有保持状态 不会消退参与中枢 低级中枢参与完成活动性质 较低级的神经活动实例 人在冰面打滑时的自动维持平衡补尝动作 后天形成可能会消退高级中枢参与完成较高级的神经活动实例 到达比赛场时唤醒水平提高 补偿性反射调节 闭环控制系统是一种根据感觉信息进行的有意识的动作调节 随学习经验的增加 它可以以一种条件反射的形式进行 下意识的动作修正和调节方式 其调节的中枢位于脊髓和脑干 没有意识参与动作控制 属 下意识反射 他们以一种固定的模式出现 是非随意的 完成过程很快 补偿性反射调节的种类 M1反应 潜伏期为30至50毫秒的单突触牵张反射 M1的是控制肢体动作的最快的反射之一 肌梭通过单突触连接将感觉信息传递给脊髓 当信息从原路再返回到同一块被牵拉的肌肉时 引起了收缩力的增加 M1反射被认为是轻微牵拉肌肉引起的收缩性调节 如对体位改变和肢体受到意外的外力作用的调节 这些反射过程是下意识的 不受 海克定律 的影响 成千上万的这种修正调节活动可以同时发生 控制我们的肢体和身体姿势 因为这些补偿活动是平行 下意识 不受干扰的同时进行 它们不需要注意力参与 能够自动完成 补偿性反射调节的种类 M2反应 潜伏期为50至80毫秒的多突触功能性牵张反射 也叫长环牵张反射 它所引起的反应能产生比M1反应更大幅度的肌点活动 持续时间更长 比M1的动作补偿作用大的多 与M1反射相似 M2的反应也由肌梭发出信号到达脊髓 但不同的是 信号冲动沿脊髓继续上行到大脑高级中枢 在皮层中枢和小脑进行处理 然后动作信号冲动又沿脊髓返回激活肌肉 它也不受海克定律限制 而且M2反应比M1反应更加灵活 在反应过程中允许一些其他感觉信息源的参与 在一定程度上M2反应是一种独特的反应 由于它太快也不能叫随意反应 因为随意反应需要150 200毫秒才能 补偿性反射调节的种类 激发性反应 对干扰动作作出的反应 潜伏期80 120毫秒 它是灵活的 比M3反应快 激发性反应比M1和M2反应慢的多 但也不能叫随意反应 它与传统的反应时一样 对刺激的变化数量敏感 但比动作反应时快 是在人的下意识情况下完成的 如 酒杯效应 即在宴会上当我们手中的酒杯稍微下滑时 通过手指感觉后会马上加大前臂肌肉握杯的力量 同时减少小臂宏二头肌肉向上举杯的力量 防止酒杯滑脱 补偿性反射调节的种类 随意反应时反应 M3 潜伏期为120 180毫秒的随意反应时反应 它更加有力 潜伏期在120 180毫秒 取决于动作任务和客观情况 它影响全身的所有肌肉 并不局限于被牵拉的肌肉 M3反应具有最大限度的灵活性 可以被许多因素修正 如指导语和对感觉信息 它服从于海克定律 即对刺激 反应选择数量敏感 总结 M1传递被牵拉肌肉的长度与张力的信息 相对不灵活 属低级反射调节 M2把肌肉的力量 长度 关节和身体姿势的信息可传到中枢 虽比M1慢 但有中枢参加 更加灵活 M3反应具有最大限度的灵活性 可以被许多因素修正 认知模型中的反射性反应 加入M1和M2反馈环路的人体动作表现认知模型 输入 刺激确认反应选择反应程序 动作程序 脊髓 肌肉 输出 比较器 错误 理想状态 本体感觉反馈 肌肉力量 长度 关节姿势 身体姿势 视觉 听觉 外源反馈 实际状况 执行器 M2 M1 认知模型中的反射性反应 M1反馈环路把关于肌肉牵拉长度和张力的信息传递到脊髓 然后把调节信息直接返回肌肉 这个环路快 没有灵活性 属动作控制的最低级水平反馈调节 与大脑高级中枢的联系最少 M2反馈回路是功能性牵张反射 把关于肌肉力量 长度 关节和身体姿势的信息反馈到更高级的负责程序的中枢 当这个反馈到达时 动作程序处理过程对动作指令进行细微调节 然后把信息送回脊髓和肌肉 它有高级中枢参与 最终共用通路 环路套环路动作时间的作用 只有动作时间超过300毫秒 外环信息通路才能参与和调整动作 从而发挥闭环控制系统的作用 动作时间是最重要的变量 它决定反馈调节补偿和纠正动作的方式 如果时间足够 运动员可以为动作控制系统预先编好程序 并且使用快捷 自动的反馈处理过程 运动员还可以通过外环信息处理通路 有意识地控制反馈信息 开环控制系统 特性 预先接受了动作专门的方式 序列和时间信息的指令一旦动作程序开始 系统忠实地执行指令 几乎没有任何修正和调整的可能 由于在完全程序化的动作中没有反馈的参与 实际上不可能发现和纠正动作错误 输出 输入 受动器 执行器 开环控制系统的动作控制模式 开环控制系统 扩展的 开环控制系统 动作控制模式 输入 刺激确认反应选择反应程序 脊髓 肌肉 动作程序 输出 执行器信息处理阶段 受动器动作程序和周边动作系统 进一步扩展的人体动作表现认知模型 加入中央和周边视觉通路 开环控制系统 动作程序控制的客观证明 随动作复杂性的增加 反应时随之增加 传入神经阻断实验证明 肢体动作在没有感觉信息的情况下仍然能够完成 正常执行的动作和在执行动作过程中被人为阻断的动作具有相似的肌电图谱 人能够做出没有反馈信息参与控制过程的非常快速的动作 优势 能够产生非常快的动作 很少需要注意力纠正动作 劣势 在动作环境不断变化和动作需要高度的反应准确性时就丧失了有效性 开环控制系统 不同负荷时同一肌肉完成同一工作时的一致性 开环控制系统 动作程序化过程包含如下因素 1 产生动作需要的特定肌群 2 这些肌群被激活参加工作的顺序 3 各个肌肉收缩的