第一节 简单动作控制原理
第一节 复杂的运动效应系统
一、运动系统的复杂性
骨骼206块，肌肉400余块，关节140多个。能够完成运动的种类丰富多样，因此，实现对这些运动技能的控制就显得比较复杂，但我们的神经系统的功能非常强大，足以应付对各块肌肉的调控，已完成不同的人物需求，而且许多动作的实施过程几乎没有意识参与，如此复杂的一套机械系统是如何手神经系统的支配顺利完成操作任务的，这是当今运动技能控制与学习领域的研究者致力研究的课题。
人类的运动技能并非无所不能，运动机能的提高也并非没有止境。有些运动机能比其他技能实施起来更加困难，如在高速滑板上维持平衡比在直立状态下维持平衡要困难；双手以不同的频率敲击键盘比以相同的频率进行敲击要困难得多。即便是一个很简单的一个运动操作，再试试过程中也必须权衡各运动特性的利害得失，操作水平的提高也受到多种因素制约。比如想要尽快完成某种操作任务，就不得不损失一定的准确性；想要提高准确性只能降低一些动作速度。这似乎有一些内在机制自主地管理者肢体的运动。这种内在控制机制的存在释放了对肌肉活动的意识控制资源，减轻了中枢处理系统的信息处理负担，同时，也会制约运动技能的提高，使其不能达到随所欲的程度。
二、自由度的问题
自由度是指运动系统中为完成某项运动技能必须得到控制的肌肉和关节活动维度的数量。这些肌肉和关节活动维度限定了肢体的运动范围和方式。自由度越少，肢体运动的方式就越单一，活动范围就越小；自由度数量越多，肢体运动的方式就越多样，活动范围就越广。在三维立体空间里，自由度数量众多，使得肢体运动的控制过程变得更加复杂。即使是一个较为简单的动作，其需要控制的自由度也是很多的。以投篮时手的运动为例，如果不考虑手指关节的活动，腕关节提供了两个维度的运动，上臂有自身的旋转和绕肘关节进行屈伸，上臂又可以绕肘关节做屈伸及外站内收等动作。正确的投篮动作必须对这些可以独立活动的关节角度进行控制，也就是需要控制这些自由度。实际投篮董总中的自由度远不止这些，因为腰椎可以活动，髋关节、膝关节和踝关节等也是投篮过程中需要调节和控制的。此外，还有难以计数的肌肉活动，所以一个看似简单的投篮动作，妻子有毒数量却很大。
在完成同样的技能动作过程中，中枢神经系统对肌肉活动的控制存在多种方式。针对人体复杂的运动效应系统，中枢神经系统如何传达指令给肌纤维，使得肌肉收缩力量、速度以及不同肌肉之间的配合能够恰到好处，这也是运动机能控制领域以及神经生理学和人类工效学研究者努力探索的课题，也是当今认知心理学和生态心理学的一个争论焦点。
三、简单运动与复杂运动
每一个肢体绕关节的运动都可以被看作是一个简单动作，也就是说，一个复杂运动可以分解为几个简单动作的有机组合。比如实施投篮技能时，上臂绕肩关节的动作，前臂绕肘关节的动作以及手绕腕关节的动作等，这些简单动作按特定的顺序和时机进行协调运动，最终实现投篮。简单运动通常只含有少量的自由度，对复杂运动进行分解是研究探索运动技能控制机制的常用方法。对简单动作控制过程的研究，并总结出的控制规律同样适用于复杂动作控制过程。复杂运动技能是由简单运动技能有机组合而成的。
在物理学里有一些基本定律，如牛顿定律反映了物体的质量、速度、加速度和受力等变量之间的关系。之所以称之位定律是因为它具有普遍意义，在不同场合下，可以用它来解释物体的运动规律。人类的运动技能控制也遵循某些类似的基本定律。这些定律既可以用来解释运动机能控制过程中的许多现象，也可以用来提高运动控制的效率，改进技能联系的方法。本章将讨论简单运动控制的效率，改进技能练习的方法。本章将讨论简单运动控制的定律。这些定律反映了肢体的移动速度与准确性之间的关系，以及运动距离与运动时间之间的关系。
四、动作速度、动作距离和动作的准确性
（一）、菲茨定律
实际生活中，越想尽快完成某项任务，越容易因为失误过多而导致失败。在运动场上有很多这样的事例。如足球运动员常常会因为在情急之下射门而把球射偏，乒乓球运动员求胜心切反而把机会球打失。
菲茨设计的这个动作操作任务，要求被试尽快地敲击两个金属板（动作目标）。在试验中，有计划地改变目标之间的距离（A）以及目标的宽度（W），并记下被试敲击两个金属板之间的时间，这个时间被称为动作时间（Movement time）.研究发现，无论怎么改变A或者W，只要两者的比率不变，MT也基本不变。由此可以推断，将肢体移动较长的距离到一个较大目标的动作与移动叫短距离到一个较小目标的动作是一样快的。这就是著名的菲茨定律。
MT=a+b*log2(2A/W)
另外，log2 (2A/W)值的大小又被称为动作的难度系数。难度高，动作时间（MT）就；难度低，则动作时间就断。菲茨定律反映了动作时监狱动作难度系数之间的线性函数关系。
根据菲茨定律可以得到以下几条重要的推论：
1.速度—准确性的权衡（speed-accuracytradeoff）:要提高动作的准确性就只能以降低动作的速度为代价，反之，如果要降低对动作准确性的要求，动作速度可以更快。
2.对于既定大小的目标，当动作幅度增加时，动作的时间会增加，但是增加的幅度较小。
3.在运动技能的控制中，开放环路控制和闭合环路控制是有机地整合在一起的。
4.在多数情况下，较慢的动作准确性较高，因为操作者有更多的时间来检验错误动作并及时纠正动作。菲茨定律可以解释为什么当误差太大时操作者必须降低速度来减少误差。
（二）、线性速度与准确性权衡
在体育运动中，动作的准确性常常是重要的指标。一些运动技能有一个共同的特征或者相同目的，就是要在特定的时间，将手臂或器械移动到空间的特定位置击中目标。那么当动作和动作距离改变时，动作的准确性究竟会发生什么样的变化呢？
Schmidt等人（1979）年采用目标瞄准任务研究者了时间、距离和准确性之间的关系。试验中，要求完成的动作速度都很快，动作时间少于200毫秒，实验结果显示:一方面，当动作距离增加时，不管对动作时间有什么要求，动作的准确性都会逐渐降低；另一方面，随着动作时间的减少，不管在何种动作距离条件下，动作的准确性也会降低。动作时间和动作距离这两个因素似乎是相互独立的。单独增加动作距离导致动作误差增加，单独减少动作时间同样也导致误差增加。这就解释了运动场上运动员越是想尽快击中目标越容易失误的原因。
在较慢的运动技能控制中，运动误差被信息加工系统用来作为反馈ixinxi对运动进行矫正，是闭合环路控制中的一个重要环节，因此，如果运动速度加快，运动误差信息来不及得到有效加工，从而影响对运动的及时矫正，就会导致运动误差的增加。这样的解释具有一定的合理性。开放环路控制系统也同样受速度-准确性权衡原理的支配，在极短时间内完成动作时，动作时间的减少会影响快速动作起动时开环控制加工稳定性。
这个观点与菲茨定律是一致的。也就是在给定的距离条件下，如果操作者的动作太快，结果往往是动作准确性降低，失败次数增加。
（三）、动作准确性下降的原因
研究者发现，尽管操作者在每次肌肉试图用相同的力量，但实际上，每一次用力都有些不同，这是因为中枢神经系统的每一次加工活动都存在着某种不稳定性，我们称之为“噪声”，这是导致动作变化的主要原因。中枢射精系统将神经脉冲传递到肌肉，肌肉收缩产生力，再通过肌腱的传递将力施加于骨骼，这一过程存在不稳定型。另外，不同反射性应答所产生的肌肉收缩也是导致动作不稳定的原因之一，比如M1、M2应答。
动作时间的减少也会增加准确性下降的程度，这主要是因为在大肌肉收缩中噪声的增加。
动作的空间误差产生是由于某些肌肉的力量不合理造成的，比如某块肌肉的收缩力太大，动作的方向就会相应出现偏差，使得动作没有达到预期目标。
但是当个体用最大的力量去完成动作时，力量的变异相对变小，而肌肉之间的力量差异也比较稳定，因此做出来的动作反而会变得较稳定，动作误差减少。
五、时间上的准确性与速度的权衡
（一）、起动时机的准确性
简单运动控制中的速度-准确性权衡现象在各种运动技能控制中普遍存在。除了针对空间目标的动作准确性，很多运动技能还涉及时间上的准确性，或者同时包含了时间和空间目标的准确性。在一些快速有力的运动项目中，时机的准确性非常重要。比如，在棒球的击球动作中，动作的准确中包括何时挥棒（起动时机）和何处击球（空间）两个方面。如果运动员每次都能用相同的持续时间进行挥棒，那么就有助于确定何时发起挥棒动作，以便使球棒和球能够在同一时间到达同一位置。如果每次都能以同样的时间完成快速的挥棒动作，击球的准确性就会提高。
Schmidt等人（1979）的实验要求被试完成一个动作距离（A）固定的动作，动作时间（MT）从300毫秒减少到150毫秒。有人猜测减少动作时间将产生更多的时间误差，其实不然，减少动作时间的结果是时机误差也相应减少了。在时间成分上，动作完成得更准确了。如下图6-7所示，随着动作时间的增加，时间误差也呈线性增加，减少动作时间反而减少时间误差。实验的另一个发现是，当动作距离增加而动作时间保持不变，也就是相应提高动作速度，时间误差几乎没有增加，除非动作时间过短。因此，在以时间误差为主要控制任务的运动技能中，影响运动绩效的主要因素是动作时间，这一点以与空间目标为特征的运动技能有很大差异。
以下是有关以时间准确性为主要目标的运动技能控制原则：
1、通过提高动作速度减少动作时间，可以提高时间准确性
2、在很多运动项目中，提高动作速度并增加动作距离（动作时间不变），时间准确性将不受影响。
3、在非常快速的运动中，通过增加动作距离而增加动作速度，可以减少时机误差。
4、时机准确性的决定因素是运动时间，较长的动作设计见产生较大的时机误差。
（二）、动作时间的准确性
竞技体育通常要求运动员完成特别有力的肌肉收缩，并产生接近最大的动作速度。但是，如何以最大速度做一个动作只是时间问题的一方面，这个动作同时还需要很高的空间和时间的准确性。动作速度的改变对较大力量动作的影响与较小力量动作的影响略有不同。
想象一下在水平面上完成一个快速的手臂动作，手握指针移动到一个目标，就像要去击中一个球。如果被要求逐渐减少动作时间，空间准确性会有什么变化？这类似于手的力量越来越用力地挥动球棒。如果用速度-权衡性原理推断，较短的动作时间导致空间准确性降低，但准确性最低点出现在动作时间约为100毫秒时。如图6-8所示，当动作时间进一步减少，从100毫秒降到80毫秒时，被试大约用84%最大力量，空间准确性反而提高。这就产生了一个倒U效应。也就是说，用非常快和非常慢的速度，动作可获得较好的时间准确性，而中等速度的运动，准确性最低。这一规律与前面提到的速度—准确性权衡原理是不一致的。
为什么这些运动又快有准确呢？这些运动非常像图6-6所示的一些肌肉确定手臂的轨迹。当力量非常大，几乎达到最大力量时，力量的变异减少了。如图6-8显示，随着力量的增加，力量就变得较为稳定，这些消得力量变异使得动作的空间准确性较为稳定，虽然这些都是非常简单的动作，但可以将这些应用到较为复杂的动作中。
总之，当动作要求非常大的肌肉收缩力量时，将产生下列结果：
1、通过减少动作时间来提高速度时，会减少空间和时间的误差。
2、增加动作的力量负荷，可减少误差，直到某一水平。
3、空间准确性和力量要求之间呈倒U的关系。在中等力量时，准确性最差。
（三）、速度准确性权衡原理在运动实践中的运用
如何利用快速运动中的速度—准确性权衡原理，提高运动员的比赛成绩呢？理解这一法则的最好方法是将这些原理应用到普通的任务中，以棒球的挥棒击球为例，当预测球的空间轨迹和到达时间，以及此刻的位置后，还要实施有力准确的快速动作。
在高水平的棒球比赛中，投手投出的球大约飞行460毫秒。击球手挥棒的动作时间大约160毫秒。从人的反应时间来计算，在动作开始前约170毫秒，内部的动作起动信号已经产生。两个时间加起来就是330毫秒，因此，在投手将球投出后的130毫秒之前，击球手必须决定是否击球，必须对运动的主要部分做出计划，并通过中枢神经系统来启动动作。
如果击球手打算提高挥棒的速度，缩短动作时间，如从160毫秒缩短到140毫秒。教练可以指导击球手提高挥棒的速度，通过减少动作的距离，或者使用更轻的球棒，或者采用不同的击球姿势和击球动作类型。
视觉信息加工：如果缩短了动作时间，挥棒开始的时间便可以晚一点。这样 就能有更多的时间观察球的飞行路线，判断球的飞行时间，同时，也能准确地预测球的位置和时间。在球靠近击球手时，多出20毫秒观察时间是有益处的。因此，缩短动作时间有助于更好地预测球的飞行特征。
挥棒启动时机的准确性：如果挥棒的速度增加，动作起动的决策时间就更加充分，在时机准确性上也高一些。在Schmidt（1969）的模拟实验中，动作时间的缩短可以使每一次动作的起动时间的变异更小，挥棒开始时间的时间更加稳定，完成挥棒动作的时间点也更加稳定，最终获得更高的时机准确性。
动作时机的准确性：击球手在准备挥棒击球时，最好能够估计出自己挥棒动作的持续时间，这样就可以选择一个合适的时机发动挥棒动作，并且能够使球棒与来球在空间的某一位置相遇。如果实际的动作时间与预估不同，那么动作就会太早或太晚，增加击球时的时机错误。由于减少动作时间会增加动作时机的准确性，因此，动作实际的持续时间就与击球者所估计得较接近，这会提高击球的准确性，特别是击球时机的准确性。
动作的空间准确性：动作做得快一点，还会影响空间的准确性，这一点前面已经讨论。如果原先得动作相对较慢，减少动作时间会提高击球的准确性。如前所述，当动作非常快而且有力时，动作时间的减少更有利于增加动作的准确性，这是因为力量的变异范围减少。
对球的打击：快速挥棒给球更大的冲击力，这在棒球比赛中是非常重要的。可以采用更重的球棒增加动作的负荷来提高空间的准确性，同时防止动作速度的降低。
