第二节 复杂动作控制原理

一、运动技能协调控制概述

篮球运动员在起跳投篮过程中，双腿的起跳和手臂的上举动作几乎同时进行，随后上臂、前臂和手部协调发力把篮球投进篮圈。乒乓球运动员在击球时，通过跨步快速移动身体，同时手臂后摆引拍，随后手臂向前上方挥拍完成正手击球动作。这些在体育运动中常见的运动动作，极少是只需运动员动一下肘关节或膝关节就能完成的简单运动。我们把由多个肢体或肢体的多个部位协同工作完成特定任务的运动称为复杂运动。对不同肢体或部位协调控制是复杂运动的典型特征，因此，对复杂运动的研究将围绕不同肢体或部位间的协调控制问题而展开。

（一）、运动技能协调的含义

当两个及以上肢体或部位同时运动，就必然涉及协调控制问题。

在体育领域，肢体间的协调障碍会阻碍某些运动技能的获得。也就是说人们可以轻易地活得某些生存所必需的运动技能，但要想在体育、艺术等特殊领域活得较高的运动技能，必须经过长期的训练，以克服肢体间的协调障碍。

有研究认为，阻碍肢体间运动协调的主要原因与动作的时间结构有关。动作的时间结构就是每一个动作所涉及的肌肉都有各自的起动和结束时间点。当不同点肢体动作具有相同的时间结构，或者有紧密的时间性关联时，这些动作间容易协调。比如走路时摆动手臂和迈腿时的时间性关联。

（二）、对运动技能协调控制的两种理论解释

非连续性运动技能的实施过程较少受意识控制，而连续性技能的意识控制性较强。为此，对运动技能协调的控制机制存在两种争论比较激烈的理论。一种基于自组织系统的运动控制理论，一种是基于运动程序的运动控制理论。Keele认为自组织系统理论更适合解释连续性运动技能，这类技能通常由较长的持续时间，其控制过程包含对反馈信息的加工；而运动程序理论更适合解释非连续性运动技能，这类运动技能通常需要再较短时间内完成，其控制过程的前期准备比较重要，而反馈信息不重要。如跑步、滑雪、赛艇等运动的协调控制可以用自组织系统理论解释；而跳远、铅球、投篮等运动技能的协调可以用运动程序理论解释。

（三）、体育运动中的技能协调控制

运动技能协调可以通过具体的神经肌肉活动特点去描述协调能力强是一个什么样的动作方式。

体育运动项目种类繁多，每一种项目包含多种运动技能。有些运动技能需要双手同时完成相反并且对称的动作。如走路时手臂的前后摆动有些运动技能需要双手同时完成相同方向的动作。如游泳项目中蛙泳的双手同时向前和向后的划水动作，篮球的双手胸前传球、排球的双手垫球、传球。上下肢之间也存在同方向或反方向的运动组合，如跑步过程中对侧上下肢的同方向运动，击剑中弓步刺动作同侧上下肢的同方向运动。这些运动技能的协调运动看上去都比较容易完成。相对来说，同侧上下肢的同方向运动难度稍大。

体育运动中另一些运动技能的协调控制相对难度大一点。这些运动技能看上去只有一个肢体或肢体的一部分在运动，但实际上需要多个肢体或多个环节的协调运动。比如，乒乓球的正手拉弧圈球，合理的动作方式应该是从腿部发力开始经过髋部运动、腰部运动、肩部运动、手臂运动，最后通过腕部运动甚至手指的运动完成整个击球过程。还有棒球的投球、网球的击球、标枪和铅球中的手臂发力过程等，这些运动技能在实施过程中的手臂发力过程等，这些运动技能在实施过程中都有相似的链条式发力。

身体不同部位的肌肉按特定的顺序、特定的时间间隔发力，必然需要得到合理的协调控制。错误的发力顺序或者不合理的时间间隔，都可能产生不合理的动作模式，导致运动技能绩效降低。对这类运动技能的协调控制是体育运动中最重要的部分，需要通过大量的练习才能获得。

二、 连续性运动技能的协调控制

（一）、头、眼的协调

在体育运动中，通过视觉及时获取对手或环境变化的信息是非常重要的。比如，在球类项目中观察球的空间位置信息并采取相应的接球（篮球）或击球（羽毛球）措施。当目标物意外出现在视野的某个位置时，眼睛必须尽快地锁定目标物，以便为视觉信息的加工提供充足的时间。在这种情况下，头部和眼球的运动是如何协调的呢？

Bizzi等人（1974）对猴子的研究发现，头部运动和眼球之间存在紧密联系。当目标物意外出现在视野的外周后，猴子的头部和眼睛的转动角度的变化。当目标物出现后，猴子的眼球经过短暂的一段反应潜伏期，产生一次快速的眼跳运动将瞳孔指向目标物。于此同时头部开始运动，但速度相对较慢。当头部朝向目标物转动时，眼球向着头部运动相反的方向旋转。眼睛和头部之间的这种运动协调性被称为前庭视觉反射。在快速寻找目标这样的任务中，眼跳保证了对补课预测的视觉信号的快速识别，而头部和眼睛同时的反向运动维持了研究对目标的注视。

（二）、瞄准/击打任务

在极短时间内就完成的快速动作可能受预先组织好的某种神经肌肉活动模式所控制。但是，还有些运动需要对相关的动作进行较复杂的组织，包括不同动作间的序列或并行的协调。在这种情况下，必须在一个动作完成之后，另一个动作才能开始。因此，当一个运动的持续时间较长或复杂控制。通常，这些运动是由一连串的运动程序构成。

拦截运动是体育运动中一种常见的单手臂运动，通常是运动员移动肢体后在特定的时间和空间击中一个移动的物体Schneider和Schmidt的实验研究表明，在一个持续时间较长的运动中，在开始阶段个标志点的时间关联度很高，但稍后阶段，标志点之间的关联度较低。一种解释是前期的动作有一个概括话运动程序支配，但是之后就不是了。也有另外一种可能，就是在运动的后期，动作由另一个运动程序控制。

（三）、伸手/抓握运动

有一种常见的单臂运动协调控制任务是把手移动到某一位置并抓取某物体。这一运动包含两个动作，即伸手和抓握，这也是体育中常见的一种运动。研究发现，在手向目标物的移动过程中，手指并不是一直“等待”直到触及目标才张开，而是在接触物体前就张开了。伸手和抓握这两个动作具有良好的运动协调运动特征，因此称为“伸抓运动”。通常，手指间距的最大值出现在伸手过程中，并且略大于物体的大小，在手接触物体的瞬间，手指间隙缩小到与物体大小一致。

（四）、双手协调

双手间的协调与上述单手协调有些不同。双手可以是相似的动作（如高尔夫挥杆），也可以是两个不同的动作（如拳击中一只手击打对方同时另一只手防守）。当两只手在同时运动时，两只手之间是如何互相影响的？这是运动协调的一个重要问题。

1、时间的协调

前一章介绍的菲茨定律解释了肢体移动距离和目标的大小对运动时间

的影响。但是，这一结果是建立在单个肢体运动时的实验研究基础之上的。当两次肢体同时移动，特别是当两侧肢体的任务要求不同时，运动时间会发生什么变化？Kelso(1979)要求被试用两手既快移动到两个不同的目标位。实验设置了两种目标条件。一个条件是被试移动一小段距离到一个较大的目标，另一个条件是要求移动一段较远距离到一个较小的目标，作为一个困难任务。

从菲茨定律可以推断，容易任务重的动作时间将少于困难任务。当双侧肢体同时完成目标指向任务时(双手条件)，不管是双手相同完成“困难任务”，或其中一只手完成“容易任务”，而另一只手完成“困难”任务，完成困难任务的运动时间大致相同（平均147毫秒）。单手完成容易任务时的运动时间是98毫秒，双手同时完成容易人物的时间略微减慢（105毫秒）；在双手运动中，一只手进行容易任务，另一只手进行困难任务时，完成容易任务的运动时间为130毫秒。结果发现，当双手完成难度不同的任务时，尽管容易任务的运动时间少于困难任务，但困难任务对容易任务有明显的影响。

2、空间的协调

在Goodman等人（1983）的研究中，移动路径中遇到障碍物的肢体运动影响了无障碍肢体的运动学特征。运动轨迹显示，尽管两侧肢体并不是镜像映射的结果，但无障碍物肢体也有与肢体绕开障碍物相似的轨迹趋势，还有很多实验范式里也发现了空间协调效应的存在。Marteniuk,Mackenzie和Baba(1984)要求被试两只手移向不同距离的两个目标物，结果发现，当一侧肢体移向一个较远距离的目标物时，另一侧肢体趋向于超越一个短距离的目标物；当一侧肢体移向一个短距离目标时，另一侧肢体趋向于超越一个短距离的目标物；当一侧肢体移向一个短距离目标时，另一侧移向长距离目标的肢体有移动距离不足的趋势。

值得注意的是，在所有这些任务中，两只手会产生相近的运动，知识距离不同或者轨迹有略微的不同，并且两只手的发力或方向改变的时机几乎是一样的。根据运动程序观点，两侧肢体可能是受同一个程序控制，只是各自的参数有区别。

三、连续性运动技能的协调控制

（一）、早期研究

 在黑板上用非优势手写自己的名字，如果要求你用征程的速度写出一个反面的字（字的镜像），你可能会发现做起来非常困难。如果双手同时书写，优势手用正常的方式书写，非优势手写出一个反面的字。这时你会发现非优势手的书写效果比起优势手略差，但仍然有些相同的特征模式，如同样的绕圈、同样的连笔。人们很早就知道这种现象的存在，但直到现在，其内在机制才逐渐被了解。

 有研究要求被试尽可能地用手指敲击桌面30秒，发现同一只手的不同手指间的敲击频率相近，但两只手之间存在较大差异。比如，右利手备受的右手敲击频率相近，但两只手存在较大的差异。比如，右利手比被试的右手每次敲击的运动时间为181毫秒，左手约222毫秒，右手比左手的动作更快。如果要求被试用两只手的手指同时尽可能地做敲击动作。结果发现手指的平均动作时间是208毫秒，比单手条件下的右手满了27毫秒，比左手快乐14毫秒，这意味着，一旦要求双手同时协调运动，就可能改变单手运动的许多特点。

（二）、步态转换

1、动物的步态转换

动物是基于什么来选择每种步态的特定速度，又是什么决定因素使动物转换自己的步态？Hoyt和Taylor测量了马在跑步台上被训练走、小跑和奔跑的不同速度时的能量消耗。数据显示，在不太转换的临界点能量消耗都比较高。在走和慢跑的步态模式下都存在一个能量消耗的最低点，此时的速度与马自主选择的地面移动速度相当的一致，因此能量效率可能被用来作为动物选择一种步态的特定速度和转换步态的决定因素。

2、人的步态转换

如果要求某一只手摩擦腹部的同时用另一只手轻拍头部，背时的双手会偏离正确空间轨迹：肢体在执行其中一项任务时有变成另一项任务的趋势，或是两项任务的重新组合。

（三）、时间与空间协调

1、时间协调

在实验室要求被试用两个食指同时在一个平板上敲击，左手每敲一次的同时，右手敲两次（称为2：1节奏），随后，做3：1和4：1节奏的任务。实验显示，当双手完成频率相同的任务，或者成倍数关系的节奏时相对比较容易做到。当双手的节奏不成倍数关系时，敲击任务就变得非常困难。双手同时进行不同寄走的动作，称为复合节奏。

Summer(1993)等人比较了音乐家和非音乐家在不同复合机额走条件下，手的敲击速度和动作变异系数。实验数据表明，非音乐家的动作变异系数较大，严格的训练可以获得较好的运动表现。

2、空间协调

如果要求某一只手摩擦腹部的同时用另一只手轻拍头部，背时的双手会偏离正确空间轨迹：肢体在执行其中一项任务时有变成另一项任务的趋势，或是两项任务的重新组合。

（四）、动力系统模型理论

1、动力系统模式理论的含义

 解释步态转换的另一个理论是非线性动力系统模式理论。这个理论并没有否认能量需求可能是步态转换的一个原因，但是它进一步确定了其他触发运动模式变化的条件。在所有这些条件中，变异性是产生模式转变的关键因素。

 一种步态可以用它的相对相位模型来界定。对该模型可以通过测量整个连续时间段的相对相位的平均趋势和变异性来描述。当一种转换成另一种步态时，其相对相位模型会经历一段稳定性降低，即标准差增加的时期。这是动力系统模式理论的解释途径之一。根据这个观点，通过某些关键的运动参数（如速度）可以确定运动的稳定性水平。当该参数的增加超过某一模式的临界水平时，相对相位的变异性就增加（表示协调性降低）。对于一些模式如走、小跑，但不是奔跑，当速度增加时，转换成新的步态是重新获得稳定性的唯一方法。

2、双手协调模式

同相运动和反相运动是比较简单的。另外还存在一些不同相对相位的运动，如在60度、90度、150度、210度、270度等运动。Yamanishi等(1980)的实验结果显示，同相和反相模式比任何其他一种相对相位有更好的动作准确性和稳定性。

3、自发的相位转换

捏手指的实验中，做同相运动，在用反相模式进行操作，同样从慢到快。数据告诉我们，在双手动作频率较低时，两种模式都能很好的完成目标，而且变异性小(动作较稳定）。但是当手指运动频率增加时，正相模式的双手能够一直保持这种趋势，而反相模式的双手运动出现明显的变化；当运动频率增加到约2.25赫兹时，反相模式的运动“跳跃”到正相模式。这说明正相模式的运动具有更高的稳定性、失去稳定性可能是运动模式转换的出发开关。双手协调模式的转换现象和步态转换相类似的地方在于，无论是双手运动还是双足运动，动作的不稳定是导致相位转换或步态转换的触发因素。

4、有意图的相位转换

有意识地尝试从较慢的反相模式的捏手指协调运动，当听到口令后尽可能地转换成正相模式运动然后做相反的过程，完成从同相模式向反相模式运动转换，结果显示，从同相模式向反相模式转换比完成从反相模式向正相模式转换需要更长的时间。这些结果的产生原因是由于同相委模式是一个更牢固更稳定的协调模式，因此，当个体有意识地去尝试做转换时，同相位模式就更容易获得。

5、自组织理论

HKB模型的主要观点是用自组织系统这一概念解释这类运动协调现象，他们认为，运动的自由度受运动模式的支配，会随着模式的质变(失稳与跃迁)而改变。这个观点认为，在于环境交互的情境中，系统对自由度进行组织，认知的作用被弱化，自组织就像一个没有指挥的乐队。

与其他理论的主要区别在于强调运动控制中变异型的作用，变异性被看作是系统当前状态的一个特征，系统的不稳定将增加状态变化的概率，通过变化可以获得更加稳定的状态。

6、自组织与意向

自组织过程强调运动模式组织过程的自然动力性，同时又有意识决策的存在。

四、其他类型的协调

（一）、上肢和下肢的协调

较稳定的协调模式是同方向的运动，而不是屈-屈或屈—伸的组合。这与双手协调模式相似。Bunchanan和Keslo（1993）的研究发现，协调模式的稳定性并不是取决于是否使用特定的肌肉群，而是取决于动作的空间指向。Keslo和Jeka（1992）的研究发现，统测的成对肢体间的同相运动比反相运动更加稳定，在反相运动时，对焦的成对肢体的协调性要好于同侧的成对肢体。这个实验还显示，在矢状面完成双手或双脚协调任务时，同相运动与反相运动具有一样的稳定性。这个结果与先前讨论过的在矢状面上的双手协调运动的研究结果不同。因此，运动协调取决于许多因素，并不只是由运动的几个效应器决定，还涉及他们的运动方向、运动平面与物理环境、预期目标等的交互作用。

（二）、双人间的协调性

在体育运动中，同伴间的协调控制常被称为配合，通常有一个明确的共同目标。多人间的协调在本质上与个体内的运动协调有所不同。在某种意义上，团体间的协调运动似乎也受概括话运动程序的控制，即提前对运动的顺序、时机进行计划，程序既有不变的成分也有可变的参数。