对运动协调形成和调节过程中肌肉工作特征进行量化分析

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论文摘要

  通常,人们把肢体间的配合得当称为运动协调,由于运动协调是人体运动能力的重要构成方面,直接影响着运动员技、战术的掌握和运动成绩的提高,近年来对这一问题的研究已成为体育领域的研究热点之一。目前,国内外对运动协调的研究主要集中在对运动协调的概念、属性、机制等一些基本理论问题的研究,以及对运动协调的测量与评价、专项技术动作的运动协调特征分析等应用方面的研究。由于运动协调问题的复杂性,涉及的相关领域众多,当前对运动协调的研究还存在诸多争议和不足,主要表现在:(1)现行各种解释运动协调形成机制的理论存在不同观点,或以人体生理系统为研究对象,认为神经系统对运动器官的控制导致了运动协调的形成,或强调人类高级心理活动在运动协调形成中的作用;(2)对运动协调特征研究大都针对的是现有协调动作的表现特征研究,而对运动协调形成过程中变化特征的研究则较少涉及;(3)国内对运动协调问题的研究主要涉及专项技术动作的外部肢体协调层面,而对内部肌肉动力学层面的研究较少。本研究以双手抛接球为试验动作,提出表征运动协调系统内部控制参数和指标,对运动协调形成和调节过程中肌肉工作特征进行量化分析,并从自组织的角度对运动内在协调机制进行探讨,为运动控制、动作学习、运动竞赛、体育教学与训练等相关领域提供借鉴。

  1、试验对象与方法

  1.1试验对象

  随机选定20名无双手抛接球运动或类似运动经验的体育专业男生为被试,右手均为优势手,基本情况见表1。

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  1.2试验动作选定和过程控制

  本试验选定的试验动作是双手抛接球,即两手互相交替连续抛接3球。在双手抛接球过程中,始终保持2球在空中运行,当手在接到球后没有抛出另一球或有球落地导致不能连续抛接3球都算失败。双手抛接球动作对人体速度、力量、柔韧、耐力等身体素质要求不高,但在动作节奏、幅度、速度,特别是在肢体肌肉配合等方面有充分体现,因此,选用双手抛接球作为本研究试验动作能使无关因素对研究问题的干扰得到有效控制。

  对20名被试者先进行双手抛接球学习,每天练习1h,约持续15天。在整个教学过程中,对所有被试者双手所抛球高度严格控制在额头左右进行练习,至20名被试全部熟练掌握双手抛接球动作后(双手能连续抛接30个球),立刻进行改变抛球高度和抛球重量的试验测试。

  1.3试验测试

  本研究采用芬兰MEGA公司生产的ME6000型十六导SEMG仪进行表面肌电测试。通过预试验测试,最终确定两侧手臂CH1-DMA(三角肌前部)、CH2-BBM(肱二头肌)、CH3-TBM(肱三头肌)和CH4-LDM(背阔肌)左、右各4块共8块肌肉作为本项研究主要采样肌。试验测试主要包括5次,前3次分别在双手连续抛接球教学开始前1天、教学过程中的第7天、教学结束后的第15天进行测试,前3次测试时球的重量和抛球高度相同,球重约60g,抛球高度约与额头同高,第4、5次测试在第3次测试完成后立刻进行,第4次测试要求抛球重量不变,抛球高度约比头高2m,第5次测试要求抛球高度不变,抛球重量约700g。

  1.4动作分析区域的确定

  从双手连续抛接3球的动作技术分析来看,双手间“抛”和“接”之间的耦合关系以及双手各肌群参与运动的工作状况只能在双手连续抛接球动作周期中得以全面反映。因此,本试验选择从一手抛出一球开始,到同一手接住同一球这段运动时间作为一个完整的双手抛接球动作分析区域。参与双手抛接球动作主要肌肉的激活次序从上至下依次为:LDMA(左三角肌前部)、LBBM(左肱二头肌)、LTBM(左肱三头肌)、LLDM(左背阔肌)、RDMA(右三角肌前部)、RBBM(右肱二头肌)、RTBM(右肱三头肌)、RLDM(右背阔肌),且各肌肉在动作分析区域范围内依次轮流激活2次(见图1)。

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  1.5运动协调指标的确定

  从运动生物力学角度来看,肢体外显协调运动是肌肉内在有序收缩的结果,主要通过参与收缩的肌肉数量、用力次序、用力时间以及用力主次和大小等因素对外显动作产生影响,通过描述肌肉间协调工作关系能从更深层面揭示动作调节时的内控因素和整体性协调变化特征。本研究通过预试验首先确定参与双手抛接球动作的采样肌群,并提出以肌肉间的激活次序、激活时间、用力主次和用力大小作为反映运动协调的生物力学指标。其中,肌肉用力大小以积分肌电值(iEMG)表示,是指一段时间内肌肉中参与活动的运动单位放电总量,用来分析在单位时间内肌肉的用力大小。

  2、结果与分析

  2.1运动绩效

  在进行5次表面肌电测试过程中同时对抛接球数量进行统计,可以考察在不同练习过程和不同抛接球条件下双手抛接球运动绩效与参与运动肌肉间协调收缩状态的变化关系。在进行抛接球数量测试时,每人有2次测试机会,取双手连续抛接球数多的一次为最终成绩。作为周期性运动,双手连续抛接球数的多少反映了动作的熟练程度。本试验中,通过对被试双手连续抛接球运动绩效的观察,被试者在双手连续抛接球30个后就能够熟练、不间地完成动作。第1次抛接球数量测试时,由于被试还没有开始学习双手抛接球动作,因此大部分被试双手连续抛接球个数不超过5个,动作不熟练、不连贯;经过一段时间的练习,被试连续抛接球数逐渐增加,到第3次抛接球数量测试时,被试至少能连续抛接球10个以上,且大部分被试者能连续抛接球30个以上,动作较为熟练、连贯;在第3次抛接球数量测试后立刻进行第4次(改变抛球高度)和第5次(改变抛球重量)测试,在改变抛球高度和抛球重量的条件下,全部被试者依然都能至少连续抛接球10个以上,且大部分都能连续抛接球30个以上,保持了较高的抛接球数(见图2)。

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  抛接球数的均值T检验结果显示,被试第1、2次双手抛接球数量测试与第3次测试相比具有显著性差异(P<0.05),这说明被试由刚开始的不能连续抛接球到经过一段时间的动作练习后,运动绩效产生了非常显著的变化,能够熟练、连贯地完成抛接球动作。测试结果还表明,被试第3次抛接球数量与第4、5次相比不具有显著性差异(P>0.05),说明被试在双手能够连贯抛接球后就能随外界条件(抛球高度和抛球重量)的变化产生运动调节,从而达到相同的运动绩效(见表2)。

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  2.2运动协调指标

  2.2.1肌肉激活次序和时间。被试在第1次正式测试时,双手各肌肉的激活次序和时间没有表现出明显的规律性变化;经过一段时间练习,到第3次测试时,被试双手各肌肉激活时间和次序逐渐显现出规律性,呈现出前低后高的特定台阶状变化。

  LDMA(左三角肌前部)和LBBM(左肱二头肌)最先同时激活(激活时间同约为0s),然后是LTBM(左肱三头肌)和LLDM(左背阔肌)时激活(激活时间同约为0.1s),往后依次为RDMA(右三角肌前部)和RBBM(右肱二头肌)同时激活(激活时间约为0.4s),RTBM(右肱三头肌)和RLDM(右背阔肌)同时激活(激活时间约为0.57s),并以这种特定的激活次序和时间循环往复来完成连续双手抛接球动作。第4、5次测试时,双手各肌肉激活次序与第3次一致,但完成动作的总时间不同,主要表现在DMA(三角肌前部)和BBM(肱二头肌)、TBM(肱三头肌)和LDM(背阔肌)这2对肌肉依次激活的间隔时间不同。与第3次测试相比,第4次抛高球测试时,这2对肌肉激活时间较长(每次激活时间都延长约0.4s);第5次抛重球测试时,这2对肌肉激活时间较短(每次激活时间都缩短约0.05s)(见图3)。

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  单因素方差检验显示,被试双手各肌肉激活时间在不同教学阶段或不同抛球条件下存在差异。结果表明,第4次抛高球测试时,双手各肌肉激活时间与其他4次测试结果的差异均有统计学意义(P<0.05),而其他4次测试结果之间的差异无统计学意义(P>0.05)(见表3)。这主要是因为,在抛高球时,DMA(三角肌前部)和BBM(肱二头肌)、TBM(肱三头肌)和LDM(背阔肌)这2对肌肉依次激活的间隔时间与其他4次测试相比明显增加,表明双手抛高球时由于球在空中持续飞行时间较长,导致双手抛球与接球或接球与抛球的间隔时间也相应大幅延长(见表3)。

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  被试者在不同教学阶段或不同抛球条件下的肌肉激活次序是不同的,而肌肉激活时间又受到肌肉激活次序的影响,因此,为了揭示被试在不同教学阶段或不同抛球条件下肌肉激活时间的变化情况,需要排除肌肉激活次序的影响。以各肌肉激活次序为控制因素,对被试全部5次测试时双手各肌肉激活时间值做偏相关分析。可知,被试第1、2次测试分别与其他4次测试结果相比,双手各肌肉激活时间值变化均无统计学意义,而第3、4、5次测试结果之间仍然都保持0.822以上的高度相关性(见表4)。

  对肌肉激活次序和时间的测试结果表明,连续抛接动作的习得需要在参与运动各肌肉间形成特定的激活次序和整体协调激活关系,这种整体协调激活关系一旦形成就不易改变。当需要改变抛球动作幅度时,双手各肌肉间仍能保持高度一致的整体激活次序和整体协调激活程度,通过调节单个肌肉激活时间长短来达到连续抛接球目的。

  2.2.2肌肉用力主次和积分肌电值。被试者在第1次测试时,双手各肌肉用力主次关系没有表现出明显的规律性变化,经过一段时间的双手抛接球动作练习后,双手各肌肉用力主次关系逐渐显现出规律性。到第3次测试时,被试左手和右手肌肉用力的主次关系都是一致的,由大到小依次是肱二头肌、三角肌前部、肱三头肌和背阔肌。第4、5次测试时,双手各肌肉用力主次关系都与第3次测试结果一致,但被试在抛球条件改变(抛重球或抛高球)时,每个肌肉的积分肌电值均不同,特别是抛重球时,双手的肱二头肌积分肌电值增大明显(见图4)。

  被试5次测试双手各肌肉积分肌电值的单因素方差检验表明,第5次抛重球测试时,双手各肌肉积分肌电值与其他4次的差异有统计学意义(P<0.05),其他4次之间的差异则无统计学意义(P>0.05)(见表5)。

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  对双手各肌肉积分肌电值的相关分析,能够反映参与双手抛接动作各肌肉在整体上的协调用力程度。以激活次序为控制因素,对被试全部5次测试时双手各肌肉积分肌电值做偏相关分析可知,被试第1、2次测试双手各肌肉积分肌电值分别与其他4次的变化无统计学意义,而第3、4、5次测试结果之间仍都保持0.866以上的高度相关性(见表6)。

  对肌肉用力主次关系和积分肌电值的试验结果表明,连续抛接动作的习得在各肌肉间形成了特定的用力主次关系和整体协调活时间激用力关系,这种特定的关系一旦形成就不易改变。当抛球重量改变时,单个肌肉用力大小相应地产生了显著性改变,然而双手各肌肉间仍能保持高度一致的用力主次关系和整体协调用力关系。

  综上所述,在双手连续抛接动作的形成过程中,双手肌肉间的激活次序和用力主次关系也逐渐产生有序性变化,各肌肉间激活时间长短和用力大小也产生相互间的协调配合性变化。因此可以认为,双手抛接球动作习得后,各肌肉间形成了一种特定的整体协调关系,这种关系不随外界抛球条件(幅度或重量)的变化而改变。当改变外界抛球条件时,可以通过调节单个肌肉的激活时间长短或用力大小,来保持肌肉间整体协调特性,从而完成连续抛接球的任务。

  由于运动协调问题本身的复杂性且涉及领域众多,目前,对运动协调形成机制等问题还存在不同观点和看法。本研究结果揭示,新动作的形成需要在人体参与运动肌肉间(激活次序、激活时间、用力主次和用力大小)形成新的整体协调特性,新的整体协调特性具有高度有序化和关联程度,可以把这种形成新动作的整体协调特性称为“序参量”。序参量是运动协调系统内部各因素间协调配合的强度标志,运动协调系统由最初的无序状态(动作不协调)逐渐变化到有序状态(动作协调),这时就出现了对外体现整体协调属性,对内支配、控制或维持这种协调配合关系的序参量。当序参量出现后,将导致人体运动空间中自由度的大幅减少,并表现出特定的功能目的性,能随外界环境的改变,相应改变单个指标而保持整体协调特性不变,进行自动调节,完成相同的目标任务。

  3、结论

  (1)在双手连续抛接动作的形成过程中,双手肌肉间的激活次序和用力主次关系也逐渐产生有序性变化,各肌肉间激活时间长短和用力大小也产生相互间的协调配合性变化,各肌肉间形成一种特定的整体协调关系。这种整体协调特性不随外界抛球条件的变化而改变,当改变外界抛球条件时,可以通过调节单个肌肉的激活时间长短或用力大小,从而保持肌肉间整体协调特性不变,同样可完成连续抛接球的任务。

  (2)新动作的形成需要在人体肌肉间形成具有高度有序化和关联程度的整体协调特性,这种形成新动作的整体协调特性称为“序参量”。当序参量出现后,将导致人体运动空间中自由度的减少,并表现出特定的功能目的性,能随外界环境的改变相应改变单个指标而保持整体协调特性不变,可进行自动调节,完成相同的目标任务。

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