运动视觉控制对协调性的影响——基于跳绳动作的生物力学分析

李文宝　邱文信　冯传智

(1.吉林体育学院，吉林 长春　130022；2.台湾新竹教育大学，台湾 新竹　30014；3.台湾体育大学，台湾 桃园　33301)



运动视觉控制对协调性的影响
——基于跳绳动作的生物力学分析

李文宝1邱文信2冯传智3

(1.吉林体育学院，吉林 长春130022；2.台湾新竹教育大学，台湾 新竹30014；3.台湾体育大学，台湾 桃园33301)

摘要:运动视觉控制日益受到研究者的关注，而运动中的协调性是体能中的重要一环，运用运动生物力学手段与方法，通过限制跳绳时的运动视觉，比较睁眼与蒙眼条件下，运动学及动力学的变化特征及差异，分析运动视觉在协调性中的控制作用，为今后运动视觉对协调性的量化研究提供参考，也将促进跳绳运动在全民健身中及青少年体育活动中的广泛推广。方法：受试者为15名普通体育院校男生，以100turns/min的速度在Kistler三维测力板进行跳绳，采用Vicon运动捕捉系统同步拍摄跳绳动作，截取一个完整周期的跳绳动作进行分析。采用Spss22.0系统软件对关节角度、起跳时机、作用力等13个指标进行t检验。结果：在运动学方面，上肢(肩、肘、腕)关节和下肢(髋、膝、踝)关节达到显著差异(p<0.05)，起跳时间、腾空时间和着地时间未达到显著差异(p>0.05)；在动力学方面，最大垂直地面反作用力、50毫秒被动冲量、冲量和最大负荷率，均未达显著差异(p>0.05)。结论与建议：1)当限制运动视觉时，受试者会将注意焦点转移至对其他本体感觉，并有意识地对身体进行控制；2)长期采用跳绳单一模式运动，可能给下肢关节及骨骼带来受伤的风险。建议采取限制运动视觉的辅助手段，来增进人体的感觉统合，提高人体对自身的控制能力，改善协调能力。日后可以利用不同频率，不同长度的绳子，同时结合肌电测试，对运动视觉与协调性、感觉统合能力的关系进行更深入的探究。

关键词:运动视觉；协调性；跳绳；生物力学

1前言

视觉作为人类多种感官认识功能中占主导地位的感知方式，对体育运动中的各种感觉性运动活动具有重要作用[1]。美国视力鉴定师协会(AOA)将不同种类运动项目(射箭、棒球、篮球、体操等16项)的视觉进行了重要性评分。整理后如下表(见表1)，最高分出现在网球和曲棍球项目中，总分都是39分，最低分出现在赛跑和游泳项目中，总分都是14分。可见，虽然不同的运动项目对视觉功能具有不同的要求[2]，但几乎所有的运动项目都需要良好的视觉能力，无论是开放性的运动还是关闭性的运动，视觉能力在运动中的重要作用是毋庸置疑的。

1978年，美国由视力鉴定协会成立运动视觉机构，1984年设立运动视觉研究协会，从事运动视觉的相关研究工作；1987年，日本由东京眼镜公司在日本设置“运动视觉中心”，第二年成立运动视觉研究协会，开始各种视觉训练的研究；1987年加拿大、1989年意大利、1992年澳大利亚、荷兰，1993年英国相继成立了运动视觉研究结构。2007年6月中国国家体育总局训练局与美国娇生公司合作成立“视觉研究中心”[3]。在中心成立之前，国内对运动视觉基本没有概念性的认识，对运动视觉在体育运动中的作用认识尚处于起步阶段。2008年北京奥运会之后，中心开始引进专业的仪器设备，但因仪器价格昂贵，至今没有普及。因此学科发展要求我国有关专家加强对运动视觉有关课题的研究及知识的普及，为全面健身和竞技体育提供更为简便易行的训练手段和方法。

目前，运动视觉研究已经成为体育科学研究领域的一个新的热点[4]。1992年，英国的Milner和加拿大的Goodle两位神经心理学家提出了视觉的两个加工系统理论，把视觉分为“为了知觉的视觉(Vision for perception)”和“为了行动的视觉(Vision for action)”[5-7]。国内学者孙义良定义“运动视觉为运动中观看与反馈的能力”[8]。可见，运动视觉更侧重在行动上。国外的运动视觉与体育运动的关系等基础理论研究方面已经取得一定的成就，但关于单个项目与运动视觉关系的应用研究还在进行中，致使大多数研究结果目前还很难推广到实际运动情境中，广泛的操作应用还尚待时日[5]。国内相关的研究多集中于优秀选手与一般选手，专家和新手间的对比研究，结果是显而易见的，优秀选手或专家在运动视觉各方面的能力要好于一般选手或新手[9-10]。

跳绳运动在全民健身运动中是大众广泛喜欢参与的项目。作为复合运动链的周期运动，它是全面健身活动中推广的项目之一，也是竞技体育重要的协调性训练手段。跳绳是指由单人、双人或多人使用一条、二条或数条绳索做环摆运动，单人或多人在其间做各种跳跃动作的运动项目[11]。完成跳绳需要上下肢的协同配合，人体神经系统与感官系统的高度统合，是人体协调性的重要体现。协调性是指身体部位在特定的时间和空间要求下的动作形式[12]。完成跳绳运动要求高度的协调能力，但目前对跳绳动作与运动视觉之间的研究尚不多见。日本

注：评分1-5，重要性逐级增加。

广岛大学(University Hironshimo)渡部和彦博士认为“运动视觉信息，对姿势的控制有很大影响，在没有视觉信息输入的情况下，人对姿势的控制能力会下降”[13]。一些研究人员质疑，通过定性的方式评价肢体间的联系，推断肢体的协调性，得到的结论是否可靠，并建议增加对肢体运动的定量评价[14-15]。因此本文将利用运动生物力学的研究方法手段，通过限制受试者的运动视觉，分析跳绳动作在运动学与动力学中的变化特征及差异，为运动视觉与协调性的研究提供参考。

2研究对象与方法

2.1研究对象

受试对象为某体育院校体育教育专业15名男生(非跳绳专项)，受试者一年内无重大伤害。基本资料见表2。

表2　受试者基本资料

注：表中N为人数；M为平均数；SD为标准差。

2.2研究方法

2.2.1文献资料法

从中国知网、Google学术、Web of science查阅相关文献和资料，主要包括以下几个方面：视觉与运动视觉在体育中的研究进展；跳绳技术动作的相关研究文献；解剖学与运动生物力学的基本知识。

2.2.2专家访谈法

采用电话和面访两种方式对相关专家进行访谈，包括运动心理学专家2人，运动生理学专家3人，运动生物力学专家3人。访谈的主要内容包括动作控制的有关理论，跳绳动作的神经控制，跳绳技术的力学原理以及实验方案的可行性。

2.2.3实验法

实验采用单人单绳前回旋跳绳方式，频率为100turns/min，采取配对样本组内测试，受试者在睁眼与蒙眼条件下进行跳绳运动，比较运动学(肩、肘、腕、髋、膝、踝等关节的关节角度，起跳时机、着地时间、推蹬滞空时间)和动力学(最大地面反作用力、冲量、被动冲量、下肢负荷率)两个部分指标差异：具体实验场地设置见图1。被试全身共用29个Marker反光球，粘贴方式见图2。

实验器材包括：

(1)三维运动捕捉系统，英国Vicon Motion System公司生产的红外高速运动捕捉系统。包括10台T40型号摄像头，130万像素，直径14mm的Marker球若干，采样频率设置为100Hz。

(2)三维测力板，瑞士生产的Kistler三维测力板1块(型号：9287，长*宽*高：90*60*10cm)，采样频率为1000Hz。

(3)运动学和动力学的信号采集使用英国Vicon公司开发的Nexus v1.4.116分析软件。

(4)其他测试用品：同步触发器、节拍器、眼罩、剪刀、透气胶布、跳绳(直径0.6cm的实心PVC材质塑料绳)。

2.2.4数理统计法

用Excel2007和Spss22.0对数据进行统计学处理，包括均值，标准差，配对样本t检验等。

图1　场地布置图　　　　　　　　　　　图2　人体Marker标记正、背面图

3实验结果与分析

跳绳是提高人体协调能力的重要手段和方法，它属于复合运动链的周期性运动，在跳绳过程中人体运动遵循动力链原则。动力链因肢段起点、终点活动程度的不同，可以分为开放式运动链(open kinetic chaim)与闭锁式运动链(closed kinetic chain)两种[16]。开放式运动链指肢体近端固定而远端活动的运动，其特点是各关节肢段有其特定的活动范围，远端活动范围大于近端；而闭锁式运动链指肢体远端固定而近端活动的运动，实际上是将开放链的旋转运动转化成线性运动。对于跳绳运动而言，上肢为开放式运动链，而下肢在着地时为闭锁式运动链，起跳时为开放式运动链。因此，着地时为两种不同运动链在跳绳过程中相互转换。运动视觉是个体在动作控制中的重要信息来源。英国苏赛克斯大学(University of Sussex)生物科学院教授对眼动的研究发现，视觉瞬间的捕捉能力是在行为反应过程中进行的，人可以在视觉图像加工过程中预测与组织运动行为[17]。当运动视觉受到限制时，对跳绳这样的复合运动链的技术动作必将造成一定的影响。

3.1运动学分析

3.1.1上肢(肩、肘、腕)关节角度的差异比较时的数据

将受试者在限制运动视觉与正常跳绳时的数据进行比较，肩关节角度、肘关节角度、腕关节角度达到显著差异(p<0.05)(如表3)，即在限制运动视觉情况下，会影响上肢三大关节角度变化的控制模式。通过图3、图4、图5可见，受试者在蒙眼时，通过增加肩关节角度、减小肘关节角度、腕关节角度来完成跳绳动作。

表3　上肢(肩、肘、腕)关节角度一览表

*p<0.05

肩关节是人体最灵活的关节之一，由肱骨的肱骨头和肩胛骨的关节盂构成的球窝关节，可绕垂直轴、矢状轴和冠状轴做多种运动[18]。在跳绳过程中肩关节绕冠状轴做环转运动，但此时关节活动范围相对较小，在18度-28度之间(如图3)；而对于肘关节(图4)与腕关节(图5)而言，当受试者足着地后至再次离地前，蒙眼跳绳的关节角度变化范围明显高于睁眼跳绳，由于限制运动视觉，不能够通过视觉确定绳子相对身体绕行的位置，因此，受试者通过自身的本体感觉控制跳绳，加大了绳子的运动幅度，以确保顺利完成下一个跳绳动作。

图3　肩关节角度变化图

图4　肘关节角度变化图

图5　腕关节角度变化图

3.1.2下肢(髋、膝、踝)关节角度的差异比较

将受试者在限制运动视觉与正常跳绳时的数据进行比较，髋关节角度、膝关节角度、踝关节角度达到显著差异(p<0.05)(如表4)，即在限制运动视觉情况下，会影响跳绳动作下肢关节角度变化的控制模式。

表4　下肢(髋、膝、踝)关节角度一览表

*p<0.05

由图7得知，着地时期，在运动视觉限制的情况下，膝关节弯曲角度较正常跳绳角度大，以此来缓冲较大的下肢负荷率；另由图6和图7得知，离地腾空时期，在限制运动视觉的情况下，髋、膝关节弯曲角度较正常跳绳角度大；由图8得知，着地前期， 在限

图6　髋关节角度变化图

图7　膝关节角度变化图

图8　踝关节角度变化图

制运动视觉的情况下，踝关节弯曲角度较正常跳绳角度小，以此增加足的最低点与地面的高度，提高绳子的通过率，受试者的注意焦点随着绳子的相对位置变化而改变，善于使用完成任务的有效信息进行动作行为的控制。

3.1.3起跳时机、着地时间和推蹬滞空时间的差异比较

学生的评价是对带教老师教学工作直接和客观的评价，是衡量教学质量的指标之一[5]。PDCA 循环带教过程中，学生自主学习，发现问题后和带教老师，直接交流，对问题的共同探讨，缩短了师生之间的距离，增加了学生和老师之间的沟通和交流。同时增加了学生对老师的满意度。年度考核学生对老师的满意度达到89%，较前一年同期满意度提高15%。

跳绳运动在起跳时，身体重心落在前脚掌以保持身体平衡，膝关节弯曲约136度(如图7)，此时，手臂带动跳绳，将以适当的时间完成起跳动作；推蹬滞空期需要下肢的主动肌群收缩，将身体推到适当高度，此时手臂瞬间带动跳绳从身体与地面的空间顺利通过；着地期身体再次与地面接触，重心重新落在前脚掌保持平衡，膝关节弯曲吸收地面反作用力，手臂继续带动跳绳通过头部，再回到起跳姿势。

表5　起跳时机、着地时间、推蹬滞空时间一览表

*p<0.05

受试者在限制运动视觉与正常跳绳进行比较，起跳时机未达到显著差异(p>0.05)(如表5)。由图9得知，从垂直地面0度算起，摇绳至203度时，限制运动视觉，便开始做起跳的动作，正常跳绳至210度时，才会做起跳的动作，故限制运动视觉信息时，在身体接收到起跳的信息后，会较早做起跳的准备。

图9　起跳时机图

图10　着地时间图

图11　腾空时间图

受试者在限制运动视觉与正常跳绳进行比较，着地时间未达到显著差异(p>0.05)(如表5)。也就是说限制运动视觉与正常跳绳的平均着地时间是没有差异的，不因限制运动视觉影响跳绳运动着地时间的控制模式。

受试者在限制运动视觉与正常跳绳进行比较，腾空时间未达到显著差异(p>0.05)(如表5)。也就是说限制运动视觉与正跳绳的平均着地时间是没有差异。分析其原因，腾空时间的长短决定了跳绳的频率，因限定了跳绳的频率，故腾空时间也因此受到了限制，致使没有达到显著差异。

3.2动力学分析

表6　运动学指标一览表

*p<0.05

最大垂直地面反作用力，即测力板所测力的峰值，足部受到的反作用力越大可知下肢关节承受的能量也越大[19]。受试者在限制运动视觉与正常跳绳进行比较，最大垂直地面反作用力未达到显著差异(p>0.05,如表6),也就是说在限制运动视觉与正常跳绳时的最大垂直地面反作用力是没有差异的，不因限制运动视觉而影响跳绳运动最大垂直地面反作用力的控制模式。但在如此高倍数体重的情况下，有效减缓地面反作用力的冲击，下肢骨骼关节系统的缓冲尤其重要，以减少运动伤害的发生。

被动冲量，在着地动作中，足部接触地面开始后后50ms内的作用力与时间的积分值。受试者在限制运动视觉与正常跳绳时进行比较，50毫秒被动冲量未达到显著差异(p>0.05,如表6),即限制运动视觉与正常跳绳时的最大垂直地面反作用力是没有差异的。故在限制运动视觉情况下，持续长时间从事高回旋、高频率的跳绳运动，或高度增加的跳跃运动，因50毫秒时间内所产生的被动冲量的增多，但此时所产生的力量下肢的骨骼肌肉系统并不能产生主动的动作来缓冲此冲量，通过反射的动作来产生反应，对人体健康具有较高的危险性，受伤的机率也随之增加[20]。因此在实际从事的运动项目训练中，应注意训练时的强度及充分休息时数，必须加强对于反射动作的训练，以增加承受被动冲量的能力，预防伤害的发生。

受试者在限制运动视觉与正常跳绳进行比较，冲量未达到显著差异(p>0.05,如表6)。即限制运动视觉与正常跳绳时的冲量是没有差异的，不因限制信息而影响着地的动作控制。

最大负荷率是垂直地面反作用力的峰值的最大斜率，即df/dt。经配对样本t检验，受试者在限制运动视觉与正常跳绳进行比较，最大负荷率未达到显著差异(p>0.05,如表6),即限制运动视觉与正常跳绳时的最大负荷率是没有差异的。虽然在限制运动视觉下未达到显著差异，但仍高于谢明达[21]关于100turns/min的研究中的值33.31±5.45 BW/s的一倍，而与140turns/min的跳绳运动之值65.41±5.61BW/s相当，故从事中、高频率的跳绳运动，须注意可能会对下肢造成受伤的风险。

图12　最大垂直地面反作用力图　　　　　　　　　　　　　　图13　50毫秒被动冲量图

图14　冲量图　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图15　最大负荷率图

4结论与建议

4.1结论

在运动学方面，当限制被试的运动视觉时，上肢(肩、肘、腕)关节，下肢(髋、膝、踝)关节角度达到显著差异，说明限制运动视觉会影响跳绳运动时上、下肢关节角度变化的控制模式；起跳时机、着地时间和推蹬滞空时间未达显著差异，对时间和空间的控制没有明显影响。

在动力学方面，最大垂直地面反作用力、50毫秒被动冲量、冲量和最大负荷率，在限制运动视觉情况下，均未达显著差异。但四项指标的均值在蒙眼情况下均略小于睁眼跳绳，说明由于限制了受试者的运动视觉，受试者将转移对其他本体感觉的关注程度，有意识对身体进行控制[22]。

运动视觉控制可以提高人体自身的控制能力，发展协调性，有助于人体神经与感官系统的统合。

4.2建议

在进行跳绳运动时，可以采取限制运动视觉的辅助手段，增进人体的感觉统合，提高人体自身的协调能力。

本研究的跳绳频率是100turns/min，属于中等速度，建议日后可以利用不同频率，不同长度的绳子，结合肌电图测试上下肢肌群的肌电变化，将会对跳绳运动的协调性以及感觉统合能力有更进一步的了解。

通过研究发现，跳绳运动无论是睁眼或蒙眼条件下，对下肢关节的冲击力较大，建议跳绳爱好者在今后的跳绳运动中可以选择相对柔软的地面，或者穿着减震效果较好的运动鞋从事该项活动，避免运动伤害的发生。

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The Effects of Sports Vision Control for Coordination——Biomechanical Analysis Based on the Action of Rope Skipping

LI Wen-bao1, CHIU Wen-hsinn2, FENG Chuan-zhi3

(1.JiLin Sport University, Changchun130022, China; 2. Hsinchu University of Education,Hsinchu 30014, Taiwan;3.National Taiwan Sport University,Taoyuan 33301,Taiwan)

Abstract：The control of sport vision is more and more attention, and the coordination of sports is an important part of physical fitness,The purpose is to analyze the control of sport vision in rope skipping by comparison of kinetic and kinematical variation characteristics and differences in the conditions of closing eyes and opening eyes, based on bio-mechanics, so as to provide references for future relevant researches on sport vision and coordination，It also will promote the wide spread of the rope skipping in the national fitness and youth sports activities.Method: The subjects, 15 male students from an average PE institute, are asked to skip on a 3-dimensional testing board, Kistler, at a speed of 100 turns/min. The movements are shot synchronously by a movement capture system, Vicon, and a complete skip cycle is selected to be analyzed. Joint angles, time of taking off, acting force and 5 other indicators are sampled and tested by Spss22.0 system. Results: In kinematics, the upper joints (shoulders, elbows and wrists) and the lower joints (hips, knees and ankles), are significantly different(p<0.05), and take-off time, soaring time and landing time are not (p>0.05); in kinetics, the maximum vertical ground reacting force, 50 ms passive impulse, impulse and the maximum rate of loading are not significantly different (p> 0.05) in the condition of sport visual limitation.Conclusion and advice: With sport visual limitation, the subjects will shift their proprioception to other parts of the body and control them consciously. As an exercise of single mode, long-term rope skipping may cause risks in lower joint and bone injuries. Therefore, it is advisable to adopt visual limitation as an assistant means to enhance the body’s sensory integration and self-control. In the future, ropes of various lengths at various frequencies with EMG test can be used to further explore the coordination and sensory integration .

Key words：sport vision；coordination；skipping；biomechanics

* 收稿日期：2016-03-25； 修回日期：2016-04-19

基金项目：吉林省教育厅“十三五”自然科学研究项目(吉教科合字【2016】第396号)

作者简介：李文宝(1981-)，男，讲师，硕士，研究方向：运动人体科学。 通讯作者：邱文信(1973-)，男，教授，博士，博士生导师，研究方向：运动生物力学、运动行为学。

中图分类号:G804.6

文献标识码：A

文章编号：1672-1365(2016)03-0041-08

◀运动人体科学及应用心理学