運動領域中復雜性表達的應用與展望

尹曉峰，劉志民，郭瑩9

（1.上海體育學院 體育休閑與藝術學院，上海 200438；2.上海體育科學研究所 信息研究中心，上海 200030；3.上海立信會計學院 體育部，上海 201620）

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運動領域中復雜性表達的應用與展望

尹曉峰1，2，劉志民1，郭瑩319

（1.上海體育學院 體育休閑與藝術學院，上海 200438；2.上海體育科學研究所 信息研究中心，上海 200030；3.上海立信會計學院 體育部，上海 201620）

摘 要：20世紀中葉興起的復雜范式的思維革命，在包括體育運動在內的不同領域產生巨大影響。特別是進入21世紀，圍繞體育運動領域復雜系統的研究呈現顯著增長的趨勢。作為運動領域當中應用較為廣泛的復雜系統代表，生態動力學系統和神經生物學系統更能反映并解釋運動領域當中的復雜現象。對上述研究進行綜合回顧和梳理，以期為體育領域的未來理論研究與應用實踐提供參考。盡管在復雜系統思想的發展過程中，完全評估在體育領域中的貢獻仍然為時尚早，但是復雜系統的方法卻可以將研究者的注意力集中在新的可能性上。

關 鍵 詞：復雜系統；運動領域；生態動力學；神經生物學；綜述

20世紀中葉以來，科學界正在悄然經歷一次從簡單到復雜范式更迭的思維革命，使人類對客觀事物的認識由線性上升到非線性，由簡單均衡上升到非均衡，由簡單還原論上升到復雜整體論。曾經統治長達300多年的經典科學中，線性、均衡、機械還原論的傳統思維模式受到前所未有的挑戰。1994年復雜科學研究的旗幟人物、美國圣菲研究所主要創始人約翰·霍蘭正式提出比較完整的復雜適應性系統理論，并在之后對各個學科領域產生強大的沖擊力，成為解釋復雜系統機制的一種重要觀點。將事物看作系統，運用非還原論方法研究復雜系統產生復雜性機理及演化規律，成為這場“復雜性研究運動”的主旋律。紛繁復雜的真實世界要求科研工作者用更加整體、非線性、動態的以及有機聯系的眼光看待問題，開展復雜系統的跨學科研究是大勢所趨。

復雜系統具有自我組織、自我調整的能力，能夠將秩序和混沌融入某種特殊的平衡，其平衡點是混沌邊緣的系統[1]。該定義較為明確地指明復雜系統更加強調適應性造就了復雜性，即主體自身組織中有序性和無序性的結合造成了事物發展的多種可能性。20世紀90年代后，體育運動領域中的復雜現象(如團隊項目中動態變化的場景或是運動員對訓練刺激的適應等)逐漸引起學者和專家的關注，尤其是進入到21世紀，圍繞運動領域的復雜系統開展的研究呈現出顯著增長的趨勢。

1　生態動力學系統在運動表現分析中的應用與展望

科學、客觀的運動表現分析是區分運動員或運動隊成功與否的重要手段，無論是教練員還是體育科技工作者一直都在致力于運動表現的綜合分析工作，希望通過研究獲得用于改善和提升訓練和比賽過程中運動表現的關鍵信息。傳統用于運動表現分析的方法主要有符號分析技術[2]和序列分析法。前者主要通過數理統計程序，如因素分析、多元回歸方程等，依據比賽結果相關程度對能夠反映運動表現的指標進行分級排序，一般用于反映運動表現指標主要包括定量指標(如得分、籃板、失誤等)和定性指標(如失誤、鏟斷、控球權等)兩類[3]；后者則是按照一定時間序列模式記錄運動員動作的離散頻率[4]，該方法能夠解釋比賽中不易直接察覺和感知到的潛在交互情況。然而這些方法存在先天的缺陷是，忽視運動環境信息的約束影響，如在足球或籃球等團體項目中，本方隊員做出的行為可能是在對方隊員施壓前提下被迫形成的，換言之這些方法只考慮到了運動員在“何時”、“何地”完成“何種”行為，而“為何”以及“如何”完成這些動作的相關信息卻沒有考慮在內[5]，因此分析結果與實際情況經常出現矛盾。

作為復雜系統的典型代表，生態動力學系統相關概念的引入能夠很好地解決上述問題，在該框架下可以借助環境信息解釋運動員或者團隊表現優異的原因，同時也可以解釋為何不同的動作或戰術模式依然能夠產生同樣優異的表現結果。

1)生態動力學視角下運動表現綜合特征的研究。

從生態動力學的視角看，團隊項目中的運動員以及球隊可以視作神經生物學和社會神經生物學系統，在該系統下自組織過程受到周邊環境信息、運動員生理變化及主觀意愿等約束因素的影響，運動員與運動環境之間不斷進行著信息交換。在這個信息交互過程中，運動員對環境以及其他運動員(包括隊友和對手)各種關系的可視性感知成為團隊項目人際間協調性建立的前提，并在此基礎上做出與之相適應的行為[6]。由于比賽本身就是不斷變化的動力系統，無論是個體約束還是運動環境約束始終都在發生變化，所以運動員在通過可視性感知與這些變化的約束條件進行信息交換時會促成不同的動作行為，最終引起比賽組織狀態的漲落。當這種漲落的強度達到足以破壞存在于球員之間的平衡時，一個對稱性破損就會出現。對于體育科技工作者以及教練員而言，就是要借助上述信息進一步了解團隊項目運動表現的特征。

2)生態動力學視角下團隊項目人際協調行為研究。

生態動力學視角下的另一個研究方向是以攻-防隊員構成的次級系統(即二元體)作為考察的基本單元，探究團隊項目中球員間的協調性。一項針對籃球的研究已經證實在1對1次級階段中，進攻和防守隊員在位移上存在高度耦合性特征。但是，隨著進攻隊員移動至籃下區域，臨界漲落就會出現在這個二元體穩定態之中，系統會向“進攻方占優”或“防守方占優”的兩種可能性狀態之一發生突變[7]。當然，在實際的比賽環境下，同時存在不止一個攻防隊員二元體系統，它們可能會是影響球員間協調動力學的主要限制因素。因此該方向的研究是要幫助運動員清楚如何運用球與目標物移動等信息適配自己的行為并獲取勝利。

總之，生態動力學在運動表現的分析方面提供可以識別關鍵信息變量的理論框架，在某種意義上它甚至可以成為替代符號分析法的又一選擇。目前的研究主要集中在球體與運動員時空運行軌跡的分析方面，未來需要明確一個可以描述系統運行動力學特征的集合變量。除此之外，今后另一個研究重點是如何借助生態動力學，幫助團隊項目運動員使用關鍵信息變量實現對自身運動表現控制的模擬[8]，更好做到信息與動作的功能性耦合。

2　生態動力學系統在運動創造性培養中的應用與展望

體育領域中有關運動表現的創造性解決方案始終伴隨著運動項目的發展而不斷涌現，這當中無論是個體技術的創新，比如田徑中跳高項目從最先運用的“跨越式”、“剪刀式”到之后“背越式”技術的更迭；也不論是團隊項目中創造性行為，如足球項目中局域范圍攻防戰術的即興選擇，都能夠在運動背景下得以發現。然而，運動表現領域中的創新性卻很少成為系統性研究的主題，這從另一個側面也反映出現有體育科學研究的相關理論在研究和解釋創造性行為上的相對不足。在一些傳統的決策或者行為選擇理論當中，多重解決方案(或者選擇)必須基于共同的人類經驗做出假設，一旦解決方案的數量和類型以一種特別的方式固定下來，那么系統就必須從中做出選擇，而不存在尋找新方案的可能性。然而在體育領域中，很多情況下的運動表現確是在全新動作模式的發明中得以提升，而非對已有技術的模式參數再優化。近年來，特別是在復雜系統有關概念的影響下，一些學者從動力學系統的觀點對體育領域創造性進行了重新審視，并將“創造性”定義為“新的功能性行為的‘探索及生成過程’”[9]。

1)運動領域創新性行為產生的機制研究。

根據神經生物系統的觀點，大多數主體-環境系統解決方案或者狀態，都是系統組分之間（或者是作為社會神經系統的運動項目中的系統主體之間）大量潛在的非線性耦合作用的結果[10]。此類系統具有基因多效性、簡并以及多重穩定性的特征[11]?；蚨嘈泽w現了表型或行為在某個約束條件下(比如環境和基因)表達的多重效果，它為神經生物系統提供了多種交替的運動表現解決方案[12]，而簡并則是非同構組件協調在一起實現相同行為目標的能力[13]。上述二者已經被證實可以用來解釋不同運動員在試圖滿足特定任務約束時存在不同的約束配置，而系統多重穩定性則與個體創造性密切相關。Hristovski等[14]認為一項新技術或者運動方式的創造可以看作是協調性的學習階段，它們可以通過練習更具有功能性。而個體的創造性是三個非線性特征——復雜系統中的因果非比例性、參量(約束條件)控制以及多重穩定性交互的產物[15]。多重穩定性使得系統能夠處于亞穩定狀態，即在同一長期約束條件下具有兩個以上吸引態，一個行為可以在吸引子或吸引點附近駐留一段時間，然后再切換到另一個吸引子周圍[16]。系統具有的這種非預先形成的柔性聚集特征不僅支撐了在約束條件下形成的體育技能習得理論的構建，同時也成為神經生物系統中創造性的先決條件，因此該理論也成為創造性行為模型的主要依據[17-20]。

2)運動領域創造性行為模型在個體中的應用研究。

針對創造性行為涌現的特征，以Hristovski、Chow[21]為代表的學者在無序系統的統計力學框架內，提出了基于經驗的人體動作變化性的分層結構用以解釋創造性的行為特征。這種人體動作變化性的分層結構顯示出了一種內嵌多個亞穩態極小值的崎嶇地貌[22]，并且在武術、拳擊以及舞蹈等體育活動中進行了實證研究。有學者通過精密操控關鍵任務的約束條件促使一名運動員或一支團隊探索行動工作空間的亞穩態區域，從而觀察涌現出的新穎行為。例如，Hristovski等在對拳擊運動員的擊拳行為的研究中證明，在擊打沙袋的任務中操控擊打目標的距離會引起最佳擊打動作序列的自發性改變，不同的擊拳動作會在不同拳手-目標物(沙袋)之間的距離上出現和中斷。一個穩定的目標將各種動作引向特定區域，使得拳頭-沙袋在一定的角度下完成碰撞。而這些角度就可以看作運動員-環境系統的序參量。①因此，目標物體的隨機移動或者是一般性的環境改變都可能引起運動員新的功能性行為的出現。

再如，另一項針對接觸即興舞蹈的研究，將舞者的行為視為一連串涌現的人體動作形式，以及在即刻情境下特殊姿態和行為持續的探測和發現的表達。在上述研究中，無論擊拳行為，還是即興發揮的舞蹈隨拍動作，都可以視為創造性行為的涌現過程[23]。針對不同的任務約束，動態層次性具有不同的結構，新穎行為的發現就是約束條件的特定配置。

3)運動領域中創造性行為模型在團體項目中的應用研究。

團體項目創造性現象是體育領域中創造性研究關注的另一個視點。此類創造性的產生和維系來自運動員之間的非線性交互，它使環境變得非比例、突發以及不可預測。正如在其他的社會系統中，每名隊員與身邊其他隊員之間的互動，不僅會影響到隊友的行為，同時也是擾亂對手行為的必要條件[24]。進攻隊員做出行為的目的就是要造成防守隊員跟隨進攻隊員移動而移動，從而出現破壞防守方穩定性的時空窗口。而這種進攻-防守隊員結構性組織的突變只有在進攻-防守隊員系統進入到隊員間距離較近的臨界區域時才會出現。在這些臨界區域，創造性發生可能就會隨著運動表現解決方案而涌現和終止[25]，而臨界區域內探索性亞穩態行為涌現是作為創新性產物的先導，因此創造性行為探索和產物具有同時存在的特征[26]。

在復雜系統的觀點下，多穩態特征能夠使系統在同一參量下處于不止一種狀態，非線性和噪聲特征使得系統的行為并非總是必須有一個“完美理由”才會出現。減少此類不規律行為概率的唯一方式是在一個適當的方向上通過改變控制參量(一個或多個)使吸引子更加穩定。然而，有些時候這類弱穩態行為正是人們需要的，因為它們可以產生不被人們所認知的新式功能性行為。因此，未來研究首先仍應當在復雜系統的視野下進一步挖掘體育領域中的創造性行為。其次，盡管一些學者已經通過對部分項目的實證研究，建立起創造性行為的探索模型，但是如何增加模型的預測性和適用性也將是未來研究著重考慮的環節。最后，在訓練實踐的應用中，教練員應當注意到“內在動力學與外部系統的約束條件之間的交互作用將會促成個體解決方案涌現”這一研究結論，因為這意味著告知運動員理論上的合理動作輸出并不具有必要性。換言之，不應讓運動員選擇記憶大量的慣例和行為序列，而是去發展他們理解信息化約束因素的能力，并能夠根據特定目標適應自己的行為。

3　神經生物學系統在體育人才培養與專長發展中的應用與展望

專長是能夠將專家和新手或較少經驗的個體區分開來的特征、技能和知識[27]。在運動員的選材育才過程中，非常重要的環節就是識別影響運動員專長發展的變量，幫助運動員獲得高水準的專家表現。以往針對專長習得的單一學科方法，只是單獨考慮到基因或環境約束條件的影響，而對于很多認知領域以外的約束條件，包括基因、社會和自然環境、激勵以及這些變量對身心方面的性格影響等等缺乏互動思考和模擬，造成了運動表現識別上的誤差和困惑。

專長可以被定義為在專項表現領域當中，對施加在每名個體上獨特、交互約束因素的最佳適應度。事實上，盡管有大量的約束條件會對任何給定的系統產生作用，但是總體來看它們還是可以分成機體約束、任務約束和環境約束3大類別，它們是形成個體專長發展軌跡的眾多變量。這些大量的變量包括個人特征，諸如經驗、學習、發育、形態學和基因等，它們相互作用形成運動表現領域中的專長習得[28]。

1)神經生物系統外部因素對專長習得特征的影響研究。

鑒于個體受到一定程度的遺傳影響，因此專長研究首先就是要識別，限制專長習得的外部約束條件范圍，關注環境約束條件影響技能和遺傳型表達的方式。每名個體在接近某個專長狀態，并探索不同運動表現的解決方案過程中，他們內在動力性也在多元變化。一項針對任務約束條件影響的研究已經發現，在完成相似任務學習時，個體對新的動作模式學習會更加快速。與之相反，當前后習得任務的動力學特征不盡相同時，如網球和壁球的動作學習任務，就可能造成一個相對較長的學習過程，因為內在動力學特征需要在學習者內部重建[29]。此外，另一項關注專長發展歷史的研究發現，只要施加適宜的技能習得環境，即使并不具備有利基因傾向的運動員仍然可以達到專家級別[30]。同樣，具有天賦的運動員如果缺少豐富的技能學習和實踐環境那么也可能無法達到專家級別。當然，豐富的環境并不意味著先進的訓練設施，有證據表明冠軍運動員都出自最為基本的學習和運動表現環境。

2)神經生物系統內在特征對專長識別的影響研究。

神經生物系統內在的兼并以及系統組件之間的非線性交互作用，使得通向專長的穩定路徑不止一個。該特征在動力學系統中被稱之為多元穩定性[31]。從實質來看，多元穩定性呈現的是亞穩定態的特性，即行為或者運動表現的模式具有弱穩定或者弱不穩定狀態。就專長習得而言，個體、任務以及環境約束條件之間的豐富交互作用建立起運動表現的“亞穩態”區域，其中約束條件的一個微小變化，例如基因結構細小變化加之訓練實踐或發育的微小改變，都可能導致系統組織的突變。因此，通過改變其他潛在功能性行為的發生幾率，新動作的涌現或者對運動表現問題的反饋會影響到未來系統的行為。在該理論影響下，有學者經研究證明少年兒童發育過程中的確存在技能習得的關鍵期，它以可被看作是一個短暫的時空窗口期，在這期間復雜系統的組織對于內外部約束條件的變化最為敏感[32]。一項對英國足球運動員專長發展的追溯性研究也說明處于關鍵期的發育運動員，他們的動作學習能夠得到顯著提升[33]。

所以，這個方向的另一個焦點則集中在對專長發展關鍵期的研究。根據動力學系統的觀點，運動員專長發展路徑上的“轉折點”或者“臨界狀態”具有唯一性，每名運動員個體都不相同，因此這就大大增加了對其識別的難度。根據Kauffman[34]提出的進化過程模型，不同系統之間的彼此施壓促成了進化，在這個過程中功能、結構以及組織不斷的協同適應。其中次級系統之間對施加在機體上的約束條件的協同適應可能會對人的動作發展產生一生的影響，特別是就專項運動表現而言，諸如力量、速度、靈活性或者比賽閱讀能力等各子系統運動員的專長表現都會產生關鍵的影響。但是，在生長發育期的青少年運動員身上之所以看不到一些特殊行為的原因在于，主導這些行為的特殊子系統作為系統“發展限制器”正在等待其他關鍵子系統達到臨界水平，這也從復雜系統的角度闡明了過早專項化對青少年運動員帶來不利影響的原因。

3)天才培養與專長習得的識別路徑研究。

針對傳統天才識別上過分強調早期識別的作用和生理、結構變量(如生理維度)的作用，以及缺乏青少年成熟率的考慮等問題，當前學者在將天才發展和專長習得看作非線性過程的看法上已經趨于一致。其中，關于天才發展模型的研究一直是大部分學者關注的焦點。Simonton[35]率先提出了數學方程式用以對天才發展相關的潛在組件進行建模，并根據相關性對組件進行加權，它們包括基因傾向性(如身高或耐力)、環境約束條件(如社會和家庭支持)以及發育約束條件等。隨后，Simonton按照遺傳性和后生性對模型分別進行了描述，遺傳性方面由構成天賦的所有潛在組分構成，包括所有生理、心理、認知以及在某個領域具有卓越表現的先天性特質。除了個體性差異外，Simonton將后天性看作是彌補天賦的多樣性組分，它們隨著時間緩慢的在個體中出現并分化，最終決定于潛在的神經、肌肉、骨骼、心理、生理、文化、社會，以及環境等諸多變量。對于科學人員而言，該數學模型為天才發展研究開啟了又一扇極具價值的大門，但是從操作層面采用該模型具有極大的難度，因為模型預測的有效性需要建立在對所有指標測量的基礎上。之后，Vaeyens等[36]依據天才發展的動力學特征建立富有洞察力的天才識別模型，將之前研究的動力學理論，包括亞穩態、非線性、協同適應以及簡并作為模型計算的理論支撐，注重發展的潛力而非早期的識別。

另外，一些針對專長發展的定量研究，還發現不同的個體和項目存在不同的發展路徑。例如，一項針對優秀三項賽運動員的研究發現，專長習得并不需要早期專項訓練[37]，同樣的結果在游泳項目中也得到印證[38]。盡管早期多元化發展的確具有很強的說服力，但是過早專項化也存在很多潛在的誤區。對于一些有潛力的天才，比如泰格·伍茲(高爾夫球)、塞雷娜·威廉姆斯(網球)等而言，早期專項化卻不失為一個適宜策略。因而，強調生理約束條件和技術約束條件的運動項目，對于專長發展結構的配置存在非常大的不同。

綜上，神經生物系統中的復雜性、多效性、簡并性特征對天才培養和專長發展提出挑戰的同時，也為該領域的研究提供了線索和方向。近年來，由專長發展研究衍生出來的另一個命題——是否存在專項表現任務的最優化動作解決方案引起了學者們的熱議。一些學者認為神經生物系統具有的上述特性決定了為所有運動員確定一個共同意義的最優化動作方案并不適宜[39-40]，一些動力學系統的專家甚至認為普適的最優化動作模式可能并不存在，因為技術動作表現固有的特性就是多變性，這直接導致了在適應動態環境時表現出靈活性。據此，未來的研究可以在此基礎上，更進一步運用動力學系統的觀點探討持續的知行耦合所引起的智能行為，對專項技能行為影響的確切機制。

在天才識別方面，今后的研究需要將重點放在運動員未來表現的可塑性上，而不僅僅只是考慮當前運動表現的相關數據測量。當然，評價和預測運動員未來表現能力時，必須考慮個體內在動力學特征，以明確其目前在專長培養路徑中處于何種位置。另外，對運動員最終表現的預測也是未來研究的難點之一，因為除了需要考慮學習和成長的速率，以及專長發展路徑的個體化成熟進程等方面的復雜性以外，運動項目本身的變化越發加大這種復雜性，規則變化、新的訓練方法和策略的應用，以及新的器材和材料的研發等等都使得運動項目正已前所未有的速度向前發展。

體育運動不僅可以看作是人類世界的社會現象，同時它也是真實人類行為的實驗庫。盡管現代科學正在以前所未有的速度向前發展，但是圍繞體育運動領域的相關現象的認識，仍然處于還原論思想的指導之下。在面對體育領域中的諸多難題時，行之有效的方法始終無法確定，探究其根本原因就在于忽視了人體復雜性和社會環境復雜性。因此，以復雜系統為研究對象的復雜科學從其產生之初，就為以體育運動為代表的復雜現象研究開啟了一扇“光明之窗”，它豐富了不同層面、不同領域中關于復雜系統的研究。一方面，它可能推動人體運動表現領域的發展，從而為球隊、教練員以及個體運動員建立一些新的策略。另一方面，隨著對人類社會網絡理解的增加，復雜系統在體育社會學中的應用研究也將進一步得到發展，包括競賽的心理驅動和團隊參與、針對青少年和邊緣化社會群體的體育參與政策與教育促進以及球迷和政治群體中暴力態度等等。

當然，在復雜系統思想的發展過程中，完全評估它們在體育領域中的貢獻仍然為時尚早，通常情況下由新方法產生的見解和發現，舊有的方法也能夠適用，并且使用更加傳統的技術可以重復一些已經被發現的結果。但是復雜系統的方法卻可以將研究者的注意力集中在新的可能性上。

注釋：

①系統的整體協調運行狀態依賴于組件間或子系統的協作，從宏觀角度看它可以由一組狀態參量來描述，這些狀態參量隨時間變化呈現出快慢不同的特征。當系統逐漸接近于發生顯著質變的臨界點時，變化慢的狀態參量的數目就會越來越少，有時甚至只有一個或少數幾個。這些為數不多的慢變化參量完全決定了系統的宏觀行為并表現出系統的有序化程度，它們就稱之為序參量。序參量屬于集合變量，它是系統相變前后所發生的質的飛躍的最突出標志。

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The application and expectation of complex expressions in the sports area

YIN Xiao-feng1，2，LIU Zhi-min2，GUO Ying3
（1.School of Sports Leisure and Art，Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China；
2.Information Research Center，Shanghai Research Institute of Sports Science，Shanghai 200030，China；
3.Department of Physical Education，Shanghai Lixin University of Commerce，Shanghai 201620，China)

Abstract:Emerging in the mid 20thcentury, the revolution of thinking in a complex paradigm produced tremendous influence on sports included areas. Especially, as the 21stcentury came, researches on complex systems in the sports area showed a trend of remarkable increasing. As representatives of complex systems widely applied in the sports area, ecological dynamic and neurobiological systems can better reflect and explain complex phenomena in the sports area. The authors reviewed and collated the said researches, hoping to provide reference for and inspirations to theoretical study and application practice in the sports area in the future. Although it is still too early to completely evaluate contributions made in the sports area in the process of development of complex system thinking, methods used in complex systems can direct researches’ attention to new possibilities.

Key words:complex system；sports area；ecological dynamics；neurobiology；overview

作者簡介：尹曉峰(1978-)，男，副研究員，博士研究生，研究方向：體育社會學、運動訓練學。E-mail：13564416996@139.com

基金項目：上海市體育局2014年科技雛鷹計劃資助項目(14CY006)。

收稿日期：2015-03-02

中圖分類號：G804.62

文獻標志碼：A

文章編號：1006-7116(2016)01-0097-07