運動視覺控制對協調性的影響
——基于跳繩動作的生物力學分析

李文寶　邱文信　馮傳智

(1.吉林體育學院，吉林 長春　130022；2.臺灣新竹教育大學，臺灣 新竹　30014；3.臺灣體育大學，臺灣 桃園　33301)

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運動視覺控制對協調性的影響
——基于跳繩動作的生物力學分析

李文寶1邱文信2馮傳智3

(1.吉林體育學院，吉林 長春130022；2.臺灣新竹教育大學，臺灣 新竹30014；3.臺灣體育大學，臺灣 桃園33301)

摘要:運動視覺控制日益受到研究者的關注，而運動中的協調性是體能中的重要一環，運用運動生物力學手段與方法，通過限制跳繩時的運動視覺，比較睜眼與蒙眼條件下，運動學及動力學的變化特征及差異，分析運動視覺在協調性中的控制作用，為今后運動視覺對協調性的量化研究提供參考，也將促進跳繩運動在全民健身中及青少年體育活動中的廣泛推廣。方法：受試者為15名普通體育院校男生，以100turns/min的速度在Kistler三維測力板進行跳繩，采用Vicon運動捕捉系統同步拍攝跳繩動作，截取一個完整周期的跳繩動作進行分析。采用Spss22.0系統軟件對關節角度、起跳時機、作用力等13個指標進行t檢驗。結果：在運動學方面，上肢(肩、肘、腕)關節和下肢(髖、膝、踝)關節達到顯著差異(p<0.05)，起跳時間、騰空時間和著地時間未達到顯著差異(p>0.05)；在動力學方面，最大垂直地面反作用力、50毫秒被動沖量、沖量和最大負荷率，均未達顯著差異(p>0.05)。結論與建議：1)當限制運動視覺時，受試者會將注意焦點轉移至對其他本體感覺，并有意識地對身體進行控制；2)長期采用跳繩單一模式運動，可能給下肢關節及骨骼帶來受傷的風險。建議采取限制運動視覺的輔助手段，來增進人體的感覺統合，提高人體對自身的控制能力，改善協調能力。日后可以利用不同頻率，不同長度的繩子，同時結合肌電測試，對運動視覺與協調性、感覺統合能力的關系進行更深入的探究。

關鍵詞:運動視覺；協調性；跳繩；生物力學

1前言

視覺作為人類多種感官認識功能中占主導地位的感知方式，對體育運動中的各種感覺性運動活動具有重要作用[1]。美國視力鑒定師協會(AOA)將不同種類運動項目(射箭、棒球、籃球、體操等16項)的視覺進行了重要性評分。整理后如下表(見表1)，最高分出現在網球和曲棍球項目中，總分都是39分，最低分出現在賽跑和游泳項目中，總分都是14分。可見，雖然不同的運動項目對視覺功能具有不同的要求[2]，但幾乎所有的運動項目都需要良好的視覺能力，無論是開放性的運動還是關閉性的運動，視覺能力在運動中的重要作用是毋庸置疑的。

1978年，美國由視力鑒定協會成立運動視覺機構，1984年設立運動視覺研究協會，從事運動視覺的相關研究工作；1987年，日本由東京眼鏡公司在日本設置“運動視覺中心”，第二年成立運動視覺研究協會，開始各種視覺訓練的研究；1987年加拿大、1989年意大利、1992年澳大利亞、荷蘭，1993年英國相繼成立了運動視覺研究結構。2007年6月中國國家體育總局訓練局與美國嬌生公司合作成立“視覺研究中心”[3]。在中心成立之前，國內對運動視覺基本沒有概念性的認識，對運動視覺在體育運動中的作用認識尚處于起步階段。2008年北京奧運會之后，中心開始引進專業的儀器設備，但因儀器價格昂貴，至今沒有普及。因此學科發展要求我國有關專家加強對運動視覺有關課題的研究及知識的普及，為全面健身和競技體育提供更為簡便易行的訓練手段和方法。

目前，運動視覺研究已經成為體育科學研究領域的一個新的熱點[4]。1992年，英國的Milner和加拿大的Goodle兩位神經心理學家提出了視覺的兩個加工系統理論，把視覺分為“為了知覺的視覺(Vision for perception)”和“為了行動的視覺(Vision for action)”[5-7]。國內學者孫義良定義“運動視覺為運動中觀看與反饋的能力”[8]?？梢?，運動視覺更側重在行動上。國外的運動視覺與體育運動的關系等基礎理論研究方面已經取得一定的成就，但關于單個項目與運動視覺關系的應用研究還在進行中，致使大多數研究結果目前還很難推廣到實際運動情境中，廣泛的操作應用還尚待時日[5]。國內相關的研究多集中于優秀選手與一般選手，專家和新手間的對比研究，結果是顯而易見的，優秀選手或專家在運動視覺各方面的能力要好于一般選手或新手[9-10]。

跳繩運動在全民健身運動中是大眾廣泛喜歡參與的項目。作為復合運動鏈的周期運動，它是全面健身活動中推廣的項目之一，也是競技體育重要的協調性訓練手段。跳繩是指由單人、雙人或多人使用一條、二條或數條繩索做環擺運動，單人或多人在其間做各種跳躍動作的運動項目[11]。完成跳繩需要上下肢的協同配合，人體神經系統與感官系統的高度統合，是人體協調性的重要體現。協調性是指身體部位在特定的時間和空間要求下的動作形式[12]。完成跳繩運動要求高度的協調能力，但目前對跳繩動作與運動視覺之間的研究尚不多見。日本

注：評分1-5，重要性逐級增加。

廣島大學(University Hironshimo)渡部和彥博士認為“運動視覺信息，對姿勢的控制有很大影響，在沒有視覺信息輸入的情況下，人對姿勢的控制能力會下降”[13]。一些研究人員質疑，通過定性的方式評價肢體間的聯系，推斷肢體的協調性，得到的結論是否可靠，并建議增加對肢體運動的定量評價[14-15]。因此本文將利用運動生物力學的研究方法手段，通過限制受試者的運動視覺，分析跳繩動作在運動學與動力學中的變化特征及差異，為運動視覺與協調性的研究提供參考。

2研究對象與方法

2.1研究對象

受試對象為某體育院校體育教育專業15名男生(非跳繩專項)，受試者一年內無重大傷害?；举Y料見表2。

表2　受試者基本資料

注：表中N為人數；M為平均數；SD為標準差。

2.2研究方法

2.2.1文獻資料法

從中國知網、Google學術、Web of science查閱相關文獻和資料，主要包括以下幾個方面：視覺與運動視覺在體育中的研究進展；跳繩技術動作的相關研究文獻；解剖學與運動生物力學的基本知識。

2.2.2專家訪談法

采用電話和面訪兩種方式對相關專家進行訪談，包括運動心理學專家2人，運動生理學專家3人，運動生物力學專家3人。訪談的主要內容包括動作控制的有關理論，跳繩動作的神經控制，跳繩技術的力學原理以及實驗方案的可行性。

2.2.3實驗法

實驗采用單人單繩前回旋跳繩方式，頻率為100turns/min，采取配對樣本組內測試，受試者在睜眼與蒙眼條件下進行跳繩運動，比較運動學(肩、肘、腕、髖、膝、踝等關節的關節角度，起跳時機、著地時間、推蹬滯空時間)和動力學(最大地面反作用力、沖量、被動沖量、下肢負荷率)兩個部分指標差異：具體實驗場地設置見圖1。被試全身共用29個Marker反光球，粘貼方式見圖2。

實驗器材包括：

(1)三維運動捕捉系統，英國Vicon Motion System公司生產的紅外高速運動捕捉系統。包括10臺T40型號攝像頭，130萬像素，直徑14mm的Marker球若干，采樣頻率設置為100Hz。

(2)三維測力板，瑞士生產的Kistler三維測力板1塊(型號：9287，長*寬*高：90*60*10cm)，采樣頻率為1000Hz。

(3)運動學和動力學的信號采集使用英國Vicon公司開發的Nexus v1.4.116分析軟件。

(4)其他測試用品：同步觸發器、節拍器、眼罩、剪刀、透氣膠布、跳繩(直徑0.6cm的實心PVC材質塑料繩)。

2.2.4數理統計法

用Excel2007和Spss22.0對數據進行統計學處理，包括均值，標準差，配對樣本t檢驗等。

圖1　場地布置圖　　　　　　　　　　　圖2　人體Marker標記正、背面圖

3實驗結果與分析

跳繩是提高人體協調能力的重要手段和方法，它屬于復合運動鏈的周期性運動，在跳繩過程中人體運動遵循動力鏈原則。動力鏈因肢段起點、終點活動程度的不同，可以分為開放式運動鏈(open kinetic chaim)與閉鎖式運動鏈(closed kinetic chain)兩種[16]。開放式運動鏈指肢體近端固定而遠端活動的運動，其特點是各關節肢段有其特定的活動范圍，遠端活動范圍大于近端；而閉鎖式運動鏈指肢體遠端固定而近端活動的運動，實際上是將開放鏈的旋轉運動轉化成線性運動。對于跳繩運動而言，上肢為開放式運動鏈，而下肢在著地時為閉鎖式運動鏈，起跳時為開放式運動鏈。因此，著地時為兩種不同運動鏈在跳繩過程中相互轉換。運動視覺是個體在動作控制中的重要信息來源。英國蘇賽克斯大學(University of Sussex)生物科學院教授對眼動的研究發現，視覺瞬間的捕捉能力是在行為反應過程中進行的，人可以在視覺圖像加工過程中預測與組織運動行為[17]。當運動視覺受到限制時，對跳繩這樣的復合運動鏈的技術動作必將造成一定的影響。

3.1運動學分析

3.1.1上肢(肩、肘、腕)關節角度的差異比較時的數據

將受試者在限制運動視覺與正常跳繩時的數據進行比較，肩關節角度、肘關節角度、腕關節角度達到顯著差異(p<0.05)(如表3)，即在限制運動視覺情況下，會影響上肢三大關節角度變化的控制模式。通過圖3、圖4、圖5可見，受試者在蒙眼時，通過增加肩關節角度、減小肘關節角度、腕關節角度來完成跳繩動作。

表3　上肢(肩、肘、腕)關節角度一覽表

*p<0.05

肩關節是人體最靈活的關節之一，由肱骨的肱骨頭和肩胛骨的關節盂構成的球窩關節，可繞垂直軸、矢狀軸和冠狀軸做多種運動[18]。在跳繩過程中肩關節繞冠狀軸做環轉運動，但此時關節活動范圍相對較小，在18度-28度之間(如圖3)；而對于肘關節(圖4)與腕關節(圖5)而言，當受試者足著地后至再次離地前，蒙眼跳繩的關節角度變化范圍明顯高于睜眼跳繩，由于限制運動視覺，不能夠通過視覺確定繩子相對身體繞行的位置，因此，受試者通過自身的本體感覺控制跳繩，加大了繩子的運動幅度，以確保順利完成下一個跳繩動作。

圖3　肩關節角度變化圖

圖4　肘關節角度變化圖

圖5　腕關節角度變化圖

3.1.2下肢(髖、膝、踝)關節角度的差異比較

將受試者在限制運動視覺與正常跳繩時的數據進行比較，髖關節角度、膝關節角度、踝關節角度達到顯著差異(p<0.05)(如表4)，即在限制運動視覺情況下，會影響跳繩動作下肢關節角度變化的控制模式。

表4　下肢(髖、膝、踝)關節角度一覽表

*p<0.05

由圖7得知，著地時期，在運動視覺限制的情況下，膝關節彎曲角度較正常跳繩角度大，以此來緩沖較大的下肢負荷率；另由圖6和圖7得知，離地騰空時期，在限制運動視覺的情況下，髖、膝關節彎曲角度較正常跳繩角度大；由圖8得知，著地前期， 在限

圖6　髖關節角度變化圖

圖7　膝關節角度變化圖

圖8　踝關節角度變化圖

制運動視覺的情況下，踝關節彎曲角度較正常跳繩角度小，以此增加足的最低點與地面的高度，提高繩子的通過率，受試者的注意焦點隨著繩子的相對位置變化而改變，善于使用完成任務的有效信息進行動作行為的控制。

3.1.3起跳時機、著地時間和推蹬滯空時間的差異比較

學生的評價是對帶教老師教學工作直接和客觀的評價，是衡量教學質量的指標之一[5]。PDCA 循環帶教過程中，學生自主學習，發現問題后和帶教老師，直接交流，對問題的共同探討，縮短了師生之間的距離，增加了學生和老師之間的溝通和交流。同時增加了學生對老師的滿意度。年度考核學生對老師的滿意度達到89%，較前一年同期滿意度提高15%。

跳繩運動在起跳時，身體重心落在前腳掌以保持身體平衡，膝關節彎曲約136度(如圖7)，此時，手臂帶動跳繩，將以適當的時間完成起跳動作；推蹬滯空期需要下肢的主動肌群收縮，將身體推到適當高度，此時手臂瞬間帶動跳繩從身體與地面的空間順利通過；著地期身體再次與地面接觸，重心重新落在前腳掌保持平衡，膝關節彎曲吸收地面反作用力，手臂繼續帶動跳繩通過頭部，再回到起跳姿勢。

表5　起跳時機、著地時間、推蹬滯空時間一覽表

*p<0.05

受試者在限制運動視覺與正常跳繩進行比較，起跳時機未達到顯著差異(p>0.05)(如表5)。由圖9得知，從垂直地面0度算起，搖繩至203度時，限制運動視覺，便開始做起跳的動作，正常跳繩至210度時，才會做起跳的動作，故限制運動視覺信息時，在身體接收到起跳的信息后，會較早做起跳的準備。

圖9　起跳時機圖

圖10　著地時間圖

圖11　騰空時間圖

受試者在限制運動視覺與正常跳繩進行比較，著地時間未達到顯著差異(p>0.05)(如表5)。也就是說限制運動視覺與正常跳繩的平均著地時間是沒有差異的，不因限制運動視覺影響跳繩運動著地時間的控制模式。

受試者在限制運動視覺與正常跳繩進行比較，騰空時間未達到顯著差異(p>0.05)(如表5)。也就是說限制運動視覺與正跳繩的平均著地時間是沒有差異。分析其原因，騰空時間的長短決定了跳繩的頻率，因限定了跳繩的頻率，故騰空時間也因此受到了限制，致使沒有達到顯著差異。

3.2動力學分析

表6　運動學指標一覽表

*p<0.05

最大垂直地面反作用力，即測力板所測力的峰值，足部受到的反作用力越大可知下肢關節承受的能量也越大[19]。受試者在限制運動視覺與正常跳繩進行比較，最大垂直地面反作用力未達到顯著差異(p>0.05,如表6),也就是說在限制運動視覺與正常跳繩時的最大垂直地面反作用力是沒有差異的，不因限制運動視覺而影響跳繩運動最大垂直地面反作用力的控制模式。但在如此高倍數體重的情況下，有效減緩地面反作用力的沖擊，下肢骨骼關節系統的緩沖尤其重要，以減少運動傷害的發生。

被動沖量，在著地動作中，足部接觸地面開始后后50ms內的作用力與時間的積分值。受試者在限制運動視覺與正常跳繩時進行比較，50毫秒被動沖量未達到顯著差異(p>0.05,如表6),即限制運動視覺與正常跳繩時的最大垂直地面反作用力是沒有差異的。故在限制運動視覺情況下，持續長時間從事高回旋、高頻率的跳繩運動，或高度增加的跳躍運動，因50毫秒時間內所產生的被動沖量的增多，但此時所產生的力量下肢的骨骼肌肉系統并不能產生主動的動作來緩沖此沖量，通過反射的動作來產生反應，對人體健康具有較高的危險性，受傷的機率也隨之增加[20]。因此在實際從事的運動項目訓練中，應注意訓練時的強度及充分休息時數，必須加強對于反射動作的訓練，以增加承受被動沖量的能力，預防傷害的發生。

受試者在限制運動視覺與正常跳繩進行比較，沖量未達到顯著差異(p>0.05,如表6)。即限制運動視覺與正常跳繩時的沖量是沒有差異的，不因限制信息而影響著地的動作控制。

最大負荷率是垂直地面反作用力的峰值的最大斜率，即df/dt。經配對樣本t檢驗，受試者在限制運動視覺與正常跳繩進行比較，最大負荷率未達到顯著差異(p>0.05,如表6),即限制運動視覺與正常跳繩時的最大負荷率是沒有差異的。雖然在限制運動視覺下未達到顯著差異，但仍高于謝明達[21]關于100turns/min的研究中的值33.31±5.45 BW/s的一倍，而與140turns/min的跳繩運動之值65.41±5.61BW/s相當，故從事中、高頻率的跳繩運動，須注意可能會對下肢造成受傷的風險。

圖12　最大垂直地面反作用力圖　　　　　　　　　　　　　　圖13　50毫秒被動沖量圖

圖14　沖量圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖15　最大負荷率圖

4結論與建議

4.1結論

在運動學方面，當限制被試的運動視覺時，上肢(肩、肘、腕)關節，下肢(髖、膝、踝)關節角度達到顯著差異，說明限制運動視覺會影響跳繩運動時上、下肢關節角度變化的控制模式；起跳時機、著地時間和推蹬滯空時間未達顯著差異，對時間和空間的控制沒有明顯影響。

在動力學方面，最大垂直地面反作用力、50毫秒被動沖量、沖量和最大負荷率，在限制運動視覺情況下，均未達顯著差異。但四項指標的均值在蒙眼情況下均略小于睜眼跳繩，說明由于限制了受試者的運動視覺，受試者將轉移對其他本體感覺的關注程度，有意識對身體進行控制[22]。

運動視覺控制可以提高人體自身的控制能力，發展協調性，有助于人體神經與感官系統的統合。

4.2建議

在進行跳繩運動時，可以采取限制運動視覺的輔助手段，增進人體的感覺統合，提高人體自身的協調能力。

本研究的跳繩頻率是100turns/min，屬于中等速度，建議日后可以利用不同頻率，不同長度的繩子，結合肌電圖測試上下肢肌群的肌電變化，將會對跳繩運動的協調性以及感覺統合能力有更進一步的了解。

通過研究發現，跳繩運動無論是睜眼或蒙眼條件下，對下肢關節的沖擊力較大，建議跳繩愛好者在今后的跳繩運動中可以選擇相對柔軟的地面，或者穿著減震效果較好的運動鞋從事該項活動，避免運動傷害的發生。

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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

基金項目：吉林省教育廳“十三五”自然科學研究項目(吉教科合字【2016】第396號)

作者簡介：李文寶(1981-)，男，講師，碩士，研究方向：運動人體科學。 通訊作者：邱文信(1973-)，男，教授，博士，博士生導師，研究方向：運動生物力學、運動行為學。

中圖分類號:G804.6

文獻標識碼：A

文章編號：1672-1365(2016)03-0041-08

?運動人體科學及應用心理學