運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)在高校體育素質(zhì)能力培養(yǎng)中的作用分析

蔡建光，徐 佳

前言

經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，我國(guó)人民的生活質(zhì)量也隨之在不斷提高，越來越多的人開始重視身體健康。在此背景下，高校學(xué)生的體育素質(zhì)能力也越來越被重視，成為衡量人才的重要指標(biāo)之一［1］。高校體育教學(xué)是提高學(xué)生體育素質(zhì)的重要途徑，能夠使高校學(xué)生身心全面發(fā)展，提高身體素質(zhì)和心理素質(zhì)［2-3］。運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)包含了運(yùn)動(dòng)生理學(xué)、運(yùn)動(dòng)生物化學(xué)、運(yùn)動(dòng)康復(fù)學(xué)、運(yùn)動(dòng)解剖學(xué)等知識(shí)，能夠指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)者科學(xué)、健康地進(jìn)行體育鍛煉，避免受傷，進(jìn)而提高體育素質(zhì)和身體素質(zhì)［4］。研究將運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)融入高校體育素質(zhì)培養(yǎng)，提升高校學(xué)生的體育素質(zhì)能力。研究結(jié)果表明，運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)能夠有效地培養(yǎng)高校學(xué)生的體育素質(zhì)能力，提高學(xué)生的身體素質(zhì)，促進(jìn)學(xué)術(shù)全面發(fā)展。

1 基于運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)的高校體育素質(zhì)培養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)在體育素質(zhì)培養(yǎng)中的機(jī)制分析

在人體運(yùn)動(dòng)科學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行體育素質(zhì)能力的培養(yǎng)，也就是針對(duì)人體上下肢運(yùn)動(dòng)素質(zhì)的培養(yǎng)，上下肢運(yùn)動(dòng)素質(zhì)中包含了力量素質(zhì)、速度素質(zhì)、耐力素質(zhì)、靈敏素質(zhì)以及韌性素質(zhì)［5-6］。本次研究利用人體運(yùn)動(dòng)科學(xué)來對(duì)測(cè)試者的上下肢運(yùn)動(dòng)素質(zhì)進(jìn)行分析，以此建立良好的體育素質(zhì)培養(yǎng)體系。

通過動(dòng)作實(shí)驗(yàn)的形式完成對(duì)人體上下肢運(yùn)動(dòng)素質(zhì)的分析，即基于運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)對(duì)常見的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作進(jìn)行分析和練習(xí)，如仰臥起坐、俯臥撐、引體向上等。運(yùn)動(dòng)動(dòng)作分析能夠使學(xué)生在進(jìn)行某個(gè)動(dòng)作時(shí)，充分了解到關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形式，以及哪些肌肉參與了該運(yùn)動(dòng)，和肌肉的工作性質(zhì)、肌肉工作的固定條件［7-8］。具體內(nèi)容為：對(duì)初始動(dòng)作進(jìn)行描述；劃分動(dòng)作階段；對(duì)各個(gè)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作中的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)和運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行描述，并分析運(yùn)動(dòng)時(shí)原動(dòng)肌的工作情況；綜合評(píng)價(jià)各個(gè)動(dòng)作。通過設(shè)置途中跑分析模型來對(duì)人體上下肢的運(yùn)動(dòng)素質(zhì)進(jìn)行探究，分析模型見圖一。

圖一 途中跑動(dòng)作分析模型

如圖一所示，對(duì)上肢手臂的主要?jiǎng)幼鬟M(jìn)行分析，則能分解為上肢前擺動(dòng)作和上肢后擺動(dòng)作；對(duì)下肢腿部的主要?jiǎng)幼鬟M(jìn)行分析，可將途中跑分解為后蹬、折疊前擺、下壓以及著地緩沖等4個(gè)單動(dòng)作。對(duì)后蹬動(dòng)作和折疊擺動(dòng)作進(jìn)行分析，后蹬動(dòng)作時(shí)，人體能夠獲得向前的力，蹬地力量越大，蹬地的動(dòng)作幅度越大，步幅就越大，角速度也相應(yīng)地增加，跑速就越快。后蹬動(dòng)作階段，參與工作的原動(dòng)肌主要是環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向同側(cè)的肌肉群，如臀大肌、股后肌、臀中肌等；這些肌群爆發(fā)式向心收縮，使人能夠產(chǎn)生加速度運(yùn)動(dòng)。此外，肌群的收縮導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)舒展，骨盆后傾并隨著臀中肌和臀小肌的收縮發(fā)生同側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)。

折疊擺則是由多個(gè)動(dòng)作組合而成的復(fù)合動(dòng)作，有繞髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)和人體向前的平動(dòng)。在擺動(dòng)的過程當(dāng)中，大腿的擺動(dòng)可分為前擺和后擺。在進(jìn)行后擺動(dòng)作時(shí)，股后肌群固定，小腿彎屈，并隨著大腿的向前擺，形成一個(gè)科學(xué)的大腿和小腿的折疊動(dòng)作，減小大腿進(jìn)行前擺動(dòng)作的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，增大角速度［9］。根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)定律，則有公式（1）。

在公式（1）中，M表示轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；I表示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；β表示轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度。其中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算方式如公式（2）所示。

公式（2）中，m表示轉(zhuǎn)動(dòng)物體的質(zhì)量；r表示轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算方式如公式（3）所示。

公式（3）中，F(xiàn)表示使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的力。聯(lián)立公式（1）、公式（2）和公式（3），則有公式（4）。

根據(jù)公式（4）可知，大腿繞髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)屈髖肌群的收縮力固定，下肢質(zhì)量不變時(shí)，大腿的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑與角轉(zhuǎn)動(dòng)加速度呈負(fù)相關(guān)，因此對(duì)大腿繞髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑進(jìn)行調(diào)整能夠有效地提升短跑速度。

1.2 基于人體運(yùn)動(dòng)科學(xué)的體育素質(zhì)模型建立

本次研究以高校體育為背景，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從高校大數(shù)據(jù)中提取學(xué)生運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類功能將所有的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類［10］。為了降低卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時(shí)間，同時(shí)保證計(jì)算正確率不變，針對(duì)訓(xùn)練函數(shù)提出了分?jǐn)?shù)階處理節(jié)點(diǎn)理論，減少了訓(xùn)練時(shí)間。分?jǐn)?shù)階具有記憶性和遺傳性，本次將Sigmoid作為訓(xùn)練函數(shù)來進(jìn)行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的生物神經(jīng)元特征模擬，其表達(dá)式為：

式（5）中的x表示訓(xùn)練時(shí)間，訓(xùn)練函數(shù)的一階導(dǎo)表示為式（8）。

從式（6）中可以看出，當(dāng)x為0時(shí)，函數(shù)出現(xiàn)極大值，函數(shù)不存在陡峭的波形，也就表示得不到快速收斂，訓(xùn)練函數(shù)的0.5階導(dǎo)數(shù)如式（7）所示。

通過式（7），可以看出在x接近0或1時(shí)的收斂速度遠(yuǎn)快于一階導(dǎo)數(shù)，可以大大降低網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時(shí)間。將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)加重之后導(dǎo)入到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析模型中，數(shù)據(jù)識(shí)別過程見圖二所示。

圖二 基于人體運(yùn)動(dòng)科學(xué)的體育素質(zhì)模型

圖二中顯示，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將從高校體育大數(shù)據(jù)庫中將多項(xiàng)關(guān)于學(xué)生的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，其中包含了文本信息、圖片信息以及視頻信息。隨后將多個(gè)數(shù)據(jù)輸入到卷積層，經(jīng)卷積層進(jìn)行特征識(shí)別，最后在輸出層設(shè)置五個(gè)神經(jīng)元，分別是量素質(zhì)培訓(xùn)神經(jīng)元、速度素質(zhì)培訓(xùn)神經(jīng)元、耐力素質(zhì)培訓(xùn)神經(jīng)元、靈敏素質(zhì)培訓(xùn)神經(jīng)元以及韌性素質(zhì)培訓(xùn)神經(jīng)元。通過分類的方法將卷積層處理后的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分別輸出到不同的輸出層，輸出公式見式（8）。

式（8）中的n表示卷積器的寬度為第i組的輸入數(shù)據(jù)特征矢量，Xb，k代表著第k組的卷積器權(quán)值，網(wǎng)絡(luò)偏置設(shè)為ak。

2 運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)在體育能力培養(yǎng)中的應(yīng)用

2.1 體育素質(zhì)分析模型測(cè)試

研究實(shí)驗(yàn)選擇某高校的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)庫進(jìn)行模型的訓(xùn)練測(cè)試，測(cè)試環(huán)境在Windows上進(jìn)行，并將數(shù)據(jù)集中的20%作為訓(xùn)練集，剩余80%數(shù)據(jù)作為測(cè)試集，最終模型的測(cè)試結(jié)果見圖三。

圖三 體育素質(zhì)分析模型測(cè)試結(jié)果

從圖三中可以看出，研究中提出的體育素質(zhì)分析模型能夠在迭代次數(shù)達(dá)到20次后，損失值降至最低點(diǎn)，逐漸趨于穩(wěn)定，并在迭代次數(shù)達(dá)到15次時(shí)，模型的精確度也逐漸趨于穩(wěn)定，最終在0.981上下浮動(dòng)。通過模型測(cè)訓(xùn)練結(jié)果可以得出，體育素質(zhì)分析模型具有較好的精確性，并且損失值較小，在學(xué)生體育素質(zhì)培養(yǎng)中具有較大的價(jià)值。

2.2 運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)在體育素質(zhì)培養(yǎng)的體現(xiàn)

同樣以基于運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)的體育素質(zhì)模型進(jìn)行分類，選擇某高校體育專業(yè)的10名學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將每名學(xué)生的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)輸入到模型中。最終以權(quán)重大小將所有學(xué)生的體育素質(zhì)分類排出，結(jié)果顯示見表1。

從表1中可以看出，在基于運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)10名參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行信息分析后，按照權(quán)重大小對(duì)學(xué)生表現(xiàn)出的人體信息進(jìn)行大小分類。從信息表現(xiàn)中可以發(fā)現(xiàn)10名學(xué)生中的各項(xiàng)體育素質(zhì)不盡相同，其中權(quán)重的大小表示著體育素質(zhì)分析模型對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)中所表現(xiàn)出的主要素質(zhì)的體現(xiàn)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)者所表現(xiàn)出的體育素質(zhì)權(quán)重較小時(shí)，說明該學(xué)生的該項(xiàng)體育素質(zhì)可能是學(xué)生的短板，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)訓(xùn)練。

2.3 運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)在體育素質(zhì)培養(yǎng)中的作用效果

為了解運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)在體育素質(zhì)培養(yǎng)中的作用效果，研究中將通過分析參與實(shí)驗(yàn)的10名學(xué)生在經(jīng)過體育素質(zhì)模型分析后，進(jìn)行針對(duì)性的素質(zhì)培養(yǎng)得出的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)前的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。主要參與研究的指標(biāo)為受試者的運(yùn)動(dòng)損傷變化情況，統(tǒng)計(jì)并對(duì)比實(shí)驗(yàn)前和實(shí)驗(yàn)后10名學(xué)生中在7周內(nèi)的運(yùn)動(dòng)損傷的運(yùn)動(dòng)數(shù)量，如圖四所示。

圖四 實(shí)驗(yàn)前后運(yùn)動(dòng)損傷人數(shù)變化

在圖四中能夠看出，在接受實(shí)驗(yàn)前，無針對(duì)性的素質(zhì)培養(yǎng)中，在第1周中10名學(xué)生中共有3名學(xué)生出現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)損傷的情況，同樣的，在第2周也有3名學(xué)生出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷；在第3周以及第四周，出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷的學(xué)生數(shù)量得到控制，兩周都只有2名學(xué)生出現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)損傷的情況；但是自從第5周之后，10名學(xué)生中出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷的情況逐漸增加，主要原因在于，長(zhǎng)期的無針對(duì)性的素質(zhì)培養(yǎng)所帶來的危害是難以預(yù)料的，并在第6周和第7周中已經(jīng)各有4名學(xué)生表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)損傷的情況。在學(xué)生經(jīng)過調(diào)養(yǎng)，接受實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行體育素質(zhì)培養(yǎng)的7周內(nèi)，學(xué)生在前3周內(nèi)并未出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷，只在第4周和第7周中各出現(xiàn)了1名學(xué)生運(yùn)動(dòng)損傷。以上結(jié)果表明，基于運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)對(duì)高校學(xué)生體育素質(zhì)進(jìn)行分類，然后借此進(jìn)行針對(duì)性培養(yǎng)是有效的，并且不可否認(rèn)的是，當(dāng)利用運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)進(jìn)行學(xué)生的體育素質(zhì)培養(yǎng)可以很大程度上避免學(xué)生在過程中出現(xiàn)受傷的情況，實(shí)現(xiàn)了安全、科學(xué)的運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)語

隨著我國(guó)教育界的不斷完善，各大高校都在強(qiáng)調(diào)學(xué)生應(yīng)當(dāng)以提升自身綜合能力為前提，在參與課堂學(xué)習(xí)的同時(shí)需要保持良好的體育訓(xùn)練。為提升高校學(xué)生的體育素質(zhì)，特采用運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)進(jìn)行研究分析，利用運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)生在運(yùn)動(dòng)中所表現(xiàn)出的體育素質(zhì)短板進(jìn)行分析，并以此提出針對(duì)性的培養(yǎng)計(jì)劃。結(jié)果中顯示，體育素質(zhì)分析模型針對(duì)學(xué)生運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的不同，將學(xué)生的體育素質(zhì)進(jìn)行分類排序，在此基礎(chǔ)上對(duì)學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性的專項(xiàng)練習(xí)，可以發(fā)現(xiàn)在接受實(shí)驗(yàn)前的學(xué)生中在7周內(nèi)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷的人數(shù)最多時(shí)為一周4人，而在接受實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生普遍未出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷的情況。綜上所述，運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)在高校體育素質(zhì)能力培養(yǎng)中具有較為突出的作用，能夠有效指導(dǎo)學(xué)生正確進(jìn)行體育活動(dòng)，通過針對(duì)性訓(xùn)練減少了學(xué)生的受傷情況。但是研究?jī)H針對(duì)學(xué)生的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，未深入探究運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)對(duì)學(xué)生心理的影響，還需要日后進(jìn)一步深入研究。