《动作控制理论》PPT课件.ppt

第四章动作控制理论,第四章动作控制理论,概念：依据控制系统的中心部分和环境特征的不同作用，来区分不同的协调运动控制理论。,学习目标,第四章动作控制理论,应用为了完成日常生活中的各种动作技能，我们必须协调不同的肌肉和关节，使它们协同起作用。不同技能所需的肌肉和关节组合不同。有些技能，如网球中的发球或从椅子上站起坐到轮椅上，需要协调躯干和肢体的肌肉和关节；另一些技能则需要臂、手和手指的协调；例如：拿起笔、弹吉他和打字。仅用一侧手臂和手就能完成的技能，我们只需要协调少数的肌肉和关节。例如，在操纵计算机游戏杆、汽车换挡时就是这样的。,第四章动作控制理论,除了躯干和肢体的协调，动作技能的表现还有其他重要的基本特征。有些技能用相对缓慢的运动就可以完成，如在射箭之前执弓的位置或者拿杯子喝水；其他技能，如投球或从长凳上跳到地面，则需要快速、抛物线样的运动；还有一些动作技能动作的构成较简单，如写数字或系衬衫纽扣；而其他技能，如完成一套舞蹈动作或者弹钢琴的运动则较为复杂。,第四章动作控制理论,此外，在一次又一次的动作尝试中，我们可以形成非常准确和一致的运动模式。在各种不同情景中，即使从未遇到过的情景，都能够很成功地完成操作。例如，在比赛时，熟练的网球手必须在许多不同的情景中使用正手击球动作。各种情景中的许多不同特征，如球的飞行轨迹、速度、旋转、反弹和落点以及对手的位置、风速、日照等等，完全相似的两种情景很少遇到，但是一个熟练的网球手却可以成功地完成击球动作。,第四章动作控制理论,讨论在讨论神经系统如何控制协调运动的理论之前，先了解动作控制理论的基本内容是十分必要的。我们还将说明一些术语，为理解这些理论奠定基础。,理论和专项实践,准备从事运动技能教学职业的学生，常常对学习动作控制理论的必要性提出质疑。这种疑问经常来自那些认为只需要准备“实用”知识的学生。他们认为这样才有助于胜任日常的工作，但这种观点是由于不能充分理解理论与专业实践之间的关系造成的。在这一节中，我们会讨论什么是理论？运动控制理论对教师、教练和治疗专家的意义。,理论是什么？,如果按照日常生活中人们对理论一词的理解，就会得出理论与实际几乎无关的观点。但这是一种短视和误导的观点。从科学上讲，理论帮助我们理解现象，并且解释这些现象为什么会存在，或为什么会有如此的表现。斯蒂芬霍金(StephenHawking,1996英国剑桥大学的世界知名物理学家认为，好的理论应该满足“两种需求。它必须能够精确地描述一类观察到的现象而且必须对未来可观察到的结果做出明确预测”（p.15）。在霍金研究的物理学领域里，理论帮助我们理解物理世界的各个方面，理论为我们观察到的物理事件提供解释。例如，确定使一个滚动的球最终停止滚动的变量。我们可以通过确定这些变量，并根据它们的特征来预测球能够滚动多远。,理论是什么？,行为科学，包括对人类动作学和控制的研究，理论的焦点是解释人类的行为。当对人类行为的研究兴趣是在关于动作技能的表现和学习时，我们期望理论能解释人们如何操作技能。也就是说，确定那些能够说明我们观察到的表现特征的变量。例如，我们观察技能操作者的活动就知道，人可以在各种不同的情景中运用同一种技能。一个熟练的篮球运动员，可以从各种不同的位置以及在各种不同的比赛情景中成功地完成单手跳投。一个好的动作控制理论应该可以解释为什么人会具备这种能力。,动作控制理论对实践者的现实意义,基本了解动作控制理论之后，实践者再此基础之上可以形成有效的技能教学和练习环境。图4.1说明，实践者了解影响技能表现的变量而改进一些措施，以解释理论和实践之间的联系。如果知道，为什么人在完成某一动技能时能够适应各种不同的情景，就可以运用这些知识来改善练习条件，从而自信地语言我们将会获得这种适应能力。想像另一个例子，假如你需要帮助一个人恢复行走的能力。那么，作为人类运动基础的关于动作控制机制的知识以及相关的环境变量知识，将会使你采取更加适合的评价及干预措施，因为它们是以影响运动变量为基础的。,动作控制理论,动作控制理论,在上面“理论是什么”一节中，你了解到一个好的理论应该能够对大量观察到的事件做出描述和解释。根据这个要求，一个好的动作控制理论应该如何描述和解释呢?研究者们普遍认为，这种理论应该描述和解释神经系统是怎样协调运动的。这样，我们就可以在各种不同的环境中成功地完成各种动作技能。从某些方面说，要了解我们是怎样进行协调运动的，就相当于了解一个钟表是怎样精确地协调各部件走时。,动作控制理论,下面几节，讨论两个要点：术语协调在动作技能表现中的意义和“自由度间题”。虽然研究者们还提出了另外的动作控制理论，但是，在这两个要点的基础上，本章讨论两个主要的动作控制理论。有必要说明的是，这里所提到的动作控制理论，主要是行为水平上的分析。就是说，这些理论讨论的焦点是，对可观察到的行为的解释，而不试图确定控制过程的神经活动的特点（有关动作控制的神经模型，见Bullock&Grossberg,1991）。,动作控制理论,以行为为基础的动作控制理论研究的重要目的是，揭示管理人类协调动作行为的法则和原理。神经水平的理论是想要描述神经机制或神经机制的相互作用，也就是解释在这些行为活动原理中，神经系统是怎样起作用的（Willingham,1998）。,协调,动作技能操作是人对激活的肌肉进行组织，并以此达到某种行为目的。就是这种组织的特性，成为协调这个术语的中心意思。按照本书的目的，我们依据特维（Turvey1990）提供的定义：协调是指与环境对象和事件模式相关的头、躯干及肢体的运动模式。这一定义包含两个部分，每个部分对进一步的研究都十分重要。首先，应注意到这个定义确定了协调是有关头、躯干及肢体的运动模式。虽然一般应用协调这个术语是与技能表现特征相联系的，但是不仅局限于这点。,协调,用这个词来解释与技能表现相关的运动模式时，协调是指，在动作表现中头、躯干和肢体运动的组织特性，与操作者的技能水平无关。这意味着，在评定技能表现的运动特征时，协调是在某一时间点的头、躯干、肢体间的联系。描绘运动模式的常用方法是，用图来表示在技能表现过程中肢体活动的位置移动模式间的相互关系。图4.2就是这类图示的一个例子。图中显示，在足球运动中，踢球动作的膝-髋关节角度的协调。,动作控制理论,协调（coordination）：与环境对象和事件模式相关的身体和肢体的运动模式。,图4.2安德森（Anderson）和西达韦（Sidaway）的实验中，角-角图显示，足球踢球动作中髋关节和膝关节协调关系在经过练习后的变化。,协调,定义的第二部分是，头部、躯干、和肢体的运动模式与环境对象和事件的模式相关。这点很重要，它指出了在考虑动作技能的协调时，要与技能表现的环境相联系。环境的特点制约着头、躯干和肢体，使其以对应的方式活动才能完成动作目的。例如，在便道上散步的人们，必须使头、躯干和肢体的运动模式与路况相适应。如果在便道上遇到树枝横在路当中，个体必须用一种新的运动模式来越过树枝，树枝的特点决定运动模式的特点，如果树枝很小，那么只需跨一大步；如果树枝很大，就必须跳跃过去才行。,自由度问题,由于协调就是头、躯干、肢体的运动模式，因此在研究动作控制时，有一个重要的问题就是，神经系统怎样控制相关的肌肉和关节以产生这种模式。为了回答这个问题，我们必须思考由尼克莱伯恩斯坦（NicolaiBernstein）首先提出的一个重要问题。他是俄国著名的生理学家。他的著作发表于20世纪30年代到50年代，直至1967年才被西方世界了解。他的工作一直影响着动作控制的研究和理论。伯恩斯坦指出，为了实现一种完美协调的运动，神经系统必须解决他提出的所谓“自由度问题”。,自由度（degreesoffreedom）：控制系统中的独立因素或成分的数量以及每一个成分的动作方式的数量。自由度问题（degreesoffreedomproblem）：设计某种须到达特定结果的复杂系统而出现的控制问题；设计的问题是，怎样限定系统中各种自由度，以便使它得到特定的结果。,自由度问题,任何系统的自由度都反映该系统的独立因素或成分的数量。要构成一个到达某种特定结果的复杂系统，就会出现自由度问题。控制问题就是：一个有效而经济的控制系统应怎样设计，才能把有很多自由度的复杂系统限定在一个特定方式下活动？,专栏,在肌肉关节水平上观察自由度问题,我们知道人体有792块肌肉，它们的作用是使100个关节以不同方式活动，而且每个关节都由它的机械特性限定运动的自由度。基于这些特征，特维（1990）由此出发来考虑协调控制问题。如果所有关节都是与肘关节一样的屈曲关节，那么在关节水平上将有100个机械方面的自由度需要控制。但是，如果有两种特殊的特性，比如位置和速度都需要限定，以便使这些关节可以完成特定动作，那么，自由度将增加到200个。,请思考下面关于机械系统中自由度控制问题的一个例子。设计直升飞机要做到，使它可以用各种不同速度向左、右、前、后等不同方向起飞或降落。设计者必须使得驾驶员能够控制这些不同特性，以便使直升飞机完成上述工作。设计者还必须帮助驾驶员以最简便的方式做到这一点。如果驾驶员要使直升飞机按某一种特定方式飞行时，每次都必须控制某一个开关的按钮或一个操纵踏板，那么，工作就会变得非常繁琐而且负担过重。所以，为了减少工作的复杂性，设计者就要设计出使驾驶员能够同时用手和脚来控制的操纵杆和踏板，每一个操纵杆和踏板同时可以控制几种功能。,自由度问题,神经系统需要控制人体，使之完成复杂动作技能，例如，在击打棒球时，神经系统所遇到的自由度控制问题，与驾驶直升飞机相类似。人类协调运动的自由度精确数量的确定，依赖于我们想要控制的水平。在很低的水平上，我们可以考虑把动作单位作为必须控制的因素；在另一水平上，我们可以考虑把肌肉作为控制的因素。很明显，对任何动作技能来说，如果不考虑控制的水平，那么，人实现技能所涉及的控制问题就大了。你将看到，人练习一项技能从初学到熟练，我们可以从观察到的特定协调特征的变化中，明显地看到动作控制系统要解决的自由度问题。,自由度问题,专栏,伯恩斯坦对自由度问题的演示,尼克莱伯恩斯坦的经典著作运动的协调和规则（TheCo-ordinationandRegulationofMovement，1967年英文版）是他的出版物的汇编。在名为“动作活动规则中出现的一些问题”（Someemergentproblemsintheregulationofmotoracts，1957年，第一版，俄文版）的文章中，伯恩斯坦讨论了自由度问题。他认为，动作控制系统必须克服这个问题才能产生出协调良好的运动。在这个讨论中（pp.126f），他列举了以下的例子来说明这个问题(他认为非常适合在公众场合演示）。,专栏,在被试皮带前面的扣眼处系紧滑雪杆手持的一端，将12千克重的物体系在杆的远侧末端，并且在轮子（滑雪杆的末端）的右侧和左侧系上一段长度足够让被试用左手和右手拿住尾端的橡胶管。给被试指令，要其站在画着一个巨大的圆圈、正方形或其他简单图画的直立板前面，并且想办法只能通过拖拉橡胶管来操作滑雪杆，用滑雪杆的末端画出板上图案的轮廓。这里滑雪杆所代表的是肢体末端的某一部分，包括两个自由度；橡胶管类似于两个拮杭肌，又向系统引入另外两个自由度。这个实验让一个拥有全部完整的骨-肌肉动作装置的人在没有对该作业的动作练习的头数周，弄清楚了控制要求四个自由度协调的系统是多么困难复杂。,开环和闭环控制系统,大部分有关控制的理论，都会提到两个基本的控制系统。这两个控制系统叫作开环控制系统和闭环控制系统。它们是以机械控制设计模型为基础的。这两个模型没有为复杂的人类运动的控制过程提供精确描述，只是描述了中枢及周围神经系统发动和控制动作的不同方式。这些模型说明了控制过程中的一些基本成分图4.3以图解的方式简单地说明开和闭环控制系统。这些是典型的控制图，在这类控制系统的一般表述中都能看到。值得注意的是，每一个系统都有一个控制中心，有时这个控制中心叫做执行器。它的重要作用之一就是产生并且向效应器发出运动指令，人类的效应器是参与运动的肌肉和关节。两个系统都包含由控制中心发送到效应器的运动指令。,开环和闭环系统,开环控制系统,闭环控制系统,专栏,开环和闭环控制系统在机械方面和人类动作技能方面的实例,开环控制机械方面的实例录音机录音机定日定时录制电视节目的功能，操作类似开环系统。VCR可以在特定时间开机和关机。（注意：即使节目仍在继续，VCR也会定时关机）人类动作技能方面的实例投掷飞镖当投掷者扔飞镖时，特定的手臂运动使飞镖飞出都由运动指令决定，此指令在手臂运动发生前就已经完成。,闭环控制机械方面的实例室内恒温器控制室内的空调和热风系统。在恒温器上设定室内温度。这一设置作为参照与真实室温相比较。室温作为反馈信息使恒温器调节空调或热风系统开或关。人类动作技能方面的实例驾驶汽车当一个人驾驶汽车在街道或高速公路上行驶时，他必须使车沿着特定路线行驶，为驾驶者应用视览和本体感觉的反馈信息来控制方向盘做适当调整，使车不致偏离车道界限以外。,两个系统间的区别,这两个系统的区别表现在两个方面。第一，闭环系统中有反馈，而开环系统没有。在人类的运动中，反馈是各种感受器传入中枢的信息。这些反馈能使控制中心及时地修正运动。从反馈在人类运动控制中的作用的角度来看，图4.3会有些误导，这个图解只列出一种反馈来源，就是头部、躯干和四肢活动的“效应器”。但是，在复杂的人类运动活动中，反馈还有其他几种来源，如视觉的和听觉的感受器。,两个系统间的区别,开环和闭环控制系统之间的第二个重要区别在于控制中心发出的运动指令。在开环系统中，不利用反馈对运动进行在线式控制。指令已包含所有的必要信息，使效应器完成指定的运动。虽然产生了可利用的反馈，但没有用来控制正在进行中的运动。这可能因为反馈并不是必要的，或者因为在运动促发之后，没有足够的时间利用反馈来有效地控制运动。在闭环系统中的运动指令则有明显区别。首先，控制中心给效应器发出的启动指令只是为了启动运动。真正地执行、完成这个运动还有赖于到达控制中心的反馈信息。反馈提供有关运动状态的信息，使控制中心完成：按初始指令继续进行运动，或者提供新指令使运动继续，或者修正运动中的错误。,开环和闭环系统,开环控制系统（open-loopcontrolsystem）：一种控制系统，其中所有按计划启动和实施动作所需的信息均包含在传送到效应器的初始指令中。闭环控制系统（closed-loopcontrolsystem）：一种控制系统，其中反馈在动作过程中与某一标准或参考相对照，以使动作得以按计划实施。反馈（feedback）：来自感觉系统的信息，为中枢神经系统指明某一运动的状态；在闭环控制系统中，反馈用于对正在进行的运动做出修正。,动作控制的两种理论,我们对神经系统控制协调运动理论的分类，是依据控制系统的中心和环境提供给运动指令的相对重要性来进行的。一些理论强调中枢神经系统指令在控制过程中的重要性。它们常以某种形式的记忆表征，如动作程序，来作为组织、启动和完成预想动作的基础。与此不同，其他理论更多地强调由环境确定的运动指令以及这种信息与躯干、肢体、神经系统间动态的相互影响。,动作程序为基础的理论,强调中心控制的理论，其核心是动作程序，它是一种以记忆为基础的结构，控制着协调运动。一些不同的理论观点都归因于动作程序的不同控制程度。毫无疑问，当代关于动作程序思想的最有代表性的观点来自于理查德施密特（RichardSchmidt，Schmidt1988，SchmidtLee，1999）。他指出，前期观点的主要问题是将动作程序局限于特定的运动或运动序列。为了克服这种局限性，施密特提出一般动作程序（GeneralizedMotorProgram，简称GMP）的假说，来说明人类协调运动行为的适应性和灵活性。,动作程序为基础的理论,施密特的一般动作程序施密特认为，一般动作程序控制的是一类动作，而不是一种特定运动或序列。他将一类动作定义为具有一般而独特特征的一套不同动作。施密特把这些特征称为固有特征，它们是一般动作程序的“标记”，而且构成了记忆储存的基础。这些运动相关特征在动作表现改变时保持不变。执行者为了能够产生与表现情景要求相适应的特定动作，必须从记忆中提取适宜的程序，再附加特定运动参数。这些就是在动作表现改变时能被改变的运动相关特征。施密特在描述一般动作程序特征时，用电唱机来做类比。唱机的固有特征限定了音乐的节奏和力度（力量）。参数包括适宜的速度和音量控制。即使唱机的速度比正常加快或音响加大了，音乐的节奏和力度的结构还能保持原样。,专栏,动作程序概念的演变,早期希腊哲学家如柏拉图(Plat)谈到过有关人类执行动作之前就会产生对该动作的“意象”。威廉詹姆斯（WilliamJames，1890）提到柏拉图的观点时，认为完成动作前，必须首先对该动作形成清晰的“意象”。卡尔拉什利（KarlLIashley，1917）被认为是首先使用动作程序这个确切术语的人。他开始把动作程序称为“动作的意图”，但后来又将其描述为“动作的一般图式，它确定特殊动作的次序”（Lashley，1951，p.122）。他认为，这些图式被组织起来为运动模式提供中心控制。弗雷德里卡巴特利特（SirFrederickBartIett，1932）指出，他用图式描述运动的内部表象和组织，其含义就有动作程序的意思。,专栏,动作程序概念的演变,米勒加兰特尔和普里布莱姆（Miller,Galanter,andPribram，1960）指出“计划”这个观念。它的“重要性就如同计算机中的程序一样”(p.16)。它负责控制动作中事件的次序。富兰克林亨利（FranklinHenry)对动作程序做出必要的概念性和经验性的引申（HenryRogers，1960）。他认为，“特定的、协调动作表现的神经模式由储存的程序来控制，这种程序是以前实现这个动作时的神经运动（neuromotor）的细节（p.449）。”亨利的动作程序概念也是一个计算机程序的概念。他认为，开始时，程序控制着精确的运动细节，在动作的执行过程中，本质上没有修正的可能性。斯蒂芬基尔（StephenKeele，1968）与亨利的观点相似。他把动作程序定义为，“在运动开始之前已存在的一套肌肉指令，并且不受末端反馈的影响就能完成整个序列（p.387）。”理查德施密特（Rechardschmidt，1975）认为，动作程序不是特定的肌肉指令，而是抽象的、以记忆为基础的一类动作的表征。每一类动作都由固有特征限定。,固有特征和参数,虽然许多特征都可作为一般动作程序的固有特征，而其中三个是被普遍认可的，包括技能中的相对时间（类似于节奏）、技能表现中的相对力量、各部分的顺序或次序。在相对时间和相对力量中，“相对”一词是指技能各部分的全部力量和时间中所占的特定百分比或比例。图4.4说明固有相对时间的概念。假设你尽可能快地移动上肢，按顺序击打四个开关。现在，假设该任务四部分的运动时间比例如下：部分1占总动作表现时间的30%；部分2占20%；部分3占40%；部分4占10%。如果这项技能表现在正常情况下全部时间持续为10秒（如图中a部分所示），那么不管你是加快还是减慢全部持续时间，每个部分时间特征的实际数量按比例变化。,固有特征和参数,在图4.4中，当b部分代表技能表现的速度加快、c部分代表减慢时，各部分按比例的变化。这样，如果你按标准时间10秒完成这项技能，那么，你在完成每一部分时所用时间分别是3、2、4和1秒。如果你完成这个动作速度是正常的两倍，即用5秒时间，那么每部分时间按比例变化分别为1.5、1、2和0.5秒。如果你减慢动作表现的全部时间至15秒，那么每部分时间分别变成4.5、3、6和1.5秒。虽然动作程序理论认为，一个一般动作程序的固有特征，在一项技能转变成另一项技能时是固定不变的，但是还有其他一些特征是可以变化的，称为参数。例如，在技能表现中要用的总力量、总时间及参与肌群。在动作表现的情景发生变化时，技能表现者可以很容易地改变这些参数，以适应每种情景的特殊需要。,动作控制的两种理论,图4.4一项含有四部分的动作技能图解，说明完成这项技能的三种不同持续时间中的固定相对时间，即以（a）正常速度持续时间为10秒，（b）加快速度到持续时间为5秒，（c）减慢速度到持续时间为15秒。,动作控制的两种理论,动作程序（motorprogram）：一种记忆表征，储存着完成动作所需要的信息。一般动作程序（generalizedmotorprogram）：具有一般固有特征的一类动作的记忆表征，为控制这类动作中的特定动作提供基础。固有特征（invariantfeatures）：限定一般动作程序的一套独特的特征，不随所要完成动作的变化而变化。参数（parameters）：随技能表现的变化而改变的一般动作程序的特征；执行者为适应环境的特殊要求，在技能操作之前，必须附加在一般动作程序的固有特征之中。,下面两个例子说明了固有特征和参数之间的关系。第一个例子如前面讨论的图4.4，固有特征是相对时间，参数是总时间。图中在正常、加快和减慢速度时，显示了表现者可以改变动作表现所需的总时间量，但不改变运动各部分的相对时间结构。例如，人行走的速度比平常加快或减慢时，就是这种情况。第二个例子以参与肌群作为参数。研究表明，无论你签名时用习惯用的手或另一侧手执笔，或用脚夹住或用牙咬住笔，这些签名都具有明显不变的空间特征。就像相对时间和力量特征一样（Wright1900）。,这些结果显示，你签名的时候可以改变书写时所用的肌肉，但一般动作程序中表现出的固有特征却是不变的。有趣的是，林特杰斯等人（Rijntjes,1999）要求人们用利手的手指拿笔或大脚趾夹住笔来签名，比较被激活的脑区作为神经学方面的证据，说明人签名时肌肉是运动参数。,专栏,动作程序的定义：一种记忆表征或者指运动以前动作准备的计划,近年来，对于什么是动作程序以及它是怎样起作用等问题的理解上容易出现歧义。问题在于动作程序这个术语曾被用来描述不同的功能结构。在有些讨论中，动作程序指的是一种运动或动作的记忆表征。在施密特的动作图式理论中，一般动作程序的结构就是这样的例子。关于动作程序记忆表征类型的问题，在理论上讨论的焦点集中于：运动或动作的哪些特征储存在记忆中作为动作程序的一部分。在本章中我们就是从这个角度运用该术语的。动作程序术语的另一种用法是指，在动作开始之前的组织或准备，随后有了动作意图。该术语的这种用法，有时指的就是动作程序化，虽然在本章中我们讨论的是以动作程序为基础的控制，但是也包含有这种准备的意义。,施密特的图式理论,施密特的图式理论（Schmidt，1975，1988）是关于一般动作程序怎样运作以控制协调运动的理论。图式是指一种或一套规则，为做决定提供了基础。它的形成过程是，从相关经验中提取重要的信息片段，并将其组成一类规则。例如，“狗”的概念是在你见过许多不同类型狗的基础上形成的一套规则。这样，你就可以对一种从未见过的动物，正确地进行判断。施密特应用“动作图式”这个概念说明技能学习和控制过程中的两个控制成分（这两个成分的特征都以抽象的规则为基础）：第一个就是一般动作程序，正如前边说的，是用来控制各类动作基本特征的控制机制，如投掷、踢、走和跑；第二个部分是动作反应图式，它的作用是提供在特定情景下管理动作的特定规则，也就是说，动作反应图式为一般动作程序提供参数。,施密特的图式理论,这种图式理论为人们如何很好地适应新情景或新的环境内容，提供了一种可能的解释。人们可以成功地完成一项以前从未操作过的技能。例如，当你走过拥挤的商场或在打网球时回击对方的发球，情景各方面的特点是你过去从未经历过的，你之所以能成功地完成这项技能，是因为人可以应用动作反应图式的规则，产生适宜的参数特征，并把这些参数附加到一般动作程序之中来完成该技能。施密特的图式理论指出，通过组织动作程序和图式执行控制，可以在协调运动时解决自由度的问题。这种理论强调，控制中心的储存具有抽象的或概括的本质。一般动作程序和反应图式共同起作用，提供一定环境下开始一项动作所需的特定运动特征。动作的启动是开环控制过程。然而，动作一旦启动，如果有足够时间处理反馈和修正动作，那么，反馈也会影响该动作过程。,验证固定的相对时间特征研究者们探讨了施密特的主张，即一般动作程序控制着由特定的固有特征来定义的一类动作。他们尝试对以动作程序为基础的控制理论提供经验性的支持。在提到的固有特征中，相对时间引起研究者的极大兴趣。对各种不同技能，如打字、步态、写字、抓握及依顺序按键等的研究结果，支持了关于这一特征的固定不变的性质观点（Heuer，1991；Schmidt，1985，1988）。,对相对时间固定性的典型研究是，观察在某一阶段相关参数值中相对时间的变化，这些参数可能是总时间量或速度。在这方面最常用的实例，就是由夏皮罗、泽尼格、格雷戈尔和戴斯特尔（Shapiro，Zernicke，Gregor&Diestel，1981）所做的研究。在此研究中，被试在跑步机上做不同速度的走或跑。研究者的兴趣在于研究整个行走周期中的时间比例（即相对时间），这些比例代表每种速度周期（即总时间参数）中四个部分或四阶段的特征。他们的假设是，在可控制的走或跑步态模式的一般动作程序中，如果相对时间是其固有特征，那么不同速度的每个特定步态各部分的相对时间比例将保持不变。,研究结果与相对时间固定不变的假说一致（见图4.5）。当速度加快或减慢时（至少增加至6公里/小时或超过8公里/小时），在不同速度阶段，每个行走周期的各部分所用时间的百分比始终保持不变。在图4.5b部分，用圆形分格统计图，特别标明了在走和跑相比时，不同的相对时间特征。统计图显示在四个行走周期中，走和跑平均速度的相对时间百分比。因为走和跑之间有不同的时间百分比，作者得出的结论是，由不同的动作程序控制走和跑。在每一种步态模式中，持续的总时间（也就是速度）参数，可以增快或减慢，而每一部分的相对时间保持不变。,a,图4.5夏皮罗等人的实验结果：（a）四个行走周期的每一个周期中，以不同速度走或跑时，相对时间占行走周期全部时间的百分(菲利普森行走周期)F=弯曲阶段(从脚尖落地到开始膝部伸直)；E1=伸直阶段1（从开始膝部伸直到脚后跟着地）；E2=伸直阶段2（从脚后跟着地到最大膝部伸直角度）；E3=伸直阶段3（从最大膝部伸直角度到脚尖落地）（b）四个行走周期的每一个周期中全部时间中（四种速度）平均相对时间百分比。,b,图4.5夏皮罗等人的实验结果：（a）四个行走周期的每一个周期中，以不同速度走或跑时，相对时间占行走周期全部时间的百分(菲利普森行走周期)F=弯曲阶段(从脚尖落地到开始膝部伸直)；E1=伸直阶段1（从开始膝部伸直到脚后跟着地）；E2=伸直阶段2（从脚后跟着地到最大膝部伸直角度）；E3=伸直阶段3（从最大膝部伸直角度到脚尖落地）（b）四个行走周期的每一个周期中全部时间中（四种速度）平均相对时间百分比。,动力模式理论,与以动作程序为基础的动作控制理论有明显区别的观点，一般是指动力模式理论（有时称为动力系统理论、协调动力理论、生态学理论以及动作理论）。这种理论观点的基础是多学科性的，涉及物理学、生物学、化学及数学。这种理论的提倡者，将人类的运动控制当作一种复杂的系统，其行为方式与那些复杂生物或物理的系统相似。作为一种复杂的系统，人类动作控制是从非线性的动力学观点的角度来理解的。这就意味着，行为在时间上的改变不是持续的、线性的过程，而是突然发生变化的。例如，在物理的领域里，当水的温度逐渐升高时，水就会在特定的温度（摄氏100度）沸腾。水的性状突然改变了。这种类型的改变，就是一种非线性行为。,动力模式理论,动力模式理论研究者特别感兴趣的是，在一个特定变量的影响下，一个系统是怎样从一种稳定状态改变到另一种的。此外，他们对管理这种行为的物理、数学的法则也有兴趣。虽然，这种方法已经被应用在物理研究领域中许多复杂系统模型的建立方面（Gleick,1987）。但是，直到20世纪80年代才引起人类运动控制科学家们的注意。运动行为中的非线性变化凯尔索（Kelso）及其同事们的一系列实验为研究运动的科学家们指出，在人类协调运动中，变量水平系统的改变可以导致非线性的行为改变（Kelso，1984；Kelso&Scholz，1985）。,动力模式理论,在图4.6中的上图，说明这些实验中所使用的任务。被试以特定速度异相位（有时称为反相位）移动他们的右和左食指。这意味着，右指和左指的肌肉群同时以相反的方式来控制动作：当右指向右动时，左指向左动。定量地讲，每个手指与其相对手指在整个运动周期中始终相差180度。被试按实验者控制的节拍器给出的速度，逐渐加快他们手指的运动速度。结果显示，在某一特定速度时，手指自发地移动到一种同相位协调的状态，两个手指同时做同一方向运动（即两者在0度或360度做同相位运动）。,动力模式理论,动力模式理论,图4.6（a）图示表示凯尔索在他的实验中进行手指运动任务时，手和手指的位置。（b）和（c）图示表示指尖运动位置和时间在运动频率增加期间的函数关系。（b）图显示两个食指指尖的位置移动由异相位变为同相位。（c）图显示左食指尖移动终点与右食指尖移动终点的关系，与（b）图不同的方式来描述相位的转变（ReprintedfromKelsoJ.A.S.，Schoner，G.，1988.Self-organizationofcoordinativemovementpatterns.HumanMovementScience，7,27，withkindpermissionofElsevierScience-NL,SaraBurgerharstraat25.1055KVAmsterdam，TheNetherlands）,在稳定的异相位和同相位状态的过渡期间，发生了到同相位协调状态的改变，正如你在图4.6中所看到的一样，这种过渡是异相位和同相位手指运动都存在的混合时期。在较低的速度时，只有异相位运动；在较快的速度时，只有同相位运动发生。这样，运动速度的线性增加，导致运动基本模式的非线性变化。,动力模式理论（dynamicpatterntheory）：描述性和解释协调运动控制的一种方法，强调了环境信息的作用以及躯干、肢体的动态特征，也称为动力系统理论。非线性行为（nonlinearbehavior）：对某种特定变量值稳定的线性增加所产生的一种突然的行为反应的非线性变化（例如，以一定量增加水管中的水流速度，水就会由平稳的流动变成湍流；以一定量增加速度，步态就会由走变成跑。）,从协调模式的观点看，这些实验证明在某一特定的定量变化时，不同的协调模式可以自发地改变。在凯尔索实验所应用的手指运动任务实例中，异相位和同相位手指运动间的关系就是稳定的协调模式。这些实验的重要性在于，他们做了初始的关于协调运动转变的探索，而没有用某种机制，如动作程序，来说明这种转变。,有规律的增加或减少某一变量，造成协调模式自发转变的另一个例子是，在特定速度时发生的从走到跑的协调模式的转变。这一实验是由夏皮罗等人完成的(1981)，实验已在本章讨论过，是有关自发步态模式转变的一个较早的例证。此后，从走到跑和从跑到走的步态转变，作为速度变化函数的实验，已多次被引证，成为大量研究的基础(Diedrich&Warren,1995，1998；Wagenaar&VanEmmerik，1994)。,专栏,相对时间这个固有特征是动作控制的一般动作程序和动力模式两种观点所共有的部分，但两者对于这个固有特征的来源持有不同的看法。一般动作程序观点所强调的相对时间是一般动作程序中的固有特征，并包含在传递给肌肉组织的运动指令中。因此，产生的动作必须受这种时间的制约，相对时间的固定性附加上参数的变化而成为一类运动的标识，说明它是由同一类一般动作程序控制的。,两种观点中固有特征相对时间的根源,动力模式观点所指的是术语“时间模式”的应用，而不是固有特征的相对时间。虽然在某些特定特征方面有所不同，但是时间模式在概念上与固有特征相对时间类似。更重要的是，相对时间的固定性对于许多动作来说，是指操作者与任务和环境特征相互作用的结果，或者是躯体和肢体运动的机械动力学的结果。经过控制参数的变化，固有特征相对时间成为某种协调模式稳定性的标识。,稳定性和吸引子,动力模式观点的核心就是稳定性这一概念。在动力模式观点的术语中，稳定性是指一个系统在行为上的稳定状态。必须强调，这个术语与固定性的概念不同。这里用的稳定性是含有可变化性的意思，也就是当一个系统被轻微扰乱时，它会自发回到稳定状态。通过观察稳定状态的特征，科学家们可以了解影响某一系统的行为变量。例如，在上面提到的凯尔索交互节律的手指运动实验中，研究者观察到两个手指在相互关联的异相位和同相位运动中行为的稳定性。这两种稳定状态说明两种协调运动模式。当手指运动速度增加时，在这两个状态之间一种相位的转变发生了。在这个对程中，不稳定性就是行为模式的特征。这种不稳定性一直延续至手指速度增加到自发产生另一种新的稳定状态时。,系统中稳定行为的恒定状态称为吸引子(或引力状态)。在人类协调运动术语中，吸引子是指优先选择的行为状态，就像凯尔索实验所描述的节律性手指运动的同相位和异相位伏态。吸引子是指活动的稳定区城，在此区域内，系统可以在优选状态下运作，这时出现了典型的行为。例如，当人们以4.8公里/小时的速度运动时，手臂和腿被“吸引”形成协调的关系来产生走的步态。这种步态模式就是完成行走动作优选的运动状态。但是，当人们以16公里/小时速度运动时，走的步态就不是优选的运动状态。在这个速度上，大多数人是在跑，就像图4.5中所示的那样，所用的协调模式与走的步态模式不同。,最后，吸引子状态不仅是以最小行为可变性为特征的稳定状态，还是最适宜的能效状态。这说明，当一个人以优选的速率或优选的协调模式运动时，所使用的能量就比他或她以非优选的速率或协调模式运动时要少。,指令和控制参数,动力模式观点的倡导者将重点放在形成运动的非线性方程式，以确定除了学习和发展因素外，动作表现的稳定性和不稳定性。为了得到这些方程式，科学家们必须确定形成协调运动或与之有关的变量。在这些变量中，主要的有指令参数(有些时候使用术语集合变量)。这些是由功能的特定而抽象的变量，用来限定系统的整个行为。指令参数可使运动的协调模式再现，并且使其有别于其他模式。,指令参数可以限定一个运动模式，所以它对于确定运动类型是十分重要的。研究者们确定最重要的指令参数是节律运动的相对相位。相对相位是数量值，它表示两个运动部分之间的运动关系。例如，凯尔索(1984)手指节律运动任务实验中图46(c)图所示，相对相位在同相位运动关系中是360度(与0度相同)；在异相位运动关系中是180度。这两个相对相位取决于手指内收运动的最大相位值是360度(即0度)、外展运动的最大相位值180度。以某一共同起点为基础，在两个手指运动过程中任何一点计算出的运动相位值的差作为相对相位。在同相位运动中，两个手指的共同起点就是最大内收度(即360度)。,然后两手指一起运动到最大外展位置(180度)，再回到最初的最大内收位置。在手指运动的任何时间，它们都具有360度的相对相位，说明两手指在同样的外展位置上。在异相位模式中结果相反。在任意一点，一个手指的外展度与另一手指的内收度在数值上一样，这就说明两手指具有180度的相对位相。另一种研究方法是测量同时发生的内收或外展运动的数值。当同相位运动时，两手指在同一时间以同一角度外展或内收；当异相位运动时，两手指同时运动同样的角度，但当一个内收时另一个外展。,当控制参数所代表的变量增加或减少时，可以影响指令参数的稳定性和特征。例如，在凯尔索的实验中，运动频率(即速度)就是控制参数。当运动频率随着节拍有规律地增加时，两手指间相位关系发生明显的变化。从图4.6中的(b)和(c)图示可以看出，同相位关系在几次速度变化后就会出现，但是，随着速度继续增加，这种关系则开始被打乱，请注意图中称之为相位转变的速度增加阶段，同位相或异位相运动关系都没有被观察到；当速度继续增加时，在某一临界值上，新的异相位关系出现，并且趋于稳定。从实验的角度看，控制参数的确定是十分必要的，因为它是可操作的变量，以到达评定指令参数稳定性的目的，从而进一步为确定肢体运动模式的吸引子状态提供基础。,从应用观点来看，控制变量可成为评定某一协调模式稳定性的基础，并且可以了解不易被观察的个体协调动作特征。这种作用在康复装置中特别有用。例如，范埃姆里克和瓦格纳(vanEmmerikWagenaar，1996)的实验对帕金森病的患者与年龄相当的健康人控制组的被试进行观察，比较两者在跑步机上，适应逐渐增加的速度(即控制参数)，行走协调模式变化时，前者比后者更难适应。在此研究中，以行走时上下肢摆动之间的关系作为相对相位(即指令参数)的基础，研究者们得出的结论是在各种不同行走速度时，对上下肢摆动间相位关系稳定性的评定可以为早期帕金森病的诊断和发现提供一项敏感的指标。,自组织动力模式观点中的一个重要概念就是自组织。它意味着，当某种情景具有一定的条件特征时，就会出现行为的特定稳定模式。许多物理领域里存在的自组织事例都说明这个概念在人类运动领域中也适用。例如，宇宙间没有飓风的程序，但是飓风却经常发生，而它们只在一定的风和水温条件下发生。当这些变量形成一定的特征时，飓风就会自组织成一种确定的模式，位了区别于热带低气压或者其他气候系统。,稳定性（stability）：系统在行为上的稳定状态,它代表了一种优选的行为状态。稳定的系统在受到轻微扰乱之后可自发地回到稳定状态，提示其包含有固定性的意思。吸引子（attractors）：系统稳定行为的恒定状态。在人类协调运动中，吸引子使优选行为状态特征化。例如，两个手指有节律地同相位和异相位运动。指令参数（orderparameters）：限定系统整体行为的功能性特定变量；它们使运动的协调模式能够再现，并有别于其他模式(如相对相位)，也称为集合变量。控制参数(controlparameters)：协调运动的控制变量(例如，温度或速度以及力量)，可以根据动作情景特征自由变换。根据动作控制的动力模式观点，当控制参数有规律的变化时(例如，速度由慢而快的增加)，指令参数可以保持稳定，或者在控制参数变化到一定程度时，改变其稳定状态特征。,当自组织概念应用到人类协调运动时，是指当某种情景具有一定的条件特征时，就会出现肢体运动的特定模式。这样，运动的协调模式不是由动作程序特定的，而是在情景条件和肢体动态特征的形成中进行的自组织。例如，凯尔索实验中所示的两个手指运动任务，同相协调模式的自组织表现为运动速度的函数(即控制参数)。同种类型的自组织还见于行走速度增加或减少时的走变成跑或跑变成走的步态转变。,协调结构,动力模式观点的另一个重要部分与所控制的行为单位有关。这种观点的提倡者认为，一个人熟练动作的产生，是神经系统对特定的功能性肌肉和关节配合的控制，以使动作协调；这样，个体才能根据环境指令完成动作。个体可以通过练习或经验来获得这些称之为协调结构的功能性配合或者也可能是自然存在的。,与到达和抓住目标物体的动作有关的肌肉和关节(要控制的自由度)就是协调结构方面的例子。特别的肌肉关节组合必须一起运动，才能使一个人成功到达并抓住目标，这些组合要通过练习“转变”为任务-专门化的整体，当一个人具有达到和抓住一个杯子的意图，而且环境条件限定这个动作应该发生时，这个动作就会发生。然后，在肢体特征和环境限制性特征协调一致的情况下，协调结构通过自组织来完成这个动作。,协调结构可以是固有的或通过练习形成的。与固有协调结构有关的动作包括走、跑和两手协调运动。我们完成这些动作时，相关肢体的肌肉和关节具有一种自然的趋势，按照肢体内在协调模式来活动。这一模式是在既往生活中，对这类动作表现特征化以后形成的。例如，在两手协调运动技能表现中，需要同时运动上肢和手，无论在婴幼儿(CorbettaTkelen，1996)还是成人(Kelso，southardGoodman，1979)，其典型的表现都以一种相似的自然趋势来同步运动上肢和手，即空间和时间上的同步，这就是说，当人们第一次学习网球发球动作时，这一动作要求两个上肢以不同方式同时运动，他们最初的趋向是在同一时间以同一方式运动两个上肢。相反，通过练习形成的协调结构是新的肌肉和关节组合，它们一起活动以产生协调模式，从而到达动作目标。网球发球就是经大量练习来获得新的协调动作结构的例证。,专栏,在有关动作控制的动作程序和动力模式观点的比较和不同的深入讨论中，凯尔索(1997)提出了有关两种观点共有的一个关键变量相对时间的不同意见。多年来，动作控制研究者们争论的问题之一就是确定大脑活动和可观察的运动表现特征之间的关系。在这个争论中，可能的突破点就是通过脑功能成像技术，可以使研究者观察到动作技能表现时认脑的活动。以下是凯尔索及其同事利用这项技术研究相对时间问题时所获得的两项关键性的发现。在这些实验中，被试应用两手协同技能，按限定有规律增加的运动速度来完成同相位或异相位(反相位)当速度运动协调模式（见图4.6）。,脑活动和协调运动中有关相对时间的证据,当速度较低时，在某一速度范围内进行同相位或异相位协调模式的相对时间稳定(即固定不变)。在临界运动速度时，就会出现从异相位到同相位协调模式的自发转变（即一种新的自组织协调模式)。这个结果表明，对于相对时间来说，在动作技能表现期间，大脑产生的活动与运动水平上观察到的行为是本质上相同的模式。凯尔索指出，这些结果对于动作控制理论争论的重要意义在于，动态模式观点预言了这些结果，而动作程序观点没有做到。,学习特定技能时，内在协调动作结构会导致起始的动作表现困难，就像学习网球发球时的情况一样。然而，在克服了这些内在困难之后，人们的技能表现就会得益于新形成的协调结构，即使在动作中出现少许混乱，他或她也能完成动作目标。例如，当发球时，一阵风使球偏离了它的预计路径，网球运动员就会很快很容易地调整动作，以便成功地发球。同样，如果一个人在便道上慢跑时，他或她会迅速且轻松地调整步态模式特征，以越过一块石头而避免绊倒，与此同时，仍保持慢跑的协调模式。,知觉和动作联结动力模式观点的提倡者强调，人和技能表现的物理环境之间的相互作用。从动作控制的角度来看，这种相互作用包括知觉和运动变量，只要想解释开环动作技能控制机制，就必须考虑到这些。开环动作技能包括运动中的人和物，在第1章中已经讨论过。动力模式理论提到的这种相互作用，就是知觉-动作联结，是研究熟练开环技能表现的重要因素。相互作用中的知觉部分发现并应用环境中重要固有信息(例如，物体接触人体或相反时的时间量)；动作部分包括动作控制特征的安排和调整，从而使执行者到达目标(例如，运动的运动学和动力学部分)。,希腊字母tau()是这种联结过程中知觉变量的一个例子，它表示物体-人眼间的接触时间(我们将在以后第5、6章中进一步讨论)。研究者演示的由引申的例子，如驾驶汽车、接球、击球、从平台越下以及跳远。当一个人获得经验时，知觉变量与运动动态相联结，确定的协调模式就可以在需要的时候重复产生。,自组织（self-organization）由于一定的环境特征条件而显现的特定的稳定行为模式，而不是出于组织行为的特定的控制机制；例如，在物理领域中，飓风的自组织是由于一定的风和水温条件的存在。协调结构(coordinativestructures)肌肉和关节特定的功能性组合，在神经系统控下协调地产生动作。知觉-动作联结(perception-actioncoupling)知觉变量和动作变量的相互作用，使得某一动作的特定运动动态和知觉变量的特定特征相一致（例如，到达和抓住动作的特定运动特征与特定物体特征间的关系)。,有关知觉-动作联结的其他例子包括翻越障碍物、爬梯子和走过一道门时所应用的协调模式。研究者们发现：道路上的障碍物、梯子以及敞开的门限定了尺寸等信息，就是一个人对有关物体尺寸与自身腿的长度(在障碍物和梯子的例子中)或身体大小(在敞开门的例子中)之间固定关系的了解。这样，人就会在了解这种关系的基础上，踏过或越过这个障碍物，选择一种爬梯子的动作方式以及侧身或正面走过一道门，都取决于对环境特征与个体自己身材相关特征之间关系的了解。,专栏,用某一特定速度运动时，人们可以自发地改变从走到跑的步态模式。虽然在此变化发生的确切速度上存在个体差异，但是这种转变似乎在每个人身上都会发生。对这种协调转变的发生原因，动作程序理论和动力模式理论的解释不同。动作程序理论协调模式的相对时间结构可以区别各个一般动作程序。因为走和跑这两种步态的特征是由不同的相对时间结构来限定的，所以，它们是由不同的一般动作程序所控制的。在某一特定速度发生从走到跑的步态转变，是因为行走者选择了把控制走的程序转变为控制跑的程序。,从走到跑的步态转变：动作程序理论和动力模式理论的解释,动力模式理论在肢体和躯干的协调模式中，自组织作为一种特定控制参量值以及环境条件而起作用。对于走和跑的步态模式来说，速度是一个重要的控制参量。从走到跑的模式转变过程关系到两种吸引子的竞争。在较低的速度时，基本吸引子状态是走这一协调模式；当走的速度增加时，就会出现吸引子状态失衡的特定速度阶段。也就是说，在这个速度阶段，走的模式出现一些转变为跑的协调模式的自组织，并且最终在一定速度转变为步态稳定的吸引子状态。,夏皮罗(Shapiroetal.,1981)的实验结果的解释(图4.5)：动作程序理论当观察到走的步态(36公里小时)时，步态由一种一般动作程序控制；当观察到跑的步态时（812公里小时)，就由另一种一般动作程序控制。动力模式理论走和跑两种步态代表在36公里小时和1012公里小时速度阶段保持稳定的两种吸引子状态，但是，在速度是79公里小时的这个转变阶段，指令参数开始不稳定，种新的步态模式跑)开始自组织并且在一定速度阶段变得稳定。,控制理论观点的现状,以动作程序为基础的理论和动力模式理论是现今说明神经系统怎样产生协调动作的行为水平上的两种主要理论。争论和研究的继续，是因为科学家们仍希望能够回答这个重要的理论问题。这些理论倡导者之间的争论使这一重要问题逐渐清晰，未来研究方向也更加明确。例如，现在我们知道了，控制理论不能只集中于中枢神经系统决定的运动信息，理论家们还必须考虑任务和环境特征。因此，纽厄尔（1986)恰当地指出，协调的最佳模式决定于由人、环境和任务特定制约因素之间的相互作用。,在动作控制理论争论问题的解决上有不同的意见。例如：有些研究者预见到在两种理论之间可以有折中的理论，可以发展成把两种理论的重点结合起来的混合理论(AbernethySparrow,1992；Walter,1998)由阿曼齐恩(Amazeen,2002)报告的有些研究证实，中间理论的存在是可能的。在一系列实验中，她指出了将动力模式理论的特定部分应用到一般动作程序理论，可以说明与获得两手节律性协调技能有关的表现特征，而这些特征只用一般动作程序理论不能解释。然而，也不排除这样的可能性，就是她的结果也可以只看作是对动力模式理论的支持。,专栏,1996年，在人类运动科学杂志出版了一篇特殊文章。这篇文章讲述了动作控制动态模式观点的现实意义：在人体康复领域的应用。在文章的结论中，范威尔英根(VanWieringen)强调了文章的主要含义。下面总结了其中的一部分。在运动障碍儿童身上观察到的运动问题可能与知觉障碍有关。因为知觉是和动作联结的，所以察觉视觉信息方面的缺陷就会限制运动能力。动作问题的治疗措施应该是让患者参加到真实的动作活动中。因为一些动作的发生是环境内容特征给予(即允许)这些动作的作用，所以，真实的操作环境可促进运动能力的提高。,动态模式理论在人体康复中的应用,实践者确定功能性任务中的运动问题和运动能力，需要通过一组个体的、环境的或任务特征，在某种重要意义上，会引发一个人运动形式的改变(应用这种方法，评定脑瘫患儿使用“免跳”或跳的模式来移动时，出现的协调问题的详细讨论。见Scholz,1990)。在运动障碍人群中观察协调模式可能是适宜的，这是