运动技能学习的理论基础&（转载）
（编者不详）
　　在日常生活中，我们经常需要学习新的动作技能，例如学走路、学骑车、学用餐具等，运动领域中更包含了许多复杂的运动，例如篮球的上篮、体操的后空翻、柔道的过肩摔、网球的发球等。我们是如何形成、习得如此复杂的运动技能（motor
skill），哪些方式可以有助于学习等，一直是运动学习领域中重要的研究课题。对于学习形成的机制，研究者先后从不同角度提出了多种理论解释，并且这些解释也在随着人类对自身认识的深入而不断完善。
1．Thorndike的联结主义学习论
　　最早对人类学习行为进行全面研究并提出完整理论的是Thorndike（1913），他认为学习是一种尝试-错误的过程，通过不断地尝试各种动作，逐渐将错误反应淘汰，保留正确的反应，因此，学习也就是刺激与反应之间自动联结的过程。Thorndike提出的效果律(
effect)指出刺激和反应之间如果伴随着满意的状况，就会增强刺激和反应的联结；反之，如果伴随着不满意的状况，就会削弱刺激和反应的联结。所谓满意的状况指的就是“有效的行为”，个体在尝试解决问题时，会记住有效的行为，抛弃无法实现目的的行为。Thorndike的联结理论来源于其对动物的学习研究，其中最著名的是关于猫的学习研究。他将一只饿猫关入问题箱中，笼外放有鱼和肉，猫在笼中用爪求食而不可得，于是在笼中乱咬、挠、拨……。后来偶然碰到门钮，笼门打开，猫逃出笼外，取得食物。如此连续实验多次，猫仍需经过乱咬、挠、拨，不过所需时间逐渐减少，无效动作逐渐摒除，最后，猫一进笼内就能转动门钮而取得食物。因此他得出结论：学习是一种渐进的、盲目的、尝试与错误的过程，随着错误反应逐渐减少，正确反应逐渐增加，终于形成固定的刺激反应，即刺激反应之间形成联结。
　　Thorndike于1927
年将学习理论应用到人类动作学习过程上，并进行了实验性研究。在其实验中，要求实验参加者蒙上眼睛做不同长度的划线工作，研究结果发现，在动作学习过程中，曾获得KR(knowledge
result)的学习者，其动作学习有明显的进步；相反的，在动作过程中，没有获得KR的学习者，其动作学习并无获得改善。因此，Thorndike认为KR是影响动作学习的重要因素之一，没有反馈，学习便无法获得改善。换句话说，只有通过反复的练习，并不能使动作技能的学习产生更好的效益。这说明在运动技能学习过程中要合理安排和组织教学，严格控制刺激变量，合理地利用KR和KP，最大限度地提高练习者的学习绩效。
&&& 2．闭环控制理论
　　闭环控制理论（closed-loop
theory）是Adams(1971)提出用以解释动作技能学习的过程的，他用闭合环路反馈的模式（对错误的认知，错误的修正）解释动作的学习过程和控制原理。这种理论源自于认知心理学的认知学习，其基本理念是将个体视为信息加工系统，感觉系统得到信息后加工编码产生动作，与参照值比较，产生动作后的反馈，继而对动作做出改变。Adams
认为学习是运用正确参照值进行错误觉察，再通过反馈进行不断循环修正，使其与目标达成一致的过程。大脑中存在着记忆痕迹（memory
trace），记忆痕迹中有信息知道动作该如何执行，动作一旦开始执行后，以知觉痕迹（perceptual
trace）作为参照值，经反馈比较后修正，产生新的知觉痕迹，这一痕迹又是下一次动作的标准。知觉痕迹是指在动作学习的反馈过程中所形成的一个参照值，利用这个参照值，动作可以一直被修正，直到接近标准动作，所以这个参照值是练习者想要完成动作的知觉结果，它是由先前动作的知觉反馈与动作结果所组成，经过不断的动作修正后，此参照值会有最大的正确性，因而形成记忆痕迹，而此记忆痕迹代表的就是最正确的动作。所以，在练习的过程中，必须有外在反馈（结果反馈）存在，在练习初期，由于参照值还相当微弱，所以KR是相当重要的，等到参照值逐渐正确后，KR的重要性才逐渐减低。
　　Adams闭环控制理论得到很多实验性证据的支持（Christian
& Merriman,1997；Newell &
Chew,1974；Roy &
Martenerniuk,1974）。但这种理论较适用于慢速动作技能的学习解释，而在较快又较复杂的技能中，如果还要经过反馈的历程，再选择动作参数以产生技能表现，在时间上是来不及的（Cristian
Anson,1978）。例如：棒球的挥棒打击动作，当打击者看到投手投出好球，将信息传至中枢神经后，再决定挥棒动作，这时球早已经进到捕手手套。同时，按照闭环控制理论，为了加强知觉痕迹，应加强对同一组动作的练习，不断的加以修正知觉痕迹，使其与参照值相符合，但是随机练习是获得不同的知觉痕迹，并非对同一知觉痕迹进行修正，因此根据闭环控制理论的推论，组块练习的绩效应优于随机练习，所以说这种理论并不能解释随机练习的学习绩效（Landin,
Hebert,& Fairweather, 1993;
Yan,Thomas& Thomas ,
1998）。此外，根据闭环控制理论的观点，若在没有外在反馈的情形下学习是不能发生，亦无法解释新的动作的形成，因为没新动作的记忆痕迹该如何执行动作呢？但实验研究表明，通过切断感觉神经通路以切断控制环路，仍可观察到动物的学习绩效（Grillner,
&&& 3．图式理论
　　Schmidt于1975年所提出的图式理论（schema
theory），可以说是目前最广为人知且最重要的动作学习理论（Schmidt &
Lee,1999）。此理论认为个体在从事动作时，中枢神经系统中有一个运动程序，运动时个体通过各种感觉通道将产生动作所需的信息输入到中枢神经系统中，在已建立的模式中寻找适当、类似的模式从而产生动作。图式理论强调大脑的决定作用，认为运动技能的学习必须通过大量的情境练习，才能获得足够的信息，并且把信息加以抽象化、概念化，以形成长期记忆。学习的过程是一种开环（open-loop）方式，在练习过程中逐渐形成图式，建立图式后，就可以根据动作程序（motor
program）选用不同的技能执行参数来成功地完成动作，以达到动作学习目标。
　　图式理论认为，学习过程的目的是建立图式，图式是个体学习的动作的抽象呈现，图式是一种记录动作过程、感觉反馈、动作起始状态和动作结果之间关系的一种记忆或概念。同类动作都是由一种运动程序控制，程序由“不变特征”及“可变的参数”两个部份所组成。不变特征代表同一类动作所具有的固定不变特征如相对时机(relative
timing)、相对力量(relative force)、动作顺序(order of events)等，而可变参数(variable
parameter)则代表同一个程序所控制动作内可调节改变的参数，包括有整体时间(overall
timing)、整体力量(overall force)以及肌肉选择(muscle
selection)等参数。根据运动程序的概念，每一种技能的实施，必然有其不变的特征和可变的参数，练习者只要能掌握动作与动作间可变的参数，并通过知觉历程来加以选择，就能够促进个体预期的能力。
　　Schmidt认为形成动作图式要有四种信息来源：
　　（1）初始状况的信息（initial
condition），执行一个有效的动作，必须了解开始状况的信息，包括产生动作前身体的位置、四肢的空间感、周围环境状态与目标的距离等信息。
　　（2）产生动作反应的特定方式（response
specifications）的信息，在执行所要完成的动作时，有关肢体的方向、力量、速度，必须有其特定的规格或参数（parameters），必须储存这些相关的参数信息。
　　（3）动作反应的感觉结果（sensory
consequence），对于动作反应的感觉结果通常发生在运动中或后，包括视觉的、听觉的、本体感受器的反馈，例如对该动作做起来的感觉如何，看起来如何或听起来如何等信息。
　　（4）动作反应结果的信息（response
outcome），就是对于动作结果的反馈，以口头方式告知练习者动作反应结果与真正动作间的差异（Albrecht＆Fisher,1988）。
　　学习者在动作练习中所获得的这四种信息，都储存在短期记忆之中，经过不同情境下的反复练习，能使这四种信息产生联结，联结的强度主要是依赖所接收信息的质与量，质就是反馈的正确性与动作练习时的专注程度，量就是练习次数的增加，这个联结最后是以一种摘要或抽象化的方式表现出来，成为某一类别动作的基础。
　　Schmidt指出，动作练习过程中形成的动作图式有两个层次：回忆图式（recall
schema，负责动作的执行）和再认图式（recognition schema，负责动作的控制）。
　　回忆图式的形成，主要是依赖动作反应结果与组成动作程序的参数之间的关系，也就是说，学习者在反复练习同一类别动作的过程中，每一次动作反应的结果组成运动程序的参数，均能形成一组相关数据而储存记忆之中，由于起始情境的不同，构成运动程序的参数也不同，形成了操作与反应间的不同联结，于是个体逐渐形成在不同练习情境中把握各种参数的大小与动作结果之间的关系，形成动作执行的回忆图式。回忆图式主要的功能是导引个体如何产生动作反应，如果个体对某一类别的动作技能可以建立稳固的回忆图式，当面临前所未见的反应情境时，根据回忆图式所提供的信息及实际面对的起始情境，就能估计出适当的动作参数，完成新的动作。
　　再认图式则是由起始情境、动作反应结果和内在感觉的反馈等信息之间的关系而建立的，其发展过程与回忆图式类似。学习者产生某种动作反应之前，能获得有关动作反应的初期情境的信息，在动作之后亦获得有关动作结果及内在感觉反馈的信息，而由于情境的不同，所获得的动作结果与内在感觉反馈也就互有不同，个体通过反复练习以确定三种信息之间的关系，从而形成再认图式（黄崇儒，1994）。再认图式主要是评价反应正确与否，个体如果对某种类别的动作技能已建立稳固的再认图式，当其面对新的反应情境时，在动作反应之前即能确定新动作反应的起始情境如何及所要达到的动作结果如何，而通过再认图式，可以确定达到的动作结果的感觉信息，所以可以通过动作反应的内在感觉反馈来评价实际外在动作绩效。因此，Schmidt强调，在缺乏外在反馈及提供动作实际结果的练习条件下，个体仍能依据预期的感觉结果而得知其动作反应的正确与否，然后修正回忆图式。
　　运动图式理论重点在于通过图式来解释某一类动作的学习。通过反复的情境练习，个体获得大量的相关信息，从而形成一类动作的长期记忆图式，只是执行时的动作参数不同。因此以图式理论的观点，随机练习对学习更有益，也可以解释闭环控制理论无法解释的新动作的产生。但图式理论的不足之处在于类化运动程序的概念过于抽象，无法知道是否存在。
4．动力学系统理论（dynamical systems theory）
　　动力学系统理论是一种以数学的动力系统理论为基础探讨随着时间的变化而发生的人类行为状态改变，即用数学中的状态空间（state
space）、吸引子（attractor）、轨迹（trajectory）、确定性混沌（deterministic
chaos）等概念来解释与环境相互作用的认知主体（智能体）的内在认知过程。用微分方程组来表达处在状态空间的练习者的认知轨迹。换句话说，认知是作为认知主体所有可能的思想和行为构成的多维空间被描述的，特别是通过在一定环境下和一定的内部压力下的认知主体的思想轨迹来详尽考察认知的。认知主体的思想和行为都受微分方程的支配。系统中的变量是不断进化的，系统是复杂的并服从于非线性微分方程(Abraham
& Shaw, 1992)。
　　非线性关系是指变量的指数为非1情况(X1/2, X2,
X-1/2…….等)，当然亦可以包含两个或以上变量的关系（X1/3Y-6、X2iY1/5
Z-5）。以运动学习为例，在运动技能学习过程中影响动作操作的变量主要有----练习与反馈，练习与反馈间相互作用影响到动作技能的操作绩效。将这两个数值转换成X轴和Y轴，将其随时间变化的结果标在Z轴上，代表的意义即为动作操作的学习过程，由于自然界的事物是较为复杂的系统，所以探讨复杂动作形式多以非线性为主。不论以何种方式来探讨人体的奥秘、***与细胞的结构及反应，皆属于非线性关系。从宏观而言，人类的动作形式是永远不会重复相同的轨迹，永远不重合，但却以一个特定型态在改变(Linhe，1998)。
　　（1）子系统的相互作用导致个体状态的变化
　　个体状态的改变是由体内多个子系统（subsystem）成分之间的互动、参数控制而实现的。子系统是由许多小成分组成的，在小成分与小成分间的交互作用产生子系统的现象，而不是由小成分中的主导子系统的状态决定，这在动力系统中称之为自我组织（self-organizing）（Schoner
1988）。在信息加工理论中主宰状态变化的是大脑，而在动力系统中大脑被认为只是一个子系统，子成分间并无主从关系，而是子成分间交互作用而呈现协调的状态。例如在自然界中白蚁建窝的方式即为自我组织，一开始白蚁以随机方式在不同的地方排便，在随机的累积情形下，会有部分的排泄物会比较集中，而较集中的会产生特别的味道，白蚁就会被特别的味道吸引，将排泄物更集中在集中的部分，而形成各式各样的白蚁窝。虽然有相同的组成物质、相同的结构，功能目的亦相同，但却形成不同的蚁窝（Kugler
& Turvey, 1987）。
　　（2）稳定状态的形成是走向吸引子的过程
　　动力学系统理论中的重要概念“吸引子”，可以用于解释运动技能学习过程中的状态改变。吸引子定义为在状态域(state field
)中系统所偏好的状态（Abraham & Shaw,
1992），在运动中吸引子为个体有运动表现上稳定性高、变异性低，可以稳定、重复的执行某一特殊化动作，我们称之拥有该动作的吸引子。以钟摆的运动为例，在受重力的状态下，其最低点即中央点为其吸引子，因为随着时间改变其位置，中央点吸附的吸引力，将位于能量高的两端指向能量较低的中央，在外界使其摆动后，受到摩擦力的影响，钟摆会渐渐趋向其稳定状态，回到吸引子的位置。一名网球选手是否具有发球的吸引子，可以观察其平常发球时是否有极高的成功率，是否能将赛场观众的喊叫声视为外物，选手若不受到观众喊叫声的影响而表现出稳定的发球水平，说明此选手具有了发球的吸引子。
　　若将一个人的整体动作表现视为一副风景画，在一开始学习新的动作前，受　个体发展水平、经验等背景的影响而有不同的轮廓。学习一新的技能彷佛在一大片的山谷情境中寻找正在学习该动作谷底吸引子的路径，寻找的方式就是练习，若你找到山谷，意味着你已朝向该吸引子迈进，经过更长久的练习，将该吸引子挖深而使得动作技能更加的稳定，在其改变吸引子的同时，整体的景观亦随之改变（Newell,
Liu & Mayer-Kress,
2001）。Kelso(Kelso，1997)以学习双手食指相对相位90°的动作形式影响原本较稳定的状态同相(0°)与反相(180°)，使反相的动作变得较不稳定。因此，Kelso
提出学习是内在动力系统（intrinsic dynamic）与目标动力系统(goal dynamic)
的连接过程，且学习不只是改变目标动力系统亦会改变整体的内在动力系统。例如，一位田径专项选手在初学游泳时，因在田径方面训练　　后肌肉型态的改变，影响了对游泳动作的学习。
　　（3）新型态的产生导致秩序参数的改变
　　因为控制参数的改变达到临界点时便会形成新的型态，而秩序参数乃是提供观察其变化的变量，秩序参数可用于描述系统是处于何种型态且可区分不同型态，在动作行为上的研究以同相（in
phase）、反相（out of
phase）的两种动作形式说明动作的差异，例如在不同的频率下会呈现不同的稳定动作形式，在一般的情况下，同相与反相的动作较其它动作(π/2、π/3)较为稳定，随着频率(控制参数)的增加，同相的动作会比反相的动作更加稳定，因此在频率增加的情况下，原本皆是稳定的同相与反相动作，只有同相动作变成稳定动作，因此相对相位（relative
phase）是一关键的秩序参数(Kelso, 1997)。
　　学习是从一个稳定状态到另一个状态，从一个不会的状态到一个学会的稳定状态，因此迁移对于学习上的意义是极为重要的。依据动力学系统理论，在状态改变时有以下几方面特征，首先，控制参数的改变会形成一个新的状态，通过学习个体整体的学习状态发生改变。其次，控制参数的改变方向不同时，其迁移的位置不同，如在步态的迁移研究发现，速度增加或减少时，迁移的值会根据速度增加的方向或减少的方向而有所不同，即在走路变成跑步时的迁移速度大于跑步变成走路的迁移速度。第三，在迁移之前会有一个重要的波动期，秩序参数的变异性增加，仅需要极少的改变，就会进入迁移的模式。
　　（4）对运动技能学习的动力学系统理论的评价
　　动力系统理论对人类行为变化的连续性提供了随时间变化的自然主义的说明。这是其他理论不能说明的，其他理论一般来讲是忽略时间概念的。但人类大脑与环境之间是随时有信息交流的，而且是处在不断变化的，暂态的连续的认知是随时间变化的。动力系统理论的优势是对认知变化发展的描述是多元的，是一种经验可检验的理论，可以对描述认知系统的微分方程进行分析修正，它是一种定量的分析。另一优势是动力系统的描述可以展示人类行为复杂的，混沌的特性。动力论者以动力范式替代认知科学中的符号主义、联结主义的新范式。但如何保证动力系统的各变量和参数的恰当选择，系统是否具有稳定性和可靠性，动力系统的定量性描述因素的选择基于何种原则，它能成为对抗认知理论的最有潜力和生命力的新范式吗？至今目前还没有多少成功的模型。
5．运动技能的协调与控制理论
　　上述的闭环控制理论、图式理论都是以信息处理为基础的，注重信息的输入与加工过程分析，忽略其它部分对有机体的影响。但在特定的情境中，知觉和行动的影响是交互的，并非只有一方影响另一方，对于一个新的、包含多关节的协调状态的形成，应考虑到知觉与行动间的交互作用。
运动技能学习的目的主要是形成协调的动作形式。在过去的研究中一直忽略学习过程中产生的协调结构变化，Newell
(985)对在运动行为（motor
behavior）的研究中常见到的协调（coordination）、控制（control）、技能（skill）概念进行了界定。协调是指能降低多余的自由度，确定该运动技能的特殊参数，将多余的自由度剔除。协调的形成可用函数来表示，代表协调结构f是由参数A，B，C，D，…，Y，Z
构成的一个函数，以函数的表示：f(A，B，C，D，…，Y，Z)。控制指能对于特定的参数加以控制及改变，以方程式表现为：f(Ai，Bj，Cl
…，Yr，Zt)，除了控制动作形式外，调整某一种变量的值而达到某一特殊目的。例如传球，新手与熟练者皆有自己传球的动作形式，但是在控制影响传球变量的时间、角度、线索上有所不同，而形成不同的操作绩效，在某一特定协调结构下，技能操作可以达到最佳的动作表现。
　　Newell等(Newell，1989)认为在运动技能的学习过程中，有机体与环境之间以及探索知觉与动作间是交互作用的，知觉的信息影响动作的产生，动作产生又影响知觉的信息。在各种不同的参数选择下会产生不同的动作形式，这种变化是通过协调和控制完成的。例如在羽毛球与网球的击球动作中，羽毛球拍因为很轻，因此我们在开始持拍挥球时，很自然地使用整只手臂的力量进行挥拍，但是要实现快速而变化的击球效果，击球时使用更多的是手腕力量。但网球拍的重量相对较重，在挥拍的过程中，由于受到球拍转动力矩的影响，拍头的力量产生极大的力量，再以击羽毛球的手腕动作已无法完成动作，个体自然会根据操作目标、器材、规则而选择不同的动作形式(Newell,
1985)，这种探索策略弱化了认知心理学的编码机制，而是通过个体的知觉和动作二者间不断的交互作用来得知的信息，从而产生不同的动作反应。因此，相对于先前的重视以信息加工理论为基础的理论解释，运动技能的协调与控制理论是根据目标动作的任务需求，探索知觉空间和动作空间的有效组合来完成目标动作，更具有生态性。
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