工作限制對人體多肢段運動學習的影響

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(1)1. 第壹章緒論. 第一節前言當人們觀賞高水準運動比賽時，不難發現運動好手可以在何種環境與出發點，都能做出接近百發百中投籃或精準的擊球動作，同時每次的動作表現幾乎相同且差距很小，這種運動行為更是令人讚嘆不已。以探討運動專家行為的研究者 Ericsson(2001) 認為，運動好手會有如此完美的運動表現，主要是來自於他們練習該項動作驚人的練習量，是超出一般人非常多的。由此可見，人體要展現高品質的動作的表現是必須透過學習來達成，而影響運動學習 (m otor learning) 兩個重要變項，就是練習 (practice) 與回饋 (feedback)。唯有大量的練習次數配合練習過程中有效的回饋，才能使其動作表現與學習的目標更為貼近。此外，一個令人好奇的問題，就是以研究人類行為的心理學家又是如何詮釋人類運動行為的形成與控制呢？從歷史的演變來看，早期運動行為研究領域與心理學有其深遠的淵源，長期來在以訊息處理的認知理論主導下，運動行為本身並非研究者所重視的部分，同時認為人類行為的表現完全受大腦 (認知) 的控制，所以主要重點在於探討大腦思考運作的功能。基於這種理論觀點，運動行為當然也是大腦 (中樞神經系統) 運作的結果。無庸置疑，運動行為的表現與控制更是被視為來自於心智的表徵，而中樞神經系統則是具有其絕對主導性的決策地位。運動好手可以隨時隨地輕易展現出其高水準運動行為，倘若讓時光倒流，回到他們當年剛接觸該項技能時，其實他們與一般人在日常生活中面對一項新的動作技能，或是學生、初級運動員在體育課堂上、訓練過程中學習一項新的運動技能，都同樣遭遇到許多學習方面的困難。運動學習過程最讓人感到困惑的現象，就是儘管學生或是選手已經完全了解體育教師或運動教練所講述的內容，並且逐步地按照其指令來執行動.

(2) 2. 作，然而動作的結果總是無法立即達到預期的工作目標。若以傳統訊息處理的認知理論觀點，運動行為的表現與控制是來自於心智的表徵，為何運動學習初期階段，個體的認知 (cognition) 與行動 (action) 之間總是存在很大的差距，兩者難以相互配合。面對這種現象，以訊息處理的認知理論觀點，實在很難提出為何造成兩者之間差異的合理解釋。劉有德 (2004)明確指出，大腦的作用對運動行為的產生多少有影響，但完全以認知過程作為解釋運動行為的產生及控制的根據，不但過於偏頗，有時更有完全不適當之情形，因而無法反應實際的情形。近年來，運動行為家已逐漸遠離以訊息處理為架構的認知理論，並且另尋其它理論觀點，重新來檢視運動行為的產生與控制。除此之外，探討運動行為的工作內容，更是從原先以簡單、單一自由度 (single degree of freedom ) 的動作，逐漸轉向以人體多肢段 (m ulti-segm ents) 且具有協調性的複雜動作。. 第二節問題背景現今，運動行為領域的相關研究，無論是運動控制 (motor control)、運動學習 (motor learning) 或運動發展 (motor development)，其引發的自由度 (degrees of freedom) 問題都深受研究者所重視。前蘇聯生理學家 Bernstein(1967)是第一位將人體的肢段動作，以自由度的方式來觀察的學者。在其論著「The coordination and regulation of movement」中提及，人體的動作型態不是單關節的活動，而是包含許多關節與多肢段的自由度運動。此外，還需考慮反作用力、慣性力和重力等諸多環境的因素。因此，個體在學習一項新的動作技能時，為了因應工作與環境所造成本身動作型態的改變，自由度的調控即成為核心問題。同時 Bernstein 針對運動學習過程中，人體控制系統如何調節自由度問題提出三階段模式概念，一、凍結自由度 (freezing the degrees of freedom)；二、釋放自由度 (release of degrees of freedom)；三、利用反作用力 (exploiting reactive phenomena)。自從 Bernstein(1967) 針對運動控制與學習提出自由度問題.

(3) 3. 後。其概念逐漸受到學者們的重視，其中自由度階段性轉變機制更是成為熱門研究課題之一。 Verejken, Van Emmerik, Whiting, and Newell (1992) 以實驗室的情境，探討模擬滑雪動作時，身體自由度在學習過程中凍結與釋放的特徵。藉由關節角度的交叉相關分析顯示，發現初期關節間連結(coupling)程度高，交叉相關係數呈現中度與高度的相關，隨著練習次數增加，關節運動逐漸地獨立控制，交叉相關係數也跟著下降。因此認為，人體的動作型態由初期凍結自由度，經過練習後轉變為釋放自由度的特徵。然而，卻是越來越多的研究者提出質疑，認為人體自由度調節可能會因其工作性質不同，而呈現不依循練習初期的凍結，練習後釋放自由度的單一途徑改變現象。例如， Ko, Challis, and Newell (2003) 採用動態平衡動作，探討人體如何調控自由度，實驗的結果發現，自由度受到工作限制而呈現「逆向」的轉變 (釋放自由度→凍結自由度)，並且發現多次練習的效應，讓學習者學會如何利用而非抵抗外在環境中的反作力；Higuchi, Imanaka, and Hatayama (2002) 進行電腦模擬棒球打擊測驗，結果發現在環境限制下，會造成自由度的轉變方向呈現「可逆性」的特徵 (凍結自由度 ↔釋放自由度 )； Newell and Van Emmerik (1989) 探討非慣用手簽名寫字動作學習結果發現，即便是經過三個月 10,000 練習次數，仍然無法證明身體遠端手臂肢段 (distal arm segments) 有釋放自由度的現象。從上述的實證研究，確實證實研究者所提出的質疑，動作形成不一定會依循練習初期的凍結自由度，練習後釋放自由度單一方向的改變。Newll(1986)；Riccio and Stoffregen(1988) 認為運動型態的形成，主要起因於有機體限制 (organism constraint)、環境限制 (environment constraint)，及工作限制 (task constraint)的交互作用。綜合上述觀點， Bernstein 所提及的運動學習自由度的調控單向途徑模式概念，確實是有待商榷。根據 B ernstein 的論點，動作協調與控制就是管理多餘的自由度。人體全身性動作是由多肢段協調控制所形成的，而各肢段又由骨骼、肌肉.

(4) 4. 與神經等各子系統 (subsystem ) 所組成。再者，B ernstein(1967) 所提及的人體自由度控制與運動型態受到情境限制的變異性 (context conditioned variability) 的概念，實在是一個非常複雜且涉及多維度. (m ulti-. dim ension)的問題。當運動行為家面對如此高維度的人體運動系統，如何有效進行量化則是一個非常關鍵的課題。近三十年來，由於渾沌理論與複雜科學，已經開始綜合採取動力系統理論 (dynam ical system s theory) 的概念與工具。K ugler and T urvey (1987) 針對自由度的問題，提出以自然界的定律(law )，相對於人為規則 (rule) 的看法，認為探討系統中的動力會遠比傳統研究以人為的指令，更能真正的了解運動型態的產生及運動控制的方法。這種將人體的物體性質 (physical property) 作為動力因素的概念，便成為以動力系統的方法，更是提供運動行為家重新來檢視運動行為重要契機。N ew elland V aillancourt(2001) 更是明確指出，探討運動學習，若僅觀察其機械自由度 (mechanical degrees of freedom ) 的多寡變化，可能會過於狹隘。同時進一步提出，應從動作吸引子 (attractor) 動力維度的動態自由度 (dynam ical degrees of freedom ) 增減情形的方向較為適切。此外， L i (2006)提出功能性自由度 (functional degrees of freedom ) 的概念，認為探討運動行為應該觀察人體執行運動控制時，仍具有動態且相同功能的自由度變化，可能較能清楚知悉運動控制的機制。雖然兩者名詞有所不同，但其實都是在描述構成運動行為中個別獨立的成份。由此看來，探討運動行為的維度的變化才是研究的重要主題。然而至今，身體運動維度的相關研究仍然不多見，H ong and N ew ell (2006) 認為主要原因可能是在於進行身體動作的維度量化過程中，運動行為學家必須先克服許多技術上的困難處所造成的。不過，近年來已有運動行為學家開始嘗試，以線性多變項 (linear m ultivariate)方法來進行運動行為維度的量化。人體執行運動行為時，除了受到重力場的影響，也須遵循一般的機械力學原理。因此，探討運動行為時，力學的原理及知識其重要性當然.

(5) 5. 是無庸置疑。不過，其中有一些重要的影響因素，卻是不屬於力學探討範圍之內。例如，人體運動時各種感官的知覺 (perception)。 Newell, Kugler, Van Emmerik and McDonald(1989) 從生態心理學理論的觀點提出探索策略 (search strategies)，認為人體動作並不只是個體肢段與肢段之間的關係而已，而是在有知覺的情況下才能有效應用不同的肢體。生態心理學強調個體主動的行動將會影響其產生的知覺。環境中的訊息是等待被發現的。運動學習過程中，如何找出環境中知覺恆定的訊息及其如何影響動作的產生是非常重要的。體育教師或運動指導員，如果能協助學習者找到知覺與行動間的一定關係，那樣學習者就可能在練習動作中偵測環境中的訊息，而這種探索過程應該是可以增進運動學習效果。所以，知覺的訊息會影響動作的產生，而動作產生的結果也會影響知覺的訊息，呈現一種相互循環的狀態。由此可見，運動學習過程就是從探索過程中找出最適當的感知線索 (perceptual cues) 與動作相配合，亦即尋求完成該工作任務的最佳策略 (search for optimal strategy) 的過程。基於上述的背景，本研究將以動力系統理論架構為基礎，藉由高速攝影機擷取運動學習過程中，工作限制下人體多肢段的機械自由度所形成座標系統的運動學參數。首先，檢視 B ernstein(1967) 的運動學習調節自由度的階段模式概念。其次，採用主成分分析 (principal com ponent analysis，簡稱PC A ) 作為量化多維度的運動系統的工具，試圖將人體多肢段高維度的資料縮減成較小數目的模式或是結構，亦即將其資料拆解為結構的 (恆定的) 與隨機的成份。隨後進一步，了解各主成分的機械自由度變異情形。最後，探討運動學習過程中，學習者是如何探索策略來達到最後工作目標。. 第三節研究目的與假設透過研究背景探討，本研究「工作限制對人體多肢段運動學習的影響」的主要目的及其假設如下：.

(6) 6. 一、研究目的 (一) 檢視 B ernstein(1967) 運動學習過程中，調節自由度的階段變化。 (二) 分析工作限制對多肢段運動學習過程中的維度變化。 (三) 檢視工作限制下多肢段運動學習過程中，學習者如何利用探索策略來達成工作目標。二、研究假設 (一 )運動學習過程中，因工作性質可能出現不同於 B ernstein(1967) 調節自由度階段變化情形。 (二)多肢段運動學習過程中，其動力的維度不會隨著練習時間增加而產生顯著的變化，但其各成分係數會有顯著的改變。 (三)在工作限制下多肢段運動學習，學習者可藉由探索策略找出最適當的感知線索來達成其工作目標。. 第四節研究範圍本研究以八名大學女生為研究對象，藉以了解工作限制對人體多肢段運動學習的影響。本研究資料收集來源是根據實驗参加者在六個練習天數，練習雙手持握橫木槓站立動態平衡台動作。採用 K inem a Tracer 3D 動作分析系統，架設四台高速攝影機，擷取頻率設定為 60H z，每次攝影擷取時間設定為 20 秒。分別擷取每位實驗参加者在六個練習天數，其中八個練習時段，包含實驗参加者全身各肢段的關節點、動態平衡儀與橫木槓的運動學參數。本研究假定所有參與實驗的實驗参加者都能按照實驗要求，並且盡力完成其動作。. 第五節名詞操作性定義一、工作限制 (task constraint) 根據 Karl M. Newell 於 1986 年提出運動型態係受多重限制影響而形成的，其中以三角限制是最為具體、最具代表性的論著。Newell.

(7) 7. 認為，運動行為的形成，主要受到三種限制的影響：有機體限制 (organism constraint)、工作限制 (task constraint) 及環境限制 (environmental constraint )。而工作限制所指的則是包含目標、規則、及工具等所欲執行工作內容涵蓋的限制。本研究的工作限制是指實驗参與者雙手必須持握一枝橫木槓，同時兩腳分別站於一個不穩定的平衡台，主要目標就是盡全力維持身體穩定性，以達到可以平衡站立於動態平衡台。二、人體多肢段運動學習由於大多數的人體運動型態都不是單一關節的活動，而是由骨骼、肌肉、神經所形成的複雜運動系統。人體具有 148 個活動骨頭，經由上百個關節將其大大小小的肢段連結起來，並且藉由上百條肌肉來產生動力。所以，基本上人體動作是屬於一種多肢段、多自由度的運動型態 (Zatsiorsky,1998)。本研究人體多肢段運動學習，實驗参加者雙手持橫木槓，兩腳站立於動態平衡台的運動學習。三、凍結與釋放自由度 (freezing and releasing of degrees of freedom) Bernstein(1967) 認為運動學習初期，個體在執行動作時，將關節與肢段連結、固定，以凍結動作中次要部分的自由度。亦即採取最簡單的動作來達成工作目標。所以，觀察初學者的表現會出現僵硬不自然的現象。除此之外，Bernstein(1967) 認為運動學習透過練習和經驗，個體可以逐漸學習到如何控制肢段與肢段間互動所產生的反應。因此逐漸釋放原有固定的限制，並整合所有能發揮作用的自由度，使它成為一個動態、可控制的系統。本研究分別檢視不同練習時段人體全身肢段十二個關節角度及其關節角度變異情形，進而驗證是否運動學習初期有凍結自由度且隨練習後逐漸釋放的現象。另外，以交叉相關的分析結果，來檢視人體運動時，關節與關節之間是否存有線性的關係，進而判斷運動中關節連結.

(8) 8. (coupling) 的程度。相關係數越接近 0，表示肢段間的動作越獨立，呈現釋放自由度的特徵；相反的，相關係數越接近 1 或負 1，表示肢段間為鏈結的狀態，呈現凍結自由度的特徵。四、探索策略 (search strategies) Newell,Kugler, Van Emmerik and McDonald (1989) 從生態心理學理論的觀點，提出探索策略，認為人體動作並不只是個體肢段與肢段之間的關係而已，而是在有知覺的情況下才能有效應用不同的肢體。所以，運動學習過程就是從探索過程中找出最適當的感知線索與動作相配合，亦即尋求完成該工作任務的最佳策略的過程。本研究利用交叉相關函數 (cross correlation function，簡稱為 C C F) 做不同時間延遲 (tim e lag) 的時間序列相關分析 (A m blard, A ssaiante, Lehel& M archland,1994)，檢定橫木槓與動態平衡台兩者的關係。藉此，判斷實驗参加者在工作限制下是否能發現橫木槓與動態平衡台兩者的關係，進而利用操弄橫木槓策略來達到平衡站立於動態平衡台。如果兩者正相關係數越高，表示橫木槓與動態平衡台移動是呈現相同的方向。這種現象，表示實驗参加者未利用操弄橫木槓來達到維持平衡目的，隨著動態平衡台上下一起移動。反之，兩者出現不同時間延遲的負相關係數，表示隨著時間延遲的間隔，橫木槓與動態平衡台的移動是呈現相反的方向。這現象顯示實驗参加者學會操弄橫木槓來達到維持平衡站立於動態平衡儀。本研究藉由兩者關係來驗證在探索過程中，學習者是否可以找出最適當的感知線索與動作相配合，最後完成工作目標。. 第六節研究的重要性傳統的運動學習研究，並未直接對運動行為本身進行量化，而是採單一維度的動作成績結果 (outcome) 作為評估方式，再藉由中樞神經系統間接方式，來推演其運動行為的變化。G eert and D ijk (2002) 明確指出.

(9) 9. 這種量化方式，將會導致多元時間刻度的動作系統重要訊息消失，並隨著試作次數增加而完全失去真正的原貌，除了無法反應實際的情形外，更是無法解釋及預測新協調型態產生及改變的狀況。目前，探討運動學習或運動控制研究中，大都以 B ernstein (1967) 自由度的概念作為出發點。根據其論點，動作協調就是管理多餘的自由度。所以，有效量化人體多肢段的自由度調節，當然就成為一個非常重要的主題。 Davids, Glazier, Araujo, & Bartlett. (2003) 認為以動力系統作為研究架構，日後將會成為運動行為家檢視多維度的運動行為的重要工具。此外，運動學習過程中人體執行動作時，非但只是個體肢段與肢段間的關係而已，更是需要在有知覺的情況下，才能有效應用不同的肢體。個體如何透過探索過程中找出最適當的感知線索與動作相配合，應該也是探討運動行為的文獻已有的成果與待完成部分的重要議題之一。現今運動行為研究，唯有在方法作出重大革新，才有可能真正地瞭解運動學習動作形成與控制的機轉。.

(10) 10. 第貳章文獻探討本章將以往相關的文獻加以探討，分為第一節、不同理論觀點檢視運動行為；第二節、運動學習階段性變化；第三節、運動行為維度相關文獻；第四節、運動學習的探索策略；及第五節、本章總結。. 第一節、不同理論觀點檢視運動行為一、訊息處理的觀點 (Inform ation-Processing Perspective) Adams1971 年提出歷史性的首創，將運動技能學習從心理學中的認知學習範疇中脫離出來，完全針對運動學習領域為主要研究架構的閉鎖環理論 (closed loop theory)，該理論認為運動學習是利用閉鎖式的動作控制原理，形成兩種記憶痕跡，在神經中樞先存在一個「動作應如何執行」記憶痕跡 (memory trace)。動作一旦開始，就會有另一個記憶痕跡，稱之為感知痕跡 (perceptual memory)開始作用，動作過程中，感覺回饋不停的與感知痕跡相比較，此感知痕跡就是一種動作的感覺參考值。重複練習次數愈多，此參考值的強度愈強，記憶就愈深刻。不過閉鎖環理論主要限定在慢動作上，因為在較快又複雜的技能中，如果還需要回饋歷程，再選擇動作參數產生技能，在時間上是來不及的；大量的儲存記憶體也是一個問題所在，更是無法說明新的協調型態動作產生的原因。隨後， Schmidt 於 1975 年提出基模理論 (schema theory)，是最為廣泛使用的一種。此理論認為運動學習是一種開放式(open loop) 方式，在過程中逐漸形成基模 (schema)，Schmidt 強調說明動作練習過程中的運動基模有兩個層次：一為回憶基模 (recall schema) 負責動作的實行；二為再認基模 (recognition schema) 負責動作的控制。回憶基模主要的功能是引導個體如何產生動作，再認基模則主要評價反應是否正確。當建立基模後，就可以利用運動程.

(11) 11. 式(motor program)來完成動作以達成動作目標。基模可以說是一種記錄動作過程、感覺回饋、動作起始狀態、以及動作結束之間關係的一種記憶或概念。運動的基模是一種關於動作的概念，儲存有關這個動作的知識，並可以推斷動作如何完成、預測動作是否達到目標。模擬不同狀態下應如何修正動作以達到目標。可以嘗試作出「同一基模」中任何新的動作。Schmidt 基模理論主要貢獻在於補足 Adams 閉鎖環理論的缺失，因為 Schmidt 提出類化運動程式 (Generalized Motor Program，簡稱 GMP)，較清楚解釋技能表現與控制的機制，而且適用性不僅限於慢動作，也可以延伸至較快速的技能。雖然，沒有完全解決運動程式記憶空間的問題，但相較於 Adams 閉鎖環理論則是已經大量減輕的記憶空間。然而，該理論的主要限制在於在實際應用時最大的困擾，便是如何確認「同一基模」的動作，尤其是無法說明新的協調型態動作產生的現象。根據訊息處理的觀點，環境之中所產生的「刺激」，是屬於低層次、本身不含意義的基本物理量，需經由大腦的詮釋、組織後，才會變成有意義的訊息。因此這些片段及無意義的訊息，都必須經過處理之後才能成為「知覺」，而這些經由處理而成的知覺，稱為「間接知覺」(indirectperception)。除此之外，若以程式來解釋運動行為，最終將會面臨腦中是否有充夠的容量可以儲存如此多之運動程式。同時運動方程式是如何形成也是個問題。直到今日，還是沒有提出更合理的理由可以詳加解釋。二、生態的觀點 (E cologicalPerspective) Gibson 於 1960 年代開始思索運動系統如何最有效率地與環境互動已達成具有功能目標的行為，例如：逃離危險、取得食物等等。 Gibson 認為運動系統的作用之一，是主動的探索環境，以取得有用的環境資訊，這些感知線索是與運動控制系統互相影響的。因此該理論的觀點，強調環境與個人的互動，以及動作系統是個體取得環境線索.

(12) 12. 的工具。生態心理學者認為環境中的訊息有二種性質，(一)、訊息恆定性 (invariants)；(二)、環境賦使 (affordances)。也就是說動物知覺到的訊息包含了恆定性及賦使兩種性質，這兩種性質是同時存在且不相互牴觸的。環境中的恆定訊息不會因個人經驗多寡而會有不同的變化，恆定訊息也許會受外界物理性質的影響而有所變化，但是其本質是不變的。賦使能力則是因為動物 (人類)，隨著環境的變遷而憑藉自我的經驗，來知覺環境所賦予的意義，有益或無助益的。因此環境中恆定訊息對人類是否有影響，取決於人類是否能應用到所知覺的恆定訊息，依據本身經驗的多寡而有不同賦使能力的產生。該理論的重要貢獻是認為個體乃是主動探索環境，而非被動地等待環境所給予的限制及回饋。個體為了有效地探索環境會發展出多種達成目標的方法，最後完成目標的適應性 (adaptability)。所以，人體動作產生的結果會影響知覺的訊息，知覺的訊息也會影響動作的產生，呈現一種相互循環的狀態。此外，更有別於認知心理學家對訊息的觀點，生態心理學家認為環境中的訊息是直接可從環境中反應及知覺的，所以不須經由轉換及計算的過程，因此稱為「直接知覺」(direct perception)。三、動力系統觀點 (D ynam ical System s Perspective) 動力系統基本假說歸納如下： (一)、每個生物體都是複雜 (complex)、多維度的系統(multidimensional system)，包含許多次系統 (subsystem)，而每個次系統之間，存在著合作互動的關係，卻沒有上下、從屬、優勢與劣勢的區別。運動行為的形成就是次系統合作與互動的結果。例如：人體是由神經系統、肌肉系統、骨骼系統…等解剖層面的系統組成，也由認知、知覺、情緒…等心理層面的系統所組成，而每個系統又可再細分為次系統或更小的成分。所以是一種複雜、多層次的系統。這種系統之間是一種合作互動的關係，而神經系統並沒有優於其他系統的趨勢。因此，中樞神經也只是被視為參與決定運動.

(13) 13. 結果的次系統之一。 (二)、生物體沒有任何既存的運動程式 (motor program)，或是運動處方 (prescription)，因此中樞神經對運動控制與運動的形成，非但沒有絕對主導性，更是完全沒有由上而下的控制模式。運動行為的表現，完全取決於各個次系統的交互作用的結果。決定運動行為的次系統可分為三大方面：(1)個體本身 (organism)：包含組成個體的神經，肌肉，骨骼…等解剖生理層面，也包含認知，知覺，動機，情緒… 等心理社會層面；(2)行為動作本身 (task) ：包含動作組成，難易度，工具操弄，系統發生的動作 (phylogenetic movement)，個體發生的動作. (ontogenetic. m ovem ent) 等；(3)動作情境 (task context)：例如，水中的環境，陸地的環境，空中的環境，或是動作與地心引力的關係。任何一個次系統中成分都會影響運動行為的表現，然而每個生物體都具有自我組織(self-organization) 的特性，能將肢體的自由度藉由肌肉連鎖(muscle linkage) 的方式壓縮到最小，最容易控制的程度。因此運動行為的形成，可以說是生物個體因應運動與運動情境的需求在互動中自然完成的。 (三)、運動系統存在自我組織的能力，也就是所謂的自發的能力，將此系統結構穩定在一偏好 (preferred )的情況下，也就是較常出現、較穩定的結構，稱之為吸引子 (attractor)。吸引子停留的位置，稱之吸引子井 (attractor well)。井有深，有淺。淺井代表系統的結構不穩定具有相當的伸展性 (flexibility)，系統容易由此結構轉換成另一結構，深井表示此結構的穩定性與不易搖動性，因此若要系統轉換成另一結構時，就必須有更大的干擾，或能量的變化，就如同球 (動力狀態) 在不同深淺的沙洞 (吸引子井) 裡一樣 (Kamm, Thelen, & Jensen, 1990)。因此動力系統的觀點，認為運動行為就如同吸引子一樣，在形成過程中只有相對的偏.

(14) 14. 好，而無絕對的必須 (obligation)。 (四)、運動行為形成過程，可以視為是一連串由一個穩定的動作狀態轉移 (transition) 到另一個穩定動作狀態的過程。也就是動作在空間、時間的組織結構 (spatiotemporal organization)具備穩定的關係。動力系統以次序參數 (order parameter) 或稱集合變數 (collective variable) 描述運動系統中各次系統合作的關係。新運動型態的產生乃是原有的動作，因其組成的成分 (或說是次系統)改變失去穩定性。 (五)、動作系統結構的改變與組成成分的變化是呈現非線性的關係。在某個範圍之內，系統中的各成分具有緩衝 (buffering) 能力，以維持系統原有的結構，或是說形式的改變。但當組成成分的改變(量的改變)達到一個臨界點時，某一特定成分的一點點變化，就可以將整個系統的結構改變成另一個全新的形式。這種促使系統結構改變的決定成分，稱之控制參數 (control parameter)。它是決定系統改變速度的因素。因為控制參數一點點量的變化就會引起整個系統結構的改變，因而出現一種非線性的現象。運動行為具有非線性的特性，那就是一個新的運動行為出現，乃是控制參數的改變超過了臨界值。也由於運動系統各次系統並不是以同步方式 (synchronous fashion) 改變，因而造成在運動行為的表現上是非連續的。此非線性的特性更是可以說明運動學習新的協調型態產生情形。動力系統理論最不同於傳統訊息處理的觀點，在於它認為中樞神經對運動控制與運動的形成，不但並沒有絕對主導性，更是否認完全由上而下的控制模式，至於中樞神經具有儲存的動作密碼 (code)、處方也是不存在的。相反地，此理論認為動作的產生，乃是動作系統中多元系統，因循自然界的法則─自我組織 (self-organization)，互動的結果。Van Emmerik, Rosenstein, McDermott and Hamill (2004) 指出.

(15) 15. 近幾十年來，採用非線性動力系統觀點與方法，對探討運動行為研究已經出現重大影響，尤其在瞭解生物系統的動作穩定性 (stability) 與型態改變 (pattern change)方面，更能顯現出它的貢獻。. 第二節、運動學習階段性變化一、Fitts 和 Posner 運動學習三階段論 Fitts 和 Posner 提出運動技能分期說，主要內容將運動學習的過程依目的及所達成之學習成效分為三期 (Fitts & Posner,1967)，(一)、認知期 (cognitive phase)：運動學習首先就是了解所欲學習動作的目的、動作的要求、如何達成等。經過教師適當說明與動作示範後，學習者對所欲學習的動作才會稍具概念。此階段，初學者的動作會出現大而明顯的錯誤，自已雖然知道錯誤，可是卻不如何種原因造成；(二)、聯合期 (associative phase)：運動技能學習僅靠認知仍是不足，學習者必須逐漸利用認知，來找出自己動作錯誤及其原因，同時，透過外在回饋訊息來修正動作，進而改善動作。此階段，雖然學習者在操作時，注意力尚停留於動作本身，可是，學習者已經開始可以靠自已對錯誤的發覺。將動作技能所有的一序列細部動作，逐漸因練習而加以修正，而形成固定的動作形式；(三)、自動期 (autonomous phase)：學習者經過不斷地動作練習與修正，終於建立熟練專精的動作經驗，成為習慣化與自動化，稱之「自動期」。在此階段，學習者不需要使用注意力道如何操作運動技能，而能順暢地作出動作，其動作表現成功、正確性相當高，而不會呈現反覆無常的情形。要達到動作技能的自動化，都必須經過長時間努力才能達到。雖然，該理論將運動學習以分期的方式來加以論述，可是我們卻無法清楚知道學習者會在何種情況下，進入到下一個學習階段。至於運動行為是如何形成及運動控制的機制也完全沒有詳細的解釋，因此，該理論僅能視為對運動學習過程作概略式描述而已。.

(16) 16. 二、B ernstein 運動學習三階段論前蘇聯生理學家 Bernstein (1967) 從運動控制自由度與協調控制的觀點，說明運動學習階段的演進。運動控制的自由度在初學階段與熟練階段明顯有所不同。Bernstein 針對運動學習過程中，人體控制系統如何調節自由度問題，提出三階段模式概念， (一 )、凍結自由度 (freezing the degrees of freedom)：運動學習過程中，初學者由於運動控制能力無法完全解決運動問題，所以，在執行動作時藉由將關節與肢段連結、固定，以凍結動作中次要部分的自由度。亦即採取最簡單的動作來達成工作目標。所以，觀察初學者的表現會出現“笨拙”與“僵硬“的現象；(二)、釋放自由度 (release of degrees of freedom)：透過練習和經驗，個體可以逐漸學習到如何控制肢段與肢段間互動所產生的反應。因此逐漸釋放原有固定的限制，並整合所有能發揮作用的自由度，使它成為一個動態、可控制的系統； (三 )、利用反作用力 (exploiting reactive phenomena)： Bernstein 認為運動學習進入最後階段，學習者因透過練習的影響，更能有效利用環境中的被動力量 (passive force)，意指學習者利用被動力量以取代初學時抵抗的行為，因此執行動作所需耗費的主動力量 (active force) 會相對地減少，這種現象相較於前面兩個階段，學習者更能夠善用功或能量來完成動作，明顯地加強有機體與環境的互動關係。然而，近年來實證研究的結果 (Newell & Van Emmerrik,1989; McDonald,Van Emmerik,& Newell,1989; Steenbergen, Matenuiik, & Kalbfeisch,1995; Ko, Challis, & Newell,2003; Higuchi, Imanaka, & Hatayama,2002)，卻都沒有支持 B ernstein 運動學習三階段模式概念。. 第三節、運動行為維度的相關文獻儘管，B ernstein (1967) 所提出三階段模式概念，認為運動學習過程身體自由度會由初期凍結現象，隨著練習時間增加產生釋放的階段.

(17) 17. 變化，並且深受研究者所重視。但是，K o,etal.( 2003) ;H ong and N ew ell (2006) 分別指出從實證研究方面，無法證實運動學習過程中，人體自由度的調控是呈現單向途徑變化。N ew ell and V aillancourt(2001) 認為，若僅以機械自由度 (mechanical degrees of freedom ) 來探討運動學習過程的變化可能會過於狹隘，因而提出另一量化運動行為的重要概念，認為應從多重限制 (constraints) 共同加諸於運動行為的觀點，並以吸引子動力 (attractor dynam ic) 的動態自由度(dynam ical degrees of freedom ) 多寡變化來作為研究的主要內容會較為適切。運動行為研究領域中 H aken(1996)倡導的次序參數 (order param eters)、M itra,A m azeen and Turvey(1998)；N ew ell et al.( 2001) 所提及的動態自由度 (dynam ical degrees of freedom ) 與 Li(2006) 提出功能性自由度 (functionaldegrees of freedom ) 等，雖然名詞有所不同，但其實都是在描述構成運動行為中個別獨立的成分。根據他們的論點，就是探討運動行為應該觀察人體執行運動控制時，實際存有動態且相同功能的自由度多寡會較為正確。所以，探討維度的變化才是運動行為研究的重要主題。目前，運動行為學家開始著手以線性多變項 (linear m ultivariate)方法來進行維度的分析。K ay(1988) 是首位以維度的變化來分析食指擺動 (index finger oscillation) 動作；H aken(1996) 以主成分分析(PC A )踩板車 (pedalo) 操作動作的全身性動作型態；K o,etal.(2003) 採用 PC A 來探討動態平衡的動作，都發現支撐動作的吸引子維度其實是相當低的。D affertshofer,Lam oth,M eijer and B eek (2004)以 PC A 來作示範分析步行的運動學和肌電圖(EM G )訊號，從中找出少數具有代表性的協調型態，作為深入分析的起點。 B alasubram aniam and T urvey(2004)以 K arhunen-Loeve 成分縮減方法，來描述搖呼拉圈多肢段的動力，擷取参加者下半身左右髖、膝、踝等關節點的三維座標資料，結果發現原本 18 維的變項，其實只需用兩個成分即可充分描述搖呼拉圈多肢段 90% 以上的動力。當参加者進行不同尺寸的呼拉圈操作時，發現雖然.

(18) 18. 主成分份數不變，但是各主成分的成分係數則明顯呈現不同的變化。 Hollands.,Wing and Daffertshofer(2004) 以 PC A 量化兩位現代舞者動作型態的動力，在舞者全身肢段 32 個解剖點貼上 LED，再以高速攝影機 120Hz 擷取各關節點的三維座標資料，結果發現原本 96 維的變項，經縮減至 9 個成分即可充分描述該動作多肢段 90% 以上的動力，其中前三個主成分便高達 82% 以上的變異量。將兩位舞者前三個主成分特徵值以投影 (projection) 的方式呈現，發現兩位舞者在動作形態方面，很相似但仍存有個別差異的情形。Hollands, etal.(2004)結論指出，人體多肢段的運動行為，外顯方面看似複雜無比，其中卻是蘊含著簡易的運動控制原則。C hen,Liu,M ayer-K ress and N ew ell(2005)以主成分分析踩板車操作學習的全身性動作型態變化情形，擷取全身肢段 45 維空間座標資料，結果發現練習初期五個成份達到 93.5% 變異量，練習結束時縮減為四個成份，解釋量增加到 94.5% 。其中第一主成分更是由 54.2% 明顯增加到 60.1% 。雖然，練習並未造成踩板車操作成份數明顯改變。但卻因練習導致相關變數解釋量的轉變。H ong et al.(2006) 探討模擬划雪動作學習的動力。擷取参加者全身肢段 18 維的變項進行分析結果，從練習初期到練習結束都是三個主要成份，但全部資料的解釋量由 90.2% 顯著地增加到 94.6% ，尤其第一主成份更是由 53.2% 明顯增加到 56.7% 。主成分份數未隨練習時間有所改變，但是身體各肢段的機械自由度，卻是隨著練習時間增加產生顯著性的變化。 H odges, H ayes,H orn and W illiam s (2005); H ong et al.(2006) 都認為運動學習過程，練習將導致身體肢段的重整，但不會改變運動行為的主成分分數。D ai,Y en and Liu(2006)探討動態平衡動作控制學習，擷取全身各關節點的三維座標資料，原本 36 維的資料，若以 PC A 達到解釋 90% 以上的全體變異量為標準，練習初期需要四個成分，經過十二天練習後縮減至三個成分。主成分份數並沒有隨練習時間增加有顯著性改變。全部解釋量卻由 89.71% 增加到 95.26% ，其中，第一主成分更是從 55.24%.

(19) 19. 明顯地增加到 61.68% ，陳秀惠(2005) 認為採用 PCA 來量化複雜肢段協調是一個可行的分析方式，因為成分份數呈現了主要的動作型態，而成分係數則進一步的描述肢段間的協調情形。從上述相關研究的結果可以清楚看出，人體多肢段的結構且擁有眾多機械自由度，看似複雜多維度的運動系統，其實是低維度的運動行為。 Oullier, Bardy, Stoffregen,and Bootsma(2004); Valero Cuevas (2005) 指出，現今運動行為家已開始跳脫傳統中樞神經系統的控制概念，而轉向以限制的觀點，認為人體在執行運動協調、控制時，人體多維自由度會受到解剖的 (anatom ical)、結構的 (structure)、環境的 (environm ent) 與工作 (task) 等多重限制交互作用下，共同加諸於運動行為上，導致許多的機械自由度無法各自獨立運作；個體透過壓縮、招募的自我組成的方式形成相同功能的動態自由度，來達成該工作的目標。因此人體執行運動行為時，仍存有功能性的動態自由度當然就會非常有限，這就是為何運動行為以低維度的方式呈現的關鍵所在。. 第四節、運動學習的探索策略 Newell, Kugler, Van Emmerik, and McDonald(1989);Newell(1991) 從生態理論的觀點提出探索策略 (search strategies)，認為人體動作並不只是個體肢體與肢體之間的關係而已，而是在有知覺的情況下才能有效應用不同的肢體，而生態心理學強調個體主動的行動將會影響其產生的知覺，在尋找特定工作目標下相對較高能量動作場，與相對較低能量知覺的環境重複性連結協調能力的過程，因此所有新的動作協調型態的產生，就是在知覺與行動的過程中去尋找出最後的目標，以此概念為基礎進一步提出知覺與行動工作場所 (workplace)，為動力系統提供動作執行內在歷程的詮釋，當在進行探索策略時，知覺與行動工作場所它視為一種景觀 (landscape)，其裡面有許多高低不同的坡度 (gradient)，而知覺的回饋會讓個體順著某一坡度而流到一個固定點.

(20) 20. (fixed point)，因此根據坡度與固定點的概念，將一新協調型態在探索過程中，當成在知覺工作場所尋找出坡度的最高值，最後達到固定點的目標。上述內容乃是 Newell,etal.(1989) ; Newell (1991) 利用抽象的方式建構出一些原則的觀念，用來解釋運動學習過程新的協調型態動作獲得的內容，基本上運動學習新的協調型態動作的產生，會隨著探索過程會產生不同的知覺，這些大小不同的值則引導方向到最後的目標，並將其限制在某個平衡區域 (equilibrium region)。根據上述的論點，人體執行動作的首要目的，就是在知覺與行動的過程中尋找出最後的工作目標。當人體執行運動控制時，必需仰賴許多的感覺器官來獲得有效的訊息並且作為調節動作重要的依據。訊息來源包含：視覺(vision)、體感覺 (som atosense) 與前庭覺 (vestibule) 等，其中視覺更是人類訊息知覺最主要的來源 (Sumway Cook & Horak, 1986; Winter, 1995)。 Sumway Cook, et al.(1986) 提出感覺策略概念來解釋人體維持平衡控制，並且認為個體在感覺情境改變時，會以快速地判別感覺回饋的正確性，而選擇最有效的感覺訊息以維持平衡的決策過程。MauerbergdeCastro(2004)則是針對人體是否可以利用控觸覺 (haptic)達到姿勢控制來進行研究。實驗過程中，實驗参與者雙手持握著不同重量的非剛體工具. (nonrigid tools)，矇上眼睛且單腳站立於測力板 (force. platform)上，同時被要求盡量保持身體的平衡姿勢。結果發現實驗参與者確實會主動地利用這種非剛體工具，對不同重量有不同的伸展的特性來獲得的控觸覺的知覺訊息，同時將它作為調節身體的重要策略依據，藉此達到增進姿勢控制的平衡。另外， Barela, Jeka, and Clark (1999); Lackner, Rabin, and DiZio(2001) 進行觸覺識別力. (tactile. sensibility) 對姿勢控制的影響研究，結果發現探索過程中，觸覺也是可以成為調節姿勢控制的重要知覺訊息來源。由上述的實證研究可以清楚證明，人體執行運動時個體的確是具.

(21) 21. 有偵查出各種不同知覺訊息的能力，同時可經由這些訊息來調節個體與環境的關係，即便是人體操作非生物體的工具 (nonbiological tools) 時，在探索過程中依然可以有效應用不同的肢體進行知覺與行動的連結。Mauerberg-deCastro (2004) 更是認為這種非生物體的工具，其實可以將它視為是人體複雜運動系統其中的一個次系統 (subsystem)。因此，運動學習探索過程中，學習者若能主動地藉由諸多的訊息來源，找出最適當的感知線索與動作相配合，則將有助於達成最後工作目標。. 第五節、本章總結回顧運動行為相關文獻發現，運動行為家對傳統的運動行為理論提出質疑，並且發展出一套嶄新思考模式來解釋運動的控制、學習與發展。自從 Bernstein(1967) 其引發的自由度的調控一直都是運動行為領域的核心問題。雖然 Bernstein 提出運動學習過程三階段模式概念，可是缺乏實證研究的支持。最近，運動行為家提出應從多重限制的觀點，並且以探討動作吸引子動力維度的動態自由度多寡變化作為主要內容。由此顯見，運動行為維度的變化才是研究的重要主題。從動力系統的觀點，將人體高維度的物體性質作為動力因素的概念，提供運動行為家重新來檢視運動行為重要研究方向。從相關研究的結果發現，人體多肢段的運動學習，會受到多重限制交互作用，呈現出低維度的運動行為。運動學習過程中，人體執行動作時，除了個體肢段與肢段間的關係外，還必須在有知覺的情況下才能有效應用不同的肢體。因此，個體是如何透過探索過程中找出最適當的感知線索與動作相配合，應該也是探討運動行為的重要議題。.

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(23) 23. (一) 實驗時間：中華民國 97 年 3 月 5 至 6 日。 (二) 實驗地點：國立高雄師範大學體育學系運動心理學實驗室。 (三) 實驗参加者：國立高雄師大體育系，一年級女生四人。 (四) 高速攝影機四台、動態平衡儀與橫木槓一枝。 (五)實驗結果如下： 1.本研究實驗参加者兩腳分別站於一個不穩定的平衡台，發現實驗参加者在練習初期動態平衡成績進步非常快。 2.完成拍攝動作後，進行影像數位化處理時，發現當人體肢段移動，若兩個黏貼在身上的反光球顏色相近時，容易造成電腦影像自動追蹤混淆而導致錯誤。 3.電腦影像數位化處理時，實驗参加者後方的背景顏色與實驗参與者反光球顏色接近時，同樣會造成電腦影像自動追蹤混淆的現象。 4.動態平衡儀，外接計時控制器出現訊號不穩定，有時會當機。 (六) 改進方式： 1.為了避免實驗参與者因工作過於容易出現天花反效應，將原本平衡台在水平上下 10 度，更改為 5 度範圍之內，以增加工作難度讓實驗参加者更具有挑戰性。 2.由於動態平衡台練習初期，成績會出現明顯變化，所以實驗参加者未持橫木槓僅實施一次，以避免學習效果而影響後續的工作限制動作學習。 3.當實驗参加者執行動作過程中，可能交互重疊肢段的關節點，黏貼強烈對比反光球，以避免影像自動追蹤混淆而造成誤判。 4.進行拍攝時，實驗参加者後方的背景顏色，儘量與實驗参加者身上反光球顏色，成強烈對比為宜。 5.動態平衡儀，外接計時控制器出現訊號不穩定，主因是連接器接觸不良，聯繫維修廠商尋求解決。.

(24) 24. 二、正式實驗 (一) 實驗時間：中華民國 97 年 3 月 25 日至 4 月 12 日。 (二) 實驗地點：國立高雄師範大學體育學系運動心理學實驗室。. 第三節實驗儀器設備 Kinema Tracer 3D 動作分析系統 (K ISSEI C O M TE C .C O .,N agano, Japan)，此系統包括：動作拍攝、校正、動作數位化與分析等三部份。一、動作拍攝部份： (一)K inem a T racer 3D 動作分析系統，動作擷取軟體。 (二)四台高速攝影機，(頻率設定為 60H z；如圖 3-1 所示)。 (三)四座攝影機腳架。 (四)反光球 ( reflective sphere) 二十三顆(如圖 3-2 所示)。 (五)IEEE 1394 訊號連接線六條。 (六)H U B 兩個。 (七)高階桌上型電腦(D ell,M odel)一部。 (八)動態平衡儀 (Stabilom eter,M odel 16030,Lafayette,IN )：65×105cm 木製平台 (如圖 3-3 所示)。 (九)橫木槓一枝 (長 220 cm ；直徑 2 cm ；重量 3 kg)。 (十)全身黑色緊身衣褲兩套。.

(25) 25. 圖 3-1 高速攝影機. 圖 3-3 動態平衡儀. 圖 3-2 反光球. 圖 3-4 長方形校正架. 二、儀器校正部份： (一)長方形校正架 (50×120×120cm ) (如圖 3-4 所示)。 (二)K inem a T racer 3D 動作分析系統，影像校正 (如圖 3-5 所示)。. 圖 3-5 校正架與動態平衡儀位置圖. 圖 3-6 K inem a T racer 3D 影像校正. 三、影像數位化與分析部份： (一)主機系統。 (二)K inem a T racer 3D 動作分析系統，影像數位化與動作分析軟體。. 第四節實驗場地及說明一、動態平衡儀架設：將 65×105 cm 木製動態平衡儀放置於實驗室的中心點。二、高速攝影機架設：首先，將四台攝影機分別架設於實驗室的 (長八.

(26) 26. 公尺，寬四公尺) 四個角落，攝影鏡頭面對中心點的動態平衡儀。本實驗藉由四台高速攝影機與 K inem a Tracer 3D 動作分析系統，同時擷取人體手持橫木槓站立動態平衡時，人體各肢段、平衡台與橫木槓的運動學參數。三、集線器架設：四台高速攝影機，每兩台攝影機所擷取之影像，分別採用 IE EE 1394 規格訊號連結線，以串聯方式加以連結傳送至兩個 H U B 。這兩個 H U B 再分別藉由另一條 IEEE 1394 訊號連結線，連接至伺服器電腦頻道訊號接收孔。H U B 的主要功能，就是收集多台高速攝影機的資訊與傳遞資料至伺服器電腦。. 3-7 實驗儀器與場地佈置圖.

(27) 27. 第五節實驗流程一、實驗準備與說明：参與實驗工作人員先紀錄實驗参加者的基本資料，並且讓實驗参加者填寫同意書，隨後向實驗参加者解說實驗目的、整個實驗流程。由實驗工作人員說明本研究雙手持握橫木槓站立動態平衡台動作，同時示範動作，以便讓實驗参加者能熟悉整個實驗及步驟。二、反光球定位：本研究針對人體手持橫木槓站立動態平衡儀進行分析，為了精確獲得人體全身肢段、橫木槓與動態平衡儀等軌跡進行分析，拍攝動作之前，分別在實驗参加者、橫木槓與動態平衡儀，貼上被動式反光球，裝置位置分別如下： (一)實驗参加者：要求實驗加者穿著黑色緊身衣褲，於身體兩側解剖標誌點 (anatom ical landm arks) 貼上反光球，反光球裝置位置分別為肩(肩峰突)、肘(鷹嘴突)、腕(尺骨莖突)、小指、髖(髂前上棘)、膝 (外側髁)、踝(距骨)及第五蹠指，左右各貼一個反光球加上頭部一個共計 17 個 (如圖 3-8 所示)。 (二)動態平衡儀：木製平台四個端點各貼上一顆反光球 (如圖 3-9 所示)。 (三)橫木槓：兩邊的頂端各貼上一顆反光球 (如圖 3-8 所示)。. 圖 3-8 實驗参加者與橫木槓反光球貼點. 圖 3-9 動態平衡儀反光球貼點.

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(29) 29. 四、實驗儀器校正本研究使用 K inem a Tracer 3D 動作分析系統，主要是使用高速攝影機捕捉實驗参加者、動態平衡儀與橫木槓的反光球，透過反射原理與自動追蹤的方式，蒐集人體肢段、動態平衡儀與橫木槓在運動學習過程中的運動學參數變化。正式實驗之前，預先準備一座三維長方形硬式架子 (50×120×120cm ) 作為校正架 (如圖：3-4 所示)。 (一)決定參考座標：首先，將動態平衡儀放置於實驗室的中心點。隨後將四台攝影機，分別架設在實驗室的四個角落，所有攝影機鏡頭都面對中心點的動態平衡儀。其次，將預先準備長方形校正架放置在動態平衡儀上方的中間位置長方形校正架 (如圖 3-5 所示)。本實驗採用長方形校正架作為決定參考座標的基準。 (二)影像校正 ( Im age C alibration)：首先利用四台攝影機來拍攝長方形校正架，再分別輸入各攝影機所拍攝長方形校正架的每一個光點。隨之，將長方形校正架 18 個光點，每一個光點之間的實測距離逐一地輸入電腦 (如圖：3-6 所示)。長方形校正架的目的如下： (1)建立實驗空間的三度空間座標；(2)建立實驗空間的原點位置； (3)建立每台高速攝影機的相對位置；(4)確定反光球在實驗空間中的位置；(5)讓每一台攝影機在正式實驗過程中擷取到移動的反光球，都可以藉此正確計算出其絕對位置。 (三)每一台攝影機拍攝到反光球 2D (X ,Y ) 的座標系統，對應著動態平衡儀上長方形的校正架，當兩台攝影機看到同一個反光球時，便能運算出反光球的三度空間座標。當完成上述步驟，隨後啟動電腦 K inem a Tracer 3D 動作分析系統的動作擷取軟體，即可達到同步整合四台攝影機資料。 (四)完成空間座標校正後，將高速攝影機擷取頻率設定為 60H z，每次攝影擷取時間設定為 20 秒。隨即展開動作影像錄影。五、動作練習過程說明：.

(30) 30. (一)為了避免實驗参加者受傷而影響資料收集，於每天第一次試作之前十分鐘，要求實驗参加者熱身及準備。 (二)正式練習時，参加者兩腳分別站於平衡台 (platform ) 兩側標示區，同時雙手持握一支橫木槓。 (三)實驗參加者每次試作練習時，要求盡量保持平衡台的水平位置。 (四)動作練習時間共計六天，每天 20 次試作，總計 120 次試作練習。 (五)每次試作雙手持橫木槓站立於動態平衡台練習時間是 30 秒，為了避免實驗参加者產生疲勞現象而影響實驗效果，每兩次試作中間休息 30 秒。. 第六節資料收集一、紀錄所有實驗参加者每次試作雙手持橫木槓站立於動態平衡儀， 30 秒內平衡台在水平上下 5 度範圍的時間。二、使用四台高速攝影機與 K inem a Tracer 3D 動作擷取系統，擷取頻率設定為 60H z，當實驗参與者站立於平衡台 5 秒時，隨即啟動攝影機拍攝，擷取時間設定為 20 秒。擷取範圍包含：實驗参加者全身 17 個關節點反光球、動態平衡儀與橫木槓上的反光球，透過反射原理與自動追蹤不同顏色反光球的方式，蒐集本實驗人體全身肢段、動態平衡儀與橫木槓三維座標資料的運動學參數。三、本研究實驗参加者身體肢段、動態平衡儀與橫木槓三維座標的運動學參數。由運動學習過程中，八個練習時段 (見表 3-2) 所收集而來。. 第七節資料處理一、首先，將高速攝影機所擷取實驗参加者全身肢段、動態平衡儀與橫木槓的影像，透過 K inem a Tracer 3D 動作分析系統進行影像數位化處理，取得各項三維座標資料的運動學參數以利於資料分析處.

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(32) 32. tim e lag) 的時間序列相關分析，分別檢定 12 個關節活動，在各練習時段是否存有線性的關係。二、以重複量數單因子變異數分析 (one-w ay repeated m easures analysis of variance, A N O V A )，分別檢定不同練習時段平衡成績、人體 12 個關節角度、關節角度的變異與關節之間的交叉相關值變化情形。三、以重複量數單因子趨向分析檢定未持橫木槓在不同練習時段平衡成績形成的趨向。四、以主成分分析 (principalcom ponentanalysis，簡稱 PC A ) 將全身各肢段的關節點三維座標資料，縮減成較小數目的動作主成分。再進一步檢視各主成分 (動態自由度) 與各主成分所組成的肢段 (機械自由度) 變化情形。四、以相依樣本 t 檢定分析：(一) 比較未持橫木槓前、後測的動態平衡時間。(二)比較不同工作限制多肢段運動學習前、後兩個練習時段的 PC A 成分份數。(三)比較不同工作限制多肢段運動的 PC A 解釋量變化情形。五、利用交叉相關函數，做不同時間延遲 (tim e lag) 的時間序列相關分析，檢定不同練習時段橫木槓與動態平衡台兩者之間的關係。六、統計考驗水準皆定為 a =.05。.

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(36) 36. 圖 4 -3 手持橫木槓於不同的練習時段人體上半身肢段關節角度圖. 由表 4-4 所示，手持橫木槓站於動態平衡儀，經過八個練習時段的練習，在人體上半身肢段的關節角度皆未達統計上顯著性差異，左肩關節 (F (F. (7,49 )=. (7,49)=. .82，p=.57，η = .11，pow er= .32)、左肘關節 2. .62，p=.73，η = .08，pow er= .24)、左腕關節 (F 2. ，p=.07， η = .22，pow er= .72)、右肩關節 (F 2. (7,49)=. (7,49)=. 2.02. .42，p=.05， η. 2. = .06，pow er= .17)、右肘關節 (F. (7,49)=. = .22)、右腕關節角度 (F. 1.88，p=.09， η = .21，pow er= .69). (7,49)=. 43.81，p=.88，η = .75，pow er 2. 2. 。從圖 4-3 顯示，手持橫木槓站於動態平衡儀，歷經全部練習時段過程中，人體上半身肢段關節角度並沒有因練習次數增加隨之增大或減小的現象。.

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(38) 38. 圖 4-4 手持橫木槓於不同的練習時段人體上半身肢段關節角度變異圖由表 4-5 所示，手持橫木槓站於動態平衡儀，經過八個練習時段的練習後在人體上半身肢段，只有左肘關節角度變異達到統計上顯著差異 (F (7,49)=. (7,49)=. 2.96，p<.05，η = .30，pow er= .90)。左肩關節 (F 2. 1.33，p=.26， η = .16，pow er= .51)、左腕關節 (F 2. ，p=.17， η = .18，pow er= .58)、右肩關節 (F 2. 2. = .14，pow er= .43)、右肘關節 (F. = .69)與右腕關節 (F. (7,49)=. (7,49)=. (7,49)=. (7,49)=. 1.55. 1.10，p=.38， η. 1.90，p=.09，η = .21，pow er 2. 2.04，p=.07， η = .23，pow er= .73) 的角 2. 度變異皆未達統計上顯著性差異。從圖 4-4 顯示，手持橫木槓站於動態平衡儀八個練習時過程中，除了左肘關節角度在練習初期 (block1,block2, block3 ) 有較大的變異現象且隨著練習時段增加而逐漸減小之外。其餘五個關節角度則都沒有隨著練習時段增加出現明顯的變異情形。.

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(40) 40. 圖 4- 5 手持橫木槓於不同的練習時段人體下半身肢段關節角度圖. 由表 4-6 與圖 4-5 所示，手持橫木槓站於動態平衡儀，經過八個練習時段的練習，在人體下半身肢段右髖關節 (F =.31，η = .15，pow er= .47)、右膝關節 (F 2. ，pow er= .38)、右踝關節 (F. (7,49)=. (7,49)=. 2. 1.43，p=.21，η = .17，pow er= .55). <.05，η = .27，pow er= .83)、左膝關節 (F pow er= .97)、左踝關節 (F. (7,49)=. 1.23， p. .98，p=.46，η = .12 2. 等關節角度皆未達統計上顯著性差異。左髖關節 (F 2. (7,49)=. (7,49)=. (7,49)=. 2.52，p. 4.01，p<.05，η = .37， 2. 2.21，p<.05， η = .27，pow er= .76) 2. 皆具有統計上顯著性差異。從圖 4-5 顯示，手持橫木槓站於動態平衡儀，人體下半身肢段右髖關節、右膝關節與右踝關節角度並未因練習次數增加出現增大或減小的現象。相對地，左髖關節、左膝關節與左踝等三個關節角度，則是隨著練習時段增加與前三個練習時段 (block1,block2,block3 ) 關節角度出現顯著增大的情形。.

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(42) 42. 圖 4-6 手持橫木槓於不同的練習時段人體下半身肢段關節角度變異圖. 由表 4-7 所示，手持橫木槓站於動態平衡儀，經過八個練習時段的練習後，人體下半身肢段左踝關節 (F = .22，pow er= .73)、右踝關節 (F. (7,49)=. (7,49)=. 2.03，p= .07， η. 1.61，p= .15，η = .19，pow er 2. = .61)角度變異皆未達到統計上顯著差異。左髖關節 (F <.05，η = .45，pow er= .99)、左膝關節 (F 2. ，pow er=1.00)、右髖關節 (F 、右膝關節 (F. (7,49)=. (7,49)=. 2. (7,49)=. (7,49)=5.73，p. 6.94，p<.05，η = .50 2. 3.92，p<.05，η = .30，pow er= .97) 2. 6.84，p<.05， η = .49，pow er= 1.00) 的角度變 2. 異皆達統計上顯著性差異。從圖 4-6 顯示，手持橫木槓站於動態平衡儀，全部的練習時過程中，左髖關節、左膝關節、右髖關節、右膝關節在練習初期 (block1, block2, block3, block4 ) 有較大的變異現象，隨著練習時段增加逐漸減小。至於左、右踝關節角度變異性則是在全部練習時段都沒有改變。.

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(44) 44. 圖 4-7 手持橫木槓於不同的練習時段人體上半身肢段關節連結變化圖由表 4-8 得知，手持橫木槓站於動態平衡儀，八個練習時段過程中在人體上半身肢段其交叉相關值皆未達統計上顯著性差異，左 (肩-肘) (F. (7,49)=. 1.98，p=.09，η = .22，pow er= .71)、左(肩-腕) (F 2. = 1.34， p=.25， η = .16， pow er= .51)、左 (肘 -腕 ) (F 2. =.89，η = .06，pow er= .16)、右 (肩 -肘) (F 2. ，pow er= .34)、右 (肩 -腕 ) (F 、右(肘-腕) (F. (7,49)=. (7,49)=. (7,49)=. (7,49)=. (7,49). .41， p. .89，p=.52，η = .11 2. .84，p=.58，η = .10，pow er= .31) 2. .97，p=.47， η = .12，pow er= .37)。從圖 4-7 顯 2. 示，手持橫木槓站於動態平衡儀在全部練習時段過程中的交叉相關值一直非常低 (接近 0)，這表示人體上半身肢段與肢段彼此連結程度非常低，所以，人體上身各肢段是可以各自獨立控制的。.

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(46) 46. 圖 4-8 手持橫木槓於不同的練習時段人體下肢段關節連結變化圖由表 4-9 所示，手持橫木槓站於動態平衡儀，在人體下半身肢段左(膝-踝) (F. (7,49)=. 1.86，p=.10， η = .21，pow er= .68) 在八個練習 2. 時段的交叉相關值未達統計差異。左(髖-膝) (F η2 =. .45，pow er= 1.00)、左(髖-踝) (F. = 1.00)、右(髖-膝) (F -踝 ) (F. (7,49)=. (7,49)=. (7,49)=. (7,49)=. 5.64，p<.05，. 5.71，p<.05，η = .45，pow er 2. 3.55，p<.05，η = .34，pow er= .95)、右(髖 2. 3.65， p<.05， η = .34，pow er= .95)、右(膝-踝 ) (F 2. (7,49). = 3.35，p<.05， η = .32，pow er= .93) 的交叉相關值，在不同練習時 2. 段皆達統計上顯著性差異。從圖 4-8 顯示，練習初期關節間的交叉相關係數呈現較高度的相關，但隨著練習時段的增加交叉相關係數也跟著下降。由此得知，手持橫木槓站於動態平衡儀在全部練習時段過程中，練習初期人體下半身肢段與肢段彼此間連結程度連結程度非常高，隨著練習時間增加，雖然肢段間的關節運動有逐漸地出現較獨立控制的現象，不過仍具有中度相關值。.

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(50) 50. 在初期與末測有統計尚顯著差異 (t (7)= 6.51，p<.05)。末期 (86.72% ) 明顯高於初期 (82.17% )。其中，第一主成分解釋量則由 28.80% 顯著地增加至 47.11% (p<.05)。另一方面，練習初期與練習末期的第二、三、四、五、六、七主成分解釋量皆未達統計上顯著性差異 (p>.05)。第八與第九主成分，則到了練習末期已經沒有解釋量而完全消失。. 第四節、平衡台與橫木槓相關分析一、平衡台與橫木槓練習初期(上圖)與末期(下圖)相關變化圖. 圖 4-9 實驗参加者 S1 於練習初期與末期平衡台、橫木槓相關圖.

(51) 51. 圖 4-10 實驗参加者 S2 於練習初期與末期平衡台、橫木槓相關圖. 圖 4-11 實驗参加者 S3 於練習初期與末期平衡台、橫木槓相關圖.



(54) 54. 圖 4-16 實驗参加者 S8 於練習初期與末期平衡台、橫木槓相關圖.

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(57) 57. 現於 L ag -7， S5(.092) 出現於 Lag 3，S7 (.164) 出現於 Lag 2。其中，S6 與 S8 兩位實驗参加者的延遲交叉相關最高值都未超出信賴區。由於實驗参加者 S2，S3，S4，S5，S7 的時間延遲交叉相關最高值還是維持在正數。由此推知，平衡台與橫木槓在練習末期時依然是呈現相同方向的關係。不過，S4 (.102) 卻出現於 L ag -7 如此顯示，橫木槓移動較平衡台快的現象，但 S2，S3，S5，S7 的時間延遲交叉相關最高值出現於 Lag2 至 Lag 5 之間。因此，平衡台移動依然領先橫木槓的情形。此外，S6 與 S8 的時間延遲交叉相關最高值都未超出信賴區。這種現象顯示平衡台與橫木槓之間沒有關係存在。至於 S1(-0.081) 出現於 Lag - 7 表示，練習末期平衡台與橫木槓移動是呈現相反方向並且橫木槓移動較平衡台快的現象。圖 4-9 (下圖) 至圖 4-16 (下圖)，所有實驗参加者在練習末期，在平衡台與橫木槓兩者移動的相對關係。.

(58) 58. 第伍章討論. 本研究討論，分別是第一節、檢視 B ernstein 運動學習調節自由度的階段模式；第二節、人體多肢段運動行為的維度縮減；第三節、；運動學習探索策略檢視；第四節、運動學習個人化；及第五節、結論。. 第一節、檢視 B ernstein 運動學習調節自由度的階段模式運動行為家在進行研究探討時，首先面對的挑戰就是要了解人體複雜的高維度結構，是透過何種控制方式導致人體可以展現出低維度的協調型態。自從前蘇聯神經生理學家 Bernstein(1967) 提出動作協調與控制就是管理多餘的自由度，這概念就深受相關領域的專家學者們的重視，其中，自由度階段性轉變機制更是成為熱門研究課題。 Bernstein(1967) 認為運動學習初期為了降低身體多餘的自由度，個體在執行動作時，會將關節與肢段連結、固定，以凍結動作中次要部分的自由度。亦即採取最簡單的動作來達成工作目標。所以，初學者的表現會出現僵硬不自然的現象。隨著練習和獲得經驗，個體可以逐漸學習到如何控制肢段與肢段間互動所產生的反應。隨著練習增多，逐漸釋放原有固定的限制並整合所有能發揮作用的自由度，使它成為一個動態可控制的系統。根據這個概念，本研究透過測量人體全身肢段十二個關節，在不同練習時段的關節角度、關節角度的變異與關節間的交叉相關分析，檢視本研究工作限制下，人體多肢段的運動學習全身自由度的調節，是否會符合 B ernstei n 所提及自由度 (凍結→釋放) 單向途徑模式。從本研結果顯示，實驗参加者雙手持橫木槓的方式站立於動態平衡儀，經過兩週一百二十次練習後，上半身肢段，左(肩 -肘 )、左 (肩-腕) 、左(肘-腕)、右(肩-肘)、右(肩-腕)、右(肘-腕)等關節間的交叉相關值，在全部練習時段都非常低。這種情況表示練習過程中，上半身肢段與肢.

(59) 59. 段彼此間的連結程度很低，似乎各肢段是可以自行獨立控制。不過，上半身肢段六個關節角度中，卻未發現有隨著練習次數增加而增大的情形。同時，在人體上半身肢段各關節角度的變異性方面，除了左肘關節角度在練習初期有較大的變異現象且隨後因練習增加而減小之外。其餘五個關節角度的變異性，都未隨著練習增加而出現明顯的變化。根據上述結果顯示，上半身肢段與肢段在整個練習時段雖可自行控制；但是，關節運動角度與關節角度的變異性，則幾乎沒有受到練習影響而有所改變。整體觀之，上肢段的自由度似乎在整個練習時段過程並無明顯凍結與釋放的情形。所以，實在很難確認其自由度調節是依循著 B ernstein (1967) 所提及練習初期是凍結自由度，隨著練習次數增加後釋放自由度的模式。那麼，為何本研究上身肢的自由度調節會出現這種現象呢？主要原因應在於本研究的工作限制與工作目標。本研究工作限制是實驗参加者必須雙手持橫木槓，因而導致上半身肢段受到極大的限制，即便是肢段與肢段可以維持獨立控制，尚且需顧及達成穩定地站立在平衡台的工作目標。所以，實驗参加者僅能藉由降低上半身肢段的關節角度與關節角度的變異性，以避免身體出現太大的晃動破壞姿勢控制而無法達成平衡的目標。本研究人體下半身肢段關節間的聯結方面，左(髖 -膝 )、左 (髖-踝) 、右(髖-膝)、右(髖-踝)、右(膝-踝)等關節之間，出現練習初期關節間的交叉相關係數呈現高度的相關，但隨著練習時段的增加其交叉相關係數也跟著下降。唯有左(膝-踝)、在八個練習時段的交叉相關值始終沒有變化。至於在關節角度方面，左髖關節、左膝關節與左踝關節，隨著練習時段增加隨之變大。但是，右髖關節、右膝關節與右踝關節卻未因練習次數改變其關節角度。另外，關節角度的變異性方面，左髖關節、左膝關節、右髖關節、右膝關節在練習初期有較大的變異現象，但隨著練習時段增加逐漸減小。唯有，左、右踝關節角度的變異性在整個練習時段卻是始終沒有改變。根據這些結果顯示，人體下半身肢段的遠端肢段自.

(60) 60. 由度似乎完全沒有明顯的改變，其它近端肢段的自由度在練習初期看似有凍結的情形，且隨著練習時間增加逐漸地釋放出其自由度的現象。可是若仔細觀察其關節角度變異情形，除了左、右踝關節在整個練習時段中沒有甚麼變化外，其餘左、右髖關節與膝關節都出現非常大的關節角度變異情形。這種現象顯示，實驗参加者在練習初期深受工作與個體本身控制能力的限制，完全無法有效地站立在一個搖動不穩定的平衡台，個體不但沒有採用凍結下肢段自由度的策略，反而試圖以髖關節與膝關節不斷地快速移動方式，藉此補償 (com pensate) 平衡台上下搖晃的變異所造成身體不穩定的狀況，以尋求達到維持身體平衡控制的工作目標。Ko, Challis, and Newell(2003) 採用跳動的平台探討人體如何調控自由度結果同樣出現練習初期為了達到身體平衡目的，利用髖關節與膝關節高度的關節角度變化，快速補償平衡台搖晃的不穩定情形。出現這種關節角高變異情形，相對地證實 Verejken,Van Emmerik, Whiting, and Newell (1992); H ong and N ew ell (2006) 的觀點：運動學習過程中，練習初期是動作變化最為明顯的階段。綜觀本研究結果發現，運動學習過程中，動作型態的轉變應是取決於不同的工作特質，由本研究結果中實在很難找出充足的證據，可以支持 B ernstein (1967 )所提及運動學習自由度是先凍結後釋放的單向途徑假說。除了本研究外，再藉由回顧相關研究，進一步檢視其它運動項目是否會符合 B ernstein 運動學習調節自由度的階段模式。 Verejken, et al. (1992) 探討模擬滑雪動作時，以關節角度的交叉相關分析，發現練習初期關節間連結 (coupling) 程度高，交叉相關係數呈現中度與高度的相關，隨著練習次數增加關節運動逐漸地獨立控制，交叉相關係數也跟著下降。因此，認為這是符合 B ernstein 所提及人體的動作型態從初期凍結自由度，經過練習後轉變為釋放自由度的特徵。然而，H odges,H ayes,H orn and W illiam s (2005) 與 H ong etal.(2006) 卻持不同的觀點並且指出，若從人體解剖的方向仔細觀察，其實該研究結果仍然無法證明這些關節自由.

(61) 61. 度的變化是依循 B ernstein(1967) 假說，亦即先從身體近端自遠端 (proxim al to distal) 的順序，凍結自由度後再釋放自由度的階段情形。 C allou, N ourrit, D esham ps, Lauriot, and Delignieres (2002) 探討動態平衡實驗結果發現，只有在遠端的踝關節其變異性有統計上顯著的差異情形。Ko, etal.(2003) 發現在跳動平衡台運動學習過程中，也是只有踝關節其變異性較大而已。同時發現人體調控自由度是呈現「逆向」的轉變 (釋放自由度→凍結自由度)； Higuchi, Imanaka, and Hatayama (2002) 進行電腦模擬棒球打擊測驗，結果發現在環境限制下，會造成自由度的轉變方向呈現「可逆性」的特徵 (凍結自由度↔釋放自由度)；Newell and Van Emmerik (1989) 探討非慣用手簽名寫字動作學習結果發現，即便是經過三個月 10,000 練習次數，仍然無法證明身體遠端手臂肢段 (distal arm segments) 有釋放自由度的現象。從回顧上述的實證研究與本研究結果發現，運動學習過程中自由度的調節其實受到工作的特殊性 (task specificity) 影響是非常大的。依據這種論點，人體多肢段的運動行為的自由度調適方式，當然不一定會依循練習初期的凍結，練習後釋放的單向途徑變化。Newll (1986)；Riccio and Stoffregen (1988) 明確指出運動型態的形成，主要起因於有機體限制 (organism constraint)、環境限制 (environment constraint)，及工作限制 (task constraint) 的交互作用。從上述實證研究發現與論點，證實 Bernstein 模式是無法清楚解釋運動學習過程中，人體眾多的自由度是如何縮減成少數可控制的自由度的人體協調型態。因此，若將 Bernstein (1967) 這種概念視為是一種運動學習自由度調控的通用準則，則其正確性實在有待商榷。. 第二節、人體多肢段運動行為的維度縮減由本研究與近年來相關研究的結果發現中，都缺乏強而有力的證據可以證明，人體運動學習過程中會依循 Bernstein(1967) 所提及人體自由度調節控制的概念。N ew ell,B roderick,D eutsch,and Slifkin(2003) 以單.