基于元認(rèn)知理論的短距離追逐跑體能增強(qiáng)模型

康亞志

(合肥師范學(xué)院 體育科學(xué)學(xué)院 ，安徽 合肥 230601)

短距離追逐體能增強(qiáng)訓(xùn)練方法需要體現(xiàn)“教、學(xué)、練、戰(zhàn)”的指導(dǎo)思想，在體能教學(xué)訓(xùn)練中需要建立三位一體的架構(gòu)體系和合適的教學(xué)模式，采用課堂訓(xùn)練和平時(shí)訓(xùn)練相結(jié)合的方法，增強(qiáng)學(xué)生體能。元認(rèn)知理論[1]作為一種引導(dǎo)性的教學(xué)方法，在短距離追逐體能增強(qiáng)訓(xùn)練和教學(xué)中具有一定的指導(dǎo)性意義。將元認(rèn)知理論運(yùn)用到體能訓(xùn)練教學(xué)中，以刺激——反應(yīng)理論為核心進(jìn)行引導(dǎo)性的認(rèn)知活動(dòng)和認(rèn)知教學(xué)。在元認(rèn)知引導(dǎo)下，幫助學(xué)生的體能訓(xùn)練達(dá)到認(rèn)知目標(biāo)，并矯正學(xué)生的短距離追逐姿態(tài)，從而增強(qiáng)其短距離追逐體能。

隨著體育運(yùn)動(dòng)科技程度的提高，如何提升學(xué)生的追逐技能，最大程度增強(qiáng)學(xué)生的短距離追逐能力，成為短距離追逐訓(xùn)練領(lǐng)域亟待解決的主要任務(wù)。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了虛擬個(gè)人運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練器原型系統(tǒng)，提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)識(shí)別運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的同時(shí)給出相應(yīng)的反饋，但是該方法的短距離追逐姿態(tài)特征點(diǎn)提取結(jié)果精度有待提升。文獻(xiàn)[3]提出基于關(guān)鍵姿態(tài)約束的人體運(yùn)動(dòng)序列插值生成方法，在應(yīng)用過程中根據(jù)運(yùn)動(dòng)圖譜的過渡關(guān)系計(jì)算并插入若干過渡動(dòng)作幀，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的接續(xù)連貫，但是該方法的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)矯正準(zhǔn)確率有待提高，導(dǎo)致學(xué)生的訓(xùn)練體能增強(qiáng)效果較差。 元認(rèn)知理論可以指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)短距離追逐體能訓(xùn)練過程中的個(gè)人因素，通過對(duì)認(rèn)知的理解，促進(jìn)其認(rèn)知過程的螺旋式上升，因此將該理論引入短距離追逐體能訓(xùn)練中，設(shè)計(jì)短距離追逐體能增強(qiáng)模型，有助于進(jìn)一步提高學(xué)生體能。

1 短距離追逐跑體能增強(qiáng)模型設(shè)計(jì)

1.1 元認(rèn)知理論

設(shè)短距離追逐跑體能增強(qiáng)模型中的元認(rèn)知結(jié)構(gòu)包括元認(rèn)知知識(shí)i、元認(rèn)知體驗(yàn)j和元認(rèn)知監(jiān)控e3個(gè)方面。元認(rèn)知理論下對(duì)短距離追逐跑體能增強(qiáng)本體m的認(rèn)識(shí)過程就是學(xué)生自我認(rèn)識(shí)和介入的過程。

根據(jù)認(rèn)知結(jié)果以及認(rèn)知過程的關(guān)系，構(gòu)建元認(rèn)知理論下的認(rèn)知活動(dòng)模式，其表達(dá)式為

(1)

根據(jù)個(gè)人因素和集體因素進(jìn)行心理引導(dǎo)性教學(xué)，促進(jìn)教學(xué)和認(rèn)知過程的主動(dòng)性發(fā)展。元認(rèn)知理論是伴隨人的認(rèn)知體驗(yàn)和情感體驗(yàn)的復(fù)雜過程，根據(jù)認(rèn)知體驗(yàn)，結(jié)合個(gè)體差異性進(jìn)行引導(dǎo)性認(rèn)識(shí)，在不同層次模式下通過升級(jí)改造，完成自我認(rèn)知的過程。

1.2 短距離追逐姿態(tài)矯正模型

元認(rèn)知理論對(duì)促進(jìn)學(xué)生短距離追逐體能增強(qiáng)具有關(guān)鍵作用，是學(xué)生體能訓(xùn)練和學(xué)習(xí)策略的核心，它與學(xué)生短距離追逐體能增強(qiáng)訓(xùn)練有著不可分割的關(guān)系[4]。在體能訓(xùn)練教學(xué)領(lǐng)域，積累了大量有關(guān)自身認(rèn)知和體驗(yàn)的知識(shí)，在指導(dǎo)學(xué)生短距離追逐姿態(tài)矯正的過程中進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生的元認(rèn)知能力。學(xué)生短距離追逐姿態(tài)不正確，降低了學(xué)生短距離追逐能力，因此研究元認(rèn)知理論指導(dǎo)下學(xué)生短距離追逐姿態(tài)矯正方法，采用科學(xué)、合理、實(shí)用、有針對(duì)性的體能訓(xùn)練方法提升學(xué)生短距離追逐的能力。結(jié)合元認(rèn)知理論，建立學(xué)生短距離追逐姿態(tài)矯正模型[5-6]。

d(i)=w*TuT(i)+v(i),

(2)

其中v(i)為測(cè)量噪聲。定義誤差信號(hào)e(i)為e(i)=d(i)-wT(i)uT(i)，其中w(i)=[w1(i),w2(i),…,wM(i)]T表示參數(shù)相量w*在i時(shí)刻的估計(jì)?；谔荻认陆档淖赃m應(yīng)濾波算法通過最小化特定代價(jià)函數(shù)估計(jì)w*。而姿態(tài)矯正方法則利用式(3)提取追逐姿態(tài)特征點(diǎn)，即

(3)

其中，α>0表示一個(gè)自由參數(shù)，而F(e(i))為傳統(tǒng)的像素點(diǎn)聯(lián)系函數(shù)，如F(e(i))=E(e(i)2)。結(jié)合梯度下降法，可得到基于追逐姿態(tài)特征點(diǎn)的權(quán)重更新公式為

(4)

其中μ為步長(zhǎng)因子。若取F(e(i))=E(e(i)2)，且去掉期望算子[7]，即令F(e(i))=e2(i)，則將其帶入式(4)，引入元認(rèn)知理論，可得到短距離追逐姿態(tài)矯正模型，即

(5)

1.3 短距離追逐體能增強(qiáng)訓(xùn)練

在構(gòu)建學(xué)生短距離追逐姿態(tài)矯正模型的基礎(chǔ)上，分析增強(qiáng)學(xué)生短距離追逐體能的具體措施。在元認(rèn)識(shí)理論下，通過自我總結(jié)、自我評(píng)價(jià)和自我補(bǔ)救，采用有目的的元認(rèn)知性短距離追逐體能訓(xùn)練手段，研究教學(xué)訓(xùn)練和體能訓(xùn)練方法[8-10]。

利用元認(rèn)知理論矯正學(xué)生短距離追逐姿態(tài)，增強(qiáng)體能訓(xùn)練效果。學(xué)生短距離追逐體能增強(qiáng)訓(xùn)練的認(rèn)知目標(biāo)評(píng)價(jià)為

(6)

其中Nnon-zero為待估計(jì)向量中體能參數(shù)的變化。輸入指標(biāo)由高斯隨機(jī)序列產(chǎn)生，以輸入指標(biāo)為基礎(chǔ)監(jiān)控認(rèn)知過程。在具體的學(xué)習(xí)中，在元認(rèn)知的作用下，根據(jù)學(xué)生體能訓(xùn)練的自身認(rèn)知結(jié)果，進(jìn)行針對(duì)性的短距離追逐姿態(tài)矯正訓(xùn)練。引入向量B(i)修正短距離追逐姿態(tài)，即

(7)

結(jié)合體能訓(xùn)練方法，提升參與短距離跑的學(xué)生體質(zhì)。以培養(yǎng)核心能力為導(dǎo)向，構(gòu)建學(xué)生短距離追逐體能增強(qiáng)教學(xué)訓(xùn)練的認(rèn)知目標(biāo)評(píng)價(jià)體系。根據(jù)給定學(xué)生體能級(jí)別為N的原始排序xi重構(gòu)m維向量Xi，建立體能專項(xiàng)數(shù)據(jù)，具體過程如下所示：

1) 計(jì)算體能級(jí)別m維向量Xi與其余向量Xj之間的距離，確定短距追逐距離如式(8)所示：

i≠j。

(8)

2) 給定學(xué)生體質(zhì)相似閾值r≥0，統(tǒng)計(jì)滿足短距離追逐距離小于學(xué)生體質(zhì)相似閾值的i的追逐次數(shù)A(i)，并計(jì)算A(i)與短距離追逐距離N-m-1的比值：

(9)

3) 根據(jù)追逐次數(shù)與短距離追逐距離的比值，增加元認(rèn)知理論維度m+1，重復(fù)(8)～(9)的過程獲得顯著體能增強(qiáng)特征點(diǎn)Bm+1(r)。

4) 根據(jù)顯著體能增強(qiáng)特征點(diǎn)，創(chuàng)建學(xué)生體能專項(xiàng)數(shù)據(jù)庫(kù)為

(10)

在學(xué)生短距離追逐體能增強(qiáng)訓(xùn)練過程中，根據(jù)體能專項(xiàng)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建科學(xué)的實(shí)施體系，保證學(xué)生短距離追逐體能增強(qiáng)訓(xùn)練效果,強(qiáng)化學(xué)生短距離追逐體能增強(qiáng)訓(xùn)練的元認(rèn)知體驗(yàn)。

改進(jìn)和提高學(xué)生短距離追逐的技術(shù)主要有：

1)選擇提高學(xué)生短距離追逐訓(xùn)練的專項(xiàng)素質(zhì)練習(xí)；

2)從勻速跑、加速跑、重復(fù)跑三個(gè)方面完成學(xué)生短距離追逐的體能訓(xùn)練；

3)學(xué)生短距離追逐的長(zhǎng)短距離跑練習(xí)；

4)在各個(gè)學(xué)生短距離追逐訓(xùn)練組別中，組織達(dá)標(biāo)或班組之間的競(jìng)賽。

在學(xué)生短距離追逐體能增強(qiáng)訓(xùn)練認(rèn)知活動(dòng)執(zhí)行過程中，應(yīng)及時(shí)反饋認(rèn)知活動(dòng)；教師根據(jù)學(xué)生短距離追逐姿態(tài)特征，結(jié)合元認(rèn)知理論的有關(guān)信息，構(gòu)建學(xué)生體能專項(xiàng)數(shù)據(jù)庫(kù)，制定學(xué)生短距離追逐體能增強(qiáng)的訓(xùn)練計(jì)劃；該計(jì)劃目標(biāo)與認(rèn)知目標(biāo)相一致，則繼續(xù)訓(xùn)練，一旦發(fā)現(xiàn)與學(xué)生短距離追逐體能增強(qiáng)的認(rèn)知目標(biāo)相背離，需及時(shí)調(diào)整訓(xùn)練計(jì)劃；根據(jù)學(xué)生自身的個(gè)體特征差異性，調(diào)整認(rèn)知策略，提高訓(xùn)練的效果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文體能訓(xùn)練增強(qiáng)模型的有效性，設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定學(xué)生短距離追逐跑圖像尺寸為1 224×2 208，分辨率為960×1 280，學(xué)生短距離追逐姿態(tài)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)系數(shù)為[0.25,0.31],并利用Kinovea軟件，監(jiān)測(cè)學(xué)生短距離追逐姿態(tài)，監(jiān)測(cè)界面如圖1所示。

通過學(xué)生短距離追逐姿態(tài)監(jiān)測(cè)界面可以準(zhǔn)確獲得學(xué)生短距離追逐姿態(tài)特征點(diǎn)，并自動(dòng)跟蹤、標(biāo)注該特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡，如圖2所示。

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，將基于虛擬現(xiàn)實(shí)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練矯正方法和基于關(guān)鍵姿態(tài)約束的人體運(yùn)動(dòng)序列插值生成方法進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試3種方法下提取的學(xué)生短距離追逐姿態(tài)特征點(diǎn)準(zhǔn)確度，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，本文方法的學(xué)生短距離追逐姿態(tài)特征點(diǎn)提取結(jié)果與實(shí)際測(cè)試的學(xué)生短距離追逐姿態(tài)特征點(diǎn)提取結(jié)果相同，而基于虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練矯正方法和基于關(guān)鍵姿態(tài)約束的人體運(yùn)動(dòng)序列插值生成方法的學(xué)生，短距離追逐姿態(tài)特征點(diǎn)的提取結(jié)果與實(shí)際測(cè)試的學(xué)生短距離追逐姿態(tài)特征點(diǎn)提取結(jié)果相差較大，說明本文方法可以準(zhǔn)確地提取學(xué)生短距離追逐姿態(tài)特征點(diǎn)，有助于增強(qiáng)學(xué)生短距離追逐體能。

根據(jù)特征點(diǎn)提取結(jié)果，采用本文方法、基于虛擬現(xiàn)實(shí)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練矯正方法和基于關(guān)鍵姿態(tài)約束的人體運(yùn)動(dòng)序列插值生成方法矯正學(xué)生短距離追逐姿態(tài)，得到矯正結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，本文方法的學(xué)生短距離追逐姿態(tài)矯正準(zhǔn)確率最高可達(dá)100%，而基于虛擬現(xiàn)實(shí)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練矯正方法和基于關(guān)鍵姿態(tài)約束的人體運(yùn)動(dòng)序列插值生成方法的學(xué)生，短距離追逐姿態(tài)矯正準(zhǔn)確率最高只有58%和72%，說明采用本文方法可以準(zhǔn)確矯正學(xué)生短距離追逐姿態(tài)，提高了學(xué)生短距離追逐體能增強(qiáng)能力。

3 結(jié)語(yǔ)

為了增強(qiáng)學(xué)生短距離追逐體能，本文將元認(rèn)知理論作為學(xué)生短距離追逐體能增強(qiáng)有效的訓(xùn)練方法，幫助學(xué)生根據(jù)身體特征和認(rèn)知特點(diǎn)，制定針對(duì)性的訓(xùn)練計(jì)劃，采用相應(yīng)的形式促進(jìn)體能訓(xùn)練元認(rèn)知能力的發(fā)展，優(yōu)化體能增強(qiáng)效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法的學(xué)生短距離追逐姿態(tài)特征點(diǎn)提取結(jié)果較準(zhǔn)確，姿態(tài)矯正準(zhǔn)確率較高，能夠增強(qiáng)學(xué)生短距離追逐體能。