基于运动生物力学的中小学立定跳远教学方案设计

摘

要：立定跳远成绩是评价儿童青少年身体素质的重要指标，是我国中小学体育教学的重点和基础内容，具有一定代表性。目前，立定跳远教学多停留在强调对学生运动技巧的教授和训练，而忽略了学生身体素质尤其是肌肉力量、肌肉爆发力的训练。本研究通过运动生物力学分析阐释了髋膝踝关节的力传递过程，结合“学、练、赛、评”设计教学环节，从肌群发力角度对现有的教学方案進行优化，提出了高抬腿、跳障碍、蛙跳、仰卧举腿、空中蹬车、触膝卷腹等立定跳远相关肌群的力量训练方法。关键词：立定跳远；力量训练；运动生物力学分析；教学方案设计一、儿童青少年立定跳远存在的问题近年来，随着互联网及多媒体的快速发展，相关娱乐方式正在取代传统体育活动成为儿童青少年最主要的课余活动及爱好。由此导致的儿童青少年体质健康问题不容乐观，主要表现在肥胖率逐年增加，力量、速度、爆发力等身体素质逐年下降。立定跳远作为评价学生身体素质的重要指标之一，可以反映包括弹跳力、爆发力在内的下肢力量以及身体协调控制能力，是我国中小学体育教学的重点内容，也是中小学阶段学生体质测试的基础项目，提高立定跳远成绩对儿童青少年身体素质提升有重要意义。近年来，中小学体育课程改革越发受到重视，通过调研发现，当前的中小学体育课程教学中主要强调对学生运动技巧的教授和训练，往往忽略了学生身体素质尤其是肌肉力量、肌肉爆发力的训练。因此，当前急需在课程教学和练习方案设计中采取科学合理的教学与训练方法，增加相关肌肉力量的专项训练内容。本研究基于立定跳远的运动生物力学特征，分析立定跳远成绩的决定因素，并重点针对“学、练、赛、评”提出适用于快速提高立定跳远成绩的练习动作，优化教学方案。二、立定跳远的运动生物力学特征分析（一）研究对象与研究方法选取5名高校田径专项大学生作为受试者。受试者自述一月内没有疾病或运动损伤，在实验测试前24小时未进行任何与测试无关的运动。测试前，受试者被告知研究目的，并签署了充分了解测试程序的知情同意书。测试采用两个Kistler三维测力台获取地面反作用力，并使用红外动作捕捉系统获取三维轨迹。测试前，受试者进行了10分钟的热身运动，以确保动作以标准方式完成。随后测试人员将反光标记粘贴在受试者身上，受试者双脚各踩在一个力平台上，按照测试人员要求完成立定跳远动作。总共进行七次跳跃，选择成绩最好的一次进行分析。动作捕捉系统收集的运动轨迹数据用以判断膝关节屈曲程度，三维测力台的地面反作用力数值用以判断双脚与地面作用过程（地面反作用力小于10N认为双脚离开地面）。运动生物力学分析中采用Opensim软件建立肌肉骨骼模型，并进行模拟分析。本研究中使用的全身骨骼肌模型是由Gait2354_Simbody修改获得的，包括92个下肢肌肉致动器，共有37个自由度。（二）实验结果分析完整的立定跳远的技术动作可以分为三个环节：起跳环节、飞行环节、着陆环节，其中起跳环节是影响跳远成绩的主要阶段，因为跳出的距离取决于起跳的初始速度及起跳角度。而起跳时刻的速度和角度与髋、膝、踝三个关节参与运动的情况密切相关，包括运动幅度、蹬伸速度以及关节间的协调运动等。立定跳远运动学和动力学特征的实验测试结果如图1所示，起跳环节首先是髋膝踝三个关节在屈肌带动下由直立状态变为屈曲状态进行蓄力，随后关节伸肌肌群发力完成起跳动作。依据大关节首先运动原理，当需要克服大阻力或者需要较大的运动速度时，运动链中的大关节总是首先产生动作，然后依次为中、小关节，充分发挥三个关节的肌肉力量，获得较大的蹬伸力，从而获得较大的加速度。图1（a）表明下肢三个关节按照髋膝踝的顺序屈曲至最大，该运动学结果与前面分析结果一致。即在下蹲阶段，髋关节和膝关节的角度变化快于踝关节，髋关节最先达到其峰值屈曲角度。踝关节作为起跳动作的支撑点，变化较小，在蹬伸阶段末期有较大的变化速度。在深蹲和蹬伸过程中，膝关节力矩首先显著增加，然后迅速下降，这证明了深蹲和蹬伸过程中膝关节主导了能量储存和释放的过程。在深蹲和蹬伸的早期，髋关节的运动与膝关节相似，但它们的关节力矩不同。这可能是因为，在这个阶段，髋关节被动屈曲，以配合膝关节的主动屈曲。在蹬伸阶段末期，膝关节关节力矩迅速下降，髋关节关节力矩增加，这是因为最后的蹬伸阶段需要有一个较大的加速度带动身体起飞，人体通过调整躯干的相对位置来调整重心。离地腾空后即将进入飞行阶段，飞行阶段主要是髋关节带动腿部相对于躯干的转动，因此髋关节力矩出现较大幅度的上升，并为主导立定跳远第二阶段的飞行环节做好准备。膝关节在起跳环节中较短的时间内完成屈膝下蹲以及展膝蹬伸的动作，膝关节肌群肌肉力量首先显著增加，然后迅速下降，完成了能量储存和释放的过程。伸膝肌群在起跳环节是一个典型的离心—向心收缩的复合运动形式，屈曲至最大过程中，伸膝肌群被动拉长做离心收缩，肌力逐渐增大，膝关节的关节力矩也随之增大并在屈曲达到最大的时刻t1达到峰值；被拉伸的肌肉在下蹲过程储存了大量的弹性势能，还具备了一定的初始长度，为后续蹬伸阶段的向心收缩做良好的准备。髋关节的运动受到核心肌肉群和腿部肌肉群的协调控制。核心肌群在下蹲过程中主要保持较低的激活程度，在蹬伸阶段末期才会迅速激活，配合腿部肌群完成髋关节快速伸展和躯干姿态调整。与髋膝关节相比，踝关节属于小关节，是动作的支撑点，在运动过程中首先背屈配合完成屈膝动作，再跖屈配合完成整个蹬伸动作，这需要较大的关节力量和较高的灵活度。尽管关节力矩相对膝关节较小，踝关节仍然承担了完成结束动作，对方向进行精细调控，直接影响动作质量的好坏的重要作用。根据以上运动生物力学分析发现，下肢髋、膝、踝三个关节协同用力形成的运动链是决定立定跳远起跳初速度的关键因素。在整个下肢两足三关节系统中，髋膝踝三个关节的肌肉力量通过影响关节各自的做功情况影响着整个下肢运动系统的表现，良好的下肢肌肉力量素质是取得优异运动成绩的基础。因此，提高髋、膝、踝三关节的肌肉力量和协调发力是提高立定跳远成绩的关键因素。当前中小学体育教学中更多关注的是运动技术的教授，而对于下肢肌肉力量、爆发力、协调发力技术等方面的训练较少。本研究结果提示立定跳远的教学改革应该注重下肢力量和协调用力能力来设计训练方法和手段。本研究也为中小学体育教育课程改革提出另一个思路，即中小学体育课程建设应该注重体能和力量素质训练为主的课程体系建设。三、“学、练、赛、评”背景下发展立定跳远能力的教学设计2021年4月，教育部办公厅发布的《关于进一步加强中小学生体质健康管理工作的通知》指出，中小学校要聚焦“教会、勤练、常赛”，逐步完善“健康知识+基本运动技能+专项运动技能”的学校体育教学模式，要求通过深化体育教学改革，将“教会、勤练、常赛”成为常态化、规范化、系统化的教学组织模式，使学生在知行方面得到全面提升。本文结合立定跳远的运动生物力学特征分析，提出“学、练、赛、评”背景下发展立定跳远能力的教学设计，为体育教师提供一些参考。（一）明确过程，“学”得透彻以往的中小学体育教学多通过教师或教练的主观感受或定性描述运动过程中各环节的技术要点进行教学，学生难以对立定跳远过程中人体各环节的发力情况有清晰的认知。建议结合本研究结果，在课堂上增加对立定跳远起跳环节下肢髋膝踝三个关节运动学和动力学变化过程的阐释。重点强调髋、膝、踝在起跳环节的作用及发力顺序对跳远成绩的重要性，从而使学生能够从深层的运动生物力学机制层面理解运动过程，把控关键环节技术要点。（二）针对目的，精准“练”习想要发展力量、灵敏等素质或掌握运动技术，就需要在反复的练习中达到从量变到质变的累积效应。从前面的分析中可以看出，下肢髋膝踝关节周围肌肉力量是获得更大的起跳速度，从而取得更好运动成绩的重要基础，本文关注的重点在结合运动生物力学分析结果，抓住关键环节的技术要领，提出相应的肌肉力量练习动作，提高教学经济性。1.下肢力量和协调用力的练习立定跳远起跳环节的下肢运动是髋膝踝三个关节在肌肉的带动下完成的，对力量有较高的要求。同时，立定跳远起跳过程中的下蹲、蹬伸甚至落地环节的姿势控制都需要下肢关节的高度协调。想要提高立定跳远的成绩，就要加强对于下肢肌肉尤其是股四头肌和小腿三头肌的力量以及下肢协调性的练习。下面将介绍几个针对下肢力量和协调性的练习（图2）。（1）跳障碍：根据运动生物力学分析结果，立定跳远中踝关节需要较大的关节力量和较高的灵活度。障碍跳能够充分调动踝关节周围肌群的力量，并能够评测出踝关节灵活度。动作要领：一排跨栏或小的障碍物间隔放置，在第一个跨栏前站立，两脚分开，与肩同宽，双脚同时起跳，在跳跃时摆动双臂，落地时屈双膝，接着跳跃直到越过所有跨栏。（2）蛙跳：该项目与立定跳远动作模式非常接近，根据前面运动生物力学分析，建议蛙跳练习中应重点控制伸髋肌群发力时机，尽量在蹬伸末期发力。动作要領：双脚站立与肩同宽，摆臂收起，重心从后跟过渡到前脚掌，45度起跳，建议后脚跟先落地。（3）收腹跳：根据运动生物力学分析，下肢与核心肌群协调配合是立定跳远的关键，收腹跳要求控制核心与下肢肌群协同发力。动作要领：两脚开启与肩同宽，原地起跳，起跳腾空后上身向前缩腹，人体呈蜷起型。（4）半蹲跳：根据运动生物力学分析，立定跳远项目中伸髋肌群主要在髋关节伸展角度较大时发力更有利于成绩提高，半蹲跳主要是锻炼在髋关节120度以上时刻伸髋发力能力。动作要领：从直立开始屈膝半蹲，脚尖与膝盖保持同一方向，膝盖不要超过脚尖，落地时前脚掌先着地然后迅速过渡到全脚掌。（5）单脚跳：与半蹲跳类似，单腿跳可以着重锻炼髋关节在较大伸展角度时的发力技术。动作要领：单腿站立，另一个腿弯曲，起跳腿屈膝，发力跳起然后屈膝落地。（6）高抬腿：根据力学测试发现，在立定跳远蹬伸阶段需要膝关节快速蹬伸，快速高抬腿练习可以提升伸膝肌群快速力量。动作要领：上身挺直、目视正前方，双脚直立，先抬右脚使大腿与小腿成直角，然后右脚下蹬左脚抬起，左脚大腿与小腿亦成直角，依此姿势两脚交替在原地跑步。2.腰腹力量练习尽管大腿部分肌肉和核心肌群都能控制髋关节运动，正确的发力方式仍然是以核心肌群为主要发力肌肉，带动髋关节运动，从而带动腿部，与下肢力量叠加形成合力作用于地面，完成稳定、协调、流畅的动作。立定跳远起跳环节要求发展髋部力量也就是要求发展腰腹核心肌群的力量。腹部肌肉包括腹直肌和腹内斜肌、腹外斜肌等，腹部肌群的主要功能是屈髋收腹，在立定跳远起跳和落地环节稳定姿势以及腾空阶段调整腿部相对于躯干的相对位置中起到了重要作用，其中腹直肌是主要肌肉，需要加强锻炼。下面列举一些练习腰腹力量的动作（图3）。（1）仰卧举腿：无负载下的伸髋技术训练，可以深度刺激腹直肌下部，提升核心稳定性，以更好发力和避免损伤。动作要领：身体仰卧，手臂紧贴身体两侧，下腹缩紧，双腿举起至与地面垂直，要求保持垂直状态5秒，缓慢落下。（2）登山跑：针对立定跳远对髋膝踝协调发力的要求，通过登山跑可以锻炼踝关节的灵活性和快速发力能力，同时提升髋、膝关节的快速屈伸发力能力。动作要领：身体趴在地上，手掌和脚尖撑地，身体和地面尽量保持平行。用膝盖去靠近胸部，恢复到准备姿势，然后另一条腿做反复运动。（三）注重应用，“赛”中实践运动技能的学习与掌握需要在实际应用中检验，课堂中可以针对前文提出的练习动作或是立定跳远设计形式多样的趣味竞赛，让学生以个人或小组形式参与竞赛。在竞争中激发斗志，培养斗争精神，刺激学生学习。立定跳远作为中小学生体测的项目，反映了力量、灵敏、协调等多方面的素质，通过设计课堂上的竞赛，可以提高学生的积极性，提升学生培养综合素质的意识。（四）及时反馈，“评”教结合运动技能的学习过程是通过不断评价反馈并及时调整的过程，教师评价环节更是“学、练、赛”环节的测评与把控，四个环节互相影响、紧密相扣，共同促进学生对立定跳远尤其是起跳环节的掌握。教师应针对“学、练、赛”的不同环节提出不同的评价方案，及时观察和反馈学生的学习掌握情况。四、结语传统的