生理负荷（共5篇）
生理负荷 篇1
1、体育教学与训练原则的生理学分析
生物机体能对外界环境刺激产生适应的能力是可训练性原则的生理学基础。可训练性原则是指人体的形态结构、生理机能、身体素质等方面, 可以通过体育锻炼而获得某些积极的适应性改变。体育教学与训练课程任务之一在于促进学生的生长发育及全面增强学生各器官功能, 为此, 应该在教学训练过程中给身体各器官系统以全面影响, 使人体各器官系统均承受一定的负荷。不同的运动项目对身体的影响各有侧重点, 要求锻炼的内容力求全面多样, 使人体各器官系统得到全面发展。不同项目的练习对身体生理生化变化的影响有不同的特点, 全面身体练习, 能使不同项目练习引起的机体不同生理生化变化起互补和促进作用, 使各项身体素质获得全面提高, 通过不同训练方式对身体素质提高效果的实验观察表明, 全面身体训练要比进行专项训练对各项素质全面增强的效果更显著。循序渐进原则是指在体育教学与训练中应从易到难、由简到繁、从小到大地进行。既不能急于求成, 又不能停滞不前。循序渐进原则的生理学基础是生物机体对刺激的适应规律及运动条件反射的建立和巩固规律。超负荷原则是指运动训练的负荷应该超过以往的常量负荷, 超负荷原则的生理学基础是能量代谢的超代偿规律、神经生理学的刺激强度规律等。专门性原则是指训练内容与运动项目的体能要求应保持一致性。训练的专门性包括两个因素:即学习专项技术和发展专项所需的代谢机制。专项动作技能的专门性包括活动部位肢体与运作结构的专门性, 为使运动训练和运动时能量代谢相吻合, 特别需要对练习强度、持续时间、练习手段进行科学的选择。
2、体育教学与训练的生理负荷量分析
从运动生理学的角度看, 运动量就是人体在运动练习中所达到的生理负荷量。由于参加体育活动者的年龄、性别、体质、健康状况及训练水平的差异, 对于同一运动负荷将引起不同的机能反应。因此, 不宜笼统以完成运动练习的数量、强度、时间等来衡量每个人的运动量, 应把人体在运动负荷时所引起的功能反应, 即生理负荷量, 来作为评定运动量大小的客观依据。在体育教学或一次业余训练中, 影响生理负荷大小的因素主要有运动训练的强度、密度、运动的数量及运动持续时间等。
运动强度是指单位时间内所作的功。在教学训练中又常用心率作为控制强度的方法, 这样, 就能更客观地反映机体对该运动的反应。在一些非周期性的训练中, 强度的衡量往往用负荷的重量或单位时间内完成的负荷来表示。如举重, 以单位时间内举起的重量数来计算等。
运动密度是指单位时间内重复练习的次数或实际练习时间和全课总时间之比。即在相同的单位时间内, 重复练习的次数越多, 运动密度就越大。另外, 运动持续时间是指一种练习或一节教学、训练课的持续时间。在强度密度基本相同的情况下, 运动持续时间越长, 机体的生理负荷量必然越大。
运动练习的数量。指一次教学或练习中完成运动练习的总次数、总距离或总重量。在非周期性练习中, 可用完成练习的总次数来表示;在周期性练习如跑、游泳等可用完成的总距离计算;而在举重练习中则以完成举起的总重量衡量。
强度、密度、时间和数量是组成运动量的主要因素, 它们之间又相互关联和影响, 在其他因素基本相同的情况下, 某一因素的变动均会影响该次练习所给予人体的生理负荷量。生理负荷量的衡量是一项复杂细致的工作, 由于参加锻炼的人年龄、性别、体质、健康状况和训练水平均不相同, 因而在上述四因素相同的情况下, 对甲可能属中等生理负荷, 而对乙则可能属大生理负荷。因此不能仅以运动练习的数量、强度时间等来衡量。为此, 要求体育教师或教练员掌握多方面的主客观材料, 通过多途径、多指标, 运用生理和医学知识去分析评定, 在体育教学与训练中, 为进一步提高锻炼和训练效果, 需要在循序渐进的原则下逐步增加负荷量。
3、如何合理安排体育训练的运动负荷量
体育训练中加大运动负荷本身不是目的, 这只是提高运动员训练水平的一个手段, 而不是越大越好, 运动负荷大小是相对的。“极限负荷”不是固定指标, 而是因人而变化的指标。教练员只有经过实践和科学研究, 掌握资料, 才能准确确立运动员的极限负荷量, 才能做到安排合理的运动量。
首先, 掌握好负荷与恢复的关系。没有负荷就没有训练水平的提高, 同时没有恢复, 也就没有可能安排新的负荷。只有在机体承担一定的负荷后, 得到适当的恢复, 消除疲劳, 才能使机体能力逐步得到提高。所以训练中每次课的负荷安排应在运动员机体能力得到恢复与提高基础上进行, 训练课负荷之间的间歇过长或过短都不利于机体能力的提高。运动员在训练过程中, 要有充足的休息调整时间, 以消除负荷后的疲劳, 达到运动能力逐步提高的目的。因此, 要使每次课的安排都在能使运动员的机体和机能得到恢复和提高的基础上进行。两次训练课之间的间歇时间不能过长, 也不能过短。时间过长, 运动员所获得的机体适应性变化, 以及所掌握的技术的良好状态就会消失;时间过短, 疲劳就会逐步积累, 甚至会产生过度疲劳, 影响运动成绩的提高。相对于运动量, 运动强度对机体影响更大, 但是, 只有量的积累, 强度方可在允许范围内逐渐增加。然而强度和量同时逐渐增加不但影响训练效果, 还会造成疲劳过度和外伤事故的发生。负荷量和负荷强度在一个训练周期中应呈波浪状态的发展趋势。
其次, 运动负荷的安排要考虑运动员的年龄特征、训练任务和运动水平。根据运动员不同年龄阶段的心理、生理特点, 不同训练阶段的训练任务和运动员的运动水平进行考虑。青少年心血管系统、呼吸系统发育尚不完善, 因此掌握耐力、速度耐力训练的强度至关重要。这就要考虑其发育不完善, 不能像对待成年人那样安排强度过大的运动量, 同时又要给予一定的强度刺激以促进运动员的心血管系统、呼吸系统更快地发育和提高, 从而使心肺具备适应大强度训练的功能。
再次, 运动员负荷的增加要逐步有节奏地进行。所谓逐步增加运动员负荷就是在训练或比赛中, 无论是运动训练强度还是运动训练量的增加总要遵循从小到大的原则, 经历加大一适应一再加大一再适应的过程。当负荷保持在一定的范围内的条件下, 机体的应激以及随之产生的一系列变化, 都会保持在一个适应的范围内。负荷的量度越大, 对机体的刺激越深, 所引起的应激也越强烈, 机体产生的相应变化也就越明显, 人体竞技能力的提高也就越快, 从而提高运动员对负荷的适应能力。
最后, 适当的搭配负荷量和负荷强度。训练过程中负荷的安排一般呈现一种波浪起伏的变化, 如果进行大运动量单调的训练, 容易抑制大脑皮层活动, 在过于疲劳的情况下还容易使尚未定型的动作变形, 对训练和提高技术是不利的。只有运动量适宜, 在每组训练后有足够的时间来休养, 才有充足的体力和兴奋性来完成下一组的训练, 才能保证动作的质量。要根据训练的不同任务来安排运动负荷。在训练中如果学习掌握新技术, 则强度不宜过大。由于新技术的学习需要教练的活动在其中, 在技术动作被逐步掌握还没有自动化时, 不免会出现这样那样的错误, 错误的纠正练习影响了练习的密度, 从而影响了练习负荷。如果主要任务是发展某一身体素质, 则负荷的量和强度都应加大。如耐力素质的训练, 应在每组练习后机体还没有完全恢复的时候就进行下一组训练。在比赛前期的训练, 应模拟比赛负荷的要求突出进行专项强度训练。
4、结语
无论从有利生长发育还是从发展基础运动能力、掌握多种技能以及促进身体素质发展看, 均宜注意身体的全面发展。循序渐进原则的生理学基础是生物机体对刺激的适应规律及运动条件反射建立和巩固规律。生理负荷量的科学安排是影响效果的重要因素。强度、密度、时间和数量是组成生理负荷量的重要因素。它们间相互联系、相互影响, 在其他因素基本相同的情况下, 改变其中一项因素将影响该次练习的生理负荷量。
参考文献
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[3]曹磊, 顾鸿泉, 杨颂.对运动负荷量与负荷强度的再认识[J].冰雪运动, 2013, 2.
生理负荷 篇2
鉴于此,采用实验法在赛前一两个月内的原月经前一周和期间安排大负荷训练,试探性调整业余短跑和中长跑运动员的月经周期。以期通过大负荷训练调整月经周期,为因竞赛恰恰安排在运动员月经期间而困惑和焦虑的运动员和教练员提供一个简便又健康的解决措施。
1 研究对象与方法
1.1研究对象
笔者在担任中学业余田径教练员的期间先后!择了月经正常稳定的一名短跑运动员江爱婵,一名中长跑运动员江金惠作为研究对象。
1.2训练实验法
在赛前一两个月内的原月经前一周,在本应该逐步减少运动负荷的情况下反而增大,致使月经周期延长,然后在原月经期间再保持或继续增大前一周的运动负荷,渡过原月经期间后即减少运动负荷,以便月经滞后发生。
2 结果与分析
2.1 大负荷导致短跑运动员月经滞后
1999年11月26—30日的“市中学生田径运会”恰恰安排在江爱婵运动员的月经期间(每月26—30日)。为了能让其在竞赛期间避开月经的干扰,我们在9月18日得知竞赛时间安排后,取消了原本在月经前一周应该逐渐减少运动量和运动强度的常规训练。
9月19—25日反而采取了加大运动量和运动强度的训练措施,如期所料,26日江爱婵的月经没有出现,26—30日继续保持并略有增大,19—25日的大运动量和高运动强度训练,31日开始减少运动量和运动强度,10月2—7日,江爱婵的月经出现。
l0月19—25日我们继续大运动量和高运动强度训练,26日江爱婵的月经同样没有出现,26—30日继续保持并略有增大,19—25日的大运动量和高运动强度训练,31日开始逐渐减少运动量和运动强度,11月2—6日,江爱婵的月经出现。11月7—24日,顺利安排了赛前的训练和调整。
11月26—30日,江爱婵超常发挥了原有的竞技能力,获得了女子初中组200m第一名、l00m第二名的优异成绩,而且创造了个人历史最好成绩。
2.2大负荷导致中长跑运动员月经滞后
2000年10月15—19日的“市二十届运动会”田径赛恰恰处于江金惠的月经期间。9月5日得知竞赛时间安排后,我们取消了原本在月经前一周应该逐渐减少运动量、运动强度,或减少运动量、保持运动强度的常规训练。
9月8—14日反而采取了加大运动量、保持运动强度的训练措施,如期所料,15日江金惠的月经没有出现,15—19日继续保持运动强度并略有增大8—14日的大运动量训练,20日开始逐渐减少运动量和运动强度,9月22—27日,江金惠的月经出现。
10月15—19日,江金惠获得了女子初中组800m第四名、1500m第三名个人最好成绩。
2.3大负荷训练导致运动员月经滞后的原因
大负荷训练,下丘脑—垂体一肾上腺轴(应激轴)的应激导致了糖皮质激素(GC)分泌明显增高,而GC对下丘脑—垂体—性腺轴(生殖轴)的活动存在强烈的抑制作用。所以,赛前一两个月内的原月经前一周和期间大负荷训练可以导致运动员“月经滞后”,而在竞赛后的休整期,经过两三个月的机体自行调整,运动员的月经又恢复到常规状态。
3 结论
基于本课题研究可以得出:
赛前一两个月内的原月经前一周和期间增大运动量和运动强度,或增大运动量保持运动强度的大负荷训练可以导致运动员“月经滞后”,以便竞赛期间顺利避开月经的干扰。
生理负荷 篇3
目前针对体育课生理负荷的讨论,总是习惯围绕一节体育课展开,其实随着国家课程改革的深入,学校体育越来越得到重视。按照《义务教育体育与健康课程标准(2011年版)》要求小学一、二年级每周4节,三至六年级每周3节,初中七至九年级每周3节,再加上一些兴趣小组活动课,一些学校的体育课甚至已经达到每周4~5节体育课。如此多的体育课必然会导致学生连续两天或两天以上有体育课的情况出现,试想如果某一节体育课的生理负荷很大,必然需要在后续的体育课中让学生及时进行恢复,因此这两节课的生理负荷就不可能用统一个标准去衡量。因此笔者建议以一周为一个生理负荷单元,有差别地安排一周中每一节体育课的生理负荷(见表1),以便更加科学合理的要求学生。
二、关注作息时间
在安排体育常态课生理负荷时,必须考虑到作息时间对体育课的影响,这包含两方面的分析:一是体育课本身所处时间段,即体育课的起止时间。一般说来,安排在上午8:30—10:30之间(也就是第二、第三节课)与下午的3:00—5:00之间的体育课,学生体力充沛、活动欲望强,适宜增加学生负荷。但在现实情况中,很多学校为保证文化课的学习效果,将大量体育课安排在上午最后一节课与下午第一节课。在这些时间段的体育课中,由于学生能量消耗与补给等方面的固有规律,学生运动状态相对较差,有的甚至并不适宜大强度地运动,任课教师必须降低生理负荷要求;二是体育课与其他课务的关系。笔者曾经遇到这样一件事情:一位数学教师要求与我所任教的体育课前后对调一下,问其原因,原来学生每次从笔者的体育课中回到班级时总是表现出明显的疲劳状,难以集中注意力。后来笔者查看班级课表,与多位文化课教师进行交流,他们都有共同的发现。因此笔者不得不针对不同的前后课务关系调整课堂生理负荷安排。比如后一节课是所谓主课的,我会尽可能安排高峰偏前型,以尽量减小对后面课务的影响。目前笔者所在学校在排课务时非常注意这方面的问题。
三、关注运动密度
在体育常态课中运动密度是生理负荷的基础,我们不可能在较低运动密度的情况下达成较高的平均生理负荷指数。分析当前体育常态课的运动密度发现,有两方面的现象值得关注:一是运动密度本身较低,导致生理负荷难以达到要求。在体育常态课中一些教师从“省时省力”的角度出发,需多用器材的尽量少用、要少用的尽量不用、能多分组的舍不得分组……加之习惯性讲解过多等原因,使得学生经常处于听或看的静止状态,与SPARK等要求的50%以上练习密度相去甚远,这种课的生理负荷自然难以提高;二是低效运动密度所带来的“虚假”生理负荷,即学生所进行的练习与课的学习内容关联度不大。表面上看学生一直在运动,但仔细观察发现学生的练习指向性不明、针对性不强、实效性不足。比如,一些常态足球课中,教师让学生很长时间围绕自由运球展开,既没有信号提示、也没有具体要求,学生只是在毫无目标、毫无意识、毫无提高的状态下进行运球练习,这种练习的密度是有的,生理负荷可能也是有的,但效果是差的,对学生的长期学习兴趣是有危害的。
四、关注季节
在体育常态课中,不同的季节会对体育课的生理负荷产生较大的影响。一般说来夏季准备活动的时间相对较短,生理负荷高峰状态持续时间也较短,且运动过程中与运动后保暖要求低,因此体育课的生理负荷比较适宜采用高峰偏前型与双峰型相结合的组合模式。当气温达到一定的程度时,还需要适当降低生理负荷的要求与练习的时间;冬季的准备活动时间较长,保暖要求较高,因此建议采用高峰偏后型与齿峰型相结合。
五、关注不同心率指数持续的时间
在体育常态课中常见教师在学生刚达一定的心率指数不久,由于担心安全等方面的问题,马上进行放松调整练习。其实不同的训练目的决定了心率指数的高低以及持续时间的长短。比如相关研究表明只有让学生在锻炼的过程中将心输出量能保持在较高水平的心率范围,也就是俗称的“最佳心率范围”,约最高心率的50%~80%之间,且保持这种“最佳心率范围”最好能达到5分钟以上才对发展有氧耐力具有一定的效果。如果重点发展无氧耐力训练且采用间歇训练法,则需要在峰值(一般认为学生最大吸氧量的80%以上)保持30秒以上,以1~2分钟为宜。在中小学体育常态课中,很难达到运动员的水平,但是在适当降低心率指数的情况下,建议教师不要缩短对持续时间的要求。这不仅可以切实提高训练的效果,也可以锻炼学生的意志品质,对提高学生心理负荷水平也有很大的帮助。
生理负荷 篇4
认知负荷目前尚不能直接对其测量, 只能用间接的方法对其进行评估。常用的评估方法有任务绩效测量、主观评定以及生理测量三大类。其中任务绩效测量又分为主任务测量和次任务测量。主任务测量是通过测定管制员完成指定作业的绩效来评估该作业的认知负荷。次任务测量采用双任务作业情景, 要求管制员除执行主作业之外再完成一项额外的作业 (次作业) , 通过考察双任务作业情景下次作业绩效受影响的程度 (相对于单任务情景) 来间接评估主作业的认知负荷。主观评定是通过使用主观的等级制度让管制员根据紧张度、压力、操作难度等心理负荷进行主观判断, 它是测量管制员认知负荷的最直接也是最常用的一种方法。目前主观评估方法有SWAT (subjective workload assessment technique) 方法、NASA-TLX (national aeronautics and space administration traffic load index) 方法、改进的NASA-TLX方法、ATWIT (air traffic workload input technique) 和WAK (workload assessment keypad) 方法及MCH (modified Copper-Harper) 方法等。这些评估方法都要求设计适用于特定情形的问卷, 通过管制员填写问卷完成评估工作。生理测量是通过测定管制员在进行指定作业过程中出现的生理反应来间接地评估认知负荷, 常用的生理指标有瞳孔直径、注视持续时间、眼跳距离、注视频率、心率、心率变异性和皮肤电反应等。Hasan Ayaz, Ben Willems与2010年提出了用光电图的方法对管制员的认知负荷进行评估[3]。美国林肯实验室的Kiran Lokhande和Hayley J.Davison Reynolds与2012年提出了视觉注意力分配技术在管制员认知负荷评估中的应用[4]。一般认为, 不同测评方法分别适用于不同的情景、不同的负荷水平范围。因此, 利用多种参数对认知负荷作综合评估以替代基于单一技术或指标的评估是比较合理的;同时, 认知负荷的多维度特性也决定了对其作综合评估的必要性[5]。
1 管制员认知负荷定义
管制员的工作负荷可以分为2类:客观 (可观察的) 负荷和主观 (认知理解的) 负荷。客观负荷是指管制员进行常规管制工作、解决冲突过程中所进行的能够被观察记录和记时的工作负荷。管制员主观负荷, 即认知负荷, 是指管制员在短时间内接收、保持、加工飞机信息的“心理能量”的水平[6]。主要体现在:管制员通过视觉和听觉, 接收各种信息 (如来自雷达显示终端、飞行进程单和陆空话音通讯的信息) , 产生相应的感觉。经过过滤, 在控制系统的作用下, 当前信息进入工作记忆, 与长时记忆系统中的空管规则和经验相互作用, 获得相应的意义。进行飞行冲突检测后, 形成对当前交通态势的认知。进一步形成反应的决策, 这种决策进入工作记忆导致外置的反应, 就产生了管制行为[7]。 (图1)
2 方法
2.1 被试
所有被试者均来至空中交通管制专业的10名学生, 其中男生8名 (占80%) , 女生2名占 (20%) 。年龄范围在21~25岁, 平均年龄为22.7岁, 标准差为1.636。所有被试者都对本实验的模拟机非常熟悉, 并有一定的模拟管制经验。实验之前被试者均没参加激烈的体力运动, 并且情绪稳定。
在本实验中, 每个实验任务由2个被试者完成, 一个是管制员, 在雷达模拟机上发布管制指令, 包括高度、航向、速度, 从而保障空中交通安全顺畅运行;飞行员的任务就是在飞行员席位正确高效执行管制员指令。
2.2 实验装置
本实验在中国民航大学空管学院信息技术实验室的雷达模拟运行平台上进行, 其中多路生理测量系统采用瑞典的Tobii-TX300眼动仪和神州津发公司开发的16导无线生理记录仪。被试者可以通过模拟机的键盘和鼠标以及陆空通话设备与飞行员进行通话。实验装置如图2和图3所示。
2.3 实验设计
本实验采用天航创力开发一系列模拟管制软件编辑实验计划, 管制场景为西安咸阳进近管制, 跑道为05 L (标高:470 m) , 垂直能见度8 000 m, 跑道视程1 200 m, 温度20℃, 气压1 010 Pa, 风速5 kt, 风向180°, 少云。
实验情景控制扇区内的冲突数量、航空器数量以及进离场比例的方法设计了5个管制情景, 实验情景的具体设计参见表1。
2.4 实验步骤
2.4.1 实验引导与适应性管制
实验引导包括介绍整个实验流程, 解释其中的每个步骤, 安抚被试者, 消除被试者疑虑。每位被试可在正式模拟管制实验之前进行两到三次适应性管制, 以熟悉进离场程序, 显控界面布局和管制操作。
2.4.2 管制技能测试
按照管制技能考核标准, 对被试者实验操作的熟练程度以及实验前练习是否充分进行打分。满分十分, 如果被试得分低于八分, 就重新向被试讲解操作方法。
2.4.3 基准值测量
由于生理测量的个体差异性比较大, 为了减少个体差异对本实验的干扰, 每次模拟管制实验之前, 先测量每个被试者在平稳状态下的各生理参数值, 为数据处理的归一化处理做基准。
2.4.4 模拟管制实验
(1) 启动系统运行控制软件、飞行员席位软件、管制员席位软件。
(2) 等待被试者发出指令“开始”, 生理参数采集系统开始采集数据。
(3) 模拟管制任务完成后, 生理参数采集系统停止记录。
(4) 被试者针对刚刚的管制情景进行NASA-TLX主观测量。
3 数据的收集与整理
每一组实验完成后, 收集和整理以下数据:注视持续时间、注视次数、眼跳距离和瞳孔直径;利用Tobii眼动仪记录眼动指标数据。
眼睛如果在较短的时间 (100 ms) 内稳定在一个相对的空间阈限范围内 (1°) , 速度低于阈限 (15~100°/s) 记为一个注视点。注视持续时间代表着处理信息所花费的时间, 反应的是获取信息的难易程度, 即从所注视的目标上获取信息所用的时间。注视频率就是单位时间内的注视次数。研究表明认知负荷越大注视持续时间越短注视频率越大。每次注视时瞳孔的平均大小就是瞳孔直径用Pd表示, 心理学研究表明, 认知负荷的增加会导致瞳孔直径变大。
眼跳距离是指从一次注视结束开始转移到下一次注视之前眼睛跳跃的距离。眼跳距离是一个衡量注意深度的指标。如果一次注视能够获取很多信息, 经过加工后, 转移到下次注视时就要跳过较大的距离。如果一次注视仅能获取到有限的、很少的信息, 则紧随其后的眼跳距离就会很小。心理学研究表明, 认知负荷越大眼跳距离越小。
心率和心率变异性用16导无线生理记录仪测量。心率为每分钟心跳次数, 用Hr表示。研究表明, 随着认知负荷的增加, 被试者的心率会显著增加。
心率变异性:心率变异 (heart rate variability, HRV) 是指窦性心率在一定时间内周期性改变的现象。Molder的研究表明, 随着认知负荷的增加, HRV会降低[8]。常用的有HRV的时域分析和频域分析。NN间期标准差 (standard deviation of normalto-normal beats, SDNN) , 单位为ms。相邻NN间期差值的均方根 (square root of the mean squared differences of successive NN intervals, RMSSD) 。典型的频谱可有三个峰, 大致位于0.04 Hz以下、0.05~0.15 Hz和>0.15 Hz, 分别称为极低频 (VLF) 、低频 (LF) 和高频 (HF) 峰。研究表明, SDNN、RMSSD、VLF、HF随认知负荷的增大而减小, LF随认知负荷的增大而增大。
4 结果与分析
4.1 任务情景对认知负荷的影响
利用SPSS软件计算各个认知负荷评估指标在不同任务情景下的均值, 并分别对各个指标在不同情景条件下的均值的差异性进行方差分析, 结果见表2。
从表2中的方差分析结果显示, 在不同的任务情景下, 注视持续时间、注视频率、瞳孔直径、心率、RMSSD、LF、均表现出显著的差异 (p<0.05) 。而眼跳距离、SDNN、HF和LF/HF变化的差异不显著 (p>0.05) 。由此可见, 对任务情景变化敏感的评估指标有注视持续时间、注视频率、瞳孔直径、心率、RMSSD、LF。
4.2 基于主观测量的认知负荷评估模型
NASA-TLX是由NASA (美国航空航天局) 研究开发的一个多维度认知负荷评价量表, 涉及到六个负荷维度 (因素) , 即脑力需求、体力需求、时间需求、绩效水平、努力程度和受挫程度, 每一维度由一条20等分的直线表示, 直线分别以低/高字样标示。被试者在量表上与其认为的相符处划上记号, 然后再将6个维度对总体认知负荷的贡献大小排序 (即确定权重) 。即
式 (1) 中, e表示NASA-TLX中的维度评分, w表示该维度的权重评分。
图4是NASA-TLX认知负荷总得分图, 由图可知, 情景3的认知负荷明显高于情景2, 情景5的认知负荷明显高于情景1, 情景3和情景4认知负荷比较接近, 大部分被试 (8/10) 认为情景3的认知负荷大于情景4。
4.3 基于BP网络的认知负荷综合评估模型
BP (back propagation) 网络是一种按误差逆传播算法训练的多层前馈网络, 是目前应用最广泛的神经网络模型之一。BP网络能学习和存贮大量的输入-输出模式映射关系, 而且无需事前揭示描述这种映射关系的数学方程。它的学习规则是使用最速下降法, 通过反向传播来不断调整网络的权值和阈值, 使网络的误差平方和最小。BP神经网络模型拓扑结构包括输入层 (input) 、隐层 (hide layer) 和输出层 (output layer) 。由数据分析结果得知, 与认知负荷显著相关的因素有注视持续时间、注视频率、瞳孔直径、心率、RMSSD以及LF共6个。因此, 输入项神经元个数设置为6个。输出神经元即为认知负荷的大小, 根据NASA—TLX测量结果, 对BP网络的的输出项神经元进行对应。网络结构中的网络层数采用单隐层的三层网络, 根据初测结果, 隐层神经元个数选择12个, 隐含层传递函数采用S型的正切函数, 输出层传递函数采用S型的对数函数, 训练函数选择trainlm函数 (Levenberg-Marquardt算法) , 期望收敛精度为0.001。由于生理测量的个体差异性比较大, 为了减少个体差异对本实验的干扰, 对所有的数据进行归一化处理, 转化成实验测量的生理参数与平稳状态下的生理参数的比值的形式。随机选择10名被试中的7个共42组数据作为训练样本, 其余的3个被试共18组数据作为测试样本。利用MATLAB软件编制程序进行网络训练和测试。
选择主观测量负荷值与BP网络测试负荷值之间的绝对误差、相对误差作为网络模型的性能指标, 计算每个被试在每个实验情境下BP网络测试负荷值与主观测试负荷值的绝对误差、相对误差。结果见表3。
表3显示, 两种认知负荷评估模型的偏差的平均值为0.19, 方差15.86, 标准差3.98。虽然两种评估模型的评估结果有一定的偏差, 但是整体变化趋势基本一致。由相关性分析可知, 两种认知负荷评估模型的相关系数为0.976, 有很强的相关性。
5 讨论
目前, 国内外对管制员认知负荷的研究还较少, 大多采用单一的指标或时间测量法来进行评估, 结果的可靠性不高。本研究采用实验法进行实时的测量管制员的生理参数, 并通过改变航空器数量进离场比例以及冲突点数量来控制认知负荷水平。结果显示注视持续时间、注视频率、瞳孔直径、RMSSD、LF对认知负荷的变化有显著的敏感性。通过两种不同模型的评估方法, 研究各个因素对管制员认知负荷的影响。
5.1 冲突点数量
情景2和情景3航空器数量和进离场比例相同, 冲突点数量不同, 冲突点数量主效应显著, F (1, 20) =1 532.67, p<0.001。结果表明:在扇区内航空器数量和进离场比例一定的条件下, 随着冲突数量的增加, 管制员认知负荷显著增大。
5.2 航空器数量
情景3和情景4冲突点数量和进离场比例相同, 航空器数量不同, 航空器数量主效应显著, F (1, 20) =140.48, p<0.001。结果表明:在扇区内冲突数量和进离场比例一定的条件下, 随着航空器数量的增加, 管制员认知负荷显著增大。
5.3 进离场比例
情景1和情景5航空器数量相同, 都无冲突点, 情景1为4架离场航空器, 情景5为4架进场航空器。进离场比例的主效应显著, F (1, 20) =2 019.97, p<0.001。结果表明:在扇区内冲突数量和航空器数量一定的条件下, 管制员在进场情景下的认知负荷显著高于离场情景下的认知负荷。
6 结论
本研究通过分析航空器数量、冲突点数量以及进离场比例与管制员认知负荷的关系, 发现注视持续时间、注视频率、瞳孔直径、心率、RMSSD、LF这六个指标对认知负荷变化具有较高的敏感性。以这六项指标的测量结果为依据, 采用BP神经网络构建认知负荷综合评估模型, 并与NASA-TLX评估量表测量的认知负荷进行对比, 发现两种认知负荷评估模型具有较高的一致性。
研究证明, 航空器数量、冲突点数量以及进离场比例的变化会显著影响管制员的认知负荷。这说明在评估管制员认知负荷时仅考虑扇区内航空器数量是不全面的, 还应同时考虑到冲突点数量和进离场比例这两个指标才能显得更为科学。
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生理负荷 篇5
关键词：体育课,负荷,研究对象,方法
一、研究对象
选择符合体育教学健康分组中基本组标准的金台区、高新区、渭滨区的3所学校, 初一到高三共110名学生作为受测者。
二、研究方法
(一) 文献资料法
(二) 实验法
三、研究与分析
通过对上体育课学生的课前安、课中分以及课后, 亲自进行手触桡侧动脉测量30秒的脉搏最后换算成一分钟的心率, 并对所得数据进行研究和分析
(一) 体育单一课和综合课的心率变化
通过对宝鸡市城区中学体育单一课和综合课的心率情况来看, 随着课的类型的不同, 最大生理负荷、平均生理负荷以及基本部分生理负荷都有明显的不同。我国的有关专家学者对参加体育锻炼者提出的心率指数为:男性每分钟在130~150次, 女性每分钟在120~140次的范围内, 因而就把正常学生一节课上取得最佳健身效果的心率区间确定为120~150 (次/分) 之间, 将此心率的保持时间控制在10分钟以上, 并以中等强度和中等量结合的运动负荷为主, 并兼顾学生的课后恢复, 才算是一节成功的体育课, 统计结果可以看出, 大多数课程的心率都在120~150 (次/分) 之间, 但也有一些课程如:足球、羽毛球、田径-足球、田径-羽毛球等课超出了适宜的心率范围, 表明了这部分体育课的生理负荷量还是偏大了。从平均生理负荷强度与基本部分平均生理负荷强度的比较来看, 宝鸡市城区中学体育课基本部分的平均生理负荷明显大于平均生理负荷强度, 足以说明基本部分的生理负荷在一节40分钟的体育课中, 无论是负荷强度还是负荷量上都达到了本节课的最高水平, 一般一节课的运动负荷模式有标准型、双峰型、前高后低型、前低后高型等模式;标准型指运动负荷由小到大逐渐上升到一定水平, 持续一定时间后再逐渐下降;双峰型指一节课学生承受两种运动负荷较高的练习。前高后低型主要指课的基本部分的前半部分运动负荷较大, 后半部分较小;前低后高型则与前高后低型正好相反, 运动负荷由小变大, 如课的前半部分为新授教材——投掷, 后半部分为复习教材——连续立定跳远。不管采取哪种模式, 运动负荷总的调节策略应是高低结合, 动静交替, 以足球课为例, 其平均最高为负荷强度135±8.8 (次/分) , 而基本部分平均生理负荷强度为139±5.5 (次/分) 。由此可见, 生理负荷强度随上课时间呈现斜坡向上的趋势, 说明这堂足球教学课的运动负荷对人体的生理刺激在不断加大, 基本上符合体育课生理负荷的要求。但是用指数法来分析, 不同类型课上学生所承受的生理负荷量不断加大指数如下:篮球≈1.71、立定跳远≈1.66、广播操≈1.69、足球≈1.73、排球≈1.65、跳远≈1.70、乒乓球≈1.72、羽毛球≈1.70、田径—篮球≈1.67、田径—足球≈1.65、田径—羽毛球≈1.59。综上可知, 除了田径—羽毛球课中学生所承受的运动生理负荷量属于中等负荷外, 其他类型课的运动负荷等级都属于大强度的练习, 显然宝鸡市城区中学体育课的生理负荷量还是偏大。
(二) 体育课各部分平均心率变化情况
统计结果显示, 随着教学进程学生的心率在不断上升, 到基本部分时达到较高的心率, 在结束部分心率逐步下降, 基本符合体育课生理负荷的要求, 可是从测定数据来看, 学生在课后10分钟的平均心率没有恢复到安静时的状态, 说明运动胜利负荷量还是偏大。用指数发来分析可得出以下指标:初中男生≈1.56、初中女生≈1.46、高中男生≈1.80、高中女生≈1.73, 由此可以反映出初中男女生的生理负荷量还是属于一个正常合理的区间, 而高中男女生体育课中的生理负荷量却还是属于负荷等级偏大, 分析原因一方面可能是课堂运动负荷过大, 或是体育课教学基本部分时间过长或过晚, 负荷的最高点出现过晚所致。但是从另一方面来分析, 也有可能是学生的身体素质状况较差, 运动后心率不能快速恢复。
综合以上数据分析得出以下结论:宝鸡市中心城区中学的体育课各部分时间分配基本合理, 体育课密度基本合理但与标准相比还是存在着一些差距, 运动负荷强度偏大未达到合理的运动负荷要求。
体育课必须安排适宜的运动负荷量, 在体育课教学中, 教师要注意安排和调节体育的运动负荷, 让学生运动适度, 达到锻炼身体、增强体质、培育体育精神的教学目的。因此在教学中教师要根据不同学生的年龄、性别和体质特点, 还要结合不同的教学内容而安排适宜的运动负荷量, 从而达到提高学生体育水平的目的, 更好地完成体育教学的任务。