競技能力增長理論模型及其演進

胡海旭

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競技能力增長理論模型及其演進

胡海旭

主要運用歷史研究方法和文獻資料法，對20世紀中后期競技能力增長的理論模型及其演進特征進行揭示和剖析，厘清其理論的科學基礎(chǔ)與演進特點。結(jié)果表明：1)競技能力增長模型大抵進路為：以1950年代Selye應(yīng)激理論提出的GAS模型衍生而來的運動訓練“超量補償循環(huán)”模型、“高級適應(yīng)循環(huán)”模型、“超量補償循環(huán)和代償適應(yīng)”模型等生理學理論模型，到基于生理學、物理學和數(shù)學、計算機科學提出的 CP模型、IR模型、PerPot模型等計算模型；2)生理學是運動訓練的重要基礎(chǔ)；3)數(shù)學模型通過假設(shè)與驗證，實現(xiàn)對復雜生物系統(tǒng)的有效表達，并可根據(jù)個體參數(shù)不同實現(xiàn)模型個性化；4)融合計算機信息技術(shù)的“PerPot模型”則通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)，即刻優(yōu)化訓練計劃和預(yù)防過度訓練，借助其強大的運算功能，達到運動訓練數(shù)據(jù)與目標成績之間的高度擬合。研究認為，同其他科學與社會的發(fā)展規(guī)律一致，如吉姆·格雷在“科學的第4個范式”中所言，數(shù)據(jù)密集型科學理論或同樣是運動訓練理論與方法的下一個科學范式，并有待基于此范式，構(gòu)建下一個競技能力增長理論模型。

運動訓練；競技能力增長；生理學；數(shù)學；計算科學；數(shù)據(jù)密集型

自從運動訓練實踐誕生以來，人們一直都試圖尋找提高運動訓練效果的機制原理來揭示運動訓練過程，以便更好地指導運動訓練活動。值得注意的是，在經(jīng)歷兩次世界大戰(zhàn)后，全世界對運動訓練的關(guān)注似乎更加活躍。戰(zhàn)后的世界，面臨急劇矛盾沖突后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整，同樣，壓制已久的科學創(chuàng)造成果與社會改革力量迎來釋放的時機，科學社會的全面繁榮為體育科學，尤其是為攜帶國家政治基因的競技體育運動訓練活動注入了全新的動力。事實也表明，不到20年的時間，運動訓練相關(guān)的現(xiàn)代基礎(chǔ)理論全面爆發(fā)，如運動生理學、運動心理學、運動生物力學等學科的獨立發(fā)展均誕生于1960s[54]。而1980s“大科學時代”的來臨，同樣也帶來運動訓練科學化的發(fā)展。人們愈發(fā)意識到運動訓練理論已不再是單一學科理論可以應(yīng)對的。一方面，受到國際大環(huán)境趨于和平的訴求，各國將競技體育視作國際交流的重要舞臺；另一方面，此時來之不易的和平為科學發(fā)展鋪設(shè)了肥沃的土壤，推動科學的迅猛發(fā)展以及科學對和平守護的多重張力，共同催生了科學創(chuàng)新和學科發(fā)展的勃興。由此，也影響著運動訓練的科學化進程?；诖?，本文試圖對這一時期以來指導運動訓練的理論模型進行梳理和解析，擬將這類模型歸類為競技能力增長理論模型，厘清人們認識和解釋運動訓練活動的科學進路，為推動當前運動訓練理論與方法的發(fā)展提供一些歷史邏輯與科學啟示，為運動訓練實踐提供一些理論參考。

1 生理模型及其演進

20世紀50年代，加拿大籍匈牙利內(nèi)分泌學家塞里(H·Selye，1907—1982)[36]基于伯爾納(Claude Bernard)的“內(nèi)部介質(zhì)”和坎農(nóng)(W.B.Cannon)的“內(nèi)穩(wěn)態(tài)”學說，在1936—1956年期間提出生物的生理“應(yīng)激理論”。塞里把應(yīng)激看作是人或動物有機體對環(huán)境刺激的一種生物學反應(yīng)現(xiàn)象，由加在機體上的許多不同需求引起，并且是周身的，非特異性的，統(tǒng)稱為一般適應(yīng)綜合癥(the general adaptation syndrome，GAS)，表現(xiàn)為報警、抵抗、衰竭3個階段。塞里提出的非特異性，是指多樣性、性質(zhì)不同的刺激引起同樣的或類似的全身反應(yīng)，如果刺激太強，時間太長，機體會逐漸失去應(yīng)付能力，則出現(xiàn)衰竭，陷入病理狀態(tài)。隨著應(yīng)激的普遍性及其研究的深入，當前已經(jīng)發(fā)展到如下幾種情形[7]：1)應(yīng)激是指那些使人感到緊張的事件或刺激環(huán)境，從這個意義上說，應(yīng)激對人是外部的；2)應(yīng)激是指一種主觀反映，從這個意義上講，應(yīng)激是緊張或喚醒的一種內(nèi)部心理狀態(tài)，是人體內(nèi)部出現(xiàn)的解釋性的、情感性的、防御性的應(yīng)對過程；3)應(yīng)激是指人體對需要或傷害侵入的一種生理反應(yīng)。

1.1 三大經(jīng)典模型的提出

1967年，雅克夫列夫(Yakovlev)根據(jù)塞里應(yīng)激模型提出“運動訓練的超量補償循環(huán)”模型[74]；1968年，康希爾曼(James Counsilman)也由應(yīng)激理論提出“運動訓練的高級適應(yīng)循環(huán)”[27]；20世紀70年代，馬特維也夫(Matveyev)則綜合雅克夫列夫和康希爾曼的模型提出了“超量補償循環(huán)”和“代償適應(yīng)”模型[6,27]，并于1981年被翻譯成英文出版[58]。

雅克夫列夫和康希爾曼均贊同塞里基礎(chǔ)理論，認為物理負荷的反應(yīng)與報警反應(yīng)是一致的，并以工作能力下降或疲勞發(fā)生的形式出現(xiàn)。雅克夫列夫指出，“適應(yīng)的發(fā)生是一個有次序的循環(huán)狀態(tài)，即‘負荷-無負荷-加大負荷-無負荷’的訓練恢復理論模式”，而康希爾曼的高級適應(yīng)模式是以“負荷上再加負荷”理論為基礎(chǔ)的。雅克夫列夫雖然認識到了引發(fā)不適應(yīng)的潛在因素，但認為恢復前又有負荷；而康希爾曼則指出，負荷高到某一特定點后，機體承受負荷時也有適應(yīng)發(fā)生，并不再繼續(xù)恢復，但沒有說明為促進完全恢復，而降低負荷。

直到馬特維也夫，才綜合了二人的觀點，將“負荷-適應(yīng)循環(huán)模式”解釋得更為準確，同時，還強調(diào)了運動訓練過程甚至需要處于一種長期不完全恢復和訓練末超量恢復的狀態(tài)，這種狀態(tài)只在訓練循環(huán)末期，通過降低負荷來實現(xiàn)，累積訓練的整體效應(yīng)，進而帶來競技能力更好、更大的增長[6,27]，亦即運動訓練中的超量恢復模型。然而，超量恢復理論的質(zhì)疑者提出了新的模型，如1988年，德國學者馬德爾(Mader)以適應(yīng)理論為基礎(chǔ)，從細胞代謝的層面提出了“機能儲備模型”的訓練適應(yīng)模型，隨后，諾依曼( Neumann) 也提出“改變-適應(yīng)的時間動態(tài)”理論[2]。前者認為，運動訓練適應(yīng)過程是對原本存在“適應(yīng)儲備”的挖掘；后者則提出，運動訓練刺激是對機體平衡狀態(tài)的干擾與重建，是一個不斷“適應(yīng)”與“提高”的過程。

可以看出，上述理論均是建立于塞里的“應(yīng)激理論”而提出的。事實上，應(yīng)激理論在生理學和心理學領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，其實用性解決了不少生理和心理現(xiàn)象，因此，也應(yīng)用到運動訓練活動中。然而，應(yīng)激理論是否無懈可擊？我國生理學奠基人之一的蔡翹院士曾質(zhì)疑“應(yīng)激理論”[1]：

1.“應(yīng)激也可能引起特異性適應(yīng)癥，實際上，內(nèi)、外環(huán)境的不利因素所引起的反應(yīng)是極端復雜的，視其性質(zhì)、強度、作用時間及機體技能狀態(tài)之不同而各有差異，而且很多反應(yīng)是鏈鎖性的，互相影響，互相調(diào)節(jié)，甚至互為因果的，很難硬性劃分特異性和非特異性。”因此，運動訓練引起人體生理和心理反應(yīng)亦如此。

2.“生理應(yīng)激過程的3個階段，即對刺激的直接反應(yīng)及代償反應(yīng)、對刺激的部分或全適應(yīng)、刺激停止后的恢復過程是互相穿插，互相交聯(lián)的，恢復和適應(yīng)很難明確分開，‘神經(jīng)-肌肉’一面勞動，一面恢復，所以不致于發(fā)生疲勞。”就運動訓練而言，訓練與恢復的節(jié)奏控制也充滿復雜性，很難具體而明確。

3.“內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)是多方面的，如神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)、‘神經(jīng)-體液’的調(diào)節(jié)、單純體液途徑的調(diào)節(jié)，還有細胞代謝的自我化學調(diào)節(jié)，因此帶來適應(yīng)有難易之分、應(yīng)激適應(yīng)時間的長短之分、應(yīng)激機制極端復雜等特性?！痹谶\動訓練中，訓練適應(yīng)過程同樣處于一個極其復雜的調(diào)節(jié)與控制當中，除了訓練方法得當，訓練的藝術(shù)性同樣不容忽視。

4.“生理應(yīng)激的恢復過程，是指應(yīng)激反應(yīng)及適應(yīng)反應(yīng)逐漸消失，恢復了體內(nèi)環(huán)境到未被刺激前的情況，包括恢復內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性和恢復到原來情況。但任何一種劇烈反應(yīng)后的恢復過程總在波動中完成，源于需要多方面的調(diào)節(jié)才能實現(xiàn)，生物的自動控制并不那么精確。應(yīng)激作用強，時間長和適應(yīng)的程度好，恢復就慢。但恢復時間并不與適應(yīng)程度成反比，因為所謂特殊刺激都是尋常所見的，所以其作用的總時間總要比正常條件的刺激短得多。”就運動訓練而言，恢復內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性是運動訓練需要的恢復，恢復到原來情況是運動訓練杜絕的恢復。此外，馬特維也夫傳統(tǒng)分期理論對多年系統(tǒng)訓練的有序分期與組織是否更有利于建立一種更長的刺激產(chǎn)生適應(yīng)而缺乏強度？板塊周期理論的大強度但時間短是否會影響訓練適應(yīng)程度等？值得證實[3]。

基于蔡翹院士的上述觀點，本文認為，如果以“應(yīng)激理論”的非特異性原則來指導運動訓練亦會存在局限。

1.2 “超量恢復”理論模型研究進展

鑒于超量恢復周期模型相關(guān)支持理論的最新研究進展，有必要對其演進史進行重新梳理。早在20世紀40年代，在一些生理、生化的研究論著中就出現(xiàn)類似“超量恢復”現(xiàn)象的研究[2]。但直到Hultman E和 Bergstr?m J(1966)在《自然》雜志上發(fā)表《運動后肌糖原的合成：因素存在于人體肌細胞中》一文，才正式明確存在肌糖原的“超量恢復”現(xiàn)象。研究中，兩名受試單腿騎功率車(一人用右腿騎車，左腿休息，另一人相反) ，以同樣1 200 kpm/ min的負荷，5～20 min一次間歇，直至力竭(無法繼續(xù)1 min以上的運動)。接下來，3天內(nèi)安排受試者進補專門的碳水化合物食物(力竭運動后，進食碳水化合物比進食高脂肪和蛋白質(zhì)及混合食物對糖原恢復更有利[15])，并分別對股四頭肌糖原(認為股四頭肌糖原代表糖原含量水平)進行檢測。結(jié)果顯示(圖1)，第1天，測試腿糖原含量就遠遠超過對照組；第2天，受試者測試腿中糖原高出近2倍，運動導致肌肉糖原耗竭后，反而能提高其糖原重新合成能力。但其機制尚不明確，研究者認為，可能是一個或多個刺激因素，導致肌糖原合成或者細胞膜的影響，刺激了糖原攝取。研究者亦指明，這項研究可用于正常人的體育鍛煉(或運動員的運動訓練)和糖尿病人碳水化合物飲食的建議。翌年，兩人提出，工作肌肉的現(xiàn)有肌糖原含量是維持長期大負荷工作的決定性因素，且這種工作能力及其糖原含量可通過糖原耗竭后進食不同食物來調(diào)節(jié)[15]。這兩篇文獻在描述力竭性工作肌肌糖原超量恢復現(xiàn)象及其營養(yǎng)補充領(lǐng)域起到引領(lǐng)性作用。隨后，1984年，James D E和Kraegen E W研究運動訓練對肌肉和肝臟中的糖原、糖原合成酶、磷酸化酶的影響，也發(fā)現(xiàn)運動訓練可以對碳水化合物消耗具有保護作用。運動訓練引起比目魚肌的糖原、糖原合成酶增長60%～150%、糖原含量增長50%～70%。于是，肌糖原含量越高，運動疲勞發(fā)生的時間越晚，糖原含量尤其對長期、劇烈運動十分重要。因此，可用于指導耐力運動訓練獲取最佳競技狀態(tài)[38]。

圖1 負荷腿與非負荷腿股四頭肌糖原含量示意圖

根據(jù)對ISI文獻中的跟蹤調(diào)研發(fā)現(xiàn)，自Hultman E和Bergstr?m J 1966和1967年連續(xù)發(fā)表文章闡明長時間力竭運動后，補充碳水化合物帶來顯著的肌糖原超量恢復現(xiàn)象以來，對運動飲食或運動營養(yǎng)補充、肌糖原與競技能力的關(guān)系的研究便不斷涌現(xiàn)，且以運動營養(yǎng)補充促進肌糖原更好的恢復方面的研究更為普遍。本文對1966年迄今為止，引用頻次在200～500次以上(21世紀選擇100次以上)的文獻進行篩選，選取不同時期代表性研究結(jié)論進行了歸納(表1)。

同時，據(jù)現(xiàn)有文獻研究發(fā)現(xiàn)，將“超量恢復”用以解釋運動訓練對人體機能能力的影響，源自1972年原蘇聯(lián)列寧格勒體科所的雅克夫列夫(前文提出根據(jù)1994年康希爾曼著述是1967年)的研究，1977年首次完整地提出了“超量恢復”學說，并將其作為解釋運動訓練效果的理論基石?？梢钥闯?，雅克夫列夫所提出的運動訓練中的超量恢復應(yīng)用是在Hultman E和 Bergstr?m J發(fā)現(xiàn)肌糖原超量恢復現(xiàn)象之后，而馬特維也夫更是繼承了二者的學說。超量恢復理論自前蘇聯(lián)傳至中國并成為我國運動訓練的理論支柱之一[5]，但在進入21世紀前后，超量恢復理論遍受質(zhì)疑，認為應(yīng)被“體力波”訓練理論和“適應(yīng)性”訓練理論所替代[4]。

為了解國際最新研究進展，本研究在南京大學杜廈圖書館通過ISI web of knowledge數(shù)據(jù)庫以“supercompensasion”為主題(2015/11/27)進行搜索，共獲得964條文獻記錄，前5個研究方向分別為生物化學與分子生物學、生理學、內(nèi)分泌代謝、運動科學、解剖形態(tài)學，其中，運動科學方向有147篇文獻。被引頻次最高的兩篇是《運動訓練與飲食對肌糖原和運動能力的影響研究》[75]和《過度訓練和恢復》[50]。而以“supercompensasion”為標題進行搜索，共獲得155篇文獻，運動科學方向共67篇，分析發(fā)現(xiàn)，主要涉及力竭運動后肌糖原超量恢復、碳水化合物超量恢復以及近期關(guān)于腦糖原超量恢復的研究[33,56-58,81]，且肌糖原和腦糖原超量恢復都是基于長時間力竭性運動之后產(chǎn)生，二者都可以提高運動訓練中所需能源儲備。

表1 肌糖原超量恢復相關(guān)代表性文獻研究內(nèi)容與進展一覽表

值得關(guān)注的是，腦糖原的研究曾一度因爭議被擱置，但21世紀初又再次逐漸引起科學家們的重視，圖2是以“主題:(Brain glycogen)，時間跨度=所有年份”，分別于2014年1月25和2015年12月27日在ISI web of science中搜索到文獻9 171條和11 142條，其中，2002年以來出版文獻數(shù)和2003年以來文獻被引用數(shù)急劇遞增，近1年半每月平均增加近100篇研究文獻。

圖2 以“Brain Glycogen”為主題在ISI中搜索到的文獻計量示意圖

腦糖原比肌糖原和肝糖原濃度相對要低，但卻是腦葡萄糖含量的幾倍。成年人腦糖原主要存在于腦星形膠質(zhì)細胞中，是神經(jīng)元活動的主要能源，它由神經(jīng)遞質(zhì)和周圍葡糖糖濃度來調(diào)節(jié)?？煽垦芯勘砻?，低血糖條件下，星形膠質(zhì)細胞糖原分解為乳酸，并傳遞到相鄰的神經(jīng)元和突觸，部分乳酸為軸突提供能量[14,18]，進而延長神經(jīng)和軸突在高強度活動下的穩(wěn)定性能[17]。在長時間力竭運動之后，糖原超量恢復，不僅存在于骨骼肌中，而且在腦中也存在，進而提高動作控制(運動耐力)和認知功能[14,57]。同時，腦糖原可能是劇烈運動引起中樞疲勞的部分機制所在[57]。2010—2013年已經(jīng)有研究提出，“長時間力竭運動后腦糖原出現(xiàn)超量恢復現(xiàn)象”(圖3)[56-58]。新近的研究成果表明，“腦糖原”和“運動引起腦糖原超量恢復”的研究結(jié)論將為我們重新審視“超量恢復理論”推開新的理論窗口。由此，本文認為，“超量恢復理論”的提出已經(jīng)過去近半個世紀，對原有理論的質(zhì)疑本是科學的積極態(tài)度，但質(zhì)疑的同時應(yīng)汲取和跟進最新的研究動態(tài)，同時，我們自身也不能忽視基于西方科學實證傳統(tǒng)的同步推進，否則可能容易丟失“傳統(tǒng)科學”與“科學的傳統(tǒng)”。

圖3 力竭運動后腦糖原、肌糖原和 肝糖原的動態(tài)變化示意圖

2 生理實證與數(shù)學推理相結(jié)合模型及其演進

隨著生理模型不斷提出并應(yīng)用于運動訓練實踐，人們也逐漸發(fā)現(xiàn)，僅此已不能滿足運動訓練實踐中的復雜性需求。1960—1970年代美蘇冷戰(zhàn)，激發(fā)了美國向“科學和數(shù)學”看齊，隨后的計算機信息技術(shù)更是推動現(xiàn)代科技的數(shù)學化和信息化發(fā)展，運動訓練理論模型也隨之改進。本文例舉自20世紀60年代至21世紀初的3個經(jīng)典模型，闡述其進路。

2.1 臨界功率(Critical Power，CP)模型

Monod和Scherrer 1965年正式提出用于測試動態(tài)和靜態(tài)肌肉做功的“臨界功率(Critical Power，CP)”模型(Scherrer等，1954；Scherrer和Monod，1960；Monod和Scherrer，1965)。CP模型是指最大輸出功率(P)和局部肌肉疲勞前保持最大功率的時間(T)存在雙曲線關(guān)系：W總=CP×T+W′，其中，CP代表有氧做功部分(單位：W)，W′是無氧做功部分(單位：J)。并由此推導功率為：P=CP+W′/T，而如果一個項目的無氧功率高于CP，則最大功率持續(xù)的時間為：T= W′/(P-CP)(圖4)。1980 s早期，Moritani等[59]和Whipp等[81]將此概念擴展到全身的訓練功率中，發(fā)現(xiàn)不同受試者在功率自行車訓練中達到疲勞時，CP與氣體交換的無氧閾顯著相關(guān)，CP和能量儲備之和與最大攝氧量也顯著相關(guān)。

圖4 二變量CP模型的3種主要表達形式

CP最初的理念來自于功率P=W/t，以其表示在不同功率時，做功與疲勞出現(xiàn)之前所持續(xù)的時間之間的線性關(guān)系。模型的兩個變量中，P是功率，T是功率持續(xù)的時長。對于游泳和跑步項目而言，P和CP可用速度(S)和臨界速度(CS)表示，W′用距離D′表示。傳統(tǒng)方法是通過對不同持續(xù)時間的最大恒定功率測試，獲得CP和W′。但是，由于多個單元測試導致不可控的干擾因素會影響其結(jié)果。為消除傳統(tǒng)測試方法的不足，有學者將其改進為3 min最大強度測試[78]。

Morton[61]將CP模型的假設(shè)條件歸納為4點：1)兩類能量物質(zhì)輸出功率：有氧和無氧；2)有氧能量是無限供能的(即可以在CP強度或CP以下強度長時間無限運動)，但其轉(zhuǎn)化為做功的效率是有限的；3)無氧供能在轉(zhuǎn)化做功效率上也是無限的(即最大輸出功率或最大速度是無限的)，但其能量是有限的；4) W′耗盡時將出現(xiàn)力竭。目前，CP模型已經(jīng)在一些運動項目中較好地評估了肌肉能力表現(xiàn)，尤其在自行車、跑步、游泳和劃艇[44]等項目中。然而，有研究也提出，這些假設(shè)過于牽強，該模型對最大功率持續(xù)時間限定2～30 min才適用[61]，通過W′產(chǎn)生最大功率也是有限的，因為難以知曉受試者的最大功率工作能力是否足夠大且穩(wěn)定，而W′在力竭時也不可能耗盡[44]?？傮w而言，會導致CP高估，而W′低估。

為彌補不足，Morton[37]創(chuàng)立了三變量CP模型(圖5)。假設(shè)最大輸出功率是無限的，且力竭發(fā)生在W′耗竭之時。修正后放寬了兩變量模型的要求，漸近線在t=0時也存在，T無限接近于0，修改后的數(shù)學表達為(1)：

圖5 三變量CP模型

注：與二變量模型相比，同樣的數(shù)據(jù)，三變量模型CP值較低，且W′值較高。三變量模型的第3個變量Pmax代表最大的瞬時功率[37]。

t= W′/(P-CP)+K，(K<0)

(1)

K是漸近線，假設(shè)為負值。因為最大功率(Pmax)只能在瞬時產(chǎn)生(即力竭時間為0)，則意味著：

t= W′/(P-CP)+ W′/(CP-Pmax)

(2)

Morton進一步假設(shè)了訓練中可達到的最大輸出功率有賴于W′的剩余量大小。通過這樣一個數(shù)學推理補充，他將上述方程中最大功率變換為“最大瞬時功率”，P且被證明與剩余W′有一個線性函數(shù)[37]，因此，改良后的CP模型假設(shè)力竭時W′耗盡，變?yōu)榱甙l(fā)生在最大功率小于理想輸出功率時。此外，t是總的持續(xù)時間，n是間歇次數(shù)，Tw和Tr分別是每個間歇的功率持續(xù)時間和每個間歇的恢復階段，Pw和Pr分別是做功和休息階段的輸出功率[60]。同時，模型的合理性還需要以下約束條件：

0≤Pr

(3)

可見，Morton和Billat[60]將兩變量CP模型進行補充，更有利于優(yōu)化間歇運動的訓練處方。概言之，CP模型的突出優(yōu)點，是將能量輸出和機械效率統(tǒng)一于一個變量關(guān)系中，且簡單易行。此外，一些運動訓練實踐中難以實現(xiàn)的人體運動參數(shù)通過數(shù)學轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)和優(yōu)化，使得運動訓練負荷與競技能力增長模型在原有生理模型的基礎(chǔ)上更能向指導實踐推進一步。

2.2 訓練負荷-效應(yīng)模型(impulse-response，IR)

1975年，Banister E W提出“訓練負荷-效應(yīng)模型(impulse-response，IR)”[11]，試圖解釋運動訓練與競技能力提高的個性化預(yù)測問題，該模型是運動訓練理論與方法中最具代表性的經(jīng)典模型之一，陸續(xù)得到研究和拓展(Calvert等，1976；Busso等，1997，2002；Busso，2003)[21]。其基本定義：“對前期訓練負荷在特定時間產(chǎn)生累積效應(yīng)的競技能力量化描述?！盵76]通過簡潔地描述個體的訓練“負荷-效應(yīng)”關(guān)系，將非線性復雜因素個性化地設(shè)定在一個單一框架中，其目的是通過運動訓練計劃定量數(shù)據(jù)和運動成績預(yù)測運動訓練效果，最終實現(xiàn)優(yōu)化訓練質(zhì)量。原始研究是對游泳訓練負荷和成績效應(yīng)進行模型化[11]。此后，該模型在其他運動項目中也得到應(yīng)用(如跑步、游泳、自行車、鐵人三項、舉重、鏈球等)。

IR建模之初，為檢驗運動訓練引起競技能力的變化過程，Calvert等[26]提出，競技能力的動力學和一階系統(tǒng)行為類似，系統(tǒng)行為隨時間而變化，并可利用常微分方程(ODEs)建模。Calvert等因此提出常微分方程可以用以量化競技能力的時間動態(tài)變化過程，隨后用標準數(shù)學技術(shù)進行了求解[26]。然而，在后期發(fā)現(xiàn)方程難以解釋近幾個月對游泳訓練采集的所有競技能力(成績)數(shù)據(jù)，且游泳運動員的競技能力在負荷增加時反而下降，Calvert等對原方程又進行了修改，根據(jù)訓練帶來積極與消極的兩種效應(yīng)，試圖建立一個二元系統(tǒng)，并驚喜地發(fā)現(xiàn)，二元系統(tǒng)方程與最初一元系統(tǒng)方程是一種形式。

具體而言，該二元系統(tǒng)模型假設(shè)運動訓練負荷存在2個相反的函數(shù)效應(yīng)關(guān)系：一是正向效應(yīng)(PTEs)，致使運動員機體處于健康狀態(tài)，并帶來運動成績或競技能力提高；二是負向效應(yīng)(NTEs)，致使運動員短期或長期處于疲勞狀態(tài)，并帶來運動成績或競技能力停滯或下降，且對已知的訓練負荷，開始NTE超過PTE而導致競技能力下降，然而，NTE隨時間消減得更快，最終PTE超過NTE，競技能力增加。其中的PTE和NTE，分別與測得的健康與疲勞生理學參數(shù)均存在對應(yīng)的量化關(guān)系，如女性跑步運動員的鐵狀態(tài)生物標志物的動力學、肌細胞損傷的標志物(血清酶升高，如肌酸激酶、乳酸脫氫酶和天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶[13])在NTE時活躍；通氣閾與PTE顯著相關(guān)，NTE與個人的情緒狀態(tài)問卷(反應(yīng)感覺疲勞)中度相關(guān)[82]；同樣，血清激素水平與NTE、PTE也存在顯著相關(guān)[20]。IR模型的具體表達見圖6、圖7。

圖6中，A是IR模型的求和方程，B是IR模型的遞歸方程，兩方程中P(t)是時間T時的競技能力，P(0)是初始的競技能力水平；K1和K2分別是健康和疲勞強度因子；τ1和τ2分別是健康和疲勞衰減的時間常數(shù)；W(s)是已知自第1周到賽前一段時期的周(或日)訓練負荷。這些變量都是以個體的反應(yīng)來解釋的[62](Mujika等，1996)。圖7是對訓練效應(yīng)定性特征的模擬。模型是以日訓練負荷作為輸入變量的，因此，定義訓練負荷為：訓練負荷=訓練強度×持續(xù)時間。

圖7 競技能力隨運動訓練負荷變化的IR模型定性描述

注：底部是日常訓練負荷的時間函數(shù)。運動員在開始的120天中，每天進行100 TRIMPs的負荷訓練，隨后進行7天減量訓練，每天訓練負荷為30 TRIMPs，接下來停訓。PTE、PNE和競技能力通過TRIMPs來計算，其參數(shù)如下：p(0)=500，K1=1，K2=2，τ1=27,τ2=10。

訓練強度一般采用Eric Banister提出的TRIMP，即以每分鐘的心率HR來度量強度，同時還考慮到高強度負荷比同時長的低強度負荷的代謝過程更費力[12]，具體表達：1)TRIMP=t×k×FHRR；2)FHRR=(HR平均-HR休息)/(HR最大-HR休息)。其中，t是訓練單元持續(xù)的時間(min)，F(xiàn)HRR是心率儲備分數(shù)，k=0.64e1.92×FHRR(男)或者k=0.86e1.67×FHRR(女)。

此外，還有研究提出，在自行車訓練中采用訓練強度得分(TSS)，這種方法考慮到爬坡、風速等對不同強度訓練輸出功率的影響，而取平均功率來度量其強度[8]。隨著人們對IR模型的深入認識和拓展，IR模型不僅應(yīng)用于競技運動，而且可用于個人疾病和損傷康復，如Le Bris和Coauthors用這個模型預(yù)測心血管病人在康復計劃中斷或被干擾時的功能能力損失情況，以及第2階段康復病人每周2～3次和每周5次康復訓練的治療效果比較[53]，Jomenez和Skiba等還運用這一模型預(yù)測膝蓋手術(shù)病人的功能能力恢復周期[32]。

當然，IR模型也存在明顯的缺陷：1)需要受試運動員保持激昂的測試動機來全力配合訓練數(shù)據(jù)的采集，且測試比較頻繁(至少每周1次)，因此經(jīng)常表現(xiàn)出預(yù)測能力偏差[77]；2)測試需要購買昂貴的設(shè)備；3)IR模型假設(shè)健康和疲勞對訓練負荷的應(yīng)答是線性的，但現(xiàn)實中機體對訓練的適應(yīng)是有限的。為反映這一生理現(xiàn)實，Hellard等(2005)提出對IR模型的修訂，日訓練負荷[w(s)]用飽和HILL方程進行轉(zhuǎn)換，將原模型中對訓練負荷的線性自適應(yīng)刺激調(diào)整為非線性(公式4、5)。

(4)

(5)

Busso及其同事(1997)同樣也發(fā)現(xiàn)，不隨時間改變的參量可能不適合于不同訓練計劃的競技能力模型，因此，為找出隨時間變化的參量，Busso等用一個遞歸最小二乘算法使得變量隨時間變化，并發(fā)現(xiàn)改變后的模型更能與成績數(shù)據(jù)擬合。同時，通過增加訓練頻率來提高訓練負荷引起增益變量K1和K2變化，這促使Busso(2003)對IR模型進行了修改，將K2重新定義(公式6)，修改后的負面效應(yīng)可表達為(公式7)：

(6)

(7)

至此，可進一步將IR模型定義描述為：基于前期競技能力水平加上正向訓練效應(yīng)(PTE)減去負向訓練效應(yīng)(NTE)所得的競技能力變化值。與CP中的W′不同，模型參數(shù)可能不僅僅是單一的生理學變量，而是反映訓練效應(yīng)的動力學多變量聚合影響。并且，通過輸入具體運動員數(shù)據(jù)和變量值，模型可以個性化。修正的二元系統(tǒng)IR模型為運動訓練適應(yīng)的動力過程提供了一個解釋窗口，基于此假設(shè)，IR模型能解釋大多數(shù)收集到的成績數(shù)據(jù)(一些研究中R2>0.90)[82]。它對制定運動訓練計劃具有很強的指導意義，具體表現(xiàn)為：1)將訓練原則整合到統(tǒng)一的一致性框架中；2)以估測的訓練負荷為輸入，強調(diào)運動訓練是一個生理應(yīng)激過程，訓練擾亂了體內(nèi)平衡，而恢復則需要大量器官系統(tǒng)的適應(yīng)，如免疫、神經(jīng)和內(nèi)分泌等系統(tǒng)對訓練應(yīng)答的協(xié)調(diào)，如果施加持續(xù)過量訓練負荷將對這些系統(tǒng)帶來破壞，導致過度訓練發(fā)生，因此，將量化不同階段的訓練負荷作為檢查施加適宜負荷的一種途徑；3)該模型突出了競技能力適應(yīng)是一個訓練應(yīng)激的聚合功能，意味著不是單一訓練內(nèi)容影響競技能力，而是持續(xù)日常訓練、超負荷和減量共同帶來高峰競技能力。

然而，運動訓練與競技能力增長關(guān)系又表現(xiàn)為強烈的個性化差異[10,64]，且受到多種因素的影響，如不同訓練背景、生理學因素、技術(shù)因素、專項因素等[34]。以實驗為導向的理論模型(實驗事實的描述歸納)，常存在諸如難以形成對訓練計劃設(shè)計的長期縱向研究、無法明確比較不同干預(yù)

因素的影響(且干預(yù)往往是正常訓練的一種補充)等問題。此外，這類研究通常選取的受試較少，缺乏統(tǒng)計力度。任何一個運動訓練模型都不是全面而精確的，CP和IP模型將生理學與數(shù)學相結(jié)合，而其中的數(shù)學模型往往正是復雜生物系統(tǒng)的有效表達和假設(shè)評估的有效手段，并予以個性化[52]，這些優(yōu)點是此前的生理模型無法實現(xiàn)的。從國際上的發(fā)展態(tài)勢而言，這可作為對原有運動訓練理論與方法模型的一種補充，正如恩格斯所言：“任何一門科學的真正完善在于數(shù)學工具的廣泛應(yīng)用?！?/p>

2.3 競技潛能元模型(Performance Potential Metamodel，PERPOT)

2000年，德國美因茨大學計算機科學系的Jürgen Perl提出“競技潛能元模型”(Performance Potential Metamodel，PERPOT)[68,69]，一種“訓練負荷與競技能力交互關(guān)系”的理論模型。由于超負荷訓練會引發(fā)超量恢復或者過度訓練兩種相反的效應(yīng)，他基于數(shù)學分析指出，隨時序變化的特殊效果和競技能力穩(wěn)定性只能用一個對抗性結(jié)構(gòu)來建模，

模擬一系列潛在變量之間的延遲傳輸作用線的交互作用，這在自控制神經(jīng)系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用。其首次對運動訓練中的定性現(xiàn)象進行描述，通過對抗系統(tǒng)動力學(訓練負荷會引起正反兩方面的效果：提高競技能力的應(yīng)答流和降低競技能力的應(yīng)變流)，且主要以應(yīng)答流與應(yīng)變流的延遲時間(時滯)不同來控制運動訓練中生理適應(yīng)的正負效果；也是首度嘗試采取計算機軟件模擬訓練負荷對競技能力作用的短期與長期反應(yīng)的動力過程，用于優(yōu)化訓練計劃和預(yù)防過度訓練的計算模型(圖8、圖9)[66]。

圖8 PerPot模型基本結(jié)構(gòu)圖

圖9 依據(jù)訓練負荷(紅線)和相關(guān)流時滯的競技能力走勢圖(藍線)

其中，L是訓練負荷，SP是訓練導致的機體應(yīng)變潛能，RP是訓練導致機體的應(yīng)答潛能，PP是機體表現(xiàn)競技能力的潛能，或稱競技潛能；DS是應(yīng)變流時滯，DR是應(yīng)答流時滯；DO是應(yīng)變潛能的溢出流時滯(當訓練負荷超過機體應(yīng)變潛能承受限度時產(chǎn)生)，DA是機體內(nèi)部衰減流(作為下一次訓練的起始狀態(tài))。左側(cè)的DS和DO對競技能力潛能PP有減法作用，右邊的DR對PP有加法作用，一般情況下是同時存在的動力對抗關(guān)系。然而，當訓練負荷超過機體應(yīng)變潛能限度(機體存在一個適應(yīng)的自然限度)而導致應(yīng)變流溢出時，就表現(xiàn)為過度訓練，進而減小競技能力潛能。為解釋兩種時滯值的大小對運動訓練效果產(chǎn)生的重要影響，圖9展示了引發(fā)超量恢復與否的作用線。

圖9顯示，施加的訓練負荷一樣，應(yīng)變流時滯(DS=4)大于應(yīng)答流時滯(DR=2)時的競技能力表現(xiàn)明顯低于應(yīng)答流時滯(DR=4)大于應(yīng)變流時滯(DS=2)時。后者才能出現(xiàn)競技能力的超量恢復效應(yīng)，因此，當前的競技能力潛能狀態(tài)和產(chǎn)生應(yīng)變流、應(yīng)答流的時滯將對競技能力的動力學行為產(chǎn)生極為重要的影響。

對于PerPot元模型如何反映訓練負荷、效應(yīng)時滯和競技能力之間長期的相互作用與反饋，Perl在原有基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行了改進：要求模型不僅反映競技能力輸出，而且訓練效應(yīng)時滯值都應(yīng)該由訓練負荷輸入來調(diào)控。原有的基礎(chǔ)模型(圖8)顯然無法囊括，進而提出“二維水平的PerPot模型”(圖10)[66]。該模型中，內(nèi)部PerPot模型的“競技能力”PP調(diào)控著外部PerPot模型中的時滯DS和DR (即人體器官的競技能力狀況直接影響運動訓練引起的兩種時滯)，并且兩個模型均接受同樣的訓練負荷輸入L。這樣，運動訓練不僅通過優(yōu)化競技能力生理表征物質(zhì)和傳輸率，而且還通過提高生成和傳輸組件的性能和速度來提高外在的競技能力。

圖10中，內(nèi)部(人體器官)競技潛能(internal PerPot)表示競技能力生理資源再生能力和運輸速度，外部時滯變量(DS、DR)代表器官“競技能力”，通過如下關(guān)系進行的調(diào)控：1)如果應(yīng)變時滯比應(yīng)答時滯小，系統(tǒng)的第一反應(yīng)是積極的；2)否則是消極的。比如，為增加訓練負荷引起的外部(可測量的)競技能力的反應(yīng)的途徑，即減小應(yīng)變時滯，或增加應(yīng)答時滯。

此外，通過“二維水平的PerPot模型”可知，內(nèi)、外部衰減模式是不同的。外部模型表示短期行為，其衰減競技能力可以反饋給系統(tǒng)并可以被重新激活，而內(nèi)部控制系統(tǒng)模型是長期行為，長期訓練導致生理資源會被耗盡，進而影響競技能力潛能，使其下降，模型中添加了一個衰減分支線(紅色帶圓圈)表示內(nèi)部“競技能力”的虧損。如此，特定的訓練方式，如過度訓練則會引發(fā)延后的競技能力“崩塌”，如果競技能力狀態(tài)因此不見好轉(zhuǎn)，這種競技狀態(tài)崩塌現(xiàn)象或?qū)o以修復。

圖10 通過內(nèi)、外方式雙向動力時滯控制的 長期效應(yīng)過程的PerPot模型圖

注：紅線表示不同類型的內(nèi)部和外部衰減流；綠線和方盒子表示外部時滯的內(nèi)部控制

競技潛能元模型是不同于IR模型的另一種認識方式，它們都是以運動訓練引起“正負對抗效應(yīng)”的假設(shè)為前提衍生而來。PerPot元模型的不同之處還在于引用計算機軟件對這一生理適應(yīng)進行模擬，融合了生理學、數(shù)學和計算機科學與技術(shù)進而將“訓練負荷”與“競技能力增長”模型注入了新的科技元素，難怪對IR和PerPot的對比實驗研究指出，PerPot對運動成績數(shù)據(jù)具有更高的擬合能力[69]。

3 小結(jié)

塞里應(yīng)激理論奠定了運動生理學等在運動訓練中的領(lǐng)導地位，以生理學為理論基礎(chǔ)的模型，揭示了運動訓練負荷與競技能力增長之間的關(guān)系。直接由應(yīng)激理論衍生的模型，有“運動訓練的超量補償循環(huán)”模型、“運動訓練的高級適應(yīng)循環(huán)”模型、“超量補償循環(huán)”和“代償適應(yīng)”模型即“超量恢復”模型等，其中，“超量恢復”模型是后期對前期應(yīng)激理論的GAS模型在運動訓練中的修正與綜合。

但是，運動訓練的生物學復雜性，使僅采用單一的生理模型已難以進行有效表達。于是，結(jié)合數(shù)學、物理學和計算機科學來轉(zhuǎn)換和優(yōu)化不失為一種更加合理的途徑，如CP模型、IR模型、PerPot模型。其中的數(shù)學模型可以通過假設(shè)與驗證，實現(xiàn)對復雜生物系統(tǒng)的有效表達，并可根據(jù)個體參數(shù)不同來實現(xiàn)模型個性化。融合計算機信息技術(shù)的“競技潛能元模型”則通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)，即刻優(yōu)化訓練計劃和預(yù)防過度訓練，借助其強大的運算功能，達到運動訓練數(shù)據(jù)與目標成績之間的高度擬合能力。生理學、數(shù)學、物理學和計算機科學與技術(shù)進而將“競技能力增長”模型的全面性和有效性提升了一個層次。

“競技能力增長”理論模型的演進，大抵也遵循著圖靈獎得主吉姆·格雷(Jim Gray)在“科學的第4個范式”中的預(yù)測趨勢，即依次經(jīng)歷“實驗科學(自然現(xiàn)象描述)→理論科學(模型化，一般常模)→計算科學(通過計算來模擬復雜現(xiàn)象)→數(shù)據(jù)密集型科學(理論、實驗和模擬相結(jié)合)”。當前，國際上競技能力增長模型大都處于理論科學和計算科學階段。

以奧林匹克運動為引領(lǐng)的運動訓練活動，素來也是科學的試金石和科技的展示舞臺，回顧歷史，它與人類科學的進程驚人同步。本文對其中歷經(jīng)的經(jīng)典科學理論模型進行了提要與簡析，畢竟這些模型的建立與應(yīng)用都得益于跨學科復合人才的共同努力，僅憑本文所述還遠遠不夠，無論我們是否認識到或跟上這一科學步伐，事實是，倘若沒有全體體育科研與運動訓練實踐者們的集思廣益、勇于突破和直面挑戰(zhàn)的勇氣與魄力，運動訓練理論與方法很可能長期處于被動或落后的局面。雖然運動訓練理論與方法的“第4個范式”是否即將來臨，尚無定論，但大數(shù)據(jù)研究在各個領(lǐng)域和行業(yè)已悄然鋪開，趨勢或逐漸明朗，就運動訓練理論與方法乃至整個體育科學而言，關(guān)鍵還在于我們以何種心態(tài)和實際行動來迎接這場科學范式革命的機遇與挑戰(zhàn)。

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Theoretical Models and Its Evolutionof Athletic Performance Enhancement

HU Hai-xu

Objective:Later period of the 20th century,through two world wars,and usher in the era of "big science" of society,science and history background,this paper reveals and analyzes the theoretical models and its evolution characteristics of the athletic performance enhancement from that time on,and then clarifies the scientific basis and theory evolution characteristics.Method:mainly using methds of historical research and literature.Result:1) the generally evolution approach of theoretical models of the athletic performance enhancement is as follows:the physiological model of "cycle of suercompensation","cycle of super adaptation","cycle of supercompensation and compensatory adaptation" that based on the Selye's GAS (general adaptation syndrome) model in the 1950 s;to the computational models of CP(critical power),IR(impulse-response),PerPot(The Performance Potential Metamodel)that based on physiology,physics and mathematics,computer science;2)Physiology is an important basis of athletic training;3)Mathematical model by assuming and verification,to achieve effective expression of the complex biological system,and according to different individual parameters personalized implementation models;4)the PerPot that integration of computer information technology can use the existing data to optimize training plans and prevent excessive training immediately,with its strong operation function to achieve a good fit between athletic training data and target results.Conclusion:With other law of development of science and society,and the same to Jim Gray in "the fourth paradigm of science",data-intensive scientific theory or is also a scientific paradigm of athletic training theory and method,and needs to be based on this paradigm,build the next theoretical model of the athletic performance enhancement.

athletictrainning;athleticperformanceenhancement;physiology;math;computationalscience;data-intensive

1000-677X(2016)02-0014-11

10.16469/j.css.201602002

2015-09-13；

2016-01-28

江蘇省博士后基金項目(1402039C)；南京航空航天大學基本業(yè)務(wù)青年科技創(chuàng)新基金項目(NR2015019)。

胡海旭(1983-)，男，湖北黃岡人，講師，博士，主要研究方向為運動訓練理論與方法、人因工程，Tel：(025)84892463，E-mail：hhx100000@163.com。

南京航空航天大學 體育部，江蘇 南京 210016 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China.

G808.1

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