田径短跑中电子起跑监测系统测量方法有效性的研究

谢洪昌，罗江南

(湛江师范学院体育科学学院，广东湛江 524048)

反应是指人对某一刺激做出回应所需要的最短时间，对运动员反应时间要求最为严格的莫过于短跑项目的起跑反应［1］。短跑的起跑反应时是指引起表露于外的反应开始动作所需要的时间，即从刺激到反应之间的时距［2］。心理学上反应时的定义是:从刺激出现到反应开始之间的时间间隔为反应时或反应的潜伏期。如果出现的刺激只有一个，要求被试所做的反应也是一个，并且二者都是固定不变的，在这种条件下测得的反应时叫做简单反应时［3］。100m赛跑时，运动员听到枪声再蹬腿起跑的时间是一种典型的简单反应时［1］。在短跑比赛项目，起跑反应时间是判断运动员起跑是否抢跑犯规重要指标。所以，如何客观准确地测量起跑反应速度就是广大体育工作者非常关注的课题之一。目前，所有的重要比赛中都采用电子起跑监测系统来监测运动员是否抢跑犯规。在电子起跑监测系统中，运动员起跑反应时间的判定是从运动员听到发令枪声到起跑动作施加于起跑器的压力达到设定的阈值所需的时间，这个时间也就是官方所公布的起跑反应时。反应时测量是测量刺激开始到反应开始之间的时间长短。但目前电子起跑监测系统中，起跑反应时是一个测量值，是从枪声刺激开始到运动员蹬力达到设定阈值的时间长短，它比真正要测量的反应时长。它由实际反应时和反应动作时两个时间段组成。反应时的测量值(起跑反应时TRt)等于刺激出现到反应开始之间的时间间隔(实际反应时Rt)和蹬力达到设定阈值的运动时间(反应动作时 M t)之和。即:TRt=Rt+M t［4］。第 16 届广州亚运会采用的Fairplay电子起跑监测系统所设定压力阈值男为40kg，女为35kg。在测量反应时时，在压力阈值相同的情况下，反应动作时有多长，与反应时的相关程度如何，是评价反应时测量方法有效性的重要因素。如果反应动作时较长，占起跑反应时的比重较大，并且反应动作时的个体差异很大，起跑反应时就不能完全反映运动员实际的起跑反应时间。也就是说，反应时的测量方法有效性值得怀疑。如果反应动作时很短，并且反应动作时的个体差异很小，那么，反应时测量值(起跑反应时)就可以代表运动员实际的起跑反应时间，此测量方法的有效性就高。电子起跑监测系统的重要使命是测量运动员的起跑反应时，并通过测得的起跑反应时是否超过国际田联的起跑反应极限来判定一个运动员是否抢跑犯规。起跑反应时包括反应动作时，反应动作时对抢跑犯规的判罚影响有多大，是否能保证竞赛的公平性，这也是决定目前反应时测量方法有效性的关键。为了回答这些问题，本研究从统计学的角度，对影响反应时测量有效性起关键作用的反应动作时进行测量，分析起跑反应时测量方法的有效性，并提出一种全新的反应时测量方法，以提高起跑反应时测量的有效性，以保证体育竞赛的公平性。

1 研究对象和方法

1.1 研究对象

以第16届广州亚运会田径短跑354人次男、女运动员起跑后蹬的时间－压力曲线为研究对象。

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法:对国内外目前短跑起跑反应时的研究情况进行评述。

1.2.2 电子起跑监测记录:用Fairplay电子起跑监测系统对运动员起跑反应时进行监测、记录，并将获得的起跑后蹬的时间－压力曲线图形的数据进行测量。

1.2.3 逻辑推理法:采用运动技术和生物力学结合方法，对影响反应时间的因素进行逻辑推理和分析。

1.2.4 数理统计法:所有数据采用SPSS17.0统计软件进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 起跑反应时中3个时间段的测量及划分

图1 起跑后蹬的时间－压力曲线

随着科学技术的高度发展，自从电子起跑器问世后，大型运动会都是采用电子起跑监测系统来判定运动员的起跑反应时。它通过安装在运动员起跑器上的电子起跑监测器，对运动员起跑后蹬的时间－压力进行测量，以运动员起跑动作施加于起跑器的压力达到设定阈值的时间，从而间接推断运动员起跑反应时是否超限，来判定运动员起跑犯规的情况。运动员在蹬踏起跑器到双脚离开起跑器这一过程当中，会在电子起跑监测系统中形成一个起跑后蹬的时间－压力曲线(见图1)。图中A段即横坐标0到压力曲线的压力阈值位置就是在电子起跑监测系统中运动员的R(起跑反应时)。根据起跑反应过程中时间及蹬力的变化情况，可以将起跑反应时分成2个时间段:(1)实际反应时:图中B段即横坐标0到压力曲线的翘起位置就是运动员的实际反应时，即运动员从听到枪声到开始蹬起跑器所用的时间，是运动员对枪声真正做出反应的时间［5］;(2)反应动作时:图中C段即横坐标压力曲线的实际反应时的位置到压力阈值位置的这段时间是运动员反应动作时，是起跑反应时与实际反应时的差值。

2.2 起跑反应时3个时间段个体差异的统计分析

表1 起跑反应时3个时间段个体差异的统计结果

起跑反应时的变异系数约为25.71% ，小于实际反应时变异系数的28.27%。说明实际反应时个体差异大于起跑反应时，因此，目前使用压力阈值所测量出来的起跑反应时来作为实际反应时的测量值，减小了实际反应时的个体之间的差异程度，也必然降低了反应时测量的有效性。其次，反应动作时的变异系数为50.67%，明显高于起跑反应时和实际反应时。也就是说，反应动作时的个体差异明显大于起跑反应时和实际反应时，这充分说明反应动作时对反应时的测量结果有着显著的影响，是造成起跑反应时的变异系数小于实际反应时的变异系数的重要原因。

2.3 起跑反应时、实际反应时和运动时之间的相关分析

起跑反应时与实际反应时之间的相关系数为0.86，为高度正相关关系;也就是说，如果把实际反应时的测量结果作为效标，反应时测量的有效性为0.86。起跑反应时和反应动作时之间的相关系数为0.57，为低度正相关关系。反应动作时与实际反应时之间的相关系数为0.08，为不相关关系。电子起跑监测系统将蹬力达到阈值作为测量反应时的间接方法，但反应动作时与实际反应时并不相关，将无关因素列入到运动员的反应时测量当中，必然对测量的结果有着重大影响，无法反映出运动员真正的起跑反应时间。杨博民等人曾对80名受试者的手简单反应时和运动时进行过相关比较研究，两者的相关系数为0.21s［3］，与本研究的结论基本一致。说明反应速度和动作速度测量互相不能替代。目前在电子起跑监测系统中，起跑反应时包含了实际反应时和反应动作时，用起跑反应时来评定运动员的反应速度，这显然是不科学的。只有去除反应动作时这个无关因素，才能更客观准确地评价运动员起跑反应时。

表2 起跑反应时、实际反应时和反应动作时之间的相关系数

2.4 使用固定的压力阈值测量反应时的弊端

2.4.1 无法反映出真正的反应时间以及反应时间的个体差异

运动员的起跑反应时由反应动作时和实际反应时组成。反应动作时虽然包括在起跑反应时当中，但它实际上是运动员的反应动作时间，即运动员蹬踏起跑器的时间，而不是运动员对枪声的应答时间，这个时间段与运动员的反应快慢是无关的。反应动作时占起跑反应时的比重越大，起跑反应时与实际反应时的差别就越大。从表1可知，反应动作时的均值为46.82ms，起跑反应时的均值为185.97ms，反应动作时占起跑反应时的25.17%，是起跑反应时重要组成部分。反应动作时占起跑反应时25.17%，即起跑反应时的误差为25.17%。如果反应动作时上，不存在性别、项目及个体的差异，这不失是一个良好的测定运动员起跑反应时的方法。作为一个测量反应时的方法，反应动作时是运动员反应动作时间，实际反应时才是运动员真正对枪声应答时间。反应动作时占起跑反应时比重越大，其误差就越大。其中有3人次的反应动作时所占的比重超过了实际反应时所占的比重，得出的起跑反应时与实际反应时的误差超过50%。所有样本中，反应动作时占起跑反应时的比重，最大者为63.4%，实际反应时只占起跑反应时的36.6%，反应时的测量值与实际反应时间的误差是63.4%，无法反映出运动员的真正的起跑反应时间。

由此可知，起跑反应时作为一个测量值，无法反映出运动员真正的起跑反应时间以及运动员反应时间的差异，电子起跑监测系统将蹬力达到阈值作为测量运动员起跑反应时的间接测量方法存在明显缺陷。

2.4.2 违背了国际田联规则中的公平原则

在电子起跑监测系统中，运动员是否抢跑犯规是根据运动员的起跑反应时来判断的，而起跑反应时是通过测量运动员蹬力达到设定的压力阈值时间得到的。电子起跑监测系统中，压力阈值的是固定不变的，由于运动员的性别、项目以及个体的能力的差别，因此不同的运动员在反应动作时上具有显著个体差异。根据爆发力指数公式:爆发力指数=达到的力值(△F)/达到力值所需时间(△T)［6］。后蹬力量大，爆发力强的运动员反应动作时相对要小。后蹬力量大、爆发力强对于短跑运动员来说是获得好成绩的良好保障，但对于运动员起跑反应来说，越快达到压力阈值，意味着起跑反应时越短，这也同时意味着更容易造成起跑反应时超限犯规。运动员反应动作时的平均值是46.82ms，国际田联的起跑反应极限是100ms［7］，运动员反应动作时的平均值占起跑反应极限的比重是46.82%，起跑反应极限包括反应动作时，因此，判断运动员的是否抢跑犯规的误差也是46.82%。运动员反应动作时对运动员起跑反应时是否超限犯规有着重要的影响。反应动作时，最快的是男子100m决赛项目中的第8道选手，时间为15ms，最慢是男子200M项目预赛第一组的第4道选手，时间为143ms，两者相差128ms。这说明，在目前的电子起跑监测系统下，如果两名运动员的实际反应时相同，那么前者要比后者的起跑反应时快128ms，因此，在同等条件下，前者要比后者出现起跑反应超限犯规的可能性显著增加。例如，在男子110m栏预赛第2组当中，第4道的运动员实际反应时是58ms，反应动作时是24ms，起跑反应时是82ms，低于国际田联规定的100ms的反应极限，因此被判犯规。同组当中，第5道的运动员实际反应时是38ms，反应动作时是66ms，起跑反应时是104ms，高于国际田联规定的100ms的反应极限，却是一个非常好的起跑。

在全部354名男、女运动员的起跑后蹬的时间－压力曲线样本中，共有17名运动员反应动作时超过了100ms，而国际田联起跑反应极限是100ms，运动员反应动作时占起跑反应极限的比重超过了100%，因此判断运动员的是否抢跑犯规的误差也超过了100%。这意味着这些运动员即使在枪响之前就开始蹬地发力，也不会因此给电子起跑反应监测系统捕捉到，从而从中获益。另外，共有3人次起跑未能测量到起跑反应时，其中女子100m跑预赛有1人次，女子400跑预赛有2人次，原因是蹬力未达到35kg的设定压力阈值。对于蹬力小于压力阈值的运动员，电子监测系统完全失去了它应有的作用，根本无法对运动员起跑反应时间是否超限作出判断。在这两种情况下，电子起跑监测系统将蹬力达到阈值作为测量运动员起跑反应时的测量方法有效性为0。

根据2010年1月1日起开始执行的2010－2011年国际田联田径竞赛规则，除全能项目之外，运动员抢跑一次即被罚出场，失去继续比赛的资格［7］，因此，起跑反应时测量关系着运动员的比赛资格，对短跑项目的比赛意义重大。目前的电子起跑监测系统用一个固定的压力阈值来判定运动员的起跑反应时，没有考虑运动员的个体差异，明显存在的不公平，违背了国际田径规则中的公平原则，必将对田径短跑项目的竞赛及发展产生严重的负面影响。

2.5 以实际反应时作为起跑反应时的测量值是合理的测量运动员反应时的方法

电子起跑监测系统中，运动员起跑的后蹬压力曲线在运动员听到枪声后，压力曲线在经过一段与横坐标重合的时间之后，突然由水平向上翘起，蹬力迅速由0上升，达到压力阈值，并在到达蹬力的第一峰值后开始回落。压力曲线突然由水平向上翘起的时刻就是运动员的实际反应时(见图1)。反应时测量就是要测量刺激开始到反应开始之间的时间长短。当运动员的起跑动作施加于起跑器时会引起压力的上升，这时就会在电子监测系统中造成时间－压力曲线突然由水平向上翘起，这个时刻就是运动员反应动作开始。枪声是刺激的开始，从枪声到运动员反应动作开始就是从刺激到反应之间的时距，是引起表露于外的反应开始动作所需要的时间，是运动员真正的起跑反应时间，在时间－压力曲线上即是运动员的实际反应时。反应动作时是运动员蹬踏起跑器的时间，是运动员对枪声作出相应动作的时间，与反应时间无相关性，不包含反应动作的实际反应时才是运动员真正对枪声应答时间。因此，可以将实际反应时作为运动员的起跑反应时的测量值，准确地反应出运动员的反应时间，消除反应动作时对运动员的起跑反应时测量的干扰，以确保竞赛的公平性。

3 结论

3.1 反应动作时间存在着显著的个体差异，其个体差异明显大于起跑反应时和实际反应时，对反应时的测量结果有着显著的影响。

3.2 反应时测量值当中包括反应动作时，但反应动作时与实际反应时并无相关性，反应速度和动作速度测量互相不能替代。

3.3 起跑反应时无法反映出运动员真正的起跑反应时间以及运动员反应时间的差异。

3.4 使用固定的压力阈值来测量运动员的反应时间，没有考虑运动员的个体差异，违背了国际田径规则中的公平原则。

3.5 应以实际反应时作为运动员的起跑反应时的测量值，以确保竞赛的公平性。

［1］张田勘.分秒之争［J］.生命世界，2008(8):50－53

［2］李岳兵，陈红华.不同年龄组别短跑运动员起跑反应时的对比研究［J］.吉林体育学院学报，2009(3):31－32

［3］杨博民.心理实验纲要［M］.北京:北京大学出版社，1989:83－88

［4］袁尽州.反应时测量方法有效性的研究［J］.体育科学，2001(5):90－92

［5］罗江南，等.第16届亚运会100m跑男、女运动员起跑反应时的差异研究［J］.中国体育科技，2011(4):14－18

［6］宋雅伟.爆发力概念及其训练的初步探讨［J］.南京体育学院学报，1997(2):50－54

［7］中国田径协会.2010－2011田径竞赛规则［M］.北京:人民体育出版社，2010:162，165－166