Einführung in die Bewegungs- und Trainingswissenschaft Vorlesung, WS 2024/2025 PDF

Einführung in die Bewegungs- und Trainingswissenschaft Vorlesung, WS 2024/2025 Dr. phil. habil. Katja Ferger  Impressum Um den gesetzlichen Bestimmungen zum Urheberrecht gerecht zu werden, wird an dieser Stelle auf die Verpflichtungen im Umgang mit de...

Einführung in die Bewegungs- und Trainingswissenschaft Vorlesung, WS 2024/2025 Dr. phil. habil. Katja Ferger  Impressum Um den gesetzlichen Bestimmungen zum Urheberrecht gerecht zu werden, wird an dieser Stelle auf die Verpflichtungen im Umgang mit den bereitgestellten Unterlagen dahingehend hingewiesen, dass die Studierenden der Verpflichtung unterstehen, die Zugangsdaten und bereitgestellten Dokumente/Materialien vertraulich (d. h. keine Weitergabe an Dritte) und ausschließlich den Zwecken der Veranstaltung bzw. den Instruktionen der Veranstaltungsleiterin entsprechend zu verwenden. Eine videografische, fotografische oder audiografische Aufzeichnung innerhalb resp. der Veranstaltung per se ist nicht gestattet. Thema der Praesentation / Autor / 2  Termine und Themen Termin Thema 07.11. Einführung (Allgemeine Orientierung) - Bewegungsbeschreibung 14.11. Bewegungsaufgaben & Fertigkeiten 21.11. Wahrnehmung & Wahrnehmungskopplung 28.11. Motorisches Lernen & motorische Entwicklung 05.12. Neulernen & Optimieren 12.12. Motorischer Transfer & Rückmeldung 19.12. Trainingsbegriff & Einflussgrößen 09.01. Trainingsmodelle & Leistungsdiagnostik 16.01. Trainingssteuerung & Ausdauertraining 23.01. Krafttraining & Beweglichkeitstraining 30.01. Technik & Koordination & Schnelligkeit 06.02. Kinder- und Jugendtraining 13.02. Klausur  Bewegungswissenschaft Wahrnehmung Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen“ 6.1.1 Sinnessysteme  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnsysteme Interner Modelle  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnsysteme Was ist die „tatsächliche“ Situation S0? Ist meine Wirklichkeit auch deine? http://in-den-wald.de/waldlehrpfad/wp-content/uploads/2014/06/22_fledermaus.png  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnsysteme Sinnsysteme Unter Sinnessystemen versteht man die Organsysteme des Menschen, die Signale über den aktuellen Zustand des eigenen Körpers sowie der umgebenden Welt aufnehmen und übermitteln. Da diese Signale nach Übermittlung in demselben Format vorliegen, nämlich in Nervenimpulsen kodiert, wird eine wechselseitige Bezugnahme der aus unterschiedlichen Sinnessystemen eingegangenen Signale ermöglicht (Hossner & Künzell, 2022, S. 155). Informationen über den Zustand des Körpers im Raum (Propriozeption) die Tätigkeit der inneren Organe (Enterozeption) Gegebenheiten der Umwelt (Exterozeption)  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnsysteme Menschliche Sinnsysteme Exterozeptive Sinne Propriozeptive Sinne Hand: Clker-Free-Vector-Images, https://pixabay.com/en/language-hand-sign-gesture-speech-40437/ Zunge: Clker-Free-Vector- Images, https://pixabay.com/en/tongue-sticking-mouth-body-human-35319/ Auge: Clker-Free-Vector-Images, https://pixabay.com/en/eye-pupil-iris-vision-view-309166/ Ohr: OpenClipart-Vectors, https://pixabay.com/en/ear-hearing- listening-159306/ Nase: Merio, https://pixabay.com/en/hair-girl-female-person-pretty-2012189/ Innenohr: Chittka L. Brockmann, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Anatomy_of_the_Human_Ear_en.svg  Bewegungswissenschaft Wahrnehmung Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen“ 6.1.1 Sinnessysteme / exterozeptive Sinne  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnsysteme Exterozeptive Sinne lat. exter = außen befindlich  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnsysteme Tast- und Berührsinn = haptisch-taktiles System  (gr. haptos = greifbar; lat. tactilis = berührbar)  Drucksensible Rezeptoren  Temperaturrezeptoren  Rezeptoren für Gewebsverletzungen  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnsysteme Geschmacksinn = gustatorisches System  (lat. gustare = kosten)  Geschmacksknospen auf der Zunge und in der Mundhöhle  Geschmacksrichtungen: süß, sauer, salzig, bitter, umami  Prüfung der Nahrung auf Verträglichkeit  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnsysteme Sehsinn = visuelles System  (lat. visus = Sehen)  Fotorezeptoren auf der Netzhaut  Zapfen: Farbsehen  Stäbchen: Sehen unter schlechten Lichtbedingungen  Wahrnehmung entfernter Ereignisse  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnsysteme Hörsinn = auditives System  (lat. audire = hören)  frequenzspezialisierte Rezeptoren im Innenohr  Aufnahme von Schwingungen aus dem umgebenden Medium (meist Schallwellen in der Luft)  Ortung einer Schallquelle im Raum  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnsysteme Geruchssinn = olfaktorisches System (lat. olfacto = beriechen)  Chemorezeptoren in der Riechschleimhaut  Erregung durch riechaktive Substanz in der eingesogenen Luft  Bewegungswissenschaft Wahrnehmung Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen“ 6.1.1 Sinnessysteme / propriozeptive Sinnessysteme  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnsysteme Propriozeptive Sinne lat. proprius= jmd. ausschließlich gehörend  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnsysteme Gleichgewichtssinn  vestibuläres System  (lat. vestibulum = Eingangshalle)  Sinnesorgan: Labyrinth (im Innenohr)  Gehörschnecke  Maculaorgane (lat. macula = Fleck)  Bogengangsorgane  Registrierung von  Linearbewegungen (oben/unten, rechts/links, vorne/hinten)  Drehbewegungen  Lage des Kopfes in Relation zur Erdbeschleunigung  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnsysteme Tiefensensibilität  Stellungssinn  Stellung der Körperglieder zueinander  Bewegungssinn  Bewegungen in den Gelenken  Kraftsinn  aufgebrachte Muskelkräfte  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnsysteme Tiefensensibilität  Rezeptoren:  Sensoren in Kapseln und Bändern  Gelenkbewegungen  Muskelspindeln und Sehnenorgane  aktuelle Länge und Spannung des Muskels  Bewegungswissenschaft Wahrnehmung Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen“ Adaptivität der Sinnessysteme  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" Kontextabhängige Farbwahrnehmung 6.1.1 Sinnsysteme  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnsysteme Kontextabhängige Farbwahrnehmung  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" Adaptivität 6.1.1 Sinnsysteme  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnsysteme Merkwürdig Sensorische Rohsignale sind keine 1:1-Abbildungen der tatsächlichen Welt !  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.2 Adaptivität der Sinnsysteme Merke Exterozeption / Propriozeption ≠ external / internal S S0 ’ 0 external internal  Bewegungswissenschaft Wahrnehmung Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen“ 6.1.1 Sinnessysteme und sensorische Integration  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnessysteme und sensorische Integration Sensorische Integration  Zusammenführung der von den Sinnessystemen eingehenden Signale  Möglichst widerspruchsfreie Wahrnehmung des Zustandes des eigenen Körpers sowie der Umwelt  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnessysteme und sensorische Integration Das zeitbezogene Integrationsproblem 170 200 400 (ms) 140  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnessysteme und sensorische Integration Das zeitbezogene Integrationsproblem 170 Horizont der Gleichzeitigkeit 200 400 (ms) 140  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Sinnessysteme und sensorische Integration Das zeitbezogene Integrationsproblem  Je nach Ausbreitungs- und Verarbeitungszeiten laufen Signale, die zu demselben Ereignis gehören, in der Regel zu unterschiedlichen Zeitpunkten zentral ein.  Die menschliche Wahrnehmung löst das Zeitproblem  Signale werden zu einem passenden Bild zusammengezogen  Bewegungswissenschaft Wahrnehmung Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen“ 6.1.1 Multisensorische Integration  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Multisensorische Integration Ein weiteres Integrationsproblem  Aus den wahrgenommenen Signalen aller Sinnessysteme muss auf ein Ereignis geschlossen werden  Kleinere Widersprüchlichkeiten zwischen den wahrgenommen Signalen werden angeglichen  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Multisensorische Integration Ein weiteres Integrationsproblem https://youtu.be/G-lN8vWm3m0  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.1 Multisensorische Integration Ein weiteres Integrationsproblem  McGurk-Effekt Monitor: fantareis, https://pixabay.com/en/screen-monitor-tv-internet-1065137/ Gesicht: OpenClipart-Vectors, https://pixabay.com/en/face-male-man-smile-smiling-happy-161083/ Auge: Clker-Free-Vector-Images, https://pixabay.com/en/eye-pupil-iris-vision-view-309166/ Ohr: OpenClipart-Vectors, https://pixabay.com/en/ear-hearing- listening-159306/ Lautsprecher: OpenClipart-Vectors, https://pixabay.com/en/megaphone-loudspeaker-speech-talk- 155780/ Merke Wahrnehmung findet “im Kopf” statt!  konstruktiver Charakter Ein Selbstversuch  Fixiere das Kreuz mit dem rechten Auge und halte das linke geschlossen  Variiere den Abstand zum Bildschirm Smiley verschwindet irgendwann linkes Auge Zu  Bewegungswissenschaft Wahrnehmung Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen“ 6.1.2 Augenbewegungen und Blickstrategien  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.2 Augenbewegung und Blickstrategien Das visuelle System – Bereich des scharfen Sehens Hohe Konzentration von Stäbchen Hohe Konzentration von Zapfen  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.2 Augenbewegung und Blickstrategien Das visuelle System – Bereich des scharfen Sehens nach Birbaumer & Schmidt, 2010  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.2 Augenbewegung und Blickstrategien Das visuelle System – Bereich des scharfen Sehens  Bei Dämmerung:  Insgesamt unscharf  Sehleistung ist gleichmäßig über Blickfeld verteilt  Bei Tageslicht  Ausgeprägter Zentralbereich des scharfen Sehens  Deutliche Abnahme hin zur Peripherie  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.2 Augenbewegung und Blickstrategien Das visuelle System – Bereich des scharfen Sehens  Zentrales Sehen  Zone des allerschärfsten Sehens  foveal  ca. 1° um Mittelachse  Umgebungszone  parafoveal  ca. 5° um Mittelachse  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.2 Augenbewegung und Blickstrategien „Daumenregel“ und „Faustregel“  Fixiere bei ausgestreckten Arm mit einem Auge den nach oben gestellten Daumen  Der Daumen entspricht in etwa dem fovealen Bereich (1°)  Fixiere bei ausgestreckten Arm mit einem Auge die geballte Faust  Die Fläche der Faust entspricht dem zentralen Sehen (5°)  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.2 Augenbewegung und Blickstrategien Augenbewegungen  Augenbewegungen sind nötig, um die Umwelt umfassend wahrzunehmen  Wechsel von Fixationen und Augenbewegungen  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.2 Augenbewegung und Blickstrategien Augenbewegungen  Glatte Augenfolgebewegungen  Verfolgung von Objekten mit bis zu 30 °/s  Sakkaden  Blicksprünge  Unbewusst etwa 3/s  Dauer: 15-100 ms  Unterbrochen von Fixationen  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.2 Augenbewegung und Blickstrategien Sakkadsiche Supression Auge: Clker-Free-Vector-Images, https://pixabay.com/en/eye-pupil-iris-vision-view-309166/ Konservendose: Grhabyt, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SoupCanParody.jpg  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.2 Augenbewegung und Blickstrategien Sakkadsiche Supression  Keine Signalverarbeitung während des Blicksprungs  Fehlende Signale werden vom Wahrnehmungssystem zu einem schlüssigen Gesamteindruck ergänzt  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.2 Augenbewegung und Blickstrategien Blickstrategien im Sport Während der Sakkaden können keine Signale verarbeitet werden (nach Savelsbergh, van Gastel & van Kampen, 2010); Fotos: Stephan Zahno  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.2 Augenbewegung und Blickstrategien Strategie: Quiet Eye  Besondere Bedeutung für die Präzision der eigenen Bewegungsausführung hat die letzte Fixation vor Bewegungsbeginn  Quiet Eye: Letzte Fixation vor Bewegungsbeginn  Dauer: mind. 100 ms  Ortsveränderung < 3°  Blickverhalten von Elitesportlern  Geringere Anzahl von Fixationen, dafür längere Dauer  Über 60% längere Quiet Eye Dauer  Kapitel 6.1 „Situationen wahrnehmen" 6.1.2 Augenbewegung und Blickstrategien Blickstrategien im Sport  Spot-Strategie: Lange Fixation auf den informationsreichsten Bereich  Pivot-Strategie: Hin- und herschauen zwischen zwei Bereichen (bei geringerem Zeitdruck)  Ankerstrategie: Fixation in der Mitte von zwei interessanten Bereichen Vater, Williams und Hossner (2019), Bilder: Christian Vater  Bewegungswissenschaft Wahrnehmung Kapitel 6.2 „Zustandsschätzung“ 6.2.1 Kalman-Filterung Rückblick Wahrnehmung hat einen konstruktiven Charakter: Sinnessysteme Gehirn S0 ‘ https://www.global-office.de/newsreader-dresden/selbstbild-gleich-fremdbild Folgerung Die bislang als „Wahrnehmung der tatsächlichen Situation“ charakterisierte Größe S0‘ ist eine geschätzte Größe. Wie kommt diese Schätzung zu Stande? Was bedeutet das für die Motorik?  Kapitel 6.2 „Zustandsschätzung“ 6.2.1 Kalman-Filterung Definition Zustandsschätzung Unter Zustandsschätzung versteht die Motorikwissenschaft die interne Kalkulation des aktuellen Systemzustands anhand von: 1) Eingehenden Afferenzen aus den Sinnessystemen 2) Erwarteten Zustandsänderungen unter Berücksichtigung von selbst ausgesandten Efferenzen (vgl. Hossner & Künzell, 2022, S. 167) Es werden zwei Mechanismen für die Durchführung der Zustandsschätzung angenommen, die Kalman-Filterung und die Bayes-Integration.  Kapitel 6.2 „Zustandsschätzung“ 6.2.1 Kalman-Filterung Beispiel für eine Kalman-Filterung Du bist Kontrollperson für einen Satelliten. Deine Aufgabe ist es, die Position des Satelliten vorauszuberechnen und deine Berechnung dann durch eine Messung zu überprüfen. Du hast viel Erfahrung, also sind deine Berechnungen immer richtig. Auf einmal weichen die Messwerte stark von deinen Berechnungen ab. Gab es einen Messfehler oder hat sich die Position des Satelliten wirklich geändert? Wie klärst du diese Unsicherheit?  Kapitel 6.2 „Zustandsschätzung“ 6.2.1 Kalman-Filterung Schritt 1: Erklärungen finden (a) Die Messung ist richtig, ein Komet hat den Satelliten aus seiner Bahn geworfen (b) Die Messung ist falsch, ein Gewitter verzerrt die Messwerte Künzell & Hossner (im Druck  Kapitel 6.2 „Zustandsschätzung“ 6.2.1 Kalman-Filterung Schritt 2: Streuung als Kriterium (a) (b) Bei (a): Niedrige Streuung weiterer Messwerte ist zu erwarten, dass der Satellit eine (neue) stabile Umlaufbahn hat. Bei (b): Hohe Streuung weiterer Messwerte ist zu erwarten, dass das Gewitter zufällige Störungen bewirkt  Weitere Messwerte können eine der Erklärungen wahrscheinlich belegen.  Kapitel 6.2 „Zustandsschätzung“ 6.2.1 Kalman-Filterung Kalman-Filter Das von Rudolf Kalman ausgearbeitete eben schematisch angedeutete mathematische Verfahren zur Unsicherheits-reduktion bei der Zustandsschätzung wird als Kalman-Filterung bezeichnet. Rudolf Kalman *1930 US-amerik. Mathematiker  Kapitel 6.2 „Zustandsschätzung“ 6.2.1 Kalman-Filterung Kalman-Filter Bemerkung: Der Begriff Filterung bezieht sich darauf, dass die zur Überprüfung eingehenden Messwerte streuen („rauschen“) und zu einem konkreten, wahrscheinlichen Zustand „gefiltert“ werden. Z.B. wird in Erklärung (a) das geringe Rauschen um den Messwert 2 zur neuen Position „2“ des Satelliten gefiltert.  Bewegungswissenschaft Wahrnehmung Kapitel 6.2 „Zustandsschätzung“ 6.2.2 Das Experiment von Ernst und Banks (2002) Ernst, M.O. & Banks, M.S. (2002). Humans integrate visual and haptic information in a statistically optimal fashion. Nature, 415, 429–433.  Kapitel 6.2 „Zustandsschätzung“ 6.2.2 Experiment Ziel des Experiments  Zeigen, dass die sensorische Integration bei der menschlichen Wahrnehmung gut durch eine Kalman-Filterung zu beschreiben ist  D.h. je zuverlässiger die sensorische Information, desto stärker wird sie gewichtet  Kapitel 6.2 „Zustandsschätzung“ 6.2.1 Experiment Aufbau des Experiments  Einer Person wird gleichzeitig visuell und haptisch die Höhe eines Vergleichsklotzes (h=47mm bis h=63mm) virtuell präsentiert.  Danach wird der Person ein weiterer Holzklotz (h=55 mm) präsentiert und die Person muss schätzen, ob der Vergleichsklotz größer oder kleiner als der zweite Klotz ist. Entscheidend: Beim zweiten Klotz unterscheidet sich die präsentierte visuelle und haptische Rückmeldung um bis zu 6 mm.  Wir haben also zwei eingehende Informationen, die nicht zusammenpassen  Die visuelle Information fand unter 4 Bedingungen statt, von leicht bis stark gestört durch Punkte  Kapitel 6.2 „Zustandsschätzung“ 6.2.1 Experiment Fragestellung des Experiments  Auf welche Rückmeldung (haptisch oder visuell) verlassen sich die Versuchspersonen?  Hypothese: Je mehr die visuelle Wahrnehmung gestört ist, desto mehr verlassen sich Versuchspersonen auf die haptische Wahrnehmung  Kapitel 6.2 „Zustandsschätzung“ 6.2.1 Experiment Ergebnis des Experiments Ernst & Banks (2006)  Kapitel 6.2 „Zustandsschätzung“ 6.2.1 Experiment Genug von Ernst und Banks fürs Erste Erinnerung: Wir haben schon gehört, dass Wahrnehmung subjektiv ist und stark von den Erwartungen der Person abhängt.  Bei jeder Filterung geht neben den afferenten Signalen auch die Signalerwartung mit ein. Dies konnte in einem Experiment von Wolpert, Ghahramani und Jordan 1995 demonstriert werden.  Bewegungswissenschaft Wahrnehmung Kapitel 6.2 „Zustandsschätzung“ 6.2.3 Das Experiment von Wolpert, Ghahramani und Jordan (1995) Wolpert, D.M., Ghahramani, Z. & Jordan, M.I. (1995). An internal model for sensorimotor integration. Science, 269, 1880–1882.  Kapitel 6.2 „Zustandsschätzung“ 6.2.2 Experiment II Zielstellung des Experiments  Wodurch erfolgt eine Schätzung der Armposition nach einer Bewegung im Dunkeln?  Verwendung der propriozeptiven Information  Verwendung der motorischen Kommandos und des Prädiktorsystems  Verrechnung beider Informationen – je nach dem, welche besser vorhersagt (Kalman-Filter)  Kapitel 6.2 „Zustandsschätzung“ 6.2.2 Experiment II Durchführung des Experiments  Armbewegung im Dunkeln unter einer Abdeckung  Stopp bei einem Ton (nach 5-30 cm Bewegung)  Die Versuchsperson muss einen mit der anderen Hand einen Cursor auf der Stelle der Abdeckung platzieren, wo sie ihre Hand vermutet  Kapitel 6.2 „Zustandsschätzung“ 6.2.2 Experiment II Ergebnis des Experiments  Kapitel 6.2 „Zustandsschätzung“ 6.2.2 Experiment II Schlussfolgerung  Im Fall