聲音反饋對高爾夫揮桿訓練效果的生物力學影響

夏正亮，Yoo Kyung，莊 薇，伍 勰，劉 宇

聲音反饋訓練（teaching with acoustical guidance，TAGteachTM）是指針對特定的學習目標，利用聲音反饋塑造和強化成功情況，提升訓練效果的方法（Pryor，2002）。隨著行為科學（behavioral science）的發(fā)展，目前該方法在自閉癥的治療以及運動技能學習方面成效顯著（LaMarca et al.，2018；Luiselli et al.，2015）。體育運動中，該方法已在美式橄欖球、高爾夫、舞蹈、旱冰和棒球等項目中廣泛應用。教練員采用聲音反饋對運動員出現(xiàn)的正確動作進行強化，有效提升運動員的訓練效果和比賽表現(xiàn)（Anderson et al.，2002；Bonner，2010；Fogel et al.，2010；Quinn et al.，2015；Stokes et al.，2010）。

在眾多高爾夫技術(shù)動作中，揮桿技術(shù)是高爾夫訓練中的重點和難點。作為一項較為復雜的技術(shù)動作，高質(zhì)量的揮桿需要中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）對人體的精確控制，使多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)肩、髖等大關(guān)節(jié)帶動肘、腕等小關(guān)節(jié)，完成正確揮桿動作（Carson et al.，2001）。一般情況下，高爾夫揮桿動作學習采用教師示范講解、學生模仿練習、教師糾正錯誤、學生改進動作的方法。為提高訓練效率，激發(fā)學習者興趣，有研究采用語言指導結(jié)合視頻反饋的訓練方法，改善練習者的揮桿技術(shù)動作，提高擊球距離（Guadagnoli et al.，2002）；或讓運動員將注意力分別集中于球桿或手部訓練，發(fā)現(xiàn)前者可提高推桿的準確性（Poolton et al.，2005；Wulf et al.，1999）。目前，盡管聲音反饋訓練已經(jīng)應用在眾多運動技能的學習和訓練中，但在高爾夫技術(shù)訓練中尚不多見。Fogel等（2010）曾運用聲音反饋訓練方法對一名女性高爾夫初學者進行揮桿動作訓練，觀察者通過行為分析方法證明聲音反饋訓練對于揮桿動作學習的促進作用。然而，該研究僅為個案且沒有對照組，揮桿動作質(zhì)量是行為專家的主觀評價，缺乏客觀數(shù)據(jù)進行量化。因此，聲音反饋法對高爾夫揮桿訓練的影響有待進一步研究。

基于此，為探索高爾夫揮桿訓練的新方法，提高訓練效果和質(zhì)量，本研究從運動生物力學的角度出發(fā)，對聲音反饋訓練方法和傳統(tǒng)訓練方法的高爾夫揮桿訓練效果進行生物力學分析，從運動學和動力學角度對兩種方法進行客觀評價。本研究的假設(shè)為：相比傳統(tǒng)高爾夫訓練方法，5周的聲音反饋訓練可顯著提升高爾夫初學者的擊球效果和揮桿動作質(zhì)量。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

招募21名男性大學生作為研究對象（表1），隨機分成聲音反饋訓練組（clicker training group，CG，n=11）和傳統(tǒng)訓練組（traditional training group，TG，n=10），進行5周的高爾夫揮桿教學訓練。所有受試者均為右利手，訓練內(nèi)容為7號鐵桿揮桿動作。為確?；€一致，所有受試者均未接觸過高爾夫運動，近半年內(nèi)無損傷史，身體狀況、學習能力和運動機能良好，兩組受試者身高、體質(zhì)量無統(tǒng)計學差異。所有受試者在干預前簽署知情同意書，均自愿參加高爾夫球揮桿動作訓練。

表1 聲音反饋訓練組（CG）和傳統(tǒng)訓練組（TG）受試者基本信息Table 1 Basic Information of Subjects in Clicker Training Group（CG）and Traditional Training Group（TG） M±SD

1.2 實驗設(shè)計

研究采用隨機、單盲對照實驗，兩組受試均按照漸進式的揮桿教學策略進行5周的高爾夫揮桿訓練（Humphries et al.，2004）（表2）。TG受試采用常規(guī)的教學方法，教練員通過動作講解和示范進行指導，告知受試動作要點、注意事項；隨后，受試進行練習，教練員指出練習者的動作缺陷，受試糾正動作，循環(huán)往復。CG是在傳統(tǒng)訓練方法的基礎(chǔ)上，通過聲音對受試的動作進行信息反饋。即在受試動作練習過程中，每當受試表現(xiàn)出正確的動作模式，教練員將迅速按壓手持發(fā)聲裝置上的圓形按鈕，發(fā)出1次“咔噠”響聲，示意受試完成了正確動作，建立聲音和正確動作之間的聯(lián)系。第1次訓練時，教練員會對聲音信號進行說明，告知受試聲音信號代表動作正確，練習中應盡量對有聲音反饋的動作進行記憶。所有受試的高爾夫揮桿練習在學校高爾夫訓練場進行，由一名韓國籍職業(yè)高爾夫教練指導。兩組受試均參加5周高爾夫揮桿動作的單獨訓練，每周3課時，每課時1.5 h。

表2 CG和TG受試者高爾夫訓練安排Table 2 Subjects’Golf Training Plans of CG and TG

完成5周的高爾夫揮桿學習后，受試依次在運動生物力學實驗室進行揮桿動作的生物力學測試，評價揮桿動作質(zhì)量和擊球效果。每名受試測試前進行5 min的熱身活動，之后實驗人員為受試全身各環(huán)節(jié)貼上反光點。為捕捉高爾夫球桿的運動情況，實驗采用的7號鐵桿也粘貼了3個反光點。隨后，受試雙腳站立于2塊測力臺上進行5次無球空揮桿練習。正式實驗開始后，受試以正常的揮桿擊球動作握桿、站位、瞄球，以最大能力完成揮桿擊球。站位時，兩腳分別置于測力臺上，球飛行方向有打擊籠保護，每人采集3次有效數(shù)據(jù)，取平均值進行分析。

1.3 實驗儀器

運動學數(shù)據(jù)采用Vicon紅外高速運動捕捉系統(tǒng)（英國，Vicon公司）MXT40攝像頭采集，軟件為Vicon Nexus1.7.1。10個攝像頭分別圍繞揮桿擊球區(qū)域放置，采樣頻率為100 Hz，受試身上所貼的反光marker球直徑為14 mm。動力學數(shù)據(jù)運用2塊Kistler三維測力臺（瑞士，Kistler公司）采集，型號為9287B，面積為60 cm×90 cm，采樣頻率為1 000 Hz，測力臺信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器與Vicon系統(tǒng)連接并同步。在測力臺旁放置一塊人工草皮，草皮與測力臺在同一水平面。采用Trackman Doppler（丹麥，Trackman公司）高爾夫雷達探測設(shè)備對擊球效果進行評價。該儀器放置于高爾夫擊球方向正后方3 m處，用來監(jiān)測擊球瞬間的數(shù)據(jù)信息（圖1）。所有受試均采用同一根7號鐵桿測試，擊打的高爾夫球與訓練中一致，均為雙層球。

圖1 實驗器材擺放和受試者反光Marker點粘貼位置Figure 1.Arrangement of Experimental Equipment and Subjects’Markers Placement

1.4 實驗測試參數(shù)

研究選取初學者上桿到隨揮初期階段進行研究。揮桿動作設(shè)定4個時刻點（圖2），分別為瞄球準備（address）、上桿頂點（top backswing）、擊球（impact）和隨揮至水平位置（mid follow-through）（McHardy et al.，2005）。其中，瞄球準備到上桿頂點為上桿階段（backswing），上桿頂點到擊球為下桿階段（downswing），擊球到桿身與地面平行時刻為隨揮初期階段（early follow-through）。采集的運動學和動力學數(shù)據(jù)采用Visual 3D（美國，C-Motion公司）軟件進行建模處理，運用Butterworth進行低通濾波處理，截止頻率為10 Hz和50 Hz。揮桿動作分析中，規(guī)定受試骨盆順時針旋轉(zhuǎn)為負，逆時針為正；受試左側(cè)為引導側(cè)（lead），右側(cè)為跟隨側(cè)（trail），人體軀干前方為前側(cè)（anterior），后方為后側(cè)（posterior）。

圖2 高爾夫揮桿階段劃分Figure 2.Different Phases during Golf Swing

1.4.1 擊球效果

兩組受試揮桿的擊球效果采用Trackman Doppler高爾夫雷達裝置進行評價，主要參數(shù)包括桿速（club speed）、桿面角度（face angle）、球速（ball speed）、飛行時間（flight time）、直線擊球距離（carry distance）和擊球效率（smash factor）。其中，桿速為球桿在擊球時刻桿頭的速度；球速為擊球后高爾夫球的初速度。桿面角度正負值分別表示擊球時刻桿頭偏向遠離或者靠近身體的一側(cè)，其值越小表明此時桿面越正。飛行距離和飛行時間是雷達裝置根據(jù)探測到的高爾夫球初始速度和初始方向計算出的球的飛行距離和時間。擊球效率是球速和桿速的比值，該值越大，表明擊球時刻桿頭和球之間的能量轉(zhuǎn)化效率越高。

1.4.2 揮桿動作評價

在高爾夫揮桿動作的生物力學研究中，骨盆轉(zhuǎn)動、X-factor、COM-COP傾角等生物力學參數(shù)是評價高爾夫揮桿動作的重要指標（Choi et al.，2016；Gluck et al.，2008；Meister et al.，2011；Myers et al.，2008）。本研究根據(jù)揮桿動作劃分了4個節(jié)點，計算了兩組受試上桿階段、下桿階段以及隨揮初期階段的時間和總揮桿時間。通過受試髂前上棘、髂棘、大轉(zhuǎn)子和腰骶關(guān)節(jié)的反光點追蹤人體揮桿過程中骨盆的運動，評價揮桿過程中骨盆在水平面的轉(zhuǎn)動情況（圖3），隨后對角度變化曲線進行微分求得骨盆角速度。X-factor是上桿頂點時刻尖峰連線轉(zhuǎn)動的角度和骨盆轉(zhuǎn)動角度的差值（Lephart et al.，2007）。COM-COP傾角指的是人體質(zhì)心（center of mass）與足底壓力中心（center of pressure）的連線與經(jīng)過足底壓力中心的垂線的夾角（圖4）（Chen et al.，2010；Lee et al.，2006）?；贑hoi等（2016）的研究，本研究計算受試揮桿動作中COM-COP傾角的變化情況評價受試揮桿動作中的動態(tài)穩(wěn)定性。受試揮桿過程中COM和COP變化的空間坐標通過Visual 3D導出，根據(jù)坐標的空間位置計算COM-COP傾角在左右和前后方向的變化情況，角度微分1次后計算角速度。為評價動作的流暢性，對骨盆角速度和COM-COP傾角速度進行兩次微分，計算骨盆轉(zhuǎn)動角加速度的變化率（pelvic angular jerk）和COM-COP傾角角加速度的變化率（COM-COP inclination angular jerk），并根據(jù)相關(guān)公式分別對二者進行標準化，得到標準化后的角加速度變化率（normalized angular jerk，NAJ）（Yan et al.，2000）。COMCOP傾角角度和NAJ運用Python 3.5進行編程計算：

圖3 受試揮桿過程骨盆轉(zhuǎn)動示意圖Figure 3.Pelvis Rotation of Subjects during Golf Swing

圖4 受試揮桿過程中COM-COP傾角示意圖Figure 4.The COM-COPInclinationAngle of Subjects during Golf Swing

其中，α代表COM-COP傾角，表示人體質(zhì)心到壓力中心的向量?表示垂直方向單位向量。

其中，j(t)為角加速度的變化率，t為動作持續(xù)的總時間，θ為角度變化之和。

1.5 統(tǒng)計方法

兩組數(shù)據(jù)采用平均值±標準差的方式表示，CG和TG之間的差異采用獨立樣本的t檢驗進行分析。所有數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0軟件進行統(tǒng)計學檢驗，顯著性水平設(shè)為α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 擊球效果

5周的高爾夫球揮桿訓練后，Trackman結(jié)果顯示，CG擊球時刻的桿速（P＜0.01）、球速（P＜0.01）明顯大于TG受試，高爾夫球飛行時間（P＜0.01）和飛行距離（P＜0.01）更大。CG受試擊球時刻的桿面角度（P＜0.01）更小，擊球效率高于TG，但兩組間沒有顯著性差異（圖5）。

2.2 揮桿動作質(zhì)量

揮桿時間方面，CG受試從上桿到隨揮初期的總時間為（1.39±0.1）s，顯著低于 TG（1.58±0.19）s（P＜0.05）。然而，上桿、下桿和隨揮初期階段分別占總時間的68%、26%和6%，兩組受試各個階段所占總時間的百分比無差異（圖6）。

圖6 CG和TG受試揮桿時間的結(jié)果對比Figure6.TheComparisonofSubjects’GolfSwingTime inCG and TG

5周揮桿動作訓練后，CG和TG受試骨盆轉(zhuǎn)動角度和角速度的變化曲線相近（圖7），骨盆平均角速度，CG顯著大于TG（P＜0.05）；上桿階段骨盆轉(zhuǎn)動角速度兩組沒有顯著性差異；下桿到隨揮階段，CG骨盆角速度有大于TG的趨勢（P=0.053）；CG骨盆轉(zhuǎn)動的NAJ顯著小于TG（P＜0.01，表3）。

圖7 CG和TG揮桿過程中骨盆轉(zhuǎn)動角度、角速度的變化以及COM-COP傾角前后和左右方向角度、角速度的變化Figure 7.The Change of Pelvis RotationAngle andAngular Velocity，COM-COPAngle andAngular Velocity inAnterior-Posterior Direction and Left-Right Direction in CG and TG

表3 CG和TG受試揮桿動作骨盆轉(zhuǎn)動情況Table 3 TheAngle of Pelvis Rotation of the Subjects during Golf Swing in CG and TG

本研究還計算了揮桿過程中COM-COP傾角的變化情況，CG和TG組曲線變化類似（圖7）。從上桿到隨揮初期大部分階段，前后方向COM-COP傾角為負值，即人體COM位置在COP前方；左右方向COM-COP傾角大部分階段為負值，即大部分時刻，人體COM在COP的右方。并且，COM-COP傾角角度和角速度峰值大都出現(xiàn)在擊球時刻前后。在前后、左右兩個方向上，COM-COP傾角的最大值、最小值和變化范圍均無明顯差異，角速度的最大值、最小值和變化范圍也沒有差異性（表4）。但是，COMCOP傾角的NAJ前后方向，CG顯著小于TG（P＜0.05）；左右方向，CG有低于TG的趨勢（P=0.061），未表現(xiàn)出顯著性差異。

表4 CG和TG受試揮桿動作COM-COP傾角變化情況Table 4 The COM-COPInclinationAngle of the Subjects during the Golf Swing in CG and TG

3 討論

高爾夫運動在我國尚未普及，國內(nèi)鮮有針對高爾夫訓練方法的研究，更缺乏對高爾夫訓練方法的改進和創(chuàng)新。聲音反饋訓練方法作為一種訓練輔助手段，其獨特的反饋形式對傳統(tǒng)訓練方法進行補充，更新了高爾夫的傳統(tǒng)訓練理念。該方法操作方便，成本低廉，效果顯著，已被用于眾多運動項目的技術(shù)訓練中，有效提高了運動員的表現(xiàn)（Luiselli et al.，2011）。因此，本研究在于驗證聲音反饋訓練法在高爾夫揮桿訓練中的有效性，從生物力學角度分析受試擊球效果和揮桿動作質(zhì)量，客觀評價聲音反饋訓練法的效果。

研究顯示，5周高爾夫揮桿訓練后CG擊球時刻桿速、球速、桿面角度、擊球距離和飛行時間等擊球表現(xiàn)指標明顯高于TG，即聲音反饋訓練方法有效提升了高爾夫初學者的運動表現(xiàn)。與本研究結(jié)果相仿，在美式橄欖球運動中，Stokes等（2010）發(fā)現(xiàn)聲音結(jié)合視頻反饋可提升高中前鋒的進攻能力。教練員在每周1次的進攻技術(shù)訓練課中，運用聲音反饋即刻提示運動員出現(xiàn)的正確動作，并在每組練習后同時給予動作錄像反饋，極大提高了前鋒在賽季中的進攻能力。Harrison等（2013）發(fā)現(xiàn)，訓練中使用聲音反饋塑造運動員的技術(shù)動作，可提高動作質(zhì)量，顯著增強高中美式橄欖球后衛(wèi)的防守能力。當前，行為學家從應用行為分析（applied behavior analysis）的角度解釋了聲音反饋對提高運動表現(xiàn)的促進作用（Luiselli et al.，2015），認為聲音反饋是一種條件刺激物（conditioned reinforcer），能夠清晰、及時且精確地將信息反饋給學習者，在學習過程中建立快速的信息反饋，對成功的動作具有一定的強化作用，促進技術(shù)動作的形成（Herron et al.，2018；Pryor，2002）。根據(jù)條件反射（conditioned reflex）理論，聲音刺激強化正確的動作模式可使受試在動作學習初期較快形成動力定型，進而通過練習發(fā)展為動作自動化（Olson，2015）。本研究中，每當CG表現(xiàn)出正確的動作，就會立刻收到聲音信號的反饋。特別是在分解動作訓練中，受試的站位、握桿、瞄球、上桿、下桿擊球、收桿等正確動作都將得到聲音反饋，無形中將聲音和正確動作進行配對，一定程度上幫助其強化了正確的揮桿模式。也有研究顯示，聲音可以增強大腦的神經(jīng)可塑性，從而提高動作學習效率（Weinberger et al.，1987）。這是因為聲音可以對大腦皮層的新皮質(zhì)（neocortex）產(chǎn)生刺激，該區(qū)域負責語言、聽覺、行動、記憶等高級認知功能，因此，聲音信號可能對動作學習有一定的促進作用（Sanes，2003）。

由CG和TG受試骨盆轉(zhuǎn)動和COM-COP變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，5周訓練后，兩組受試均達到較為穩(wěn)定的揮桿動作模式。但是，聲音反饋對受試的揮桿動作細節(jié)產(chǎn)生一定的積極影響，如揮桿時間、骨盆轉(zhuǎn)動速度和動作的流暢性等，CG均優(yōu)于TG。首先，CG揮桿時間更短可能是動作質(zhì)量較高的間接表現(xiàn)。Healy等（2011）對比了不同擊球速度球手的揮桿時間，發(fā)現(xiàn)高擊球速度的球手下桿到隨揮初期的揮桿時間顯著低于慢球速受試，與本研究中CG有較高球速和桿速呼應。在此情況下，CG表現(xiàn)出更小的桿面角度，意味著受試在快速揮桿的過程中對桿面的控制更精確（Betzler et al.，2012），體現(xiàn)了高質(zhì)量的揮桿動作。其次，CG骨盆轉(zhuǎn)動的平均速度顯著高于TG，在下桿階段有顯著性的趨勢。骨盆轉(zhuǎn)動是高爾夫揮桿動作的重要環(huán)節(jié)，較好的骨盆轉(zhuǎn)動效果表明練習者會充分利用身體核心區(qū)域的力量，與擊球表現(xiàn)有著密切聯(lián)系（劉宇，2010；Okuda et al.，2010）。根據(jù)“鞭打”動作原理，運動中身體遠端若獲得較大的速度，身體近端大環(huán)節(jié)需要先加速獲得動量（劉卉，2004）。由此可見，CG受試骨盆的有效轉(zhuǎn)動增加了身體末端環(huán)節(jié)的速度，進而增大擊球時刻的桿速，達到更好的運動表現(xiàn)。此外，CG和TG受試COM-COP傾角在前后和左右方向的變化范圍與Choi等（2016）報道的高爾夫初學者的變化情況類似，并且CG COM-COP傾角角速度在前后和左右方向一致高于TG，表明受試肌肉協(xié)調(diào)和控制能力可能有所提高，從而提高了擊球表現(xiàn)。

同時，CG受試骨盆轉(zhuǎn)動角加速度和COM-COP傾角角加速度在兩個方向變化的NAJ均小于TG，可以推測聲音反饋訓練方法使受試形成更流暢的揮桿動作模式。對于高爾夫球手，高水平運動員將通過正確的肌肉收縮展現(xiàn)出更好的動作協(xié)調(diào)性，使揮桿動作更加快速、準確、穩(wěn)定和流暢，表現(xiàn)出較低的骨盆轉(zhuǎn)動和COM-COP變化的NAJ（Choi et al.，2016）。本研究中，CG的NAJ均低于TG，提示5周的聲音反饋訓練或許是提高揮桿動作流暢性的潛在因素。已有研究指出，高爾夫初學者在早期動作練習時應采用內(nèi)部注意（internal focus of attention）的練習方法，使練習者更多地關(guān)注自身動作過程而非結(jié)果（Perkins-Ceccato et al.，2003）。聲音反饋訓練恰好通過聲音強調(diào)練習者對正確動作的記憶，使其將注意力更加集中于自身動作的發(fā)展和形成，無形中提高揮桿動作質(zhì)量（Quinn et al.，2015）。

4 結(jié)論

本研究證實，經(jīng)過聲音反饋訓練的高爾夫初學者在揮桿動作質(zhì)量和擊球效果上具有明顯的優(yōu)勢。尤其是在擊球效果方面，聲音反饋訓練組在球速、擊球距離等關(guān)鍵指標上均顯著高于傳統(tǒng)訓練組。生物力學分析也表明，聲音反饋對揮桿動作產(chǎn)生了積極的影響。提示，在未來的高爾夫動作訓練中，教練員可以利用聲音反饋訓練方法對練習者的正確動作進行塑造和強化，提高學習效果。