声音反馈对高尔夫挥杆训练效果的生物力学影响

夏正亮，Yoo Kyung，庄 薇，伍 勰，刘 宇

声音反馈训练（teaching with acoustical guidance，TAGteachTM）是指针对特定的学习目标，利用声音反馈塑造和强化成功情况，提升训练效果的方法（Pryor，2002）。随着行为科学（behavioral science）的发展，目前该方法在自闭症的治疗以及运动技能学习方面成效显著（LaMarca et al.，2018；Luiselli et al.，2015）。体育运动中，该方法已在美式橄榄球、高尔夫、舞蹈、旱冰和棒球等项目中广泛应用。教练员采用声音反馈对运动员出现的正确动作进行强化，有效提升运动员的训练效果和比赛表现（Anderson et al.，2002；Bonner，2010；Fogel et al.，2010；Quinn et al.，2015；Stokes et al.，2010）。

在众多高尔夫技术动作中，挥杆技术是高尔夫训练中的重点和难点。作为一项较为复杂的技术动作，高质量的挥杆需要中枢神经系统（central nervous system，CNS）对人体的精确控制，使多关节协调配合，实现肩、髋等大关节带动肘、腕等小关节，完成正确挥杆动作（Carson et al.，2001）。一般情况下，高尔夫挥杆动作学习采用教师示范讲解、学生模仿练习、教师纠正错误、学生改进动作的方法。为提高训练效率，激发学习者兴趣，有研究采用语言指导结合视频反馈的训练方法，改善练习者的挥杆技术动作，提高击球距离（Guadagnoli et al.，2002）；或让运动员将注意力分别集中于球杆或手部训练，发现前者可提高推杆的准确性（Poolton et al.，2005；Wulf et al.，1999）。目前，尽管声音反馈训练已经应用在众多运动技能的学习和训练中，但在高尔夫技术训练中尚不多见。Fogel等（2010）曾运用声音反馈训练方法对一名女性高尔夫初学者进行挥杆动作训练，观察者通过行为分析方法证明声音反馈训练对于挥杆动作学习的促进作用。然而，该研究仅为个案且没有对照组，挥杆动作质量是行为专家的主观评价，缺乏客观数据进行量化。因此，声音反馈法对高尔夫挥杆训练的影响有待进一步研究。

基于此，为探索高尔夫挥杆训练的新方法，提高训练效果和质量，本研究从运动生物力学的角度出发，对声音反馈训练方法和传统训练方法的高尔夫挥杆训练效果进行生物力学分析，从运动学和动力学角度对两种方法进行客观评价。本研究的假设为：相比传统高尔夫训练方法，5周的声音反馈训练可显著提升高尔夫初学者的击球效果和挥杆动作质量。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

招募21名男性大学生作为研究对象（表1），随机分成声音反馈训练组（clicker training group，CG，n=11）和传统训练组（traditional training group，TG，n=10），进行5周的高尔夫挥杆教学训练。所有受试者均为右利手，训练内容为7号铁杆挥杆动作。为确保基线一致，所有受试者均未接触过高尔夫运动，近半年内无损伤史，身体状况、学习能力和运动机能良好，两组受试者身高、体质量无统计学差异。所有受试者在干预前签署知情同意书，均自愿参加高尔夫球挥杆动作训练。

表1 声音反馈训练组（CG）和传统训练组（TG）受试者基本信息Table 1 Basic Information of Subjects in Clicker Training Group（CG）and Traditional Training Group（TG） M±SD

1.2 实验设计

研究采用随机、单盲对照实验，两组受试均按照渐进式的挥杆教学策略进行5周的高尔夫挥杆训练（Humphries et al.，2004）（表2）。TG受试采用常规的教学方法，教练员通过动作讲解和示范进行指导，告知受试动作要点、注意事项；随后，受试进行练习，教练员指出练习者的动作缺陷，受试纠正动作，循环往复。CG是在传统训练方法的基础上，通过声音对受试的动作进行信息反馈。即在受试动作练习过程中，每当受试表现出正确的动作模式，教练员将迅速按压手持发声装置上的圆形按钮，发出1次“咔哒”响声，示意受试完成了正确动作，建立声音和正确动作之间的联系。第1次训练时，教练员会对声音信号进行说明，告知受试声音信号代表动作正确，练习中应尽量对有声音反馈的动作进行记忆。所有受试的高尔夫挥杆练习在学校高尔夫训练场进行，由一名韩国籍职业高尔夫教练指导。两组受试均参加5周高尔夫挥杆动作的单独训练，每周3课时，每课时1.5 h。

表2 CG和TG受试者高尔夫训练安排Table 2 Subjects’Golf Training Plans of CG and TG

完成5周的高尔夫挥杆学习后，受试依次在运动生物力学实验室进行挥杆动作的生物力学测试，评价挥杆动作质量和击球效果。每名受试测试前进行5 min的热身活动，之后实验人员为受试全身各环节贴上反光点。为捕捉高尔夫球杆的运动情况，实验采用的7号铁杆也粘贴了3个反光点。随后，受试双脚站立于2块测力台上进行5次无球空挥杆练习。正式实验开始后，受试以正常的挥杆击球动作握杆、站位、瞄球，以最大能力完成挥杆击球。站位时，两脚分别置于测力台上，球飞行方向有打击笼保护，每人采集3次有效数据，取平均值进行分析。

1.3 实验仪器

运动学数据采用Vicon红外高速运动捕捉系统（英国，Vicon公司）MXT40摄像头采集，软件为Vicon Nexus1.7.1。10个摄像头分别围绕挥杆击球区域放置，采样频率为100 Hz，受试身上所贴的反光marker球直径为14 mm。动力学数据运用2块Kistler三维测力台（瑞士，Kistler公司）采集，型号为9287B，面积为60 cm×90 cm，采样频率为1 000 Hz，测力台信号通过数模转换器与Vicon系统连接并同步。在测力台旁放置一块人工草皮，草皮与测力台在同一水平面。采用Trackman Doppler（丹麦，Trackman公司）高尔夫雷达探测设备对击球效果进行评价。该仪器放置于高尔夫击球方向正后方3 m处，用来监测击球瞬间的数据信息（图1）。所有受试均采用同一根7号铁杆测试，击打的高尔夫球与训练中一致，均为双层球。

图1 实验器材摆放和受试者反光Marker点粘贴位置Figure 1.Arrangement of Experimental Equipment and Subjects’Markers Placement

1.4 实验测试参数

研究选取初学者上杆到随挥初期阶段进行研究。挥杆动作设定4个时刻点（图2），分别为瞄球准备（address）、上杆顶点（top backswing）、击球（impact）和随挥至水平位置（mid follow-through）（McHardy et al.，2005）。其中，瞄球准备到上杆顶点为上杆阶段（backswing），上杆顶点到击球为下杆阶段（downswing），击球到杆身与地面平行时刻为随挥初期阶段（early follow-through）。采集的运动学和动力学数据采用Visual 3D（美国，C-Motion公司）软件进行建模处理，运用Butterworth进行低通滤波处理，截止频率为10 Hz和50 Hz。挥杆动作分析中，规定受试骨盆顺时针旋转为负，逆时针为正；受试左侧为引导侧（lead），右侧为跟随侧（trail），人体躯干前方为前侧（anterior），后方为后侧（posterior）。

图2 高尔夫挥杆阶段划分Figure 2.Different Phases during Golf Swing

1.4.1 击球效果

两组受试挥杆的击球效果采用Trackman Doppler高尔夫雷达装置进行评价，主要参数包括杆速（club speed）、杆面角度（face angle）、球速（ball speed）、飞行时间（flight time）、直线击球距离（carry distance）和击球效率（smash factor）。其中，杆速为球杆在击球时刻杆头的速度；球速为击球后高尔夫球的初速度。杆面角度正负值分别表示击球时刻杆头偏向远离或者靠近身体的一侧，其值越小表明此时杆面越正。飞行距离和飞行时间是雷达装置根据探测到的高尔夫球初始速度和初始方向计算出的球的飞行距离和时间。击球效率是球速和杆速的比值，该值越大，表明击球时刻杆头和球之间的能量转化效率越高。

1.4.2 挥杆动作评价

在高尔夫挥杆动作的生物力学研究中，骨盆转动、X-factor、COM-COP倾角等生物力学参数是评价高尔夫挥杆动作的重要指标（Choi et al.，2016；Gluck et al.，2008；Meister et al.，2011；Myers et al.，2008）。本研究根据挥杆动作划分了4个节点，计算了两组受试上杆阶段、下杆阶段以及随挥初期阶段的时间和总挥杆时间。通过受试髂前上棘、髂棘、大转子和腰骶关节的反光点追踪人体挥杆过程中骨盆的运动，评价挥杆过程中骨盆在水平面的转动情况（图3），随后对角度变化曲线进行微分求得骨盆角速度。X-factor是上杆顶点时刻尖峰连线转动的角度和骨盆转动角度的差值（Lephart et al.，2007）。COM-COP倾角指的是人体质心（center of mass）与足底压力中心（center of pressure）的连线与经过足底压力中心的垂线的夹角（图4）（Chen et al.，2010；Lee et al.，2006）。基于Choi等（2016）的研究，本研究计算受试挥杆动作中COM-COP倾角的变化情况评价受试挥杆动作中的动态稳定性。受试挥杆过程中COM和COP变化的空间坐标通过Visual 3D导出，根据坐标的空间位置计算COM-COP倾角在左右和前后方向的变化情况，角度微分1次后计算角速度。为评价动作的流畅性，对骨盆角速度和COM-COP倾角速度进行两次微分，计算骨盆转动角加速度的变化率（pelvic angular jerk）和COM-COP倾角角加速度的变化率（COM-COP inclination angular jerk），并根据相关公式分别对二者进行标准化，得到标准化后的角加速度变化率（normalized angular jerk，NAJ）（Yan et al.，2000）。COMCOP倾角角度和NAJ运用Python 3.5进行编程计算：

图3 受试挥杆过程骨盆转动示意图Figure 3.Pelvis Rotation of Subjects during Golf Swing

图4 受试挥杆过程中COM-COP倾角示意图Figure 4.The COM-COPInclinationAngle of Subjects during Golf Swing

其中，α代表COM-COP倾角，表示人体质心到压力中心的向量̂表示垂直方向单位向量。

其中，j(t)为角加速度的变化率，t为动作持续的总时间，θ为角度变化之和。

1.5 统计方法

两组数据采用平均值±标准差的方式表示，CG和TG之间的差异采用独立样本的t检验进行分析。所有数据采用SPSS 21.0软件进行统计学检验，显著性水平设为α=0.05。

2 结果

2.1 击球效果

5周的高尔夫球挥杆训练后，Trackman结果显示，CG击球时刻的杆速（P＜0.01）、球速（P＜0.01）明显大于TG受试，高尔夫球飞行时间（P＜0.01）和飞行距离（P＜0.01）更大。CG受试击球时刻的杆面角度（P＜0.01）更小，击球效率高于TG，但两组间没有显著性差异（图5）。

2.2 挥杆动作质量

挥杆时间方面，CG受试从上杆到随挥初期的总时间为（1.39±0.1）s，显著低于 TG（1.58±0.19）s（P＜0.05）。然而，上杆、下杆和随挥初期阶段分别占总时间的68%、26%和6%，两组受试各个阶段所占总时间的百分比无差异（图6）。

图6 CG和TG受试挥杆时间的结果对比Figure6.TheComparisonofSubjects’GolfSwingTime inCG and TG

5周挥杆动作训练后，CG和TG受试骨盆转动角度和角速度的变化曲线相近（图7），骨盆平均角速度，CG显著大于TG（P＜0.05）；上杆阶段骨盆转动角速度两组没有显著性差异；下杆到随挥阶段，CG骨盆角速度有大于TG的趋势（P=0.053）；CG骨盆转动的NAJ显著小于TG（P＜0.01，表3）。

图7 CG和TG挥杆过程中骨盆转动角度、角速度的变化以及COM-COP倾角前后和左右方向角度、角速度的变化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受试挥杆动作骨盆转动情况Table 3 TheAngle of Pelvis Rotation of the Subjects during Golf Swing in CG and TG

本研究还计算了挥杆过程中COM-COP倾角的变化情况，CG和TG组曲线变化类似（图7）。从上杆到随挥初期大部分阶段，前后方向COM-COP倾角为负值，即人体COM位置在COP前方；左右方向COM-COP倾角大部分阶段为负值，即大部分时刻，人体COM在COP的右方。并且，COM-COP倾角角度和角速度峰值大都出现在击球时刻前后。在前后、左右两个方向上，COM-COP倾角的最大值、最小值和变化范围均无明显差异，角速度的最大值、最小值和变化范围也没有差异性（表4）。但是，COMCOP倾角的NAJ前后方向，CG显著小于TG（P＜0.05）；左右方向，CG有低于TG的趋势（P=0.061），未表现出显著性差异。

表4 CG和TG受试挥杆动作COM-COP倾角变化情况Table 4 The COM-COPInclinationAngle of the Subjects during the Golf Swing in CG and TG

3 讨论

高尔夫运动在我国尚未普及，国内鲜有针对高尔夫训练方法的研究，更缺乏对高尔夫训练方法的改进和创新。声音反馈训练方法作为一种训练辅助手段，其独特的反馈形式对传统训练方法进行补充，更新了高尔夫的传统训练理念。该方法操作方便，成本低廉，效果显著，已被用于众多运动项目的技术训练中，有效提高了运动员的表现（Luiselli et al.，2011）。因此，本研究在于验证声音反馈训练法在高尔夫挥杆训练中的有效性，从生物力学角度分析受试击球效果和挥杆动作质量，客观评价声音反馈训练法的效果。

研究显示，5周高尔夫挥杆训练后CG击球时刻杆速、球速、杆面角度、击球距离和飞行时间等击球表现指标明显高于TG，即声音反馈训练方法有效提升了高尔夫初学者的运动表现。与本研究结果相仿，在美式橄榄球运动中，Stokes等（2010）发现声音结合视频反馈可提升高中前锋的进攻能力。教练员在每周1次的进攻技术训练课中，运用声音反馈即刻提示运动员出现的正确动作，并在每组练习后同时给予动作录像反馈，极大提高了前锋在赛季中的进攻能力。Harrison等（2013）发现，训练中使用声音反馈塑造运动员的技术动作，可提高动作质量，显著增强高中美式橄榄球后卫的防守能力。当前，行为学家从应用行为分析（applied behavior analysis）的角度解释了声音反馈对提高运动表现的促进作用（Luiselli et al.，2015），认为声音反馈是一种条件刺激物（conditioned reinforcer），能够清晰、及时且精确地将信息反馈给学习者，在学习过程中建立快速的信息反馈，对成功的动作具有一定的强化作用，促进技术动作的形成（Herron et al.，2018；Pryor，2002）。根据条件反射（conditioned reflex）理论，声音刺激强化正确的动作模式可使受试在动作学习初期较快形成动力定型，进而通过练习发展为动作自动化（Olson，2015）。本研究中，每当CG表现出正确的动作，就会立刻收到声音信号的反馈。特别是在分解动作训练中，受试的站位、握杆、瞄球、上杆、下杆击球、收杆等正确动作都将得到声音反馈，无形中将声音和正确动作进行配对，一定程度上帮助其强化了正确的挥杆模式。也有研究显示，声音可以增强大脑的神经可塑性，从而提高动作学习效率（Weinberger et al.，1987）。这是因为声音可以对大脑皮层的新皮质（neocortex）产生刺激，该区域负责语言、听觉、行动、记忆等高级认知功能，因此，声音信号可能对动作学习有一定的促进作用（Sanes，2003）。

由CG和TG受试骨盆转动和COM-COP变化曲线可以发现，5周训练后，两组受试均达到较为稳定的挥杆动作模式。但是，声音反馈对受试的挥杆动作细节产生一定的积极影响，如挥杆时间、骨盆转动速度和动作的流畅性等，CG均优于TG。首先，CG挥杆时间更短可能是动作质量较高的间接表现。Healy等（2011）对比了不同击球速度球手的挥杆时间，发现高击球速度的球手下杆到随挥初期的挥杆时间显著低于慢球速受试，与本研究中CG有较高球速和杆速呼应。在此情况下，CG表现出更小的杆面角度，意味着受试在快速挥杆的过程中对杆面的控制更精确（Betzler et al.，2012），体现了高质量的挥杆动作。其次，CG骨盆转动的平均速度显著高于TG，在下杆阶段有显著性的趋势。骨盆转动是高尔夫挥杆动作的重要环节，较好的骨盆转动效果表明练习者会充分利用身体核心区域的力量，与击球表现有着密切联系（刘宇，2010；Okuda et al.，2010）。根据“鞭打”动作原理，运动中身体远端若获得较大的速度，身体近端大环节需要先加速获得动量（刘卉，2004）。由此可见，CG受试骨盆的有效转动增加了身体末端环节的速度，进而增大击球时刻的杆速，达到更好的运动表现。此外，CG和TG受试COM-COP倾角在前后和左右方向的变化范围与Choi等（2016）报道的高尔夫初学者的变化情况类似，并且CG COM-COP倾角角速度在前后和左右方向一致高于TG，表明受试肌肉协调和控制能力可能有所提高，从而提高了击球表现。

同时，CG受试骨盆转动角加速度和COM-COP倾角角加速度在两个方向变化的NAJ均小于TG，可以推测声音反馈训练方法使受试形成更流畅的挥杆动作模式。对于高尔夫球手，高水平运动员将通过正确的肌肉收缩展现出更好的动作协调性，使挥杆动作更加快速、准确、稳定和流畅，表现出较低的骨盆转动和COM-COP变化的NAJ（Choi et al.，2016）。本研究中，CG的NAJ均低于TG，提示5周的声音反馈训练或许是提高挥杆动作流畅性的潜在因素。已有研究指出，高尔夫初学者在早期动作练习时应采用内部注意（internal focus of attention）的练习方法，使练习者更多地关注自身动作过程而非结果（Perkins-Ceccato et al.，2003）。声音反馈训练恰好通过声音强调练习者对正确动作的记忆，使其将注意力更加集中于自身动作的发展和形成，无形中提高挥杆动作质量（Quinn et al.，2015）。

4 结论

本研究证实，经过声音反馈训练的高尔夫初学者在挥杆动作质量和击球效果上具有明显的优势。尤其是在击球效果方面，声音反馈训练组在球速、击球距离等关键指标上均显著高于传统训练组。生物力学分析也表明，声音反馈对挥杆动作产生了积极的影响。提示，在未来的高尔夫动作训练中，教练员可以利用声音反馈训练方法对练习者的正确动作进行塑造和强化，提高学习效果。