生物反馈方法辅助青少年跳水起跳技术训练的研究

跳水是我国竞技体育的优势项目，我国跳水项目的运动水平一直处于世界领先。但是，这并不足以说明我们的跳水训练科学化程度也达到了相应水平。与跳台项目比较，跳板跳水的技术含量较高，对运动员的协调能力具有很高的要求。跳板运动员要具备出色的弹跳能力，拥有良好的对跳板的“驾驭能力”，即教练员经常提到的“合板”能力，这种能力建立在体能和技术的基础上，需要通过多年的系统训练形成。跳水运动常年系统的训练对其训练方法和效率的创新要求很高。一方面，跳水是表现难美性的竞技运动，该项目在技术训练过程中需要重复某一动作多次，训练过程相对单一、枯燥，长期一成不变的训练容易产生运动疲劳和损伤，影响训练效率；另一方面，随着跳水运动的迅猛发展，国外运动员在动作难度和稳定性方面不断提高[1]。面对挑战，中国跳水队必须寻求新的突破，提高动作难度和稳定性，提升训练效率[2]。

生物反馈(Biofeedback)是采用电子仪器准确测定神经-肌肉和自主神经系统的正常和异常活动状况，并把这些信息选择性的放大成视觉和听觉信号反馈给受试者[3]。生物反馈训练则是借助于现代化的仪器把机体的生理信息传递给运动员，使其经过反复练习，学会调节自己的生理机能和活动状态并进行控制和矫正[4]。生理、身体和心理之间存在着紧密的联系，这是无意识的生理活动置于有意识的意识控制的物质基础[5]。

随着生物反馈方式方法的逐步增多(听觉、视觉、触觉、视听觉结合等)，近年来，生物反馈的理论与技术越来越多地被应用于运动训练中，人们利用人体大脑中枢所具有的“记忆痕迹”和“环路信息反馈”功能，运用科技手段采集运动员和普通人群各技术动作的关键数据，并将其快速实时地“反馈”给个体和教练员，使其能够及时了解技术动作的完成状况，在技术动作的实施过程中或结束即刻及时调整和强化训练，以期加快技术动作的学习和掌握过程。国内外有关多种反馈系统在训练中运用的研究较为广泛，主要包括：(1)生物反馈系统提高不同人群健康和康复的研究[6]。(2)生物反馈系统提高不同项目技术学习[7-9]。(3)生物反馈系统运用于提高高水平运动员的竞技表现。[10]。国内学者熊媛等人将生物反馈技术应用于跳水训练上进行研究，分析了跳水训练的存在问题，提出对跳水技术训练过程的控制问题，认为对动作过程的控制是现代运动科学研究和训练科学化发展的一个重要趋势，建议运用视频图像和传感器等手段对跳水运动员的技术训练进行辅助支持[11]。

国内学者基于运动协调模型和生物反馈等原理设计开发的跳板跳水辅助训练系统，将生物反馈机理创新性地应用于跳水日常训练中，以辅助训练和检测评价作为基本功能，兼顾数理统计分析子功能[12]。该生物反馈系统通过对跳板运动员起跳关键指标的实时、快速的反馈，强化运动员对技术细节的理解，缩短神经-肌肉的支配环路，加快运动员技术的学习和掌握速度。本研究是在该系统的基础上将生物反馈的理论和技术应用于跳板跳水运动员训练中，通过一系列的训练和测试，结合自身多年队员和教练的经验，总结和探讨针对跳水运动研发生物反馈系统的可行性和有效性，旨在推进跳水运动理论研究，同时对于促进跳水运动和训练探索新的方法提供思路借鉴。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

将20名北京队青少年跳水运动员作为研究对象，通过简单随机分组将运动员分为实验组和对照组，实验对象基本情况见表1。两组运动员各项指标均无显著性差异，运动等级水平分配均匀合理(实验组和对照组均为4个一级运动员和6个运动健将)。

表1 实验组与对照组的基本情况

1.2 实验设备

(1)跳板生物反馈系统：如图1所示，跳板跳水辅助训练系统的硬件结构由一个普通摄像头、加速度传感器、光电传感器、计算机和音箱、指示灯组成。选用质量很小的加速度传感器以尽可能减小其在跳板振动过程中对跳板动态特性的影响。可测试指标包括：跳板跳水起跳高度、起跳速度、起跳过程中的压板深度等。

图1跳板跳水辅助训练系统硬件结构

Figure1Hardwarestructureofspringboarddivingtrainingaidsystem

(2)三维测力台：瑞士生产(Kistler 9286A)，测量范围0～10 kN(竖直)，-2.5～2.5 kN(水平)，分辨阈< 0.05 N，灵敏度20 mV/N(竖直)，40 mV/N(水平)。

1.3 实验方案与测试方法

在3个月内对北京跳水队进行了3次测试，测试时间分别定在实验前、实验中和实验后，测试内容主要可以分为力台跳跃能力测试(一般弹跳力测试)和生物反馈系统的跳板起跳能力测试(专项弹跳能力测试)。本研究对实验组和对照组所有受试运动员的训练进行了统一设计和控制，力求在方法、内容和负荷上做到一致，以保证实验条件的均等，唯一不同的是在进行跳板专项动作和新旧动作的训练和测试过程中，实验组运用生物反馈系统进行训练，而对照组不采用生物反馈系统训练。在实验周期内，受试运动员基本生理状况和一般弹跳能力基本保持不变，在日常训练中实验组和对照组受试运动员的训练量保持一致。

(1)运用力台检测所有跳水运动员的跳跃能力，根据教练以往惯例和跳水运动员的力量结构，对7种跳跃做了检测，选择符合跳水腿部力量要求的训练内容(双腿纵跳、左右单腿跳、走板踏步跳、20 cm、40 cm、60 cm跳深测试)，每个动作跳3次取最佳值。着重研究运动员在陆地上的跳跃能力。

(2)运用跳板生物反馈系统检测受试者跳板起跳高度。分为运动员跳板专项素质能力测试和新、旧竞技水平动作测试。

1.3.1 运动员跳板专项素质能力测试

运动员专项素质能力指标是本选题各项测试指标中的核心部分，所取得的指标用了衡量运动员个人竞技水平。

测试指标：101B、201B、301B、401B、5 331D是所有受试者规定动作。(1～4组的半周屈体、3组转体半周翻腾1周半)105B、205C、305C、405C、533 5D是有着一定的难度系数但所有受试者都会跳的自选动作(1～5组的两周半，除105B是屈体外2～4组都是抱膝，5组是反身转体2周半翻腾1周半)。

1.3.2 竞技水平动作测试

队员在3个月中对新动作(107C)、旧动作(305C)利用生物反馈系统对实验组和对照组的起跳高度进行实时数据提取并分析相关性与差异性。在3个月中对队员利用生物反馈系统辅助学习和巩固新、旧动作的过程进行跟踪。

2 结果

2.1 一般弹跳能力

本小节分析了使用三维力台对运动员7种典型的跳跃动作(双腿纵跳、左单腿跳、右单腿跳、踏步跳、20 cm跳深、40 cm跳深、60 cm跳深)进行测试，对实验组和对照组7种跳跃动作在实验前、中、后的测试结果采用重复测量方差分析(2×7×3)。

数据结果显示，测试时间(前、中、后)无显著性差异(P>0.05，F=0.001，η2<0.01)；主体间效应不显著(P>0.05，F=0.879，η2=0.047)，表明不同组别(实验组和对照组)无显著差异。不同组别、纵跳类型和测试时间交互作用不显著(P>0.05，F=1.488，η2=0.076)。通过成对比较发现，实验组和对照组在前测、中测和后测均无显著性差异(P>0.05；P>0.05；P>0.05)。

2.2 生物反馈训练方法有效性分析

2.2.1 跳板专项跳板起跳能力

利用水上3m跳板生物反馈训练系统，让受试者用标准的走板和立定起跳进行1、2、3、4、曲体半周和5 331D 3组转体半周翻腾1周半。再进行1组翻腾2周半曲体、2、3、4组两周半抱膝和5 335D 3组翻腾1周半转体两周半，共10个动作各跳1次。测试根据教练安排的训练计划择机进行。将测试结果运用2(实验组和对照组)×10(10个动作)×3(前中后3次测试)的重复测量方差分析，结果表明，主体内效应分析表明，测试时间的主效应显著(P<0.01，F=156.225，η2=0.897)即不同测试时间的起跳高度差异性显著；主体间效应检验发现，组别的主效应显著(P<0.05，F=7.830，η2=0.303)即实验组和对照组的起跳高度差异性显著；不同测试时间和不同组别的交互作用显著(P<0.01，F=78.371，η2=0.813)；不同组别和不同起跳动作的交互作用显著(P<0.05，F=2.376，η2=0.117)。不同组别、不同起跳动作和不同测试时间的交互作用显著(P<0.05，F=2.380，η2=0.117)。进一步简单效应分析发现：实验前两组被试无显著差异(P<0.05，F=1.896，η2=0.095)，实验中两组被试差异性显著(P<0.05，F=6.629，η2=0.269)，实验后第3次测试两组被试差异更加显著(P<0.05，F=17.457，η2=0.492)(如图2所示)。

图2实验组和对照组3次测试平均起跳高度

(注：*表示P<0.05，**表示P<0.01)

Figure2Thetendencychartoftheaverageheightofthethreetake-offtestsoftheexperimentalgroupandthecontrolgroup

2.2.2 学习跳水新技术动作(107C)

新动作学习效果评价采用的方法是起跳高度和整体专项技术评分两方面。在实验开始初期安排实验组和对照组运动员同时学习107C，实验组使用跳板生物反馈系统，而对照组不使用跳板生物反馈系统，其他训练过程和训练量两组保持一致。分别在实验初、中、后对两个组的运动员进行起跳高度的测试和专项技术的评分。

(1)跳板生物反馈系统对跳水新动作起跳高度的训练和测试。测试方法：对实验组和对照组运动员训练计划中所有107C动作的起跳高度进行测试，测量结果取3次测试的平均值。运用重复测量方差分析对实验前、中、后测试结果进行分析，结果表明，测试时间主效应显著(P<0.01，F=258.979，η2=0.935)。测试时间和组别有交互作用(P<0.01，F=28.621，η2=0.614)。进一步简单效应分析发现，实验前测试和实验中测试的两组被试均无显著差异(P>0.05)，干预后第3次测试实验组和对照组呈边缘化显著(P=0.067)。

在实验周期内实验组运动员起跳高度的提升幅度普遍高于对照组运动员的起跳高度(见图3)。

图3实验组和对照组3次测试107c动作起跳高度

Figure3Theheighttrendchartofthethreetestof107coftheexperimentalgroupandthecontrolgroup

(2)跳板生物反馈系统对跳水新动作整体技术训练的效果。测试方法：实验中期和后期对所有受试运动员应用整体技术打分的方法对训练效果进行评估。参与打分的裁判员共有5名，其中1名国际A级裁判，4名国家A级裁判。打分测试中，运动员经过充分热身后，依次完成规定动作，裁判针对运动员技术动作的质量打分。运动员得分计算方法为：5名裁判的分数中去掉1个最高分、1个最低分，剩下3个有效分的平均分即为最后得分。

对两组队员107C动作两次测试裁判打分情况进行多元方差分析，结果显示，实验中期两组受试整体技术打分无显著差异(P>0.05，F=0.111，η2=0.006)，实验后期两组受试得分有显著性差异(P<0.05，F=4.838，η2=0.212)(成对比较结果如表2所示)。

表2 实验中和实验后两组受试打分结果的描述统计和差异性分析

注：*表示均值差值在0.5级别上较显著。(1代表实验组，2代表对照组)

2.2.3 巩固旧的技术动作(305C)

采用跳板生物反馈系统对实验组巩固旧动作(305C)进行训练和测试，两组运动员305C动作3次起跳高度测试的描述统计结果如表3所示。

表3 305C动作起跳高度测试结果的描述统计 (单位：m)

通过重复测量方差分析对不同组别3次测试结果进行分析发现：不同测试时间的主体内效应显著(P<0.01，F=265.149，η2=0.936)；不同组别的组间效应显著(P<0.01，F=0.644，η2=0.999)；组别和测试时间的交互作用显著(P<0.01，F=50.802，η2=0.738)。进一步简单效应分析发现：第1次测试和第2次测试，实验组和对照组的起跳高度均无显著性差异(P=0.163；P=0.750)，而第3次测试两组之间有非常显著性差异(P=0.01，F=8.271，η2=0.315)。

3 讨论

随着计算机科学的迅猛发展，面向运动训练的辅助技术研究也取得很大的进步[6, 13-16]。国内学者陈小平等人认为，跳水科研攻关项目主要分为四大方面：(1)技术训练的检测与评定；(2)专项力量素质的训练；(3)运动员的营养与体重监控；(4)优秀运动员的赛前心理训练。技术训练的检测和评定主要包含：技术训练辅助系统的研究、技术训练质量监控系统的研究、技术训练手段的研究以及技术训练信息管理及模拟仿真系统的研究[17]。对于跳水运动来说，跳板跳水技术主要是由运动员的合板能力、空中动作的控制能力和入水的压水花等能力组成，起跳高度在整个技术动作中起到重要作用，拥有较高的起跳高度运动员才能完成空中动作和入水动作。

从生物反馈系统运用于跳水运动的角度来分析，机体会进行某项动作的预期准备，即选定了行为目标后，首先需要调用大脑中所存储的运动记忆，再结合当前的运动条件，如身体状况、体能状况等，以及外界环境，如跳水运动中的跳板、跳台、水面等因素进行编程，设计出最佳的运动序列。大脑编程能力因人而异，表现为不同人编制的运动序列，其优化程度各不相同。越是优秀的运动员越能够设计出有效的运动序列达到运动目标。在运动开始后，大脑与小脑协同工作，将兴奋指令沿脊髓前角α神经元传送至肌纤维中的运动单位，支配肌肉收缩以实现运动目标。在神经支配肌肉运动的过程中，往往会受到一定的干扰，使运动效果偏离预期目标。这些干扰既包括外在因素，如运动负荷、机械阻碍、机体极限等，也包括内在因素，如传输延迟、失真，或运动序列的复杂程度超越了神经系统的支配能力导致冲动丢失等。通过不断的训练，机体克服外在干扰和增强神经支配的能力都能得到提高，其运动序列也就越能够精确的得到实现。在运动序列完成以后，如果在运动序列记忆尚未消失前将运动效果反馈回大脑，大脑便可以将其与运动目标进行比较分析，并对运动序列进行修正，再将修正后的运动序列储存回记忆中，以便下一次运动时再次调用。如此反复，完成运动协调的循环[18]。从这一原理出发，我们可以认为，将生物反馈系统运用于跳水这一项目中能够大大改善训练效率，优化训练方法，创新训练方式，提高运动员训练的兴趣和积极性，但是其运用的实际效果需要进一步验证。

3.1 一般弹跳能力的测试和专项跳板起跳能力

经过3个月训练，两组运动员7种基本能力在实验初、中、末期跳跃高度均无显著性差异说明所有受试运动员在整个实验过程中一般跳跃能力变化趋势一致。在实验周期内，受试运动员基本生理状况、训练方法和一般弹跳能力基本保持不变的情况下，可以排除非技术因素对于运动成绩的影响，因此受试运动员运动成绩的提高主要决定于技术因素。对于跳板的专项起跳能力测试，实验结果表明：实验前测试中两组被试无显著差异，实验中两组被试差异显著，实验后第三次测试两组被试差异更为明显。这说明，生物反馈法辅助跳水起跳系统运用于提高运动员专项跳板起跳能力的效果明显。起跳技术是否合理直接影响动作表现和结果[19]，而起跳高度又是起跳技术的基础和关键。因此生物反馈系统可以帮助运动员提高起跳高度，改善起跳技术。

3.2 跳板生物反馈系统对于新旧动作技术动作的有效性

对于跳板生物反馈系统对于新动作技术动作有效性的分析，测试结果发现：实验前测试和实验中测试的两组被试起跳高度均无显著差异。实验组和对照组干预后起跳高度结果呈边缘显著效果，可能是因为该技术从某种程度上提高了实验组的起跳高度，但由于新动作的学习要经过泛化、分化、自动化的过程，所以可能由于新动作学习时间不够长而导致起跳高度的不稳定。从测试中的分数可以明显看出，经过一段时间训练实验组运动员整体技术水平和运动表现相比较对照组运动员有显著提高。一方面说明起跳高度是跳板跳水项目的关键技术参数，是运动员获得优异运动成绩的必要条件，提高运动员的起跳技术水平是提高运动员整体技术水平的重要途径；另一方面，生物反馈法辅助训练的技术能够通过帮助运动员提高起跳技术的训练效率进而提高运动员整体技术的训练效率。

对于旧动作(305C)的巩固练习结果来看，第1和第2次测试中，实验组和对照组的起跳高度均无显著性差异，而第3次测试两组之间有非常显著性差异(P<0.05，F=8.271，η2=0.315)。说明生物反馈系统对于跳水动作的巩固也起到积极作用。生物反馈系统对跳水运动员新动作(107C)的学习和旧动作的巩固(305C)都具有明显的效果。Konttinen等人[8]在追加听觉反馈对于步枪射击任务的运动表现研究中，将运动员分为即时听觉反馈组、结果反馈组和对照组进行4周的训练，受试者进行前测、实验后测以及无反馈的效果保持阶段的测试。结果表明，运动员的射击成绩可以通过4周听觉反馈训练提高。该研究结果发现即时的听觉反馈相比较每个阶段结束后的结果反馈组和无反馈组效果最好。这一结果对本研究运用听觉的、即时的生物反馈法辅助跳水起跳技术来说是一个有力的支持。

另外，在技术保持方面，Konttinen等人对听觉反馈训练结束后的10和30天训练效果保持进行验证发现，受试者在步枪技能获取方面的提高并非是临时的效应，而是相对稳定的技术提高。本研究虽然未对干预后生物反馈系统对于跳水起跳技术效果影响的保持情况进行进一步追踪，但究其原因和机制，生物反馈技术的原理(见图4)可以有效支持这一结论[3]。图7的上半部分是受大脑皮质与脑脊髓控制的意识与随意活动领域，下半部分是受皮质下和植物神经系统控制的无意识和不随意活动领域。人对外界紧张刺激的感知，通过①—②—③—④引起了应激生理反应，通过反馈系统⑤使人间接的感知了这一体内的变化，经过有意识的控制⑥，形成了⑦—③—④新的变化，达到了对应激反应的修正。这一控制环路在随意控制下维护了体内的稳态平衡。传统的刺激感知则是沿着⑦—③—④—⑨—⑩—⑦的环路进行的。虽然也是在控制下维护了稳态平衡，但是由于是单凭对体内信息的直接知觉来体验体内的变化，因而其敏感性远不如生物反馈法。从图4还可以看出生物反馈是通过两条控制环路进行的，所以其效果优于其中任何一种单独的方法。随着生物反馈的反复应用，加深了机体对体内信息的直接感知，提高了敏感度，使间接感知转化为直接感知，因此不再采用生物反馈仪，仍然可以取得较好的效果。利用生物反馈仪进行训练，主要是通过提高自我感受的敏感程度来加强训练的效果[20-21]。

图4生物反馈的作用原理

Figure4Theprincipleofbiofeedback

3.3 生物反馈系统辅助跳水起跳技术

从跳水运动的特点、训练模式和跳水运动员技术训练等方面来看，跳板跳水的生物反馈系统解决了以下几个方面问题：(1)利用跳板生物反馈系统细化训练过程。在跳水训练中，不同运动员间存在着个体差异。利用该系统可以提供起跳速度、起跳高度、压板深度等，明确不同运动员的体能状况，为运动员制定一套适合自己运动规律的计划，使训练计划的制定更有针对性。(2)实现从定性评估到定量评估的转变。传统的跳水训练效果评价中缺乏客观数据作为参考，教练员给运动员的评定方式只能靠主观经验。由于大部分跳水运动员年龄较小，直观想象能力强，抽象思维能力弱，对教练员语言表述的理解能力有限，利用跳板生物反馈训练系统精确的给出每个动作的客观测量结果，这些定量结果可以作为传统定性评估有力的补充，增加评估结果的准确度与说服力。(3)缩短运动员成长周期。对于运动技能的学习来说，在练习过程中提供生物反馈，可以使个体更快地掌握这些技能或者是表现出更高水平。在跳板生物反馈系统的辅助下，跳水运动员将可以在更短的时间内达到更高的运动水平，缩短训练周期，降低训练强度。(4)训练质量监控。生物反馈仪器运用训练实时监测功能解决了训练质量的问题。根据被监测运动员的训练水平，为其设定一个基准的起跳高度和所要完成的次数，系统会为运动员自动计入有效次数，运用智能的手段完成运动员简单动作时训练的进度，在一定程度上对训练数量和质量进行监控。

此外，跳板生物反馈仪器作为一项辅助仪器，它的作用与影响能否发挥到最大，受以下原因的影响：首先是运动员主观心理倾向。一般而言，在运动员完成了一个较好的动作之后，他们愿意接受生物反馈的再一次强化刺激，而在运动员完成一个不成功的动作后，他们往往会回避接受生物反馈的再一次刺激。其次，将跳板生物反馈作用发挥到最大，还需要与其他训练手段相结合。虽然各种生物反馈手段原理是相同的，但随着各种有效辅助手段的方法和运用，各种技术的结合都会增大生物反馈的功效(如视频反馈系统、视听反馈系统、人机交互等)。另外，需要指出的是，跳板生物反馈法也有缺陷，如操作的便利性、运行的稳定性、仪器的精确性以及运行的安全性需要加强，无法充分地展现动作完成的质量等。

4 结论

(1)在一般弹跳能力不变的情况下，生物反馈方法辅助跳水训练有效提高了运动员专项起跳高度，对运动员较好完成起跳动作有积极作用。

(2)生物反馈方法使跳水运动员学习新动作的起跳高度有所提高，运动表现有显著提高。生物反馈方法对跳水运动员旧动作的巩固发挥了显著作用，尤其是使用该设备的后期效果更为明显。

(3)跳板跳水的生物反馈系统提高了跳水的训练效率，但其使用效果也受其他多方面因素的影响。

参 考 文 献

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