趙 爽,劉 卉,郭慶仙,于 冰
ZHAO Shuang1,LIU Hui1,GUO Qing-xian2,YU Bing3
我國優(yōu)秀女子標槍運動員劉詩穎投擲技術(shù)的生物力學(xué)分析
趙 爽1,劉 卉1,郭慶仙2,于 冰3
ZHAO Shuang1,LIU Hui1,GUO Qing-xian2,YU Bing3
目的:對我國優(yōu)秀女子青年標槍運動員劉詩穎多次試投的技術(shù)數(shù)據(jù)進行分析,并與美國優(yōu)秀選手數(shù)據(jù)進行對比,了解劉詩穎技術(shù)特點和影響她成績的技術(shù)因素,希望能夠為她的訓(xùn)練提供針對性建議。方法:通過三維拍攝方法,獲得劉詩穎2013~2016年19次試投技術(shù)數(shù)據(jù),同時收集美國女子標槍記錄保持者Patterson近8次試投技術(shù)數(shù)據(jù)(60 m以上)進行分析比較。結(jié)果:相關(guān)性分析結(jié)果顯示,劉詩穎的成績與標槍的實際飛行距離(r=0.997,P<0.001)以及真空飛行距離(r=0.828,P<0.001)呈顯著正相關(guān)。劉詩穎的成績與出手水平速度(r=0.700,P=0.001)和出手垂直速度(r=0.472,P=0.041)呈顯著正相關(guān)。出手水平速度與右腳著地時重心前移速度(r=0.558,P=0.013)和左腳著地時刻髖-肩扭轉(zhuǎn)角呈顯著正相關(guān)(r=0.457,P=0.049),與單支撐期重心前移損失速度(r=-0.579,P=0.009)呈顯著負相關(guān)。而且以上指標都與Patterson有顯著差距。結(jié)論:劉詩穎的成績主要決定于真空飛行距離,目前劉詩穎應(yīng)進一步提高助跑速度,另外,左腳著地時軀干仍要保持良好的后傾狀態(tài),以加長力作用于標槍的距離,并盡量增加肩髖扭轉(zhuǎn)的幅度,增加“超越器械”的效果。在保持出手時刻標槍姿位的同時注重發(fā)展縱軸用力,提高出手時向前向上的速度,避免側(cè)向拉槍。
女子運動員;標槍;投擲技術(shù);三維運動學(xué);劉詩穎
近年來,我國女子標槍運動員劉詩穎的成績不斷提 高,在2016年全國田徑大獎賽紹興站,投出了65.64 m的成績。在2017年世界田徑挑戰(zhàn)賽上,劉詩穎以66.47 m的成績打破了亞洲記錄。但是,劉詩穎在里約奧運會中僅投出了57.16 m的成績,無緣決賽。不穩(wěn)定的成績可能是由于不穩(wěn)定的心理狀態(tài),但更在于她的技術(shù)發(fā)揮不穩(wěn)定,技術(shù)動作尚存在問題。
本文應(yīng)用運動生物力學(xué)的測試方法,獲得劉詩穎2013—2016年的19次試投技術(shù)數(shù)據(jù),同時收集美國女子標槍記錄保持者Patterson近年8次試投的技術(shù)數(shù)據(jù)(成績在60 m以上),并應(yīng)用相關(guān)分析、獨立樣本t檢驗等統(tǒng)計方法,了解劉詩穎的技術(shù)特點,分析影響她投擲成績的生物力學(xué)因素,希望能夠為她的訓(xùn)練提供針對性的建議,使其成績穩(wěn)步提高。
1.1 研究對象
本研究對象為我國優(yōu)秀女子標槍運動員劉詩穎(1993年出生,身高1.79 m,體重70 kg),美國優(yōu)秀女子標槍運動員、美國女子標槍記錄保持者Kara Patterson(1986年出生,身高1.82 m,體重81 kg)。
1.2 數(shù)據(jù)采集
通過三維拍攝的方式獲取劉詩穎2013—2016年在全國田徑錦標賽,全國田徑投擲項目項群賽以及在煙臺、北京體育大學(xué)、北京先農(nóng)壇體校進行的測試賽中,共計19次試投的技術(shù)錄像。19次試投中,最好成績?yōu)?3.33 m,最低成績?yōu)?2.26 m,平均成績58.38±3.57m。
采用兩臺常速高清攝像機對劉詩穎比賽過程中最后兩步投擲技術(shù)進行拍攝。拍攝頻率為50幀/s,快門速度1/1000 s。一臺攝像機置于投擲方向的側(cè)后方,另一臺攝像機置于投擲方向的右側(cè),兩臺攝像機主光軸的夾角在60°~120°的范圍內(nèi)。拍攝范圍是出手前最后兩步至犯規(guī)線。應(yīng)用PEAK輻射型三維標定框架對拍攝空間進行標定。另設(shè)4個地坐標以建立大地坐標系。X軸指向前,Y軸指向左,Z軸指向上。標定框架在原點以及原點前后各拍一次。解析時視運動員完成動作位置決定使用哪次標定文件。攝像機擺放、標定空間及大地坐標設(shè)置如圖 1所示。
圖1 攝像機、標定空間及大地坐標設(shè)置Figure 1. Camera and Calibration Set-up for Data Collection
1.3 數(shù)據(jù)處理
本研究解析了從最后一步右腳落地前5~6幅到標槍出手后至少5幅畫面。應(yīng)用視訊運動圖像解析系統(tǒng)(北京體育大學(xué))獲得運動員身體和標槍共24個解析點的坐標。根據(jù)右腳落地、左腳落地或標槍出手時刻對兩臺攝像機拍攝的解析坐標進行同步,并應(yīng)用DLT法計算解析點在大地坐標系下的三維坐標。采用Butterworth低通濾波法對坐標數(shù)據(jù)進行平滑,截斷頻率為10 Hz。
本研究主要分析運動員投擲技術(shù),即最后一個交叉步右腳落地到左腳落地的單支撐階段和從左腳落地到標槍出手的最后用力階段。
本研究分析的指標主要有距離參數(shù)、出手參數(shù)和技術(shù)指標3部分。距離參數(shù)主要包括成績、實際飛行距離、真空飛行距離、空氣動力學(xué)距離和損失距離。實際飛行距離為裁判測量距離與出手損失距離的和。損失距離為運動員出手點到犯規(guī)線的水平距離。真空飛行距離(dF,圖2)為不考慮空氣作用的情況下,根據(jù)出手速度(Vr)、出手高度(Zi)、出手角度(θ)數(shù)據(jù)和斜上拋運動學(xué)公式(公式1)計算得到的飛行距離。空氣動力學(xué)距離為實際飛行距離和真空飛行距離的差。距離參數(shù)各指標間的關(guān)系如圖2。出手參數(shù)包括出手速度合速度、出手水平速度、出手向前速度、出手側(cè)向速度、出手垂直速度、出手角度、出手高度和攻角。出手速度合速度為標槍質(zhì)心相對于地面的速度,其余出手速度為出手速度合速度在各方向上的分量。出手角度是出手速度方向與地面的夾角,出手高度是標槍出手瞬間,持槍手與地面的垂直距離。攻角是標槍長軸與出手速度方向的夾角。技術(shù)指標包括單支撐時間、最后用力時間、最后一步長還有左腳著地時刻、右腳著地時刻以及標槍出手時刻重心前移速度、左膝角、右膝角、軀干角、髖-肩扭轉(zhuǎn)角、及其在單支撐階段和最后用力階段的變化。
注:dF為真空飛行距離,Vr為出手速度,θ為出手角度,g=9.8 m/s2為重力加速度,Zi為出手高度于2009—2015年間,在美國田徑錦標賽中成績在60 m以上(最好成績?yōu)?6.67 m,最差成績?yōu)?0.92 m,平均成績?yōu)?3.14±1.85 m)的8次試投數(shù)據(jù),其中包括其在2010年創(chuàng)造的美國女子標槍記錄(66.67 m)的技術(shù)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的采集和處理方法與本研究基本一致。
圖2 各距離參數(shù)間關(guān)系示意圖Figure 2. The Relationship between Distance Parameter
1.4 數(shù)據(jù)分析
應(yīng)用皮爾森相關(guān)系數(shù)分析方法分析劉詩穎各生物力學(xué)參數(shù)與成績之間的相關(guān)關(guān)系,以探究影響劉詩穎標槍投擲成績的技術(shù)因素。應(yīng)用獨立樣本t檢驗分析劉詩穎與Patterson動作技術(shù)之間的差異。所有統(tǒng)計分析應(yīng)用SPSS 17.0軟件完成,顯著性水平定為一類誤差不大于0.05。
2.1 距離參數(shù)和出手參數(shù)
劉詩穎19次試投、Patterson 8次試投的最終成績和出手參數(shù)如表1所示。相關(guān)性分析結(jié)果顯示,劉詩穎的成績與標槍的實際飛行距離(r=0.997,P<0.001)以及真空飛行距離(r=0.828,P<0.001)呈顯著正相關(guān),與空氣動力學(xué)距離(r=0.311,P=0.195)、損失距離(r=-0.310,P=0.197)的相關(guān)性不顯著。實際飛行距離與真空飛行距離呈顯著正相關(guān)(r=0.816,P<0.001),與空氣動力學(xué)距離(r=0.336,P=0.160)、損失距離的相關(guān)性不顯著(r=-0.232,P=0.339)。劉詩穎的成績與出手水平速度(r=0.700,P=0.001)和出手垂直速度(r=0.472,P=0.041)均有顯著性正相關(guān)關(guān)系,與其他出手參數(shù)的相關(guān)性均不顯著(P>0.05)。其實際飛行距離也與出手水平速度(r=0.686,P=0.001)、出手垂直速度呈顯著正相關(guān)(r=0.475,P=0.040),與其他出手參數(shù)均不存在顯著相關(guān)性(P>0.05)。劉詩穎的真空飛行距離與出手水平速度(r=0.743,P<0.001)、出手向前速度(r=0.553,P=0.014)以及出手垂直速度( r=0.573,P=0.01)呈顯著正相關(guān),與其余出手參數(shù)的相關(guān)關(guān)系均不顯著(P>0.05)。其空氣動力學(xué)距離與各出手參數(shù)均不存在顯著相關(guān)性(P>0.05),但損失距離只與出手高度呈顯著負相關(guān)(r=-0.640,P=0.003),與其余出手參數(shù)的相關(guān)性均不顯著(P>0.05)。
獨立樣本t檢驗結(jié)果顯示,劉詩穎的成績(P<0.001)、實際飛行距離(P<0.001)、真空飛行距離(P=0.021)以及損失距離(P=0.002)均顯著小于Patterson,二者的空氣動力學(xué)距離不存在顯著性差異(P=0.078)。在出手參數(shù)方面,劉詩穎的出手速度合速度(P<0.001)、出手水平速度(P<0.001)、出手向前速度(P<0.001)以及攻角(P<0.001)均顯著小于Patterson,出手側(cè)向速度(P=0.018)、出手垂直速度(P=0.001)以及出手角度(P<0.001)均顯著大于Patterson,二者的出手高度無顯著性差異(P=0.143)。
表1 劉詩穎和Patterson試投距離參數(shù)和出手參數(shù)Table 1 The Distance Parameter and Release Variables of LIU Shi-ying and Patterson
2.2 技術(shù)指標
劉詩穎與Patterson在單支撐階段的技術(shù)參數(shù)的比較如表2所示。相關(guān)性分析結(jié)果顯示,劉詩穎的成績與其左腳著地時刻左腿角呈顯著負相關(guān)(r=-0.502,P=0.028),與單支撐階段其余參數(shù)均無顯著性相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。劉詩穎出手水平速度與右腳著地時刻重心前移速度(r=0.558,P=0.013)和左腳著地時刻髖-肩扭轉(zhuǎn)角呈顯著正相關(guān)(r=0.457,P=0.049),與單支撐期重心前移損失速度(r=-0.579,P= 0.009)呈顯著負相關(guān),與單支撐階段其余參數(shù)相關(guān)性不顯著(P>0.05)。垂直出手速度、向前出手速度與單支撐階段各參數(shù)的相關(guān)性均不顯著(P>0.05)。
獨立樣本t檢驗結(jié)果顯示,在單支撐階段,劉詩穎的相對單支撐時間顯著小于Patterson(P=0.002)。其左腳著地時刻軀干角(P=0.014)、左腳著地時刻左、右髖角(P=0.002,P=0.018)以及左腳著地時刻左膝角(P=0.042)均顯著大于Patterson。二者在右腳著地時刻重心前移速度、單支撐期重心前移損失速度、左腳著地時刻髖-肩扭轉(zhuǎn)角和左腳著地時刻左腿角無顯著性差異(P>0.05)。
表2 劉詩穎和Patterson單支撐階段主要技術(shù)參數(shù)Table 2 The Technical Parameter of LIU Shi-ying and Patterson during Single Support Phase
劉詩穎與Patterson在最后用力階段技術(shù)參數(shù)的比較如表3所示。相關(guān)性分析結(jié)果顯示,劉詩穎的成績與最后用力階段其余參數(shù)無顯著相關(guān)性(P>0.05)。劉詩穎的水平出手速度與標槍出手時刻標槍傾角(r=0.471,P=0.042)呈顯著正相關(guān),與最后用力階段其余參數(shù)的相關(guān)性不明顯(P>0.05)。垂直出手速度、向前出手速度與最后用力階段各參數(shù)的相關(guān)性均不顯著(P>0.05)。
獨立樣本t檢驗結(jié)果顯示,在最后用力階段,劉詩穎的相對雙支撐時間(P=0.002)和出手時刻左髖角(P<0.001)均顯著大于Patterson。其出手時刻重心向前速度(P=0.027)軀干屈伸角(P<0.001)和右膝角均顯著小于Patterson(P<0.001)。二者在左腳著地時刻重心向前速度、標槍出手時刻左腿角上無顯著性差異(P>0.05)。
表3 劉詩穎和Patterson最后用力階段主要技術(shù)參數(shù)Table 3 The Technical Parameter of LIU Shi-ying and Patterson during Delivery Stage
3.1 距離參數(shù)和出手參數(shù)結(jié)果分析
標槍的實際飛行距離與損失距離的差值為標槍比賽中裁判測量的最終成績。實際飛行距離分為真空飛行距離和空氣動力學(xué)距離兩部分。真空飛行距離實際上反映了運動員的投擲能力,而空氣動力學(xué)距離反映出運動員對標槍出手時刻的位置的控制能力。在本研究中,劉詩穎的成績與實際飛行距離和真空飛行距離均呈顯著正相關(guān),且實際飛行距離與真空飛行距離也呈顯著正相關(guān),而實際飛行距離與空氣動力學(xué)距離的相關(guān)性并不顯著。這表明影響劉詩穎成績的主要因素在于個人投擲能力,而她在出手時對標槍姿態(tài)的控制能力并不是影響她這19次投擲成績的主要因素。
標槍成績由出手參數(shù)決定,而最重要的出手參數(shù)是出手速度[10,14,17,25]。本研究劉詩穎19次試投的平均出手速度為22.80 m/s,小于Patterson,也小于以往研究[12,23,29]中女子運動員的出手速度。以往多數(shù)研究均發(fā)現(xiàn),標槍成績和出手速度間有顯著的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)r在0.56~0.94之間[18,23,24,27,28]。但也有研究發(fā)現(xiàn),女子運動員的出手速度與最終投擲成績不存在有統(tǒng)計學(xué)意義的相關(guān)性[26]。在Komi[18]等研究中,女子運動員的出手速度范圍(20.73 m/s~23.63 m/s)與投擲距離范圍(55.88 m~69.56 m)之比相對較小,因此,認為女子標槍運動員在投擲過程中還受到風速、出手角度等因素的影響,而這些因素對最終成績的影響可能會更大。本研究的結(jié)果表明,劉詩穎的成績、實際飛行距離與出手時向前和向上兩個分速度呈顯著正相關(guān),而出手瞬間的合速度與成績的相關(guān)性不顯著,而且劉詩穎出手時的側(cè)向速度的平均值和標準差均較大。這說明劉詩穎應(yīng)在出手時進一步發(fā)展縱軸用力效果,提高出手時向前向上的速度,降低標槍側(cè)向的速度,避免側(cè)向拉槍。
劉詩穎的出手角度雖顯著大于國外優(yōu)秀女子運動員,但出手角度與其成績的相關(guān)性并不大,說明出手角度不是影響劉詩穎成績的主要因素。攻角是重要的出手參數(shù)之一,有研究認為,保持攻角在零度左右有重要的意義[9]。也有研究表明,出手速度在23~35 m/s之間的試投,0°~2.5°的攻角為最優(yōu)的出手條件之一[17]。在本研究中,劉詩穎19次試投的平均攻角為1.71°,小于Viitasalo研究中的9.2°,并且也小于 Best[12]等和Mero[23]等研究中的5.6°和6°。Best[13]等認為,最佳的投擲參數(shù)因運動員而異。因此,目前劉詩穎出手時刻的攻角可能已達到最優(yōu)化。劉詩穎的出手高度與Patterson之間無明顯差異,并與成績相關(guān)性不顯著。理論上,出手高度越高,投擲距離越遠,一流女子標槍運動員的平均出手高度約為身高的105%[9]。劉詩穎目前的出手高度已經(jīng)達到身高的105%。因此,劉詩穎目前的出手高度也已接近最優(yōu)化。
3.2 技術(shù)指標結(jié)果分析
軀干的后傾背弓和肩髖的扭轉(zhuǎn)是為了標槍在出手前獲得更多的肌肉彈性勢能,直接影響超越器械動作和助跑速度的發(fā)揮利用,合理的軀干后傾角度會增加最后用力的工作距離[6],提高標槍的出手速度[4]。如果后傾角過小,會導(dǎo)致軀干過早前移,縮短最后用力的有效工作距離,同時使已經(jīng)扭緊的肌群松弛,降低最后用力的效果。后傾角過大,則單支撐時間就會相應(yīng)延長,在某種程度上會影響動作的連貫性,也會使速度受到限制。劉詩穎軀干角與最終成績的相關(guān)性較低,但與Patterson的技術(shù)差異顯著。有研究認為,左腳著地瞬間軀干后傾角在20°~25°內(nèi)比較合理[7]。劉詩穎的軀干后傾角低于這個范圍,并且其左腳著地時刻軀干角顯著小于Patterson,而出手時刻顯著大于Patterson。另外,在以往的研究中認為,最后用力開始時髖-肩扭轉(zhuǎn)角越大,投擲成績越好[1]。這與本研究的結(jié)果基本一致,劉詩穎左腳著地時的肩髖扭轉(zhuǎn)角顯著影響出手時的水平速度。因此在今后的訓(xùn)練和比賽中,劉詩穎應(yīng)進一步提高腰背部肌肉力量和控制能力,在最后用力前保持合理的身體后傾和更大的肩髖扭轉(zhuǎn)幅度。
損失距離的大小與運動員最后一步的速度控制能力有關(guān)。劉詩穎的損失距離顯著小于Patterson。從兩人最后用力階段重心速度數(shù)據(jù)可以看出,左腳著地時刻Patterson的重心速度與劉詩穎無顯著差異,而出手時刻Patterson的重心速度顯著大于劉詩穎。劉詩穎在最后用力階段重心向前速度的損失率為46.14%,而Patterson損失率為42.07%。這說明,劉詩穎在最后用力階段將身體動量更多地傳遞到了標槍,重心速度下降,因此更有信心控制身體向前速度,從而損失距離較小。但是,劉詩穎右腳著地時刻重心速度與出手時標槍水平速度有顯著的相關(guān)關(guān)系,這說明劉詩穎還應(yīng)進一步提高助跑速度。
左腳著地時刻,劉詩穎左膝角顯著大于Patterson。在最后用力階段,人體的動作大部分以左腿為支點,投擲標槍成績的好壞很大程度上取決于最后用力階段左腿的技術(shù)。許多研究認為,左膝最大彎曲角是運動員在最后用力時左側(cè)支撐制動效果的一個重要參數(shù)[2,3,5,8],投擲出好成績的運動員制動腿著地時膝關(guān)節(jié)趨向于伸直[9]。本研究中劉詩穎左腳著地時刻左膝角在其中一次試投中達到了178.02°,膝關(guān)節(jié)趨向于伸直。雖然傳統(tǒng)標槍技術(shù)建議,在左腳落地時刻保持左膝趨近伸直[11],但有研究表明,左腳落地時刻左膝伸直容易導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶損傷[15]。因此,在標槍出手時刻,劉詩穎左膝角顯著大于國外女子優(yōu)秀運動員,而其在最后用力階段左膝角的變化顯著小于Patterson,也有可能是二者在最后用力階段左腳著地時刻的技術(shù)不同造成的。
本研究對劉詩穎技術(shù)錄像的采集頻率為50 Hz。50~60幀/s是投擲項目生物力學(xué)研究常用的采樣頻率[16,19,20,22]。Leigh[21]比較了采用不同采樣頻率計算的標槍投擲技術(shù)的運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù),結(jié)果表明,采用60幀/s的采樣頻率計算出的運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)與采用300幀/s的采樣頻率計算的參數(shù)無顯著性差異。
劉詩穎的成績主要取決于真空飛行距離,與空氣動力學(xué)距離關(guān)系不顯著,出手高度和角度等標槍姿位參數(shù)也接近最佳,因此,劉詩穎提高成績的關(guān)鍵是在保持出手時刻標槍姿位的同時發(fā)展出手速度。劉詩穎應(yīng)進一步提高助跑速度,在左腿著地的同時,軀干仍要保持良好的后傾狀態(tài),以加長力作用于標槍的距離,并盡量增加肩髖扭轉(zhuǎn)的幅度,增加“超越器械”的效果。在出手時進一步發(fā)展縱軸用力效果,提高出手時向前向上的速度,避免側(cè)向拉槍。另外,劉詩穎左腳著地時膝關(guān)節(jié)可略微屈曲,以避免損傷。
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A Biomechanical Analysis on the Throwing Technique of Chinese Elite Female Javelin Athlete LIU Shi-ying
Objective:Technical data of multiple trials for elite young Chinese women’s javelin athlete LIU Shi-ying is analyzed,and the data is compared with elite American athletes,the main purpose is to analyze her technical character and the factors that correlated to her performance,provide some target suggestions in training. Methods:Three-dimensional kinematic data were collected in the 19 trials made by LIU Shi-ying from 2013 to 2016. And 8 trails made by Patterson which over 60m were also collected in the same way. Results:This research found a significant positive correlation between LIU Shi-ying’s official distance and actual distance (r=0.997,P<0.001). The result also showed a significant positive correlation between the official distance and vacuum flight distance(r=0.828,P<0.001). And her official distance also have a significant positive correlation with horizontal release velocity (r=0.700,P=0.001) and vertical release velocity (r=0.472,P=0.041). The horizontal release velocity have a positive correlation with the forward velocity of the center of mass at right foot touchdown (r=0.558,P=0.013),and the hip-shoulder separation at left foot touchdown(r=0.457,P=0.049). The horizontal release velocity also have a negative correlation with lose in forward velocity of center of mass (r=-0.579,P=0.009). And all the parameters mentioned above have significant difference with Patterson. Conclusions:The results showed that LIU Shi-ying’s performance mainly depends on the vacuum flight distance. LIU Shi-ying needs to improve her runup speed at present. Besides she also needs to keep a good trunk backward state to lengthen the distance of force that attached to the javelin at left foot touch down and at the same time increasing the hip-shoulder separation as she could increase the effect of ”ahead of apparatus”. While keeping the javelin in a right position,LIU Shi-ying also needs to focus on the development of the force on the axis of bank to improve the upward velocity at release time and increasing the lateral velocity.
javelin;stroking technique;three-dimensional kinematic
1002-9826(2017)04-0065-06
10. 16470/j. csst. 201704009
G804.6
A
2016-12-07;
2017-06-08
國家體育總局科研課題(2013B033)。
趙爽,女,在讀碩士研究生,研究方向為運動生物力學(xué),E-mail:jasmine 0258@hotmail.com。
1.北京體育大學(xué) 北京100084;2.煙臺體育運動學(xué)校山東 煙臺264005;3.美國北卡羅來納大學(xué)教堂山分校 美國 北卡羅來納27599
1. Beijing Sports University,Beijing 100084,China;2. Yantai Sports School,Yantai 264005,China;3. University of North Carolina at Chapel Hill,North Carolina 27599,USA.
美國優(yōu)秀標槍運動員Kara Patterson 的技術(shù)數(shù)據(jù)由美國田徑協(xié)會投擲項目科研專家于冰教授提供,為Patterson