劉婷怡， 周成林， 王碧野

（1.上海體育學(xué)院運(yùn)動科學(xué)學(xué)院，上海200438；2.上海體育學(xué)院科研處，上海200438）

重劍運(yùn)動員判斷時機(jī)的視覺搜索特點及其ERP研究

劉婷怡1， 周成林2， 王碧野1

（1.上海體育學(xué)院運(yùn)動科學(xué)學(xué)院，上海200438；2.上海體育學(xué)院科研處，上海200438）

結(jié)合眼動記錄系統(tǒng)和事件相關(guān)電位（ERP）記錄系統(tǒng)，以重劍運(yùn)動員為研究對象，要求其判斷比賽視頻片段中的出劍時機(jī)，考察實驗任務(wù)中被試的視覺搜索特點及其神經(jīng)機(jī)制。結(jié)果顯示：1）平均注視時間存在性別主效應(yīng)；2）男女運(yùn)動員關(guān)注區(qū)域存在差異；3）出劍時機(jī)點的判斷不具有顯著性差異；4）運(yùn)動員大腦信息處理存在雙側(cè)匹配模式；5）男女運(yùn)動員P3波潛伏期在PO3、PO7處有顯著性差異，P3波的振幅無顯著性差異。提示：專家運(yùn)動員出劍時機(jī)判斷的準(zhǔn)確性高；不同性別重劍運(yùn)動員視覺搜索特點存在差異；重劍運(yùn)動員在任務(wù)執(zhí)行上具有專家優(yōu)勢，但男女運(yùn)動員對動態(tài)情境的信息處理不存在顯著性差異。

重劍運(yùn)動員；判斷時機(jī)；視覺搜索；事件相關(guān)電位；出劍時機(jī)

Author’s address1.School of Kinesiology，Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China；2.Department of Scientific Research，Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China

開放式競技對抗比賽要求運(yùn)動員根據(jù)場上環(huán)境變化，運(yùn)用自己所掌握的技戰(zhàn)術(shù)，通過心理調(diào)控，快速、有效地作出決策。擊劍運(yùn)動的技戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用都伴隨著復(fù)雜的心理決策［1］。運(yùn)動員們根據(jù)不確定的外界信息，采取各種手段快速、準(zhǔn)確地?fù)糁袑κ值挠行Р课唬?］。重劍受裁判因素影響最小，比賽中不限制主被動優(yōu)先權(quán)，全身都是有效攻擊范圍［3］。具有重劍優(yōu)勢的國家均會根據(jù)自己的特點和經(jīng)驗，總結(jié)符合自身的打法、技術(shù)形態(tài)、戰(zhàn)術(shù)意識以及出劍規(guī)律，形成獨(dú)特風(fēng)格［4］。本研究通過眼動記錄系統(tǒng)和事件相關(guān)電位（ERP）記錄技術(shù)相結(jié)合的方法，考察動態(tài)情境下重劍運(yùn)動員出劍時機(jī)判斷的視覺搜索特點及其神經(jīng)機(jī)制，旨在探索重劍運(yùn)動員的專家優(yōu)勢，為提高重劍運(yùn)動員的訓(xùn)練效果提供理論依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象 被試為上海體育學(xué)院附屬競技體校重劍專項運(yùn)動員：男運(yùn)動員7人，其中國家二級以上1人；女運(yùn)動員11人，其中國家二級以上8人；年齡為（16.26±2.08）歲。

1.2 實驗材料 選取國際重劍比賽視頻，采用繪聲繪影9.0程序截取從雙方對峙到左側(cè)運(yùn)動員出劍的片段（每個時長約為4 000 ms），選取其中一段作為有效刺激材料（標(biāo)準(zhǔn)出劍時機(jī)為3 100 ms），重復(fù)播放85次，總共隨機(jī)播放視頻片段185次。

1.3 實驗儀器設(shè)備 運(yùn)用E-prime2.0心理實驗程序設(shè)計軟件編制視頻播放程序。

眼動記錄系統(tǒng)：美國應(yīng)用科學(xué)實驗室生產(chǎn)的ASL Eye Tracker 6000系列的R6型紅外遙感眼動跟蹤系統(tǒng)。

事件相關(guān)電位記錄系統(tǒng)：德國Brain Products公司生產(chǎn)的64導(dǎo)事件相關(guān)電位測試系統(tǒng)。電極位置在國際10-20系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行安放。另設(shè)有記錄垂直眼電電極（ECG）和水平眼電電極（EOG）。腦電采樣率為500 Hz，濾波帶通為1.15～100 Hz。電極與頭皮間電阻小于10 kΩ。

實驗用計算機(jī)：3臺DELL臺式機(jī)，用于運(yùn)行實驗程序（呈現(xiàn)刺激材料、記錄行為數(shù)據(jù)）、采集數(shù)據(jù)（腦電數(shù)據(jù)、眼動數(shù)據(jù)）。顯示器均為19英寸純平顯示器，分辨率為1 024×768，刷新頻率為100 Hz。

1.4 實驗設(shè)計與程序 判斷比賽視頻中左側(cè)運(yùn)動員出劍時機(jī)。實驗分為練習(xí)和正式實驗2部分。指導(dǎo)語：“以下播放重劍比賽視頻，請快速、準(zhǔn)確地判斷左側(cè)運(yùn)動員的出劍時機(jī)，并按ENTER鍵進(jìn)行反應(yīng)。明確實驗任務(wù)，按ENTER鍵進(jìn)入練習(xí)部分”。練習(xí)部分顯示反應(yīng)正確與否（部分視頻片段為出劍假動作）以及反應(yīng)時間，使被試明確實驗任務(wù)。練習(xí)部分結(jié)束后，理解實驗任務(wù)者向主試示意，進(jìn)入正式實驗部分（兩部分視頻材料不同），正式實驗部分沒有反饋信息，實驗程序如圖1所示。

圖1 實驗任務(wù)流程Figure 1. Procedure of Experiment Task

1.5 數(shù)據(jù)記錄預(yù)處理 記錄被試在實驗任務(wù)的時機(jī)判斷時間點、相關(guān)眼動、ERP指標(biāo)，采用SPSS 17.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗。

2 研究結(jié)果

2.1 眼動指標(biāo) 在實驗過程中，記錄運(yùn)動員組別各被試觀察視頻材料時的眼動指標(biāo)（注視點個數(shù)、平均注視時間、注視頻率），對其進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗。結(jié)果顯示，男女運(yùn)動員在對視頻材料進(jìn)行分析判斷時，具有性別主效應(yīng)（t1，16=-2.399，P＜0.05）。女運(yùn)動員在每個注視點上的平均注視時間為（388.07±32.00）ms，而男運(yùn)動員平均注視時間僅為（253.30±49.58）ms（表1）。

表1 不同性別重劍運(yùn)動員眼動指標(biāo)的差異檢驗結(jié)果Table 1 Comparison of Eye M ovement Indicators in Different Genders

2.2 注視特征 眼動儀記錄的結(jié)果顯示，男女運(yùn)動員對視頻中比賽運(yùn)動員的關(guān)注區(qū)域存在差異。對男女運(yùn)動員眼動注視點分布的情況作進(jìn)一步分析，計算男女運(yùn)動員對每個部位關(guān)注程度占注視總體的百分比。采用獨(dú)立樣本t檢驗，分析男女運(yùn)動員對視頻中對方關(guān)鍵部位的興趣區(qū)（表2）。

表2 不同性別重劍運(yùn)動員注視特征的差異檢驗結(jié)果Table 2 Comparison of Focus Features in Epee Athlets w ith Different Genders

分析結(jié)果顯示，男女運(yùn)動員對于對手（右側(cè)運(yùn)動員）軀干區(qū)域的關(guān)注程度一致，但是男運(yùn)動員對于對手的腿部區(qū)域的關(guān)注程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于女運(yùn)動員。

2.3 行為數(shù)據(jù)結(jié)果 對不同性別的被試在實驗任務(wù)中判斷出劍時機(jī)點（ms）的結(jié)果及其獨(dú)立樣本t檢驗結(jié)果顯示，男女運(yùn)動員在時機(jī)點判斷上無明顯差異（表3）。

表3 不同性別重劍運(yùn)動員出劍時機(jī)點判斷的獨(dú)立樣本t檢驗結(jié)果Table 3 Comparison of Attack Tim ing in Epee Athletsw ith Different Genders

2.4 電流密度分布 將運(yùn)動員判斷出劍時間的EEG分別進(jìn)行疊加得到ERP，根據(jù)ERP做出電流密度圖（圖2）。事件相關(guān)電位ERP是指：由于外界給予或撤銷一種特定的刺激，作用于感覺系統(tǒng)或腦的某一部分，在腦區(qū)引起的電位變化。它能揭示腦電波和心理事件之間的時間關(guān)系。

圖2顯示：運(yùn)動員67 ms處額葉右側(cè)激活最明顯；108 ms處枕葉右側(cè)激活最大；187 ms處后側(cè)枕葉整體激活程度最大；236 ms處枕葉的激活區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大；323 ms處后側(cè)枕葉的激活擴(kuò)大至頂葉區(qū)域，均呈現(xiàn)出最明顯的激活?？芍?，在各個ERP成分的P1、N1、P2、N2、P3達(dá)到峰值時，運(yùn)動員在刺激呈現(xiàn)后迅速激活了大部分腦區(qū)。在P3時間窗口內(nèi)，運(yùn)動員組的大腦在左右腦區(qū)的頂-枕區(qū)和枕葉區(qū)均有一定程度的激活。

圖2 重劍運(yùn)動員電流密度分布Figure 2. Eppe Athletes’Stimulated Degree of ERP

2.5 P3成分 從不同性別的運(yùn)動員時機(jī)判斷任務(wù)中所得ERP波形中發(fā)現(xiàn)，在刺激呈現(xiàn)300 ms以后，頂區(qū)Pz、P1、P2，頂-枕區(qū)POz、PO3、PO4、PO7、PO8，枕區(qū)Oz、O1、O2處均出現(xiàn)較大的正向波，即P3波。根據(jù)前人研究結(jié)果，結(jié)合本實驗記錄結(jié)果，將P3波峰時間設(shè)定為300～370 ms。通過數(shù)據(jù)分析，得出被試P3波的潛伏期和峰值的統(tǒng)計結(jié)果。

結(jié)果顯示：男女運(yùn)動員 P3波潛伏期在 PO3（t1，16=2.717，P＜0.05）、PO7（t1，16=2.439，P＜0.05）處有顯著性差異（圖3、圖4）；各個電極點上的P3波振幅無顯著性差異。

圖3 不同性別重劍運(yùn)動員出劍時機(jī)判斷的PO3處ERP波形Figure 3. ERP at PO3 of Attacking Tim ing in Epee Athletesw ith Different Genders

圖4 不同性別重劍運(yùn)動員出劍時機(jī)判斷的PO7處ERP波形Figure 4. ERP at PO7 of Attacking Timing in Epee Athletes w ith Different Genders

3 分析與討論

3.1 運(yùn)動情景下出劍時機(jī)判斷的視覺搜索特點 與一般水平運(yùn)動員相比，高水平運(yùn)動員的優(yōu)勢在于：具備更為有效的視覺搜索策略；擁有更多專項運(yùn)動知識；特定比賽情境中，具有經(jīng)驗性的反應(yīng)偏向；通過再認(rèn)、回憶，更精確地辨別對手的運(yùn)動模式；預(yù)判時，更為有效地利用相關(guān)特定身體運(yùn)動特征［5］。

A.W.Mark等［6］在運(yùn)動水平×情境條件的研究中，起初認(rèn)為運(yùn)動員具有整體性視覺搜索策略（global strategy），但在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動員利用的是關(guān)鍵區(qū)域視覺搜索策略（local strategy）。實驗研究認(rèn)為，網(wǎng)球運(yùn)動員預(yù)判任務(wù)中的關(guān)鍵信息搜索區(qū)域（key sources of information）是球拍與手臂區(qū)域（arm+ racket）。Y.Ishibashi等［7］在對于籃球運(yùn)動員罰球結(jié)果預(yù)測的視覺搜索研究中指出，在觀察視頻中運(yùn)動員罰球的各個階段中，被試所關(guān)注的區(qū)域不同，不同水平的運(yùn)動員在各個階段注意的焦點也不盡相同。

重劍比賽中運(yùn)動員應(yīng)具有良好的觀察、判斷能力，能夠抓住良好的時機(jī)（辨別最有利和最不利行動實施的感知覺能力），運(yùn)用欺騙來創(chuàng)造時機(jī)［8］。與需要注意穩(wěn)定、集中的封閉式運(yùn)動項目不同，重劍的開放式對抗性要求運(yùn)動員必須具備高質(zhì)量的注意轉(zhuǎn)移能力［9］。

前人對擊劍運(yùn)動的弓步刺技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，指出重心與速度的同步性問題［10］。關(guān)于下肢關(guān)節(jié)肌力［11］、腿部肌群用力［12］等特征的細(xì)致分析結(jié)果顯示，男女運(yùn)動員的肌肉運(yùn)用策略并不相同。重劍比賽中反攻得分直接，運(yùn)用好壞對比賽結(jié)果具有重要影響［13］。又因其技術(shù)難度小，常被女子重劍運(yùn)動員采用［14］。相對而言，男子重劍運(yùn)動員強(qiáng)調(diào)的是沖刺技術(shù)的運(yùn)用［15］。

在本實驗的時機(jī)判斷任務(wù)中要求被試通過觀察雙方運(yùn)動員的行為變化，判斷左側(cè)運(yùn)動員的出劍時機(jī)。女運(yùn)動員較之男運(yùn)動員雖然沒有注視點個數(shù)的顯著性差異，但是在每個注視點上耗費(fèi)的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過男運(yùn)動員。研究發(fā)現(xiàn)，不同性別重劍運(yùn)動員的平均注視時間有所差異，女運(yùn)動員較之男運(yùn)動員在每個注視點所消耗的時間更長。這可能是由不同性別運(yùn)動員信息加工能力差異導(dǎo)致的。同時，男運(yùn)動員對于視頻中對手的腿部關(guān)注程度顯著高于女運(yùn)動員，這也證明了男女重劍運(yùn)動員判斷出劍時機(jī)的策略不同。

實驗結(jié)果證明：在動態(tài)情境下，男女重劍運(yùn)動員的視覺搜索特點不同，男運(yùn)動員較之女運(yùn)動員對對手下肢運(yùn)動變化更感興趣。

3.2 運(yùn)動情景下出劍時機(jī)判斷的行為特點 在擊劍運(yùn)動訓(xùn)練中，時間感是重要的專項素質(zhì)［16］。運(yùn)動員進(jìn)行操作任務(wù)時，常出現(xiàn)速度—準(zhǔn)確性的權(quán)衡問題：追求速度犧牲準(zhǔn)確性；追求準(zhǔn)確性放慢操作速度［17］。張立新［18］的研究指出，時間測定的變異小，則能夠更快地掌握跳水技術(shù)。馮琰［19］在對花劍運(yùn)動員時間知覺的研究中發(fā)現(xiàn)，即使要求被試在任務(wù)中注意其復(fù)制時間準(zhǔn)確性，仍存在低估時間長度的傾向。關(guān)于運(yùn)動員時間知覺的研究仍存有很大的爭議。

本實驗操作要求被試在觀察視頻中運(yùn)動員對峙情況后，對出劍時機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。結(jié)果顯示，運(yùn)動員組的出劍時機(jī)判斷與真實比賽情境的出劍時機(jī)接近。這一結(jié)果證明與單一的時間復(fù)制操作不同，在判斷比賽情境中的出劍時機(jī)任務(wù)中，運(yùn)動員并沒有低估時間長度的問題，能夠出色地預(yù)判出劍時機(jī)點。

前人研究指出，同年齡段的男女之間存在反應(yīng)速度差異，男性較之女性能夠更快地對操作任務(wù)進(jìn)行反應(yīng)［20］。賈恩峰等［21］的研究證實，男性籃球運(yùn)動員的反應(yīng)速度更快、直覺思維準(zhǔn)確性更高，原因在于其信息加工速度快于女性籃球運(yùn)動員。

本實驗結(jié)果顯示，男女運(yùn)動員在進(jìn)行時機(jī)預(yù)判的反應(yīng)時上，具有一定的差異（差異不顯著）。這可能是由于性別反應(yīng)速度之間的差異，或兩者之間存在信息加工的差異。

3.3 電流密度特征 后頂葉皮層分為后頂葉5區(qū)即初級軀體感覺皮層（primary somatosensory cortex）的1、2、3區(qū)，以及后頂葉7區(qū)，用于接收高級視覺區(qū)域輸送來的信息。前者屬于腹側(cè)通路成分，后者屬于背側(cè)視覺通路成分［22］。視覺預(yù)測中所對應(yīng)的大腦通路分別為：腹側(cè)視覺通路（ventral vision-for-perception），用于得出一個周圍所處環(huán)境的知覺敘述；背側(cè)視覺通路（dorsal vision-for-action），用于得出一個在線視覺—控制行動［23］。對于情境中運(yùn)動員預(yù)測的研究，能夠反映后者的實驗設(shè)計，更能突出高水平運(yùn)動員的判斷和執(zhí)行能力。

重劍運(yùn)動員在后頂葉7區(qū)附近激活顯著，表明本實驗的設(shè)計能夠反映出被試執(zhí)行能力的水平。重劍運(yùn)動員在判斷出劍時機(jī)的任務(wù)中，激活了更為關(guān)鍵的腦區(qū)，具有出色的判斷、執(zhí)行能力。

胡詠梅等［24］對腦像圖的研究指出，擊劍運(yùn)動員大腦信息處理能力具有雙側(cè)匹配的模式。大腦整體處理信息的能力，不受劍種、運(yùn)動等級、性別等自變量的影響；但是，由于大腦的雙側(cè)匹配存在3種類型，建議對運(yùn)動員的心理調(diào)控對策必須突出個性化。本實驗結(jié)果與前人研究相一致，重劍運(yùn)動員的大腦信息處理存在雙側(cè)匹配的模式。

綜上，高水平重劍運(yùn)動員具有執(zhí)行能力的專家優(yōu)勢，且具有大腦信息處理雙側(cè)匹配的特點。

3.4 P3成分特征 ERP是最直接的一種測量大腦活動的技術(shù)，而P3波是ERP的主要研究指標(biāo)之一［25］。腦地形圖顯示，P3波可以從額區(qū)、顳區(qū)、頂區(qū)記錄到不同腦區(qū)反映不同的刺激：頂區(qū)的P3波與偏差刺激有關(guān)；額區(qū)的P3波與新異刺激有關(guān)。P3波的波幅反映了大腦的加工能力。P3波的潛伏期是心理時間的測量指標(biāo)，代表了刺激加工時間，反映了刺激評估加工的持續(xù)時間，代表決策之前的信息加工認(rèn)知成分。

H.Nakamoto等［26］在對棒球運(yùn)動員的研究中發(fā)現(xiàn)，為了能夠更準(zhǔn)確地判斷來球時機(jī)，不同水平的運(yùn)動員具有不同程度的行為抑制能力，體現(xiàn)于其頂葉、枕葉區(qū)域的P3波幅根據(jù)其運(yùn)動水平的差異不同程度地減小。與之結(jié)論相反的研究發(fā)現(xiàn)，在對花劍比賽情境圖片的判斷任務(wù)中，高水平運(yùn)動員在特定腦區(qū)誘發(fā)的P3波幅顯著高于普通運(yùn)動員與初學(xué)者，其對比賽情境圖片的判斷更準(zhǔn)確。研究人員認(rèn)為，這可能是由于高水平花劍運(yùn)動員在相同時間內(nèi)搜索并覺察到的相關(guān)線索更多［19］。

本研究結(jié)果顯示，重劍運(yùn)動員的各個腦區(qū)的激活程度、P3波的振幅較大。與普通的來球時機(jī)判斷任務(wù)不同，判斷出劍時機(jī)是一個復(fù)雜的觀察過程，單憑抑制能力不足以做出準(zhǔn)確判斷。重劍運(yùn)動員在視頻材料中搜索和察覺到了更多的相關(guān)線索，并且進(jìn)行了更深入的信息加工。同時，男女運(yùn)動員在P3波的波幅、潛伏期上的差異，未達(dá)到普遍的顯著性，不能證實運(yùn)動員性別之間存在信息加工能力的差異。判斷出劍時機(jī)差異，可能是由男女重劍運(yùn)動員視覺搜索策略差異引起的。

4 結(jié)論

高水平重劍運(yùn)動員在運(yùn)動情境下，對出劍時機(jī)的判斷準(zhǔn)確。通過多年的專業(yè)訓(xùn)練，高水平重劍運(yùn)動員在任務(wù)執(zhí)行上具有專家優(yōu)勢。由于男女運(yùn)動員的運(yùn)動優(yōu)勢不同，在視覺搜索策略上有所不同，但是對動態(tài)情景的信息處理上不存在顯著性差異。

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Epee Athletes’Visual Search Features and ERPStudy on Tim ing Judgment

∥LIU Tingyi1，ZHOU Chenglin2，WANG Biye1

The study，combined eye movement recording w ith event ERP recording system，observed epee athletes，who were required to judge the attacking time in a competition video clip，exam ining their visual search features and neuralmechanism.The results find that：1）Average fixation time differs in different genders；2）Focus differs in genders；3）There is no significant difference in the judgment of attacking tim ing；4）Bilateral matching mode of information processing exists in athletes’brains；5）There is a significantdifference for P3 wave latencies at PO3 and PO7，though no significant difference is found in P3 wave amplitude.The study shows that epee expert has a higher accuracy of attacking tim ing judgment.Moreover，visual search features differ in different genders.Epee athlete has executionadvantages，but no significant difference of information processing under dynam ic conditions has been found in different genders.

epee athlete；tim ing judgment；visual search；ERP；attacking time

G804.8

A

1000 -5498（2013）06 -0045 -05

2013 -05 -12；

2013 -07 -04

國家自然科學(xué)基金資助項目（31171004）；上海市科委“創(chuàng)新行動計劃”部分地方院校能力建設(shè)計劃項目（11510503100）

劉婷怡（1987 -），女，上海人，上海體育學(xué)院碩士研究生；Tel：13310010283，E- mail：katherine-yoyo_ 35@hotmail.com

周成林（1960 -），男，遼寧沈陽人，上海體育學(xué)院教授，博士，博士生導(dǎo)師；Tel：（021）51253152，E- mail：chenglin_600@126.com