现场与试验室情境下乒乓球运动员对发球旋转判断的比较研究

章建成 ，施之皓 ，李安民 ，王丽岩 ，张玉慧

生态学效度（ecological validity）最早是由美国心理学家布朗芬布伦纳提出的，他强调了试验室研究与现场研究的逼真程度[1]。生态学效度提出以来，在心理学研究中得到了极大重视，无论是行为试验还是认知试验都需要严密的试验控制，以防止干扰变量对研究结果的影响，但这样会造成生态学效度降低的两难困境。所以在试验设计阶段，我们应尽量考虑到试验环境的影响，特别是在运动心理学研究领域，研究者应尽量模拟运动的真实情境，才能真实反映运动领域的心理规律。

在运动信息认知加工的试验室研究中，视觉刺激呈现的生态学效度是人们所关注的内容之一。因为在试验中视觉刺激的呈现方式和要求被试进行反应的任务，对研究结果有显著的影响作用[2]。近30年来，试验室条件下的操作环境发生了显著改善[2]。视觉刺激的呈现方式，从最早期的速示器到静态的幻灯片图片[3-5]，再发展到动态的电影或电视视频[6-8]，不仅画质得到提升，并且能连续地提供关于运动信息的文脉信息。视觉刺激展示的内容和形式上，从较小电脑和电视屏幕发展到大型的投影设备[9-10]，使画面所呈现的人或物大致以1：1的比例呈现。这些进展和变化体现了研究者为了提高研究的生态学效度而做出的努力，使研究结果能更准确反映运动实际情景中运动员的信息认知加工的过程和能力。

20世纪70年代，JOHANSSON认为：运动图片中已经包含了关于运动信息的相关内容，可以被人们所感知并做出对运动信息及内容的判断[11]。有学者采用幻灯片作为视觉刺激材料，让被试根据图片上的运动信息对网球运动员击球方向进行判断，有经验的运动员可以成功地进行判断和反应[12-14]。ARULAND R C和WILLIAMSA M让幼儿被试观看网球击球瞬间的图片，要求他们判断击球的图片是否一样，或者判断击球的方向，以确定被试进行判断的信息来源，结果显示被试在进行击球判断时依据的信息来源差异较大[15]。HORN采用幻灯和视频作为视觉刺激材料，以了解足球运动员接高空来球的动作准确性，结果显示，被试对幻灯显示的视觉材料进行视觉搜索时更加精确地进行判断，信息组织结构完整的视频材料并没表现出比幻灯更优化的效果[16]。

TAYLER等人认为静态幻灯片的呈现，不能给运动员呈现同大多数运动情境相一致的动态属性的视觉信息[17]。WARD等[14]，ABERNETHY等[18]分别以幻灯片和视频作为视觉刺激材料进行对比研究，发现观看幻灯片时，专家选手的准确性相对于新手差异不明显，并且运动信息知觉准确性要低于观看视频影像时的准确性。WILLIAMS等采用运动实景影片作为刺激材料，要求被试对专项运动动作进行反应，结果发现：运动员的实际运动反应与试验室内对实景大小的刺激材料反应测试结果相一致，但与运动技能低的对照组相比，显示出明显的组间差异[8]。ROWE和MCKENNA在研究中也发现，在对实景视频刺激材料的反应中，有运动经验者相对于无运动经验者，有更快的反应速度以及更准确的反应[19]。

WILLIAMS[20]，HUYS[21]所进行的关于网球运动信息提取的研究中，采用由线条组成的抽象运动形象，以连续动画形式呈现给被试，这些研究结果证实了采用线条组成的抽象人物动画作为视觉刺激呈现方式的有效性；有运动经验的被试采用了整体知觉策略，而无运动经验的被试采用的是局部知觉策略；但在随后进行的研究[15]，却得出“不能完全支持有运动经验的运动员依靠整体知觉策略获得运动信息观点”的结论。

至今关于运动知觉的研究大多是在试验室条件下进行的，采用的运动刺激为静态的图片和视频。但是，不少研究者指出采用二维的静态或动态不同的刺激材料得出的结论，可能与真实的运动情景的反应存在较大的差异，这些试验任务不能反映出有运动经验的被试在真实世界的反应[22]，这样会掩盖运动经验所具有的优势，并可能只是部分获取运动专家决策时的具体信息[23]。研究者采用这种方法不能维持在知觉维度上的生态学效度，或者在整体行为上不能展现运动任务的本质特征。即使相对于幻灯片，动态的影像更接近真实的运动情景，但是，二维的视觉刺激材料仍然不能反映真实运动情景的动力学特征[24]。

为了研究现场运动情景对运动员运动信息认知加工的研究特征，RODRIGUES等人采用现场研究的方法，以探讨运动员正手击球时，头、眼、手之间的协调，认为此方法可以使被试在自然的运动情景下，获得关于球、注视线路和手臂的三维动态信息[25]。不少学者认为，由于幻灯和视频都属于二维刺激材料，不能反映深度知觉特征，因此刺激材料的生态学效度值得质疑。

乒乓球运动以球小、速度快、变化多技巧性强为显著特点的运动项目[26]，在短时间内，要求运动员对高速运动的来球方向、旋转、力量、落点等进行全面的观察，并及时决策以便进行合理的回球，运动信息认知加工过程要求迅速并且精确。因此，本研究选取乒乓球项目中运动员接发球时对球的旋转判断为研究内容，以中国乒乓球女队为研究对象，分别采用录像视频和现场发球旋转判断为任务，分析运动员在不同试验条件下判断旋转的差异，以探讨试验研究刺激材料的生态学效度对研究结果的影响。

研究假设：不同试验条件下，运动员对发球判断反应存在差异；运动员在现场条件下对旋转进行判断时的行为绩效好于试验室条件下的行为绩效。

1 研究对象与方法

1.1 试验对象

参加本研究的对象来自国家乒乓球女队（6名），运动等级为国际健将，年龄（21.3±3.2）岁，训练年限（15±2.8）年。所有被试裸眼视力正常。试验后给予被试一定报酬。

1.2 试验设计

试验为单被试研究，采用情境2（现场条件、试验室条件）×旋转方式4（转、不转、侧上旋、侧下旋）多因素的被试内设计。因变量指标为反应时和准确率。

1.3 试验设备

15英寸的DELL液晶显示器（1 024×768分辨率、刷新频率为100 Hz）；一台用于呈现刺激材料；心理编程软件E-Prime 2.0版，一台JVC数码摄像机，乒乓球台、球拍，球若干。

1.4 试验材料

试验室条件下运动情境的呈现材料，用摄像机拍摄由国家乒乓球队教练指定的国家乒乓球女队运动员发球录像。拍摄中要求发球运动员按照4种基本的发球技术（转、不转、侧上旋、侧下旋）。拍摄用摄像机为SONY HVR-Z1C型，使用手动和高清模式，快门1/600，f=2.5，自动白平衡，拍摄距离4.5 m，镜头高度1.5 m。把所拍摄录像保存为AVI格式的视频文件，使用绘声绘影9.0进行视频编辑，每一段视频均从发球运动员开始抛球时开始，至球落接球方球台时终止。试验任务：首先出现800 mm中央带“+”字符号的黑屏，然后播放发球录像视频，被试根据视频进行判断，以最快的速度按计算机键盘上相应的数字键：1代表转，4代表不转，3代表侧下，6代表侧上。按键反应完成后，紧接着出现800 mm中央带“+”字符号的黑屏后，再播放下一个随机视频文件。

现场条件由运动员发球，发球的顺序和类型由一台电脑显示器呈现，其中“O”表示转球，“X”表示不转，“↑”表示侧上旋，“↓”表示侧下旋。发球技术内容与试验室条件下视频呈现的发球技术内容和重复次数相同，呈现顺序依据随机数排序随机播放。试验中试验室呈现和现场发球时的4种发球旋转，均重复25次，每名被试要对2种条件下各100次发球进行判断，现场条件发球情境见图1。

1.5 试验程序

试验程序分为两个阶段：练习阶段、正式测试阶段。

试验指导语为：欢迎参加本试验。试验为两个部分，第一个部分为练习阶段。试验室条件下屏幕上会出现不同旋转发球的视屏（现场条件下运动员发不同旋转的球），请按下相应的数字键进行反应。练习共24次。练习结束后屏幕会播放短暂的发球视频，请根据发球动作判断来球的旋转方式，并尽快按相应的数字键进行反应。整个试验期间请注意看屏幕（看运动员的发球），保持头部稳定。明白上述指导语后，请按任意键开始。

练习阶段：为了确定在正式测试中，被试不会因为键盘操作的不熟悉而影响被试在专项情境中测试的反应时间，在正式开始试验前对被试进行一次熟悉键位反应的练习试验。在每名被试进行测试前进行24次的按键反应训练，对键位的反应趋于熟练与稳定。此阶段所收集的反应时与反应正确率的数据不作为最后分析数据。

正式测试阶段包括：（1）试验室条件下要求被试注意观看屏幕上所呈现的乒乓球运动员发球视频；（2）现场条件下要求被试根据运动员发球动作来判断来球旋转。被试完成判断后按下相应的数字键进行反应。进行现场发球判断时，一台JVC数码摄像机同时拍摄发球运动员，以及指示发球运动员发何种旋转方式的球的显示器，用以记录和计算出现发球旋转提示符（系统开始计时点）到发球运动员抛球出手瞬间（视频材料中计时的零点）的时间，并将此时间从被试的总反应时中减去，以控制发球动作快慢对反应时的影响。记录反应时和反应正确率，所记录数据为最后统计分析数据。视频为100个，时间为15 min左右。

图1 现场条件发球情景图

1.6 试验指标的操作定义

进行视频材料测试时，反应时从播放视频文件开始计时，被试按键反应停止计时（t1）；现场发球反应时计时是从提示发球运动员的信号出现时开始计时，被试按键反应停止计时（t2），根据现场录像计算出从出现提示信号到发球运动员开始抛球的时间（t3），用t’=t2-t3作为被试发球旋转判的反应时（mm）。正确率：被试做出正确判断的频次/总的发球判断次数×100%。

反应选择：被试对不同的试验刺激材料做出判断并选择按下相应的数字键1、3、4、6，分别为数字1键代表转、3键代表侧下旋、4键代表不转、6键代表侧上旋。

1.7 数据采集与处理

采用E-prime2.0软件包中E-Run运行程序并记录记录被试的反应选择、反应时与反应正确率。E-DataAid对数据进行初步筛选和处理，E-Merge对不同组被试的数据进行合并。对异常数据进行筛选和剔除，最后采用SPSS 17.0对反应时间数据进行以试验条件和旋转方式为自变量的重复方差分析，主效应后采用Bonferroni事后检验方法（Bonferroni post hoc）进行方差分析后的多重比较，按照Cohen标准，确定效应量η2达到0.15、0.06、0.01时，分别属于强效应、中等效应、弱效应。对因变量反应正确率进行卡方检验处理。

2 试验结果

2.1 反应时间

首先对被试的反应时间数据按照3个标准差法则进行筛选，不同情景下运动员旋转判断的反应时和平均数结果见表1。

表1 两种试验条件下运动员的反应时的平均数和标准差（M±SD）

对运动员旋转判断的反应时间进行2（现场条件、试验室条件）×4（转、不转、侧上、侧下）的重复测量方差分析结果见表2。

表2 反应时重复方差测量一览表

重复方差测量的结果显示情境的主效应显著F（1，5）=19.14，P＜0.01，η2=0.79。国际健将级运动员现场情境旋转判断的反应时间（M=1513.67，SE=144.89）显著快于试验室情境旋转判断的反应时间（M=2331.15，SE=66.71）。

旋转的主效应显著 F（1，5）=13.57，P＜0.01=0.73。主效应后多重比较显示，判断不转球与判断侧下旋的反应时间存在显著性差异 P＜0.01，判断不转的时间（M=1851.43，SE=69.22）快于判断侧下旋的时间（M=1998.06，SE=63.75）。判断转球的时间与判断侧下旋的时间存在显著性差异P＜0.05，判断转球的时间（M=1873.82，SE=73.08）快于判断侧下旋的时间（见图2）。

图2 判断不同旋转反应时间的多重比较

2.2 反应正确率

因正确率为百分率值，对试验室和现场不同试验条件下运动员判断旋转的正确率进行卡方检验，检验结果见表3。

反应正确率的χ2检验结果显示，在不同试验条件下运动员判断转球时不存在统计学意义上的显著性差异3.388，P＞0.05，但国际健将级运动员现场条件旋转判断的正确率（M=90%，SD=7%）好于试验室条件旋转判断的正确率（M=71%，SD=21%）。对于不转球和侧上旋在不同试验条件下运动员的判断正确率存在显著性的差异卡方值分别为=8.420，P＜0.01=7.898，P＜0.01。在不同试验条件下判断侧下旋的正确率存在显著性差异χ2（1，5）=5.357，P＜0.05。现场条件下的运动员对旋转正确率的判断好于试验室条件下对于旋转的判断正确率。在现场条件下运动员判断不转和侧上旋的正确率相对于试验室条件下判断的正确率提高的幅度大。

表3 两种实验条件下运动员反应正确率卡方检验一览表

3 分析与讨论

本研究以采用试验室录像视频和现场发球旋转判断为任务，分析运动员不同试验条件下判断反应时间和准确性之间的差异，以探讨试验研究刺激材料的生态学效度对研究结果的影响。研究假设是不同试验条件下，运动员对发球判断反应存在差异；运动员对旋转进行判断时，现场条件下的操作绩效好于试验室条件下的操作绩效。

研究结果表明，不同试验条件对于运动员发球旋转判断正确率和反应时间的影响，表现在运动员在现场对发球的判断均优于试验室情境下，且存在非常显著性的差异。运动员在现场条件下判断好于在试验室条件下的判断。在现场试验条件运动员对发球旋转判断的正确率和反应时间同在试验室条件下相比显著的提高，在现场条件更有利于展现运动专长的这种优势。这可能是因为在现场条件下呈现的信息与试验室平面视频呈现的视频信息是不一样的，视频图像呈现的信息比真实运动情境中呈现的信息少。录像视频不能提供更多的反映空间位置关系的深度知觉，球飞行的速度和旋转强度等信息，而球与球拍之间摩擦的声音信息的丢失，也可能对运动员的判断产生重要影响。正如SINGER视觉刺激材料与真实的运动情景存在较大的差异，这些试验任务不能反映出有运动经验的被试在真实世界的反应[22]。DEREK T Y MANN也指出，当在刺激呈现中出现与专家在实际反应选择和提取的刺激特征不相一致时，专家的优势可能会被隐藏或者被遮盖，可能导致专家在操作时采用了不同于真实运动的反应[2]。在试验室运动情境下，运动员在对旋转判断的信息加工时获得的信息与运动员头脑中预存模式的特征存在差异，运动员需要提取更多的特征信息进行识别，所以试验室的反应时间比较长。

有研究者指出，在更为真实的运动情境中，视觉信息加工时随着环境变化和任务目标的不同而快速变化的[23]。在现场情境下，试验的任务是真实运动情景，呈现的信息量丰富，运动员获得了有关视觉、听觉和触觉的有效信息，信息加工时间更快，运动的情境与大脑中的模式匹配度高，进而表现出较高的正确性和较快的反应速度。而试验室情境下，呈现的运动信息同真实的运动情境相比缺失信息比较多，运动员进行反应判断时反应时间较长，即在试验室情境下运动员采用了同现场情境下不一样的反应策略。从以往的研究中可以发现，虽然试验室的研究可以对于运动员认知特征有一定概括化的认识，却不能洞察运动员真实运动情境中的行为方式和认知特点。又由于运动环境的独特性，运动员采用的认知方式可能与试验室获得一般认知方式有所不同。这就要求研究者在试验中尽可能的提高研究的生态学效度，以反映真实运动情境中运动员所做的真实反应。这一结果也需要来至更多试验研究的支持。

在研究中我们发现，同运动员在试验室条件下旋转判断的结果相比，运动员在现场条件下判断正确率显著增加，这有可能是运动员在现场条件下获得更多击球后信息的结果。特别是对于不转球和侧上旋的判断，正确率提高的更显著。由于不转球和侧上旋球在出手时相对于转球和侧下旋球的动作比较连贯，动作的前后变化幅度小，对于时间序列容量加工要求比较高，球速相对较快，落台后向前的冲力大。在试验室条件下由于深度视觉的丢失，不能够提供更多的反应空间关系的深度知觉，进而导致了时间序列加工容量的降低，所以试验室条件下不转和侧上旋的判断正确率低。而在现场条件下真实的运动情境，运动员对于侧上旋和不转的瞬间的击球动作连贯性的时间序列加工完全，击球后对球速和旋转强度的感知也较平面的图像真实，所以这两种击球判断正确率在现场情境下显著的提高。现场条件下给运动员提供了更多击球后关于球的速度、向前的冲力和弧线等丰富的信息，所以在现场情境下运动员的判断正确率提高。这也为运动员利用击球后信息判断旋转利用提供了证据。

不同的试验条件影响着试验结果的展现，在以往的研究中常常出现研究结果不一致的现象，但少有研究探讨因为试验条件或刺激材料等第三变量使用的不同而导致不同的研究结论。本研究的结果表明，在不同试验条件存在运动员反应时和准确性指标上的差异，即研究者在试验室条件下得出的研究结论和在现场条件下得出的研究结论有可能是完全不一致，对于这种差异的存在和反映在运动专长特征影响上的证实，则需要更多研究者贡献更多的实证研究。

4 结 论

（1）现场情境下研究的生态学效度高，在现场情境下运动员表现为较高判断正确率和较快判断反应时间。（2）不同试验条件下运动员的旋转方式的判断存在差异，在现场条件下运动员侧下旋判断准确性高，对转球判断准确性最低。在试验室条件下运动员对转球判断准确性高，对不转球准确性最低。

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