静态情境下击剑专家预判优势的机制研究

冯 琰

（沈阳体育学院体育教育学院，辽宁 沈阳 110102）

◀体育人文社会学

静态情境下击剑专家预判优势的机制研究

冯 琰

（沈阳体育学院体育教育学院，辽宁 沈阳 110102）

以认知神经科学为视角，以省队击剑运动员为实验对象，采用专家－新手研究范式，借助眼动与事件相关电位（ERP）同步采集技术，研究静态运动情境下击剑专家进行技术动作预判的行为、眼动及脑神经活动的优势特征，以揭示击剑专家视知觉预判的可能优势机制。研究结果表明，击剑专家的技术预判过程具有视觉搜索效率高、识别速度快、动用的心理能量或占用的心理运算资源少等特点，其可能的预判优势机制为脑区激活时间进程短、脑神经活动水平低。

击剑专家；静态情境；预判；优势；眼动；事件相关电位（ERP）

运动专家具有专项性认知优势这一观点，已经得到了运动认知心理学研究者的广泛认同。不过，对于运动专家认知优势的形成机制，还没有达成共识。1950年，Poulton提出了知觉预测（perceptual anticipation）一词，并认为其含义是指利用部分外界信息或先行信息预测未来事件的信息加工过程［1］。运动员利用先行不完整运动信息进行技战术的预判能力就是知觉预测。作为格斗对抗项目之一的现代击剑运动，运动员对对手技术动作的早期觉察、快速辨别和准确识别的预判效果，是其后续采取有效决策的基础。只有快速、准确地预判对手的技术动作和真正的战术意图，才能在强强对决中夺得头筹。因此，本研究采用专家－新手研究范式，以认知神经科学为线索，借助眼动与事件相关电位（ERP）同步采集技术，测量和比较静态比赛图片情境下不同等级击剑运动员进行技术动作预判的反应时、准确率、眼动特征及所诱发的ERP成分的差异，以揭示击剑专家视知觉预判的优势机制，为击剑科学选材和科学训练提供客观依据。

1 研究方法

1.1 实验对象

表1 实验对象基本情况一览

实验对象为省队击剑运动员，包括男17名、女16名。根据运动等级将其分为专家组（健将以上级运动员）、一级组（一级运动员）和二级组（二级运动员）。被试基本情况如表1所示。被试视力或矫正视力均正常，无脑部损伤和神经系统疾病史，实验完成后获取适量报酬。

1.2 实验设计

实验采用3×2二因素混合设计。因素一为组间变量，即组别，包括专家组、一级组和二级组；因素二为组内变量，即视野位置，包括左视野和右视野。

1.3 实验设备

ERP实验采用64导ERP记录与分析系统。眼动实验采用ASL Eye Tracker 6000系列的R6型红外遥感眼动跟踪系统。通过E-prime软件和Eye-trac 6000用户使用软件，实现眼动和ERP数据的同步采集。

1.4 实验内容

1.4.1 刺激材料 选取2006年世界杯击剑赛花剑部分场次比赛的视频，采用会声会影10.0图像编辑软件进行比赛图片的截取。采用时间阻断技术，截取一次有效进攻开始前80ms，即一次有效进攻或防守完成前倒数第二帧比赛图片作为刺激图片。然后请击剑教练员和运动员分别对图片中双方运动员可能采用的技术动作以及技术动作辨别难易程度进行评估。最后，评估结果的一致性比率达75%以上的112张比赛图片作为刺激材料。

刺激图片的水平视角为18.2°、垂直视角为12.7°。由于实验任务要求被试只对单侧视野运动员的技术动作进行预判，所以，实际的水平视角在9.1°～18.2°范围内波动。

1.4.2 实验程序 预判反应任务采用E-Prime软件编制，具体流程如下：被试按任意键开始实验，首先屏幕上出现指导语：“请根据图片中左方（或右方）运动员可能采用的技术动作进行按键反应。要求反应既快又准。准备好后按任意键开始正式实验”。被试按任意键开始实验后，黑色屏幕中间将出现一白色“＋”注视点，呈现时间为1 000 ms；然后呈现一张刺激图片，呈现时间为1 000 ms；随后显示屏变为黑色，要求被试根据所呈现的刺激图片来判断左方或右方运动员可能采用的技术动作（进攻或防守的二择一任务）类型。每次反应结束到下一幅刺激图片出现的时间间隔为1 000 ms，如此循环往复。每组实验包含28张比赛图片，共4组，每组刺激图片随机呈现。如果1 000 ms内被试未做出按键反应或按键过轻，视为错误反应。

1.5 数据采集与处理

行为数据由E-prime软件进行采集。ERP数据由BPRecorder软件进行采集，眼动数据由Eye-Trac 6000操作软件自动记录。采用SPSS 17.0对眼动和ERP数据进行统计学处理。

2 研究结果

2.1 行为结果

单因素方差分析结果显示（表2），不同组别击剑运动员进行技术动作预判的反应时（F2，31＝0.203，P＞0.05）和准确率（F2，31＝0.034，P＞0.05）不存在显著差异。描述统计结果显示，随着运动水平升高，预判准确性也随之升高，但不具有统计学意义；二级组预判时间比专家组和一级组的略长，但不具有统计学意义。这一结果说明基于静态情境下的不同水平击剑运动员预判速度和准确性无显著差异。

表2 不同组别击剑运动员技术动作预判的行为结果（¯X±S）

2.2 眼动结果

2.2.1 总体眼动结果 不同组别击剑运动员进行技术动作预判时，总体眼动特征结果（表3）显示，专家组的首注视点时间、第二注视点时间、首次眼跳时间、平均眼跳时间、总注视时间、平均注视时间均明显短于一级组、二级组，但在平均眼跳速度和注视点数上，专家组与一级组、二级组之间差异不显著。这一结果说明基于静态情境下的击剑专家预判行为具有注视时间短、眼跳速度快的优势特点。

2.2.2 兴趣区域眼动结果 根据击剑运动员进行预判时，其注视点主要集中的区域来划分兴趣区域，即刺激图片中被识别方队员的躯干部位、手腕部位、剑身部位以及对方队员的躯干部位、手腕部位、剑身部位。不同组别击剑运动员的兴趣区域分布结果显示，专家组最感兴趣的区域是被识别方的躯干部位（47.47±4.16）%；一级组最感兴趣的区域是手腕部位（38.20±2.14）%；二级组最感兴趣的区域是躯干部位（34.12±15.02）%。

对兴趣区域内眼动指标的多因素方差分析结果显示，注视点数（F2，31＝4.41，P＜0.05）、总注视时间（F2，31＝8.65，P＜0.01）和平均注视时间（F2，31＝10.87，P＜0.01）存在显著的组别主效应；事后比较显示，专家组的注视点数明显多于一级组，二级组的总注视时间、平均注视时间明显长于专家组和一级组。注视点数（F2，31＝5.09，P＜0.05）和总注视时间（F2，31＝8.98，P＜0.01）存在显著的视野主效应；左视野的注视点数和总注视时间明显少于和短于右视野。但注视点数、总注视时间、平均注视时间不存在显著的组别和视野的交互效应。回视次数的组别和视野主效应以及两者的交互效应均不显著。

这一结果说明基于静态情境下的击剑专家对兴趣区域内信息的搜索具有注视点数多、注视时间短的优势特点。

2.3 事件相关电位结果

从位于前额叶的Fz电极点记录的ERPs总平均图即图1可以看出，60～100 ms左右诱发了P1；100～150 ms左右诱发了N1；180～200 ms左右诱发了P2，250～280 ms左右诱发了一个明显的N2； 380～400 ms左右出现了P3。

从位于顶区的Pz电极点记录的ERPs总平均图即图2可以看出，120ms左右诱发了P1，在130～150 ms左右出现N1；在150～200 ms左右出现N2；在250 ms左右出现了P3。

图1 基于静态情境下击剑运动员预判的ERP总平均图（Fz）

图2 基于静态情境下击剑运动员预判的ERP总平均图（Pz）

表3 不同组别击剑运动员技术动作预判的总体眼动特征

2.3.1 早期成分——P1、N1 以P1、N1峰潜伏期为因变量的多因素方差分析结果显示，Cz、CPz、Pz、POz、Oz电极记录点上不存在显著的组别主效应。

以P1峰波幅为因变量的多因素方差分析结果显示，Pz（F2，31＝5.37，P＜0.05）和POz（F2，31＝4.05，P＜0.05）电极记录点上存在显著的组别主效应。事后比较显示，专家组在顶区（Pz）、顶枕区（POz）和枕区（Oz）电极记录点上诱发的P1峰波幅明显低于一级组和二级组。

以N1峰波幅为因变量的多因素方差分析结果显示，CPz（F2，31＝4.11，P＜0.05）电极记录点上存在显著的组别主效应。事后比较显示，专家组在中央区（Cz、C2）、中央顶区CPz和枕区（O2）电极记录点上诱发的P1峰波幅明显低于一级组和二级组。

结果表明基于静态情境下的技术动作预判行为，不同组别击剑运动员在不同脑区诱发的P1、N1峰潜伏期差异不显著，峰波幅差异显著；专家组运动员的P1、N1峰波幅明显低于一级组和二级组。这一结果提示，击剑专家进行技术动作预判时，在特定脑区诱发的P1、N1的脑神经活动水平较低。

2.3.2 中期成分——N2 从Fz上记录的ERPs总平均图上可以看出，在250～280 ms内，击剑运动员进行技术动作预判时均诱发出一个明显的负性ERPs——N2。测量Fz、FCz、Cz、CPz、Pz、Oz和POz电极记录点上的N2峰波幅和峰潜伏期，结果显示：在头皮前部的N2最大峰波幅位于Fz（－4.30± 3.63μV），峰潜伏期为260 ms左右（264.76± 29.74）ms；在头皮后部的N2最大峰波幅位于Pz（6.85±6.22）μV，峰潜伏期230 ms左右（227.76± 45.09）ms。

以N2峰潜伏期为因变量的多因素方差分析结果显示，CPz（F2，31＝5.08，P＜0.05）、Pz（F2，31＝5.93，P＜0.05）电极记录点上存在显著的组别主效应。事后比较显示，一级组在中央顶区（CPz）、顶区（Pz）和顶枕区（POz）诱发的N2峰潜伏期明显长于专家组，但二级组与一级组、专家组之间不存在显著差异。

以N2峰波幅为因变量的多因素方差分析结果显示，FCz（F2，31＝4.69，P＜0.05）、Cz（F2，31＝4.17，P＜0.05）电极记录点上存在显著的组别主效应。事后比较显示，二级组在前额叶（FCz）、中央区（Cz）和中央顶区（CPz）诱发的N2峰波幅明显高于一级组；但专家组与一级组、二级组之间不存在显著差异。

结果表明基于静态情境下的技术动作预判行为，不同组别击剑运动员在不同脑区诱发的N2峰潜伏期和峰波幅差异显著；专家组在中央顶区、顶区和顶枕区诱发的N2峰潜伏期明显短于一级组，二级组在左前额叶、中央区和中央顶区诱发的N2峰波幅明显高于一级组。这一结果提示，击剑专家进行技术动作预判时，在特定脑区诱发产生N2的时间较早，且脑神经活动水平较低。

2.3.3 晚期成分——P3 从额叶Fz和顶区Pz电极记录点上记录的ERP总平均图上可以看出，分别在590 ms和300 ms左右，击剑运动员进行技术动作预判时均诱发出一个明显的正性ERPs——P3成分。测量Fz、FCz、Cz、CPz、Pz、Oz和POz电极记录点上的P3峰波幅和峰潜伏期，结果显示：头皮前部P3最大峰波幅位于Cz（10.24±4.30μV），峰潜伏期为590 ms左右（583.92±143.32）ms；头皮后部P3最大峰波幅位于POz（14.72±5.01）μV，峰潜伏期为300 ms左右（297.12±127.32）ms。

以P3峰潜伏期为因变量的多因素方差分析结果显示，FC2（F2，31＝6.05，P＜0.05）、FC5（F2，31＝4.23，P＜0.05）、Cz（F2，31＝5.09，P＜0.05）和CP2（F2，31＝7.89，P＜0.01）电极记录点上存在显著或非常显著的组别主效应。事后比较显示，一级组和二级组在额中央区（FC2、FC3、FC5）、中央区（Cz、C1、C3、C4、C6）和中央顶区（CPz）诱发的P3峰潜伏期明显长于专家组，但一级组与二级组之间不存在显著差异。

以P3峰波幅为因变量的多因素方差分析结果显示，Fz、FCz、Cz、CPz、Pz、Oz和POz电极记录点上不存在显著的组别效应。

结果表明基于静态情境下的技术动作预判行为，不同组别击剑运动员在不同脑区诱发的P3峰潜伏期差异显著；一级组和二级组在大脑皮层额中央区、中央区和中央顶区诱发的P3峰潜伏期明显长于专家组。这一结果提示，击剑专家在进行技术动作预判时，特定脑区诱发产生P3的时间较早。

3 讨论与分析

3.1 击剑专家预判的视觉搜索策略优势

眼动结果显示专家组运动员进行技术动作预判时，注视点多集中在队员躯干部位；而在主要兴趣区域内的注视点数明显多于一级组和二级组运动员。

付全［2］研究发现，一般运动员注意到的是更多的细节信息，而顶尖组运动员注意到的多是整体信息。被问及“你在比赛中决定出剑进攻，是因为注意到对手的哪些信息？”时，奥运会银牌获得者、我国著名男子击剑运动员王海滨的回答最具典型性：“我通常不会关注具体的东西，只要感觉距离到了，形态出现了，刺哪就能刺到。”

本研究结果与王海滨所说的“形态”是相类似的。躯干部位主要提供的是身体姿势的信息，代表着一个概括化观察的结果。进攻技术多带有人体重心前倾的特点，而体位防守多带有明显的下蹲或向外的特点。进攻或防守技术所具有的典型身体形态特征为高水平击剑运动员提供了更加整体化、概括化的有用运动信息。结合本研究中专家组在兴趣区域内的注视点数也较多的结果，可以看出击剑专家对整体信息的关注要多于局部信息，注视点更多，搜索的有用信息更多，整体性更强，主要采用了整体系列扫描的视觉搜索策略。不同运动等级击剑运动员视觉搜索策略的不同与其在专项训练和比赛中所积累的运动知识和经验的概括化程度不同有直接关系。

根据以往眼动研究［3］，注视时间长短反映个体对视觉信息加工的程度，就相同个体而言，时间越长，加工越深；对不同个体而言，时间越长，加工速度越慢，效率越低。本研究结果充分说明击剑专家基于静态情境下的技术动作预判行为，具有注视时间短、预判准确性高、视觉搜索效率明显高于非击剑专家的优势特点。这也进一步提示整体系列扫描视觉搜索策略明显优于局部扫描视觉搜索策略。

3.2 击剑专家预判早期的注意觉察优势机制

Posner认为，注意有内源性注意和外源性注意两种。内源性注意是指由行为目标或观察者意图来分配注意；外源性注意是指视野外部信息所引起的观察者注意定向。本研究的实验设计中，在运动员进行技术动作预判任务前，已经通过指导语的方式告知被试要判断哪一方运动员可能的技术动作，也就是说，在进行预判前运动员就可以将注意指向提前倾斜于一侧视野，因此，击剑运动员进行技术动作预判的早期视觉加工阶段主要涉及的是内源性注意。

Handy和Mangun［4］考察了任务难度对P1、N1的影响。实验结果提示：任务难度越大，P1、N1波幅越大；任务难度仅为影响早期选择的因素之一。Doallo等［5－6］的两个研究表明，P1和N1可能反映的是不同的注意加工。P1可能反映的是非注意位置的信息抑制机制，而N1可能反映的是注意位置的加工增强机制。

根据Doallo等和Handy、Mangun的研究结果可以看出，本研究中的实验任务对于一级和二级运动员而言，具有一定难度，其在识别过程中，对非注意位置（被预判方的对侧视野）信息进行抑制的能力与对注意位置（预判方所在视野）信息进行搜索的能力明显不如健将以上级运动员，表现为完成任务时一般水平运动员的注意力集中指向程度相对较低、所消耗的心理能量与占用的心理运算资源相对较多。

本研究的ERPs结果还显示，无论运动等级高低，击剑运动员对右视野刺激进行预判时，在右顶区诱发的N1峰波幅明显高于左视野，这与视觉搜索的眼动结果，即击剑运动员对左视野目标进行搜索的平均注视时间明显短于右视野，搜索速度明显快于右视野，互为佐证。同时也说明N1的注意效应可能反映了注意位置的加工增强机制，这与Doallo等的研究结果相一致。

以上分析可以看出，击剑专家基于静态情境下的技术动作预判行为的早期知觉加工的注意觉察优势机制，可能为大脑皮层顶区、顶枕区和枕区诱发P1的神经活动水平较低，中央区、中央顶区和枕区诱发N1的神经活动水平较低。

3.3 击剑专家预判中期的辨别优势机制

以往ERPs研究发现，注意刺激视野可引起N2波幅的增高，且在刺激视野对侧半球的变化较大时，N2波幅明显受注意范围因素的调节［7－8］；靶刺激诱发的N2反映了对靶刺激物自身特征信息的加工，因此，分析N2可提高它所代表的对信息进行认知评价和决策的精确性［9］。魏景汉［10］还提出，ERP晚期成分越负，表示心理负荷越大。

本研究的ERPs结果提示一级组分辨技术动作特征所需要的时间明显长于专家组，但二级组辨别技术动作特征所占用的心理运算资源明显多于一级组。造成不同运动等级击剑运动员辨别技术动作的脑神经活动的差异，与专项训练年限长短的不同有直接关系。

二级组在预判的辨别阶段所诱发的N2峰波幅较一级组的高，这与其在注意觉察阶段所诱发的P1、N1峰波幅较高的结果相一致，均说明基于静态情境下的技术动作预判任务对一般水平运动员而言，还是有一定难度的。

从眼动结果也可以看出，专家组对技术动作特征进行注意觉察、辨别的加工时程较短，认知加工和搜索效率均较高。另外，专家组在注意觉察和辨别阶段所动用的心理能量和占有的心理运算资源均明显少于一级组和二级组，所表现出来的心理能量“节省化”，无疑有助于他们更好地适应快速、激烈的现代击剑运动竞技的需要。

以上分析可以看出，击剑专家基于静态情境下的技术动作预判行为的中期预判加工的辨别优势机制，可能为大脑皮层顶区和顶枕区诱发N2的时间较早；额叶、中央区、中央顶区诱发N2的神经活动水平较低。

3.4 击剑专家预判晚期的确认优势机制

依照Dunchin［11］提出的“场合修正模式”理论，花剑运动员进行技术预判时诱发的P3潜伏期反映了对刺激物的评价或分类所需要的时间；P3波幅反映了工作记忆中的表征更新程度。本研究中击剑运动员进行技术动作预判的认知加工属于模式识别过程，模式识别确认阶段主要涉及与工作记忆中的心理表征进行分析、比较和决策等加工过程。

本研究结果显示，一级和二级组运动员进行技术动作预判时，在中央区和中央顶区诱发P3的峰潜伏期明显长于专家组，但一级组与二级组间无显著差异；不同组别所诱发的P3峰波幅均不存在显著差异。这些结果提示非击剑专家对技术动作进行觉察、分辨与确认所需要的时间明显长于击剑专家，但其动用的心理能量和占用的心理运算资源与击剑专家没有显著差异。结合前面的分析可以看出，不同运动等级击剑运动员进行预判所需时间长短的差异最先表现在辨别阶段（N2潜伏期），也就是说，运动员对进攻或防守技术动作的特征觉察和辨别效率直接决定了技术动作的预判效率。所以，教练员平时应该加强运动员对有用运动信息搜索能力的训练，尤其是对对手整体特征（躯干部位信息）和局部特征（手腕、手臂部位信息）的选择性注意的训练。

以上分析可以看出，击剑专家基于静态情境下的技术动作预判行为的晚期预判加工的确认优势机制，可能为大脑皮层中央区和中央顶区诱发P3的时间较早。

4 结论

1）击剑专家基于静态情境下的技术动作预判行为，具有注视时间短、预判准确性高、视觉搜索效率高的优势。

2）基于静态情境下预判早期的注意觉察阶段，击剑专家抑制被预判方对侧视野信息能力与对预判方所在视野信息进行搜索的能力明显优于非击剑专家，所动用的心理能量或占用的心理运算资源明显少于非击剑专家；中期辨别阶段，击剑专家辨别速度明显快于非击剑专家；所动用的心理能量或占用的心理运算资源明显少于非击剑专家；晚期确认阶段，击剑专家的确认速度明显快于非击剑专家。

3）击剑专家基于静态情境下技术动作预判的早期注意觉察优势机制，可能为皮层顶区、顶枕区和枕区诱发P1的神经活动水平较低，中央区、中央顶区和枕区诱发N1的神经活动水平较低；中期辨别优势机制，可能为皮层顶区和顶枕区诱发N2的时间较早；额叶、中央区、中央顶区诱发N2的神经活动水平较低；晚期确认优势机制，可能为皮层中央区和中央顶区诱发P3的时间较早。

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［2］付全.信息量与认知风格对击剑运动员决策速度、准确性和稳定性的影响［D］.北京：北京体育大学，2004.

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［4］Handy TC，Mangun GR.Attention and spatial selection：electrophysiological evidence formodulation by perceptual load［J］.Perception Psychophysics，2000，62（1）：175－186.

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［11］Dunchin E.Surprise？……Surprise？［J］.Psychophysiology，1981，18：493.

责任编辑：刘红霞

Anticipant Dom inance M echanics of Fencing Experts Athletes Based on Static Situation

FENG Yan
（School of P.E.，Shenyang Sport University，Shenyang 110102，Liaoning，China）

W ith the view of cognitive neuroscience，w ith the experiment subjects of a province fencing athletes，adopting research form of expert-novice，and using the collection technique of eye-movementand ERP recording system synchronously，this paper studied the predom inant characteristics of behavior，eye-movement and neural activity in the process of skills perception anticipation under the static situation of match pictures，in order to revealed the predominance mechanisms of skills anticipation of fencing expert athletes.The results indicated that the skills anticipation process of fencing experts had the characteristics of higher efficiency visual searching，faster speedy identifying，fewermental energy used ormental operational resources occupying and so on.Moreover，these neuralmechanismsmaybe were shorter activated process and lower activity intensity of specific area in pallium.

fencing expert；static situation；anticipation；dominance；eye-movement；event-related potentials（ERP）

G804.86

A

1004－0560（2015）05－0048－06

2015-08-10；

2015-09-17

教育部人文社科规划基金项目：击剑战术思维决策训练与测评系统》软件的研发（批准号：10YJAXLX014）；辽宁省教育厅科学技术研究立项：拳击专家级选手认知优势特征及神经机制研究（L2014463）。

冯 琰（1971—），女，副教授，博士，主要研究方向为运动心理学。