先验信息对足球守门员动作预测表现的影响及关键时间点

姬庆春,周成林

在足球比赛中,点球常常成为决定胜负的关键。在点球过程中,守门员扮演着唯一的防线角色。由于球员脚与球接触到球飞越至球门位置只有约0.4 s[1],守门员需要提前预测球的方向,并在短时间内做出救球动作[2-3]。因此,良好的动作预测能力对于守门员至关重要。

在过去的40年间,研究者对运动员的动作预测能力进行了广泛研究,发现高水平运动员相比新手能够利用对手在执行动作期间展示的身体动力学信息(当前信息)来有效预测动作结果[4-5]。此外,先验信息同样起着不可忽视的作用[6]。例如,在2006年世界杯的一场点球大战中,德国教练将总结了阿根廷球员以往射门偏好方向的纸条递给了德国守门员,结果该守门员成功扑救两球,帮助球队获胜。这种预先获知的关于对手的先验信息显著提升了守门员的预测成功率。Körding基于贝叶斯理论提出,运动员在动作预测过程中,会综合考虑当前信息和先验信息,以减少由于提前预测结果所造成的损失,提高动作预测的效率[7-8]。

当前,研究主要关注当前信息对动作预测的影响。例如,Causer等人采用时间阻断技术,从时间上对足球点球视频进行阻断,发现阻断时间点越早,预测成绩越差[9]。然而,这些研究忽视了先验信息在动作预测中的重要作用[10-11]。Caal-Bruland和Mann指出,未来的研究需要重点考虑先验信息的作用[12]。据此,一些研究者开始研究球员在比赛中的位置、比分或动作模式等先验信息对动作预测的影响[13-14]。然而,很少有研究探讨相对直接和实用的先验信息,如对手射门偏好(Action Preference, AP)。此外,根据贝叶斯理论,预测结果还取决于当前信息和先验信息的整合,随着当前信息的衰减,个体会逐渐依赖先验信息。因此,在动作预测过程中,守门员对这两类信息的整合仍需进一步探讨。

本研究旨在探究先验信息对足球守门员和非运动员的动作预测表现的影响,并通过时间阻断技术操纵当前信息量,研究守门员对先验信息和当前信息的利用情况,确定其对先验信息依赖程度最大的时间点,并提出以下假设:先验信息会影响足球守门员的动作预测表现,且当前信息量越少,先验信息的影响程度越大。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选取20名男子足球守门员作为专家组,24名无运动经验的普通男性大学生作为对照组,年龄为18～23周岁。其中专家组招募于江苏省和上海市部分高校高水平足球队,运动等级为国家二级及以上,训练年限在6年及以上,且每周训练天数不少于4天;对照组除一般公共体育课外,未经过橄榄球、足球等运动项目的专业训练,且偶尔或未观看过相关的球类比赛。所有被试身体健康状况良好,无精神类疾病,视力或矫正视力正常,均为右利手和右利脚,实验结束后给予一定的金钱奖励。参与实验前,被试均签署了知情同意书。本研究已通过上海体育大学伦理委员会批准。

1.2 研究方法

1.2.1 刺激材料

实验材料为以守门员视角录制足球点球视频,点球队员为两名高水平足球运动员(年龄24岁),均采用右脚射门。将Canon 1D(分辨率1 920×1 080,23帧/s)设备放置于标准足球球门的正中央,距离罚球点9.15 m,高度距离地面1.65 m,以模拟守门员的视角。每次录制时,要求两名球员A或B站在罚球点的右后方3.5 m处,助跑后将球踢进球门的4处位置(左上、右上、左下和右下),最终保留成功踢进4处位置的视频。每名球员保留90段视频,共180段视频。

将所有录制后的视频进行后期处理:首先采用Adobe Premiere Software (Adobe Systems Incorporated, USA),将每段视频以20帧/s转换为连续图片导出;然后采用时间阻断技术,选取3个时间点进行截断,分别为脚球接触帧(T-0):从起跑开始到脚球接触为止(0 ms),共42帧,视频时长为2 100 ms,作为当前信息量多的条件;脚球接触前2帧(T-2):从起跑开始至脚球接触前2帧(100 ms),共40帧,视频时长为2 000 ms,作为当前信息量少的条件;脚球接触前1帧(T-1):从起跑开始至脚球接触前1帧(50 ms),共41帧,视频时长为2 050 ms,作为当前信息量中的条件。然后,采用Photoshop (Adobe System Incorporated, USA) 对每帧图片中球员的面部模糊化处理,以避免球员头部和眼睛的移动方向提示射门方向信息,并将其统一裁剪成尺寸为1 024×576像素的图片。最后,采用Matlab R2011a (MathWorks, USA) 将处理后的图片转换为.avi格式的视频。

1.2.2 实验任务和流程

实验流程如图1所示,要求所有被试参加3个阶段的测试,包括前测、干预和后测,测试在同一间安静的实验室内进行。实验开始前,完成所有被试的招募,基于干预条件,分别将专家组和对照组随机再分为两组:动作偏向组(Action Preference group, APG)和无动作偏向组(No Action Preference group, NPG),其中专家组APG(GAPG)10人、专家组NPG(GNPG)10人、对照组APG(CAPG)12人、对照组NPG(CNPG)12人。干预阶段,所有被试会观看球员A和B的射门视频,其中APG看到的A和B均有射门方向偏好(75%的视频为向左射门),而NPG看到的A和B无射门方向偏好(向左和向右射门频率均为50%)。被试在干预前和干预后完成动作预测任务。最后,被试需口头报告在干预过程中,是否意识到了视频中球员的射门偏向信息(是否外显获得了先验知识)。3个阶段测试在同一天内按照前测、干预、后测的顺序依次完成。

图1 实验流程图

(1)前测。从180段视频中选取48段(A球员和B球员各24段),其中两名球员中的一位有射门方向偏好(75%的视频为向左射门或75%的视频为向右射门),而另一位没有射门方向偏好(向左和向右射门频率均为50%),两位球员在被试间进行平衡。基于时间阻断技术,将每段视频处理为3类:T-0、T-1和T-2,共得到144段视频。每位球员的视频作为一个组块,包括72个试次,所有视频随机呈现。两位球员组块顺序随机,球员是否有射门动作偏向随机,以排除由球员本身、练习效应和身体动力学因素的干扰。

使用E-prime软件(Psychology Software Tools, Inc., Pennsylvania, USA)呈现刺激并收集被试反应的行为数据,要求被试对呈现的阻断视频进行按键反应:“你认为球会飞向哪个方向?(向左按“z”键,向右按“m”键)”。要求被试既快又准地进行按键。每名被试在正式测试之前进行8次练习(球员A、B各4次,4个角各1次),练习视频与之后测试及干预视频均不相同,每个练习试次后向被试提供预测表现的反馈信息(正确率和反应时),正式测试无反馈信息。

(2)干预。从剩余的132段视频中选取24段视频(球员A、B各12段)。在APG组中,A或B球员75%的视频为向左射门(9段,3种时间阻断点共27段),剩余25%的为向右射门(3段,3种时间阻断点共9段);或相反方向,即向右射门占比75%,向左射门占比25%,射门偏向在被试间进行平衡。在NPG组中,所有视频均无动作偏向,踢向两个方向的比例均等(每个方向6段,3种时间阻断点共18段)。每位球员的视频作为一个组块,包括36个试次,3种时间阻断点视频仍随机呈现。两位球员组块顺序随机,在每个组块呈现前,会告知被试接下来一组预测中的视频为球员A或B。每段视频呈现后,被试有足够的时间对射门方向进行预测,预测结束后为被试提供反馈信息(射门的正确方向)。干预结束后被试需要完成一个问卷,测试被试是否习得了视频中每名球员的动作偏向信息,所有被试答案均为已习得。

(3)后测。干预结束后,被试立即完成后测,后测与前测任务相同,此时所有被试经过干预阶段的学习,已经习得有关两位球员的射门偏向信息,通过比较前后测动作预测成绩的差异,以考察先验信息的作用。前测-干预-后测的基本逻辑见表1,根据干预和测试是否存在偏向,可分为四种实验条件。

表1 实验条件分布情况表

1.2.3 实验设计及数据分析

对本研究的2个假设分别进行验证:以正确率和反应时为因变量,(1)分别对专家组和对照组进行2测试时间(前测、后测)×2干预(APG、NPG)×2测试偏向(测试有偏向、测试无偏向)的重复测量方差分析,探究先验信息是否影响专家组的动作预测成绩,以及是否受到专项经验的调节;(2)分别在3种当前信息量条件下,对专家组进行2测试时间×2干预×2测试偏向的重复测量方差分析,进一步考察先验信息影响守门员动作预测的关键时间点。

2 结果

2.1 先验信息对动作预测表现的影响及运动经验的调节作用

表2 4组被试在不同测试偏向条件和测试时间下的正确率描述统计结果 单位:ms

以反应时为因变量,分别对专家组和对照组进行2测试时间×2干预×2测试偏向的重复测量方差分析。结果发现,专家组各主效应和交互作用均不显著,主效应:P’s≥ 0.235;交互作用:P’s≥ 0.495。对照组测试时间×干预×测试偏向三阶交互作用显著(F(1, 22) =6.04,P=0.022,η2p=0.215),简单效应分析结果发现,干预为无偏向、测试有偏向条件下(表4实验条件③),对照组被试后测比前测的反应速度更慢(P=0.007),其他条件下无显著差异(P’s≥ 0.169)(表3)。

表3 4组被试在不同测试偏向条件和测试时间下的反应时描述统计结果 单位:ms

2.2 当前信息量对先验信息效应的影响(关键时间点)

上述统计分析未能发现先验信息对专家组守门员动作预测表现的影响,这可能与当前信息量有关。为了进一步探讨专家组动作预测受先验信息的影响,以正确率为因变量,分别在三种信息量条件下,仅对专家组进行2测试时间×2干预×2测试偏向的重复测量方差分析(图2)。结果发现,在T-2条件下(即脚和球接触前100 ms),测试时间主效应显著,F(1, 18) =6.93,P=0.017,η2p=0.278,测试时间×干预×测试偏向三阶交互作用显著,F(1, 18) =5.81,P=0.027,η2p=0.244。简单效应分析结果发现,干预为有偏向、测试有偏向时(表4实验条件①),后测动作预测成绩显著高于前测(P=0.001),其他条件下无显著差异(P’s≥ 0.280)。以反应时为因变量的重复测量方差分析结果发现,三种信息量条件下,测试时间、干预和测试偏向主效应以及交互作用均不显著(主效应:P’s≥ 0.142;交互作用:P’s≥ 0.117)。

图2 在三种当前信息量条件下(T、T-1和T-2),专家组前后测动作预测正确率的变化值(后测-前测)。NPG:干预无偏向组;APG:干预有偏向组。**代表前后测差异显著的阈值为P =0.010。

3 讨论

本研究通过比较专家组和对照组在获取先验信息前后动作预测表现的变化,并采用时间阻断技术操纵当前信息量,考察了先验信息对足球守门员动作预测表现的影响及关键时间点。结果表明,专家组在当前信息量最少的条件下,提前获知的关于点球队员射门偏向信息促进了其动作预测表现;在当前信息量较多的两类条件下,受先验信息的影响并不显著,而对照组无此差异。以上结果说明先验信息可有效影响足球守门员的动作预测表现,但会受到当前信息量的调节,即只有在当前信息量较少时,才会依赖先验信息辅助其动作预测过程。研究结果支持了贝叶斯理论和假设。

但与假设不一致的是,结果未发现先验信息对守门员动作预测的干扰效应。即先验信息与当前信息不匹配时,专家组的动作预测成绩并未显著下降。但在对照组中出现了该干扰效应,当先验信息与当前信息不匹配时,对照组的动作预测表现显著下降,表现为其对先验信息的依赖程度更大,而专家组则可以有效分辨不符合当前信息的先验信息,更依赖当前信息进行动作预测,这与我们前期研究的结果是一致的[15]。高水平运动员在提取和加工对手身体动力学信息方面具备显著的优势[16-17]。本研究进一步补充了前人关于运动员专家优势的结论,高水平足球守门员动作预测优势不仅依赖于对当前信息的有效提取,还能够有效分辨当前信息和先验信息的匹配性,并优先采取加工当前信息的策略,以确保动作预测的正确率。

值得注意的是,在不区分当前信息量的条件下,当先验信息与当前信息不匹配时,仅有对照组被试表现出动作预测正确率显著受损。对照组被试缺乏相关专项训练经验,无法高效识别和提取点球队员的身体动力学信息进行动作预测,只能依赖先验信息进行预测,因此当先验信息与当前信息不匹配时,对照组无法辨别,导致其预测正确率下降。而专家组仅在当前信息量最少的条件下,且与先验信息匹配时,其后测动作预测表现相比于干预前显著提高;但当先验信息与当前信息不匹配时,其动作预测成绩并没有显著下降,即使干预有偏向组后测时的按键倾向发生了变化。这表明守门员经过长期专项训练,能够有效整合先验信息与当前信息[18-19],即使预先获得了先验信息,守门员仍会提取并加工当前对手的身体动力学信息,对两类信息进行评估和权衡,一旦二者出现不一致,则优先基于当前信息进行动作预测。动作加工的内部模型理论指出[20],守门员大脑中储存了大量的动作表征。基于实验结果,我们推测,即使当前信息并不完整,守门员可基于动作表征匹配出完整的动作模式和结果,但当获知额外的先验信息时,他们会加工并整合这两类信息,利用先验信息帮助其提升动作预测表现。本实验结果也否定了外显信息对运动员动作技能自动化过程无影响或有不良影响这一论断[21],即使先验信息与当前信息不匹配时,守门员的动作预测成绩也未出现显著下降。该结果对于运动实践具有重要启示,对于经验丰富的高水平足球守门员,在赛季阶段,赛前告知其关于对手球员射门偏向等先验信息,能够有效提升守门员的守门成功率,即使是不匹配的先验信息,高水平足球守门员依然能够保持高效的动作预测表现。本研究通过实验证明了高水平足球守门员具有同时加工和权衡当前信息和先验信息的能力。因此,在日常训练提升守门员对当前信息的提取效率之外,增加他们对先验信息的利用能力,是提升其竞技运动表现的有效途径。

此外,研究还发现了当前信息量对先验信息效应的调节作用,即只有在点球队员脚和球接触前100 ms时,先验信息会显著提升专家组的动作预测表现,而其他两个时间点下,未出现该促进效应。这一结果也证实了贝叶斯理论,即当前信息量越少,提前预测的风险性越大,会越依赖先验信息[8]。但本研究结果同时也发现,当前信息和先验信息不匹配时,即使在当前信息量最少的条件下,专家组的预测正确率并未出现显著下降。该结果创新性的丰富了贝叶斯理论对专家优势的解释,即高水平足球守门员动作预测的优势还包括了对与预测相关信息的整合[13],他们能够高效辨别当前信息和先验信息的匹配性,调整对二者的依赖程度。同时,该结果也补充了前人关于当前信息量和专家优势关系的结论[9, 22],仅能说明高水平运动员对当前信息的高效提取,无法更全面地揭示专家优势特征。另外,该结果也符合足球守门员的真实守门情境,为了及时完成扑球动作,他们需要提前预测来球的方向、速度等信息,本研究发现在点球队员脚球接触前100 ms时刻,先验信息对专家组的效应最大,这将大大有利于运动实践,提示先验信息能够弥补由于提前预测而导致的当前信息不足引发的决策损失。

综上所述,上述研究结果可为足球守门员的训练和比赛提供一定的启示。教练应充分了解每名球员的点球动作特征,尤其是那些具有点球方向偏好的球员,这种来自点球队员的先验信息可能会促进守门员在更短的时间内对球路进行预测,从而为后续执行扑球动作提供充分的时间保障,但仍应训练其对当前信息和先验信息匹配性的辨别能力,并且对当前信息的利用要优于先验信息。

4 结论

先验信息能够有效促进足球守门员的动作预测表现,影响的时间点为点球队员脚与球接触前100 ms,当前信息量对先验信息效应存在调节作用,只有在当前信息较少的条件下,先验信息的促进效应最为显著,但仍更优先加工当前信息。而对照组无论信息量多少,都更依赖于先验信息进行预测。