基于时间序列情境的网球专家预判优势——来自ERP的证据
2012-02-27王小春周成林
王小春 周成林
上海体育学院（上海200438）
有关时间的研究越来越广泛，在社会心理学中对时间因素如何塑造行为的研究已经有很多年的历史，这其中包括时间管理、时间知觉、过去时间与未来时间的相对价值等。实验心理学研究强调对事件的时间知觉如何影响人们的感知世界，许多时间知觉的研究关注记忆过程的各种加工方式，特别是涉及到处理有关时间顺序的事件。当过去的情境或者类似的情境再次重现时，如何快速地识别、判断和反应，这不仅体现在我们的日常生活中，对于竞技运动过程中的技术判断与行为反应也是至关重要的。
Janelle等提出，具有某些运动专长并且能在竞技比赛过程中获得优异成绩的人群被称为运动专家［1］。优异的比赛成绩显而易见，但是形成专家优势的内在知觉-认知机制的证据却少之又少。知觉-认知技能（Perceptual-cognitive skill）是指识别和获取周围环境信息并与已有的知识系统整合，从而做出合适的选择与反应的一种能力。而运用该技能的关键在于如何选择合适的时机做出最准确的反应。运动比赛过程中，选手所接收到的视觉信息量是巨大的，这其中包括与任务相关的有用信息，也包含无用的干扰信息，选手必须在最短的时间内从大量信息中提取关键信息进行加工。在体育运动领域，知觉技能经常与时间知觉相关。许多研究围绕着如何运用“超前”的视觉信息来预测对手的行为，“超前信息”与“预测”被认为是可靠的鉴别专家与新手的指标。
近几十年来，研究人员试图寻找更佳的解释来说明运动中的专家优势行为［2］。已有研究证明运动专家拥有更广阔的程序性和陈述性知识，以从环境中提取关键的信息来推断未来的事件［3］，所以，专家具有更强的知觉-认知能力。网球运动是一项激烈的隔网对抗性项目，其比赛过程中，运动员需要快速加工和运用时间信息，及时准确地采取应对策略。当面对不同的时间信息时，特别是在极短的时间应对情境下，运动员的注意以及知觉判断能力可能会受到削弱，但是，专家运动员却总是表现出优越的预测和应对能力。
针对高水平网球运动员的专业优势特征，运动心理学家做了大量的研究工作来解释这一现象。Leila等利用不同的时间分辨率证明网球专家在预判任务中具有明显的速度优势［4］，Roberts也提出精英网球运动员对击球的变化特征更为敏感［5］。前人的研究大多基于行为数据来进行解释。行为数据用来评估信息加工能力是理想的工具，但它通常只能反映知觉加工过程的结果，却不能说明有关知觉加工的认知过程。所以，本研究从时间序列的角度，利用专业情境材料刺激，结合事件相关电位技术（ERP），进一步解释网球专家在时间序列知觉预判过程中的优势行为以及对应的信息加工过程特征。
1 对象与方法
1.1 被试
42名被试（男22名，女20名）自愿参加本实验，按照运动经历将他们分为三组：专家组、经验组和新手组。被试基本情况见表1。专家组被试来自江苏网球队，其中2人获得全国网球巡回赛冠军，5人曾在全运会网球团体赛中夺冠；经验组来自江苏网球队和上海体育学院网球专项运动员，训练年限6年以上；新手组来自上海体育学院非网球专业本科生，均无网球训练经验。全部被试视力或矫正视力均正常，身体健康，无脑部损伤和神经系统疾病史。所有被试均签署了知情同意书，做完实验后获取适量报酬。
1.2 实验设计
本实验采用3×4二因素混合设计。因素1为组间变量，即被试组别，分为三个水平：专家组、经验组和新手组。因素2为组内变量，即时间遮蔽点，分四个水平：T1（240 ms）、T2（160 ms）、T3（80 ms）、T4（0 ms）。
1.3 实验设备
ERP实验设备为德国Brain Products公司的64导ERP记录与分析系统。Ag/AgCI记录电极固定于64导电极帽，电极点采用国际10～20标准电极系统定位。参考电极设置在电极点FCz处，接地点设置在电极点AFz处。在被试右眼外侧1 cm处安置电极记录水平眼电（EOG），在右眼下眼眶中下处1 cm处安置电极记录垂直眼电（ECG）。头皮与每个电极之间的阻抗小于5 kΩ。脑电信号经过放大器放大后被连续记录，采样频率为500 Hz/导。
表1 被试基本情况
实验用计算机为2台DELL台式机和2台 DELL笔记本；台式机的CPU主频为3.0 GHz，笔记本的CPU主频为1.66 GHz；操作系统为Windows XP。2台ERP实验操作和记录用DELL显示器，1台呈现刺激用DELL显示器。3台DELL显示器均为19英寸纯平显示器，分辨率为1024×768，刷新频率为100 Hz。
1.4 刺激材料制作
所有视频材料均来源于现场拍摄，参与拍摄者为上海体育学院网球专业教师，右利手，熟练掌握网球基本技术。拍摄器材为两台高清摄像机（SONY HVR-Z1C，Japan）。为了确保整个发球画面信息的完整，两台摄像机分别从左侧和右侧进行拍摄。
总共拍摄三组类别球：平击球120个、切削球120个和上旋球120个，左位和右位发球各占一半。由网球专业教练根据视频清晰度和发球动作标准程度对360个原始视频进行筛选，最终保留268个原始视频。利用绘声绘影9.0软件对原始视频进行剪辑，以球拍与球接触的最后一帧为参照点，采取四种时间遮蔽：T1：最后一帧之前240 ms（6帧）；T2：最后一帧之前160 ms（4帧）；T3：最后一帧前80 ms（2帧）；T4：0 ms，即最后一帧。随后由专业教练和运动员根据时间遮蔽的标准，从动作分析的角度对每个视频的最后一帧进行分类，分类的种类包括准备动作、后摆引拍动作、搔背动作和击球动作。根据统计结果，时间遮蔽标准与动作分类标准相符合的视频总共有221个，其中T1－准备动作57个，T2－后摆引拍动作55个，T3－搔背动作47个，T4－击球动作62个。每段视频的呈现时间为1000～1600 ms。
1.5 实验程序
实验程序采用E-prime 2.0软件编制，实验流程如图1。被试按任意键开始实验，首先黑色屏幕上出现指导语：“请根据视频中运动员的发球动作判断球的落点。要求反应既准确又快速。准备好后按任意键开始正式实验”。被试按任意键后，黑色屏幕中间先出现一白色“+”注视点，呈现时间为400 ms；然后呈现一段发球视频，随后出现黑屏，要求被试根据视频中的发球动作对球的落点进行三选一的按键反应。221个视频随机呈现，无重复，全部做完休息。
图1 实验流程
1.6 实验过程
专家组与部分经验组被试的实验在南京体育学院实验中心进行，另一部分经验组被试与新手组所有被试实验在上海体育学院运动心理研究中心的脑电实验室内进行。所有实验室均隔音、隔光、安静、舒适，被试单独在房间里完成任务操作，实验结果的可信度可以得到保证。
实验前给被试洗好头发并吹干，关闭手机等通讯工具，再将被试领进实验室，让被试熟悉实验室环境，并填写被试基本情况调查表。准备开始实验时，先让被试舒适地端坐于实验台前的实验座椅上，下颌放于实验台边缘的固定支架上，以使其头部和身体在整个实验过程中尽量保持不动。被试双眼与显示器屏幕中心处于一条水平线上，并相距60 cm，双手舒适地放于小的数字键盘的按键上。然后向被试介绍有关ERP实验的基本要求，即实验过程中尽量全身放松，尤其是头部和面部肌肉，尽量控制眨眼动作。然后给被试戴电极帽，待被试佩戴的电极帽完全符合ERP实验数据采集的基本要求（头皮与每个电极之间的阻抗小于5 kΩ）后，向被试讲解和说明具体的实验任务，要求被试准确快速反应。让被试进行1组练习，熟悉反应按键的使用和整个实验程序。如果有问题就进行指导，然后再练习，直至没有问题，开始正式实验。
1.7 数据采集与统计学分析
1.7.1 行为数据采集与处理
行为数据由E-prime软件进行采集。分析指标为反应时和准确率。采用SPSS 18.0统计软件包对行为数据进行重复测量方差分析。
1.7.2 ERP数据采集与处理
ERP数据由BP Recorder软件进行采集，采用BP Analyzer软件对连续记录的脑电数据进行离线分析，数字滤波为1～24 Hz带通，自动校正眨眼伪迹，自动排除±100μV范围外的波幅。分析时程为刺激呈现后1000 ms，将刺激呈现前200 ms设为基线。
对三组被试在四个时间遮蔽水平下所诱发的ERP分别进行叠加。根据ERP总平均图确定各个成分的波峰潜伏期，以波峰潜伏期前后各20 ms时间窗内的平均波幅作为各成分的平均波幅。为了确保统计效力的完善，选取了四个不同的兴趣区进行分析，额极区Fp（Fp1、Fpz、Fp2）、额区F（F1、Fz、F2）、中央区C（C1、Cz、C2）和顶区P（P1、Pz、P2）。对ERP各成分的平均波幅和潜伏期进行重复测量方差分析。所有的统计计算使用软件SPSS18.0。
2 结果
2.1 行为结果
对反应时和正确率分别进行多因素方差分析，因素为组别（专家组、经验组和新手组）和时间遮蔽点（T1：240 ms；T2：160 ms；T3：80 ms；T4：0 ms）。
图2为不同时间遮蔽点条件下三组被试的落点预判的准确率和反应时。对正确率进行重复测量方差分析发现，时间遮蔽点主效应显著 ［F（3，41）= 61.137，P<0.01］。四个时间水平下的正确率递增（M±SE）：T1（52.60±1.82%）
对反应时间进行重复测量方差分析，发现时间遮蔽点效应显著［F（3，41）=28.22，P<0.01］，组别主效应显著［F（2，41）=12.01，P<0.01］。进一步简单效应检验发现，在T3时间点，专家组反应时显著短于经验组被试 ［F（2，41）=5.39，P<0.01］，而在T1时间点，专家组和经验组预判反应时间无显著差异［F（2，41）=1.78，P>0.05］。
根据行为数据分析结果可知，专家组与新手组的反应正确率在T3时间点遮蔽条件下开始产生差异，且在T3时间点网球专家的反应速度明显快于其余组被试。
2.2 ERP结果
图3为四种时间遮蔽点条件下，三组被试所诱发的ERP总平均图。从额极区（Fpz）、额区（Fz）、中央区（Cz）和顶区（Pz）记录的ERPs总平均图显示，诱发了明显的早成分P1（60～100 ms）、N1（120～160 ms）。同时也发现了明显的晚期正波，潜伏期在360 ms左右的确定为P3b。在P3b之后出现负向偏转并紧随出现一个明显正波，其潜伏期大约为460 ms，并且持续至700 ms左右，我们认定其为PSW。
图2 时间遮蔽线索下三组被试预判的正确率与反应时
图3 三组被试在四种时间遮蔽点条件下，Pz电极点所诱发的ERP总平均图
图4 T1（240 ms）与T4（0 ms）时间点专家组被试Pz电极点的脑地形图
2.2.1 N1成分
N1作为视觉注意的早成分，代表了被试的视觉输入特征及早期注意机制。我们对N1峰波幅进行3×4×4的重复测量两个因素的方差分析，被试间变量为组别（专家组、经验组与新手组），重复测量的两因素分别为时间遮蔽点（240 ms、160 ms、80 ms和0 ms）和电极位置（额极区FC、额区F、中央区C和顶区P）。结果显示，组别主效应显著 ［F（2，39）= 35，371，P<0.01］，时间遮蔽点主效应显著［F（3，37）=22.18，P<0.01］，电极位置主效应显著［F（3，37）= 23.314，P<0.01］，未发现有显著的交互作用。在额极区与额区所诱发的N1峰波幅最大，进一步多重比较可知，在T1（240 ms）时间点，三组被试所诱发的N1峰波幅差异最大，并且按照运动水平呈现出明显的组别递增趋势：专家组>经验组>新手组（图5）。专家组被试在四个时间遮蔽点条件下均诱发明显的N1成分。按照时间遮蔽点的进程来分析，专家组、经验组均呈现出N1波幅递减的趋势。
图5 三组被试在不同脑区诱发N1峰波幅比较
2.2.2 P3b、PSW成分
从额区（F3、Fz、F4）、中央区（C1、Cz、C2）和顶区（P3、Pz、P4）电极点记录到的ERP总平均图可见，三组被试均诱发了明显的晚期正成分P3b和PSW。
沿中线选取Fz、Cz和Pz电极点对P3b峰波幅进行重复测量方差分析，被试内因素包括电极点和四种时间遮蔽点。结果显示组别主效应显著［F（2，39）=26.59，P<0.01］，时间遮蔽点主效应显著［F（3，37）=32.34，P<0.01］，电极点主效应不显著。组别与时间遮蔽点交互作用显著［F（2，39）=25.08，P< 0.01］，组别与电极点交互作用显著［F（2，39）=7.32，P <0.01］。进一步多重比较可知：1.专家组所诱发的P3b峰波幅显著大于经验组和新手组 ［F（2，39）= 4.81，P<0.05］；2.T1时间点，专家组在额区Fz所诱发的峰波幅最小［M±SE：（4.8533±0.5627）μV］，并且专家组与经验组无显著差异（F<1）；3.T4时间点，专家组在顶区Pz诱发的峰波幅达到最大值 ［M±SE：（7.7814±0.4121）μV］。
对P3b峰潜伏期进行重复测量方差分析，结果显示显著的组别主效应［F（2，39）=17.14，P<0.01］和时间遮蔽点主效应［F（3，37）=10.23，P<0.01］，组别与时间遮蔽点交互作用亦显著。经多重比较可知，专家组所诱发的P3b峰潜伏期显著小于经验组和新手组［F（2，39）=11.42，P<0.01］，且在T4点诱发的峰潜伏期最小［M±SE：（363±5.1）ms］。
在四种时间遮蔽点条件下，专家组和经验组在不同脑区均诱发明显的PSW，且在T4时间点下，顶区Pz激活程度最深（图4），新手组未发现有明显的PSW波。由于专家组和经验组被试诱发的PSW是跟随在P3b之后出现的，所以同样选择Fz、Cz和Pz电极点对专家组和经验组诱发的PSW峰波幅和峰潜伏期进行重复测量方差分析。
PSW峰波幅重复测量方差分析结果显示，组别主效应显著［F（1，25）=23.47，P<0.01］，时间遮蔽点主效应显著［F（3，24）=31.39，P<0.01］，电极点主效应显著［F（2，24）=13.02，P<0.01］。进一步多重检测，结果可知：1.专家组在四个时间遮蔽点所诱发的PSW平均波幅 （M±SE）呈递增趋势：T1（5.327± 0.483）μV
PSW峰潜伏期重复测量方差分析结果显示，组别主效应显著［F（1，25）=17.36，P<0.01］，时间遮蔽点主效应显著［F（3，24）=37.21，P<0.01］，电极点主效应不显著。进一步多重检测，结果可知专家组所诱发的PSW峰潜伏期明显早于经验组。
根据以上统计结果可知，由于时间遮蔽点不同，网球专家诱发的P3b与PSW平均波幅显著区别于经验组和新手组被试，但是专家和经验被试在PSW平均波幅变化的趋势上具有一致性，在T4时间点，波幅均达到最大值。所以，我们可以以此作为推断网球专家时间知觉认知加工关键点的证据。
3 讨论
本研究借助ERP技术来解释在时间序列情境中网球专家预判知觉加工特征。我们拍摄并制作剪辑专业网球发球视频，要求专家、经验、新手三个水平被试对四种时间序列遮蔽条件下发球的落点进行判断。结果发现时间遮蔽点对被试预判准确性影响显著，专家时间序列情境预判优势显著，研究结果证实了研究假设。
3.1 网球专家时间序列知觉预判的反应优势特征
在体育运动中，运动员的动作反应受到固有的时间限制，所以要求运动员具有对视觉信息快速感知与运用的能力，这一能力的高低显著影响比赛成绩。在网球比赛中，一个成功的接球可能意味着运动员对视觉信息的处理速度更快，加工程度更深。本研究中，网球专家利用有限的情境信息，表现出了优越的预判能力，一定程度上可能克服并超越了基本能力结构的限制（如视觉反应时间、短时记忆容量）。网球专家在情境预判中的卓越表现与他们普遍接受了10年以上的专业训练直接相关。通过长期专业训练习得的专业技能形成特殊的情境记忆系统。
我们认为，在击球（球飞行）之前，对手球员的身体运动是信息获取的主要来源，可通过这些信息来判断球飞行的轨迹以及回击球的位置。在T4时间遮蔽条件下，击球动作完全呈现，专家组和经验组被试的预判错误率很小，他们所获取的信息资源达到最大，并且有足够的时间来判断对手的动作意图并做出反应。新手组在T4点的预判准确率也显著高于其余三种时间遮蔽点，说明新手组虽然没有相关的训练与比赛经验，但是由于获取的信息资源丰富，所以其预判的准确率也显著高于随机猜测的结果。在T3点遮蔽条件下，专家组与经验组的判断准确率出现了显著差异，其原因可能与训练年限与赛场经验不同有关。由于T3（80 ms）遮蔽点呈现的最后一帧视频对应搔背动作，我们推断，这一动作可能是专家区别于经验选手预判水平的关键性环节，专家的预判优势体现在对搔背这一动作信息的加工上。
网球运动员在日常专业训练与比赛过程中，积累了丰富的应对经验，逐渐形成对对手动作的判断模式，为了在比赛中获得好的成绩，不仅需要对技术动作精益求精，准确判断对手的意图，更要在时间上取得优势，快速反应。这就要求选手必须调节反应时间与正确率之间的关系，调节的关键是要把握既快又准确的度。网球专家快速准确的判断，其原因我们归结为以下两点。第一，有效的自我监控机制。本研究中，网球专家在时间序列情境预判中，速度和准确性随着时间遮蔽点的延迟逐步提高，根据信息加工理论，认知加工任务操作需要加工资源，加工速度随着加工资源的增加而加快。而网球专家在平时的训练中有目的地接受相关运动体能训练，其中包括最重要的速度素质训练和灵敏素质训练。速度素质包括反应速度、动作速度和移动速度，网球专家经过多年的素质训练，对专业情境中的时间知觉感受性提高，个体的任务监控能力得到提高，在预判过程中更合理地分配资源，监控任务的操作，准确地把反应速度控制在一个既快又准确的合理范围之内。第二，加工的策略。Gigerenzer等认为，由于个体因素（如经验）和环境特征（如呈现刺激清晰度）的差异，人们会采取不同的策略，旨在依赖一种更快速更节俭的信息处理方式来做出判断和决定［6］。网球专家熟练掌握了该领域的知识与技术，当环境信息呈现在眼前时，专家倾向于利用已有的知识经验作为线索来对现实情境进行加工处理，加工效能提高，甚至减少不必要的加工步骤，从而所需要的加工时间缩短，反应速度自然更快。
3.2 网球专家时间序列知觉预判的早期ERP特征
从ERP数据可知，刺激呈现最初的200 ms，三组被试均诱发了典型的早期视觉成分N1，并显示在枕区头皮激活达到高峰。通过比较三组被试的N1波幅，专家所诱发的波幅显著大于经验组和新手组，这一结果与我们讨论的行为数据结果相符合。N1被认为是视觉信息输入的控制机制，波幅的大小差异可能为视觉注意的水平提供证据。专家组的N1波幅显著大于经验组和新手组，并且经验组的N1波幅又显著大于新手组，说明网球运动训练与比赛经历可以塑造高效的视觉注意唤醒和加工，从而可能改变N1波幅的大小，且与训练年限极大相关。鉴于此，我们推断，网球类运动经验可能影响早期视觉注意机制。
根据网球专家的N1峰潜伏期统计结果，随着时间序列遮蔽点的延迟，峰潜伏期逐渐前移。N1潜伏期与任务的复杂程度和困难程度显著相关，在T1时间点遮蔽条件下，被试所获得可加工的信息最少，不利于准确的预判，对知觉加工所需要的努力程度更高，N1峰潜伏期最晚。而T4点所呈现的可加工信息量最大，注意需求和知觉加工努力操作的要求相对较低，N1峰潜伏期出现的时间也相对较早。因此，我们认为时间序列情境中早期视知觉加工与注意需求及个人努力程度相关。
3.3 网球专家时间序列知觉预判的晚期ERP特征
本研究中，我们发现明显的晚成分P3b，且P3b峰波幅有显著的时间序列遮蔽点主效应，以往的研究发现，当刺激信息难以辨认或感知时，P3b的波幅较低［7］。Kok提出P3b的波幅取决于认知量的需求程度，他通过双任务实验发现，当被试完成第一个任务之后对第二个任务进行反应时，所诱发的P3b波幅明显降低，所以他推断当所需要的认知量增加时，P3b的波幅受到抑制［8］。本研究中在T1时间点被试所诱发的P3b峰波幅最小，说明T1时间遮蔽条件下任务难度较大或者给予的信息不够充分。比较三组被试的P3b峰波幅，专家组所诱发的峰波幅最大，经验组其次，新手组最小。相对于网球专家，经验组与新手组被试处理发球落点的经验较少，特别是新手组被试，所以他们在预判过程中需要更多的认知资源来弥补经验的缺失。
在认知心理学研究中，P3b的潜伏期一直被用来解释心理活动的时间。已有的研究揭示当被试被要求以反应准确性为第一考虑要素的条件下，P3b的潜伏期与其反应时间高度相关，而当被试优先考虑反应速度时，其潜伏期与反应时间并无很高的相关性［9］。这一结果说明当要求快速反应时，被试可能为了速度快，而在认知加工完成之前就做出了反应。Kok还提出P3b的潜伏期与任务的难度有关，当难度加大时，P3b的潜伏期增加［10］。影响P3b潜伏期延迟的因素还包括生理唤醒程度、注意资源的需求、年龄等个体差异。本研究中在T4时间点诱发的P3b峰潜伏期最小，同样证明随着时间序列遮蔽点的延迟，对被试知觉加工所需的资源减少，预测的难度降低。另外，专家的P3b峰潜伏期显著小于其余两组，说明专家的认知加工程度更深。
专家与经验组被试的ERP平均图中诱发了明显的晚期慢正波，紧随P3b成分，出现在460ms以后，并持续至700ms，我们认定其为PSW。PSW经常在认知操作过程后被诱发，特别是刺激评价阶段之后，很少出现在特定的信息处理阶段。本研究是一项反映任务，而PSW仅出现在专家组与经验组被试中，且跟随在P3b之后，所以，我们推断PSW与高级认知过程相关，在网球知觉预判过程中表现为对自我信息加工与自我认知的评价。通过对PSW潜伏期的分析发现，专家被试PSW潜伏期的时间显著早于经验组，这可能是由于专家的反应时间快速，从而对刺激评价的时间也相对更早。有研究者认为PSW在某种程度上反映了工作记忆的更新［11］。另有研究证据显示，在球类运动项目中，预测对手行动的准确性在很大程度上依赖于选手可利用的工作记忆资源［12］。专家组与经验组被试都经过了多年的网球专业训练，存在网球发球情境的特定记忆，采取自上而下的加工策略，完成任务的过程可以看作是专家与经验被试回忆检索的过程，专家记忆检索时间更快，结果更准确，诱发的PSW波幅更大。根据分析结果显示，在T3时间遮蔽点，网球专家和经验被试的PSW平均波幅明显增大，至T4点达到最大值。因此，我们认为在T3时间遮蔽点条件下，专家和经验被试的加工被明显激活，这一点与行为数据的结果相一致，同样说明了T3时间点对应的关键动作与知觉预判过程的信息加工密切相关。
另外，网球专家在顶叶Pz电极点诱发的PSW波幅达到最大值，表明专家大脑皮层顶叶功能区对时间序列加工检索具有重要作用。
4 总结
网球专家对时间序列情境预判准确，反应迅速，影响预判的时间集中在T3时间点，其对应的搔背动作为关键性动作。
经过多年的专业训练与比赛，网球专家早期注意唤醒程度高，时间序列知觉加工程度深。
网球专家具有专业情境记忆，预判过程中工作记忆表征被激活，以自上而下的方式进行信息加工，回忆检索的效率更高。
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