不同情境下优秀散打运动员预判行为与神经机制研究

赵洪朋，关朝阳

(1.沈阳体育学院 体育教育学院，辽宁沈阳110102;2.河南师范大学 体育学院，河南新乡 453007)

在散打比赛中，运动员如何从大量的动态变化信息中识别能预示对手技战术变化的关键信息，并在此基础上作出快速准确的预判，已成为比赛中制约运动员快速灵活防守、准确进攻、有效得分的重要前提。预判是运动员在运动情境中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。目前，该领域研究主要集中在预判效率和影响因素两个方面。在预判效率方面，多数研究发现运动专家预判具有显著优势，表现为预判反应速度快、准确率高。如 Jones［1］对网球运动员、Bard 等［2］对篮球运动员、王树明等［3］对羽毛球运动员的研究均支持了上述结论。在预判制约因素方面，研究主要集中在信息利用和视觉搜索方面。如Tenenbaum等［4］、Abernethy等［5］、Paull等［6］研究得出了运动专家可以利用先行信息进行预判的结论;Bard ＆ Fleury［7－8］、Petrakis［9］、冯琰［10］等研究发现信息获取方式影响运动员的预判效率;Ripoll等［11］、Helsen 等［12］、张忠秋等［13］、张运亮等［14］、王丽岩等［15］研究认为视觉搜索组织原则也是影响预判效率的重要因素。可见，以往研究多关注认知加工的早期阶段，而弱化了后期的内部心理过程。

依据运动专家认知优势经验说理论，可以推测散打运动员脑中已有的技战术经验，即认知模板，在比赛过程中必定全部或部分处于激活状态;被运动员捕获的先行信息，不断地与这些技战术模板相对比，进行着信息的匹配加工。而高水平运动员由于认知模板丰富，匹配速度必然快而准确，且较为容易。另外，运动员大脑中的认知模板是在动态情境中建立的，而且先行信息较为丰富，由此可以推测在这一情境下运动员的匹配加工更具优势。为此本研究以散打比赛情境作为刺激材料，运用事件相关电位记录技术，探讨优秀散打运动员预判过程的认知与神经活动特征。研究假设:优秀散打运动员在比赛情境中预判速度快、准确率高，大脑皮层特定区域激活时程短，动用的心理资源少;与图片预判相比，视频预判准确率高，但大脑皮层特定区域激活时程长，动用的心理资源多。

1 研究方法

1.1 被试

散打运动员16人(专家组)，均为男性，国家一、二级运动员，平均年龄为(20.93±2.25)岁，平均训练年限为(5.80±2.34)年;散打初学者12人(新手组)，均为男性，选修散打课的大学生，平均年龄为(21.00±1.13)岁，练习散打时间为32学时。所有被试视力或矫正视力在5.0以上，均为右利手，无神经疾病史，实验前24 h内未饮酒或服药。自愿参加本实验，实验后获得一定报酬。

1.2 实验设计

采用2×2二因素混合实验设计，其中运动水平为被试间变量，分为专家和新手2个水平。材料呈现方式为被试内变量，分为视频和图片2个水平。因变量为预判的准确率、反应时、ERP成分的潜伏期和波幅。

1.3 实验材料

Tenenbaum等［4］在预判研究中采用时间阻断技术设计了7个时间点，即球触拍前480 ms、320 ms、160 ms，球触拍时、球触拍后 160 ms、320 ms和 480 ms。结果发现，在球触拍前480 ms、320 ms和160 ms的时候，运动专家的预判成绩均优于普通运动员。本研究借鉴并简化了这一范式，将动作启动前40 ms的时间节点作为预判依据。本研究视频和图片均截取于2008年全国男子武术散打冠军赛的比赛录像。首先采用绘声绘影软件截取比赛视频，截取终止时间定义为一方队员进攻动作启动前40 ms，视频长度为1 000 ms。然后请7名散打专家对视频中一方队员即将使用的进攻技术(拳进攻、腿进攻)进行判断，选取判断一致率为75%左右的80段。再请6名散打二级运动员对视频的清晰度、站位角度、进攻技术等进行评定，最终选取符合要求的64段视频作为正式实验使用，并做了红方与黑方、拳进攻与腿进攻匹配。最后截取每段视频的最后一帧作为图片材料。图片的水平视角为31.9°，垂直视角为23.7°。

1.4 实验仪器

使用的仪器包括64导ERP记录与分析系统，滤波带宽为0.016～100 Hz，采样频率为500 Hz/导;台式计算机2台;19英寸液晶显示器3台，分辨率为1 024×768，刷新频率为100 Hz;E-prime心理实验系统。

1.5 实验任务

当看到屏幕上呈现的视频(图片)材料时，注意观察一方队员的动作，预判其即将使用拳进攻还是腿进攻，并作按键反应。实验共2组，每组包含视频(图片)64段(拳进攻和腿进攻各32段)，共128段;每段随机呈现2次;组间间隔时间3 min。在视频(图片)出现至消失后1 500 ms内没有做出按键反应或按键过轻，均视为反应错误。实验中对反应准确率和速度做同等强调。

1.6 实验程序

实验程序采用E-Prime软件编制。按任意键开始练习，当被试理解实验要求和熟悉按键后，再按“Enter”键开始正式实验。首先屏幕中央出现一个白色“+”注视点，呈现时间为500 ms;然后呈现一段视频(图片)，播放时间为1 000 ms;之后黑屏1 500 ms，此时还可以做预判反应;最后黑屏再保持1 500 ms～2 500 ms。如此循环往复。

1.7 实验过程

实验在脑电实验室内进行。实验前让被试熟悉环境，填写基本情况信息表，向被试介绍ERP实验的基本要求;给被试戴电极帽，待头皮与每个电极之间的阻抗小于5 kΩ后，让被试舒适地坐在实验台前的椅子上，双眼与显示器屏幕中心处于同一水平线上，相距70 cm，双手食指分别放在小数字键盘的“1”和“3”上。一切准备就绪后，被试按“Enter”键进入练习程序和实验程序。

1.8 数据采集与处理

1.8.1 行为数据采集与处理 行为数据由E-Prime软件采集，分析指标有选择反应时、准确率。采用SPSS 16.0统计软件包对数据进行重复测量方差分析。

1.8.2 ERP数据采集与处理 ERP数据由BP Recorder软件采集，采用BP Analyzer软件对脑电数据进行离线分析。第1步去除眼电;第2步进行分段，分析时程为2 500 ms;第3步采用半自动去除伪迹，剔除异常波形段;第4步进行基线校正(刺激出现前200 ms);第5步进行0.1～15 Hz无相移数字滤波;第6步叠加平均。采用SPSS 16.0统计软件包对预判诱发的ERP成分的潜伏期和波幅进行方差分析。

2 研究结果

2.1 行为结果

预判选择反应时的方差分析结果显示(表1)，组别主效应(P＜0.01)和材料类型主效应非常显著(P＜0.01)，组别与材料类型的交互效应不显著。进一步统计发现，在两种材料预判中，专家组被试与新手组被试的预判反应时存在显著性差异(P＜0.05)，专家组被试预判反应时明显短于新手组被试。

预判准确率的方差分析结果显示(表1)，组别主效应非常显著(P＜0.01)，材料类型主效应显著(P＜0.05)，不存在显著的组别与材料类型的交互效应。进一步统计发现，在两种材料预判中，专家组被试与新手组被试的预判准确率差异非常显著(P＜0.01)，专家组被试预判准确率明显高于新手组被试。新手组被试预判准确率仅达到了随机概率的水平，甚至低于随机概率。

上述结果表明，优秀散打运动员在进攻策略预判过程中速度快、准确率高。视频预判的反应时长，准确率高。

表1 专家与新手预判行为指标方差分析结果

2.2 ERPs结果

本研究选取顶枕区(POz)电极记录点的ERPs总平均图进行分析发现，两组被试完成预判选择反应时大脑皮层在1 000 ms内诱发的波形基本有P1、N1和P3。P1成分出现在97～148 ms左右，枕区的波幅最大;N1成分出现在115～227 ms左右，顶枕区的波幅最大;P3成分出现在289～437 ms左右，顶枕区的波幅最大。为此，本研究提取了Fz、Cz、CPz、Pz、POz、Oz电极记录点上的 P1、N1 和 P3 的潜伏期和波幅进行统计分析。

2.2.1 P1、N1成分 以P1的潜伏期为因变量的方差分析显示，在 Cz(F1，26=10.378，P ＜0.01)电极记录点上存在显著的组别主效应，在 POz(F1，26=8.562，P ＜0.01)和 Oz(F1，26=14.037，P ＜ 0.01)电极记录点上存在显著的材料类型主效应，不存在显著的组别与材料类型的交互效应。进一步统计发现，专家组(MCz=129.833，SDCz=2.679)被试P1的潜伏期明显短于新手组(MCz=141.250，SDCz=2.320)被试;视频(MPOz=116.573，SDPOz=3.884;MOz=119.698，SDOz=3.372)预判P1的潜伏期显著长于图片(MPOz=108.635，SDPOz=4.444;MOz=115.469，SDOz=3.069)预判。

以P1的波幅为因变量的方差分析显示，在Oz电极点上存在显著的组别主效应(F1，26=7.119，P＜0.05)和材料类型主效应(F1，26=13.321，P ＜0.01)，不存在显著的交互效应;在Pz电极记录点上存在显著的材料类型主效应(F1，26=9.564，P ＜0.01)，不存在显著的组别主效应和交互效应。进一步统计发现，专家组(MOz=3.378，SDOz=0.367;MPz=3.326，SDPz=0.596)被试P1的波幅显著小于新手组(MOz=4.872，SDOz=0.423;MPz=4.327，SDPz=0.688)被试;视频(MOz=4.660，SDOz=0.310;MPz=4.421，SDPz=0.572)预判P1的波幅明显大于图片(MOz=3.590，SDOz=0.322;MPz=3.231，SDPz=0.401)预判。

以N1的潜伏期为因变量的方差分析显示，在POz电极记录点上存在显著的组别主效应(F1，26=5.707，P ＜0.05)和材料类型主效应(F1，26=19.384，P＜0.01)，不存在显著的交互效应;在Oz电极记录点上存在显著的组别主效应(F1，26=13.805，P＜0.01)和材料类型主效应(F1，26=22.013，P ＜0.01)，不存在显著的交互效应。进一步统计发现，专家组(MPOz=141.750，SDPOz=4.978;MOz=147.875，SDOz=3.370)被试N1的潜伏期明显短于新手组(MPOz=159.917，SDPOz=5.748;MOz=167.000，SDOz=3.891)被试;视频(MPOz=158.406，SDPOz=4.923;MOz=162.958，SDOz=3.253)预判N1的潜伏期明显长于图片(MPOz=143.260，SDPOz=3.255;MOz=151.917，SDOz=2.331)预判。

以N1的波幅为因变量的方差分析显示，在POz(F1，26=9.387，P ＜ 0.01)和 Oz(F1，26=9.512，P ＜0.01)电极记录点上存在显著的组别主效应，在POz(F1，26=5.304，P ＜ 0.05)和 Oz(F1，26=10.725，P ＜0.01)电极记录点上存在显著的材料类型主效应，不存在显著的交互效应。进一步统计发现，专家组(MPOz= －8.619，SDPOz=0.930;MOz= －8.306，SDOz=0.985)被试N1的波幅明显大于新手组(MPOz=－4.266，SDPOz=1.074;MOz= － 3.667，SDOz=1.137)被试;视频(MPOz= －5.815，SDPOz=0.711;MOz=－5.316，SDOz=0.763)预判N1的波幅显著小于图片(MPOz= －7.070，SDPOz=0.807;MOz=－6.657，SDOz=0.795)预判。

根据ERP分析原理，潜伏期为大脑激活时程指标，波幅为大脑激活强度指标。因此，上述结果表明，优秀散打运动员在进攻策略预判的觉察阶段大脑皮层枕区和顶枕区激活时程短，激活强度出现了由小到大的变化。与图片相比，视频预判早期大脑皮层顶枕区和枕区激活时程长，激活强度由大到小。

2.2.2 P3成分 以P3的潜伏期为因变量的方差分析显示，在Pz电极记录点上存在显著的组别主效应(F1，26=4.540，P ＜0.05)和材料类型主效应(F1，26=17.258，P＜0.01)，不存在显著的交互效应;在POz电极记录点上存在显著的组别主效应(F1，26=4.464，P ＜0.05)和材料类型主效应(F1，26=31.802，P＜0.01)，不存在显著的交互效应。进一步统计发现，专家组(MPz=336.531，SDPz=6.366;MPOz=325.313，SDPOz=4.396)被试的P3潜伏期明显短于新手组 (MPz=357.250，SDPz=7.351;MPOz=339.500，SDPOz=5.076)被试;视频(MPz=356.865，SDPz=4.533;MPOz=344.625，SDPOz=2.843)预判 P3的潜伏期明显长于图片(MPz=336.917，SDPz=6.185;MPOz=320.188，SDPOz=4.884)预判。

以P3的波幅为因变量的方差分析显示，CPz(F1，26=7.209，P ＜ 0.05)、Pz(F1，26=12.748，P ＜0.01)、POz(F1，26=18.204，P ＜ 0.01)和 Oz(F1，26=19.902，P＜0.01)电极记录点上存在显著的组别主效应，在 CPz(F1，26=43.703，P ＜ 0.01)、Pz(F1，26=65.456，P ＜0.01)、POz(F1，26=56.321，P ＜0.01)和Oz(F1，26=85.859，P ＜0.01)电极记录点上存在显著的材料类型主效应，不存在显著的交互效应。进一步统计发现，专家组(MCPz=9.919，SDCPz=1.034;MPz=10.837，SDPz=1.149;MPOz=10.902，SDPOz=1.157;MOz=8.998，SDOz=1.107)被试P3的波幅明显小于新手组(MCPz=14.157，SDCPz=1.194;MPz=17.103，SDPz=1.327;MPOz=18.443，SDPOz=1.336;MOz=16.539，SDOz=1.278)被试;视频(MCPz=13.866，SDCPz=0.845;MPz=16.103，SDPz=0.974;MPOz=16.918，SDPOz=0.988;MOz=14.877，SDOz=0.870)预判P3的波幅明显大于图片(MCPz=10.208，SDCPz=0.828;MPz=11.838，SDPz=0.855;MPOz=12.428，SDPOz=0.874;MOz=10.661，SDOz=0.880)预判。

从P3潜伏期和波幅的效果来看，实验样本量的大小并未影响组间差异和材料类型差异的显著性。

上述结果表明，在散打进攻策略预判的决策阶段，优秀散打运动员大脑皮层顶区和顶枕区激活速度快，激活强度小;与图片材料相比，视频预判时大脑皮层中央顶区、顶区、顶枕区和枕区激活速度慢，激活强度大。

3 讨论

3.1 优秀散打运动员预判行为特征分析

行为结果显示，在预判反应速度上，专家组被试明显快于新手组被试;在预判准确率上，专家组被试无论在何种情境材料中预判准确率都大于随机概率，而新手组被试预判准确率基本在随机概率水平。说明与散打初学者相比，优秀散打运动员预判能力较强，具有明显的预判反应优势。散打作为一项开放性运动技能，在比赛中攻防转换极为迅速，战机稍纵即逝，运动员只有利用视觉等外部感知系统及时发现对手肢体细微变化，提前做出应答准备，才能保证比赛中处于优势地位。所以，经过长期训练的散打运动员会形成快速准确的行为反应。当然，优秀散打运动员预判的行为特征与其以下能力的提高有关。

3.1.1 长期专项训练会提高散打运动员的心理预期能力 研究表明，运动员在动作反应前通常会对正在或即将进行的活动形成一种特殊的认知反应倾向。训练比赛实践中发现，优秀散打运动员在动作反应前经常利用比赛情境信息预判对手的技战术趋势，并在随后的实际运动反应中不断检验预判的有效性，修正自己原有的预期倾向。因此，长期训练比赛使他们形成了较为客观有效的心理准备，进而对他们在本实验中的预判绩效产生了明显的促进作用。

3.1.2 长期专项训练提高了散打运动员专项技能的知觉分化水平 Gibson［16］认为知觉学习是对以前没有觉察到的或觉察不好的刺激特征增强其敏感性的过程。即加强或减弱特定刺激与反应之间的联系，从而提高了决策绩效。Tenenbaum［17］也认为，优秀运动员可以通过可利用的信息源，以预测来减少刺激反应的选择，减小内部反应延迟，从而减少所加工信息的总量，把预判的注意分配到重要的知觉维度和特征上，最终提高预判的绩效。可见，长期专项训练提高了优秀散打运动员的知觉分化水平，使其能轻易从对手身体细微变化中识别其战术意图。

3.2 优秀散打运动员预判神经活动特征分析

3.2.1 优秀散打运动员预判早期阶段的神经活动特点 笔者发现，优秀散打运动员进攻策略预判时大脑皮层诱发的P1、N1潜伏期较短;P1波幅较小，N1波幅较大。根据以往ERP的研究，P1、N1的潜伏期与注意定向的快慢有关;P1波幅的大小反映了大脑对干扰刺激的抑制程度，N1波幅的大小反映了大脑皮层对注意焦点的集中程度［18］。本研究结果显示，优秀散打运动员的视觉注意定向速度较快，视觉系统的抗干扰能力较强;在比赛情境中动用较少的心理资源就能快速排除无关信息的干扰，将注意指向预示对手技战术发展趋势的关键信息源。上述神经活动特点主要与优秀散打运动员视觉搜索特点有关。

散打运动是复杂的、开放的格斗项目，攻守决策的依据是建立在对对手观察基础上的。对手传递的信息是多元的、复杂的，甚至是虚假的，因此，观察哪些信息是散打运动员首先要面对的问题。在长期训练中，优秀散打运动员已经清楚躯干手臂等部位是预测对手未来技战术演变的关键信息源。因而，当面对复杂的运动情境时，他们通常会使用经济有效的搜索策略，即在预判决策中快速将注意焦点集中在对手躯干手臂等部位，然后通过这些部位的细微变化推测对手的战术意图。同时，笔者还发现优秀散打运动员在对注意焦点内的信息进行精细加工上付出了较多的心理能量。这可能是由于实验设计的运动情境与真实比赛情境存在一定差距，实验中被试只能以第三者的角度进行观察。因此，搜寻预判线索信息的难度加大，被试需要通过付出较多的心理能量进行更深层次的加工，才能快速准确地完成预判任务。

然而，散打初学者由于缺乏系统训练，专项认知能力较低，在比赛情境中对无关信息的抗干扰能力较差，所以导致他们无法快速将注意指向关键部位，也谈不上在注视部位上的精细加工，导致他们的P1、N1潜伏期延长，N1波幅相对较小。上述结果也进一步证明了优秀散打运动员认知优势是长期训练的结果。

3.2.2 优秀散打运动员预判晚期阶段的神经活动特点 根据Spuires等人［19］研究，P3可以反映对刺激物的评价、分类等认知过程。笔者发现，专家组被试在完成预判任务时大脑皮层诱发的P3的潜伏期明显短于新手组被试，P3的波幅也显著小于新手组被试。因此，本研究结果表明优秀散打运动员在进攻意图预判时思维决策速度较快，动用的心理资源较少。上述结果的可能原因有:

1)可能与优秀散打运动员专项认知模板丰富有关。如果将散打运动员头脑中已有的技战术经验作为动态变化信息加工过程中的认知模板，那么它在预判过程中必定全部或部分地处于激活状态。当被运动员视觉系统捕获的预判信息，不断地与这些技战术认知模板进行信息匹配加工时，预判信息与技战术认知模板相匹配的信息量就决定着预判的速度和预判的准确性。由于预判信息是随机出现的，加之快速反应的任务要求，预判信息匹配必然是一种不完全的信息加工过程，这样运动行为指令和技战术策略的执行指令就会伴随这种不完全的信息匹配加工过程同时产生，进而大大缩短了运动员应对比赛中动态变化信息演变的时间，使预判目的更容易实现。正是由于长期专项训练使优秀散打运动员积累了丰富的认知模板，才是其对内外信息匹配速度快、准确率高、动用认知资源较少。

2)可能是与优秀散打运动员的知识表征特点有关。Anderson［20］认为，运动技能作为一种程序性知识，它主要以生产式规则进行表征。漆昌柱［21］研究也发现，羽毛球运动专家较新手的概念总数多，“条件－行动”概念间联系较多。李斯［22］认为，不同水平的散打运动员预判过程中信息编码存在差异。低水平的编码为散打的动作特征，中等水平的编码是散打的某个动作，高水平的编码是某个动作与动作结果间的联系。本研究中优秀散打运动员经过长期的专项训练，其头脑中可能形成了大量的条件－反应联结(心理模式);当视觉觉察系统一旦发现了与头脑中匹配的条件，便立刻激活了与其条件相对应的反应模式。而散打初学者长时记忆系统中缺少相应的生产式规则，尚未建立固定的心理模式。他们在预判过程中需要调用大量的知识表征，建立暂时的刺激－反应联系。因此，表现出反应速度和准确率较低、心理能量消耗较大。

3.3 不同情境下散打运动员预判行为的神经活动比较

本研究发现，被试在不同材料情境下对散打进攻策略预判的脑神经机制有所不同。在视频材料预判中P1的潜伏期较长，波幅较大;在图片材料预判中N1的潜伏期较短，波幅较大。这说明在预判过程中，运动情境的信息量对被试的不同认知加工阶段产生了不同的影响。1)就视频材料来说，虽然其含有大量的线索信息，能为被试的准确预判创造条件。但是同时也意味着较多的干扰信息的存在。因此，被试只有付出大量的心理资源，通过相对长的时间才能抑制无关信息的干扰，完成搜索关键信息的任务。另外，由于视频材料中的关键信息是动态变化的，需要精细加工的信息量较多，因而延长了N1的潜伏期。但是，随着线索信息的增多，认知难度也随之下降，所以此时付出的心理资源减少了。2)就图片材料来说，由于其含有的信息量相对较少，被试不容易受到过多的无关信息的干扰，注意集中速度快，付出的心理能量少。但是鉴于图片材料中信息量少，缺少足够的预判线索信息，精细加工难度增大，因此动用的心理资源较多。当预判信息加工进行到后期时，由于视频材料较为复杂，使长时记忆系统中知识表征激活数量增多，工作记忆更新负荷加重。在作出预判反应之前，被试必须在众多表征中选择与目标反应相匹配的条件，这就增加了认知加工的难度。故而动用的心理资源增多，反应时延长。由此可见，视频材料主要通过增加干扰因素来影响P1的潜伏期和波幅，图片材料则以增大精细加工难度来影响N1的潜伏期和波幅;与图片材料相比，视频材料增加了被试预判工作记忆更新的负荷，从而延长了P3的潜伏期，增大了P3的波幅。

4 结论

1)优秀散打运动员预判速度快、准确率高。

2)散打进攻策略预判诱发的ERP成分主要有P1、N1和P3;优秀散打运动员预判早期精细加工动用的心理资源多，预判晚期大脑皮层激活速度快，动用的心理资源少。

3)与图片预判相比，视频预判速度慢、准确率高，其可能机制是认知加工时大脑激活速度较长、早期动用的心理资源较少、晚期动用的心理资源较多。

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