基于眼動和EEG對籃球罰球思維調控特征的分析

朱泳，高俊，黃濱，何長波

基于眼動和EEG對籃球罰球思維調控特征的分析

朱泳1，2，高俊2，3，黃濱2，何長波3

設計籃球罰球運動情境，觀察被試眼動與腦電指標，分析籃球運動員罰球的思維調控特征。隨機選取30名運動訓練專業籃球專項男大學生（運訓組）和30名體育教育非籃球專項男大學生（體教組），分組測試罰球過程中的眼動注視時間、眼跳距離和瞳孔變化幅度及腦電θ和β頻段功率百分比指標。測試發現，運訓組罰球命中次數、眼動注視時間和眼跳距離顯著高于體教組（P＜0.05），罰球完成時間、瞳孔變化幅度、腦電波θ和β頻段功率百分比變化顯著低于體教組（P＜0.05）。結果表明，罰球時專家運動員對目標點注視時間更長，觀察范圍更大，以獲得更多的目標信息，并進行更深的加工。在未經歷專門罰球注視訓練的情況下，即使是高水平運動員，也存在著常見的個人動作細節差異；采用簡單化、程序化和標準化的注視訓練能夠有效減少這些個人差異并提高命中率。所有被試罰球都表現出聯合多重感覺，而不僅依賴視覺，但專家運動員的注意趨向于集中在視覺和右側肢體。專家運動員思維調控過程心理能耗更為節約，任務負荷較低，對信息加工更為精細，能在更短時間內完成更為準確的投球。

眼動；腦電；罰球；思維；調控

人體運動調控機制一直是體育理論學科極其重視而又始終未能透徹認識的領域。人體運動思維調控的最主要信息來源是視覺[1-2]。WILLIAMS等[3]研究發現，專家運動員與新手相比，能夠通過更直接有效的注視從全部視覺內容中提取最為有用的信息，再基于這些信息形成正確判斷，從而進行快捷準確的操作控制。VICKERS[4-5]和HARLE等[6]通過發展籃球、飛鏢和高爾夫等項目高水平運動員的視覺控制能力，有效提高了這些高水平運動員的命中率。

腦電（EEG）技術則為人體思維調控研究提供了神經認知方面的實證，LOZE[7]、WU[8]和CHUANG[9]的研究表明，大腦皮層枕部或顳側的腦電變化與運動水平具有較高相關，優秀運動員在操作過程中對視覺的依賴程度降低，其大腦皮層相應顳側部位神經單元的動員程度得到提高，從而能以更高效率來完成同一任務。OKUHATA等[10-11]發現，腦電θ波的一致性模式和處理過程顯著相關，而β波的變化則與任務內容和形式相關。

同時觀察眼動和腦電變化，能夠使研究者根據神經認知特征變化來評價人體運動過程中視覺信息處理過程，更為深刻地理解運動思維調控機制。近年來，流行的事件相關聯電位（Event Related Potential，ERP）技術能夠區分不同認知加工任務所對應的大腦皮層部位電位變化。但限于儀器條件，其研究[12-14]僅限于在實驗室內觀察被試閱讀或識別圖片的過程，研究結果多數集中在對專家和新手的某些特定能力差異的討論上，尚未能結合人體運動實際情境，更難對激烈對抗的同場競技運動的自我調控過程進行觀察和評價。

罰球是籃球運動激烈對抗中的特殊階段。罰球時，防守隊員的干擾降低到最低，限制區域內的罰球隊員、球、籃板與籃圈構成相對簡單的情境系統，罰球隊員的技能操作傾向于閉鎖和陳述。因此，本研究嘗試以實際罰球情境為例，同時觀察眼動和腦電指標，以進一步認識相應運動情境中的人體運動思維調控過程。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

隨機選取L大學體育學院30名本科運動訓練專業籃球專項的男學生作為運動訓練組（運訓組），平均年齡（19.13±0.68）歲，專項訓練年限（6.27±0.87）年，都具有2級以上籃球運動員等級證書。從同學院本科體育教育專業隨機選取30名男學生為體育教育組（體教組），平均年齡（19.03±0.61）歲，參加體育運動訓練年限（4.53±1.07）年，在平時都參加過籃球運動，但都不具有籃球運動員等級證書。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗場地和步驟（1）試驗場地。東西向4片標準籃球場按次序依次編號，1號為試驗場地，北半場為腦電測試場地，南半場為眼動測試場地，4號為等候活動區，在1號和2號場地中間拉好幕布。

（2）試驗步驟。所有被試在2號場地集合，試驗者說明試驗目的和基本程序，介紹腦電和眼動的相關知識，使被試對腦電試驗形成正確認知，消除干擾情緒。被試按照班級學號先后次序依次進入腦電測試場地，接受安靜狀態腦電測試；再到3、4號場地參加專項操作準備活動及自由專項活動各15 min；最后參加罰球的眼動和腦電測試，先眼動測試后腦電測試。

1.2.2 測試與數據采集（1）眼動測試儀器與方法。用加拿大SR Research Ltd的頭戴式眼動儀EyelinkⅡFixed Eye Tracker記錄被試眼動軌跡數據，采用BeGaze2.5眼動儀數據分析軟件對idf格式文件進行分析（見圖1）。被試佩戴好測試儀器，試驗人員按照眼動儀系統設置要求進行瞳孔校正、空間校正和目標校正，確定目標區域為籃板。

試驗人員對被試指導說明后，即開始進行錄像（刺激元素）記錄，試驗人員先后2次將籃球遞給被試，被試投籃2次后，該測試完畢。被試完成第2次罰球，眼動錄像記錄結束，在外接計算機上產生相應idf格式文件（刺激元素文件）。全部測試后，整理idf格式文件并采用BeGaze2.5眼動儀數據分析軟件分析數據。選取注視時間（duration of fixation）、眼跳距離（distance of saccadic）和瞳孔變化幅度（pupil Diameter）等3個評價指標[15]進行分析。

圖1 elinkⅡFixed Eye Tracker系統框架圖

（2）腦電測試儀器與方法。采用北京科龍MEEG-903多功能腦電檢測分析儀，按照國際腦電圖學會10/20系統電極放置法（見圖2），使用單極導聯記錄腦電信號。

圖2 國際10/20系統電極放置法

腦電測試的步驟、指導說明及記錄時間的區間和眼動測試相同。試驗人員指導后，開始進行腦電記錄，被試完成第2次罰球，腦電記錄結束，然后通過外接計算機計算出各導聯的功率值。本研究取腦電波θ和β頻段作為觀察指標[9，14，16]。

被試安靜狀態腦電功率分布特征和常人基本一致，運訓組和體教組腦電功率分布應無顯著差異[17]。將各被試安靜狀態各導聯的各頻段功率百分比作為比較基準線，然后將罰球時各導聯θ和β頻段功率百分比減去比較基準線數據，所得數據為該被試變化特征數據。

（3）罰球完成時間、命中結果記錄方法。在眼動和腦電測試中，被試接過試驗人員遞給的籃球后連續完成2次罰球。自被試首次接球開始計時，至第2次罰球球觸及籃圈、籃板或籃網時，或在明顯不能命中的情況下籃球越過籃板立面時結束計時。被試眼動和腦電測試的罰球時間合計為罰球總完成時間。每次罰球命中記1次，不命中記0次，被試眼動和腦電測試的罰球命中次數合計為總命中次數。

1.2.3 統計與分析采用SPSS21.0對測試結果數據進行統計處理。

2 結果與分析

2.1 罰球命中與完成時間的組間比較

運訓組罰球命中次數顯著高于體教組（P<0.05），運訓組罰球完成時間顯著少于體教組（P<0.05）（見表1）。

表1 本研究罰球命中次數和完成時間組間比較

2.2 眼動指標組間比較分析

運訓組注視時間顯著高于體教組（P<0.05），眼跳距離和瞳孔變化幅度顯著低于體教組（P<0.05）（見表2）。

表2 本研究眼動指標組間比較

2.3 腦電θ和β頻段變化組間比較分析

運訓組在罰球時腦電波θ和β頻段較靜站時，θ頻段在FP2、C4、P3、P4、T4和T5部位導聯的功率均顯著下降（P<0.05），β頻段在F3、F4、C3、C4、P3、P4、O1、O2、F8、T5和T6部位導聯的功率均顯著上升（P<0.05）。體教組在罰球時腦電波θ和β頻段較靜站時：θ頻段在FP1、FP2、F3、F4、C4、P3、P4、O1、O2、F8、T5和T6部位導聯的功率均下降，且差異顯著（P<0.05）；β頻段在FP1、FP2、F3、F4、C3、C4、P3、P4、O1、O2、F7、F8、T4、T5和T6部位導聯的功率均上升，且差異顯著（P<0.05）（見表3）。

表3 本研究腦電θ和β頻段功率變化組間比較

2.4 眼動特征和腦電特征相關分析

罰球時，被試總體注視時間、眼跳距離和瞳孔變化幅度與腦電波β頻段呈正相關趨勢，而與θ頻段功率百分比呈負相關趨勢，但均無統計學意義（見表4）。

表4 本研究眼動指標和腦電θ和β頻段相關分析

3 討論

3.1 罰球思維調控時間特征

在運動過程中，被試眼球的運動是跳躍式的，2次跳躍之間相對靜止的狀態就是注視。就同一被試個體而言，時間越長，加工越深；對不同個體而言，時間越長，加工速度越慢[12，18]。VICKERS[4]、HARLE[6]和VINE[19]等觀察到，投籃準確率高的運動員，其注視時間較長；反之，注視時間則較短。但也有個別學者觀點不同，廖彥罡等[20]認為，專項訓練能夠提高運動員在運動中的視覺信息處理和判斷能力，與新手相比，專家具有更短的注視時間。本研究測試表明，運訓組罰球完成時間短于體教組，但是運訓組的注視時間卻長于體教組。這表明，運訓組被試在注視后用于投出球的操作時間要遠遠短于體教組。

結合對神經認知過程和相應運動情境分析，可以更好地理解罰球思維調控的時間特征。大腦皮層各功能區域電信號變化的結果與運動操作的感覺器官變化和思維活動密切相關，運動員在運動表現時腦電波α、β和θ等3個頻段與運動表現具有較高一致性。LOZE[7]發現，專家氣手槍射手在完成最佳射擊前，對應視覺的大腦皮層枕部的活動顯著增強，但在擊發前轉為降低。但HUNG[21]對飛鏢運動員研究發現，專家腦電變化幅度要低于新手。本研究觀察到，在罰球過程中，全體被試對應視覺功能區的枕部O1和O2的β波頻段功率百分比顯著提高，而θ波頻段功率百分比顯著降低，且體教組較運訓組的變化更為顯著，此結果與上述LOZE的研究是一致的。

枕部β和θ波功率變化說明，面對罰球任務，被試都能夠充分動員視覺功能，通過注視來獲取目標信息。本研究中，運訓組注視時間較長，說明在投籃之前，專家運動員能夠傾向于更多地注視，從而使策略加工更加趨于精細。根據LOZE的觀點，在完成投籃操作時，對視覺的依賴程度降低，動作操作更多地依賴于形成的自動化程序，所以他們用于投球的操作時間要遠遠短于體教組，此時，他們相應腦電波功率可能趨于降低，這就可能造成上述HUNG所觀察到的專家組腦電變化幅度較低的現象。而低水平的運動員或新手，由于其注視時間相對較短，他們可能會在缺乏足夠信息和充分判斷的情況下，匆忙、草率地形成投球的決策。因為罰球是籃球運動中的特殊過程，與激烈對抗的正常比賽不同，其運動任務的完成情境相對安靜和簡單，運動控制特征也傾向于閉鎖性和陳述性，所以完成罰球任務的策略要求較低，這就使得新手可以在策略加工不足的情況下完成操作行為。

因此，從時間的視角來看，專家運動員表現出的注視時間較長和投球操作時間較短是經多年專項訓練形成的經濟性和精確性發展趨勢，這使他們能夠對目標點注視更長時間，以獲得更多的目標信息并進行更深的加工，也使得他們的投球操作更為簡練、流暢和精確。

3.2 罰球思維調控空間特征

眼跳距離指前后2個注視點之間的跨距，跨距越大，說明被試觀察的范圍越大，它是對信息加工內容多少的評價指標。接受多年訓練的運動員，對于相同的運動情境，他們能夠在視野中獲得更為豐富的信息[12，18]。本研究罰球過程中，運訓組眼跳距離顯著大于體教組。

在實際測試中觀察被試的行為還發現，被試維持注視點的能力存在著個體間差異。在罰球的引球上舉過程中籃球會遮擋視線，此時多數被試能夠保持注視，但體教組少數被試注視點消失，需要重新建立注視[22]，這也可能導致個別體教組被試在舉球至肩上后有停頓動作的現象。在開始抬肘伸臂將球投出的過程中，多數被試能夠繼續保持瞄籃點，但少數體教組被試瞄準點消失，轉向籃板上方空中，注意轉向想象中的空中籃球運行拋物線的最高點，這一行為應和少兒時期基層教練要求注視空中虛擬點有關。瞄籃點差異也是本研究中凸顯的問題，即使在記錄視頻中表現出瞄籃點位于籃板（興趣區域）內，但由于記錄視頻不具有景深的維度，測試并不能確定被試瞄準受測試瞳孔和瞄準點之間直線上的某一點，究竟是籃板或籃圈某一實點還是空中的某一虛擬點，而且在與被試的實際交談中，被試的自我表述也不能與實際一致。

本研究中，所有被試在F3、F4部位導聯的β波頻段的功率百分比都顯著提高，但運訓組提高的程度低于體教組，且體教組在FP1和FP2部位顯著提高。這說明，所有被試的運動前區和額葉都得到了充分動員，但在同樣的視覺信息獲取過程中，體教組需要更多的策略動員，即對于相同的罰球情境，運訓組更傾向于較少地動員相關皮層的神經單元，從而減少神經系統的消耗。此外，2組之間F3、F4部位導聯θ波頻段的功率百分比的變化有著一些不同，雖然都具有下降趨勢，但體教組下降顯著，而運訓組并不顯著，這一結果與個別已有研究不同。CHUANG等[8]觀察到，運動員在失敗罰球的準備期中Fz和F4導聯處θ波頻段的功率波動顯著增加，而在成功罰球的準備瞄準時，其前中部導聯的θ波頻段的功率更高，他認為，自動化執行任務之前的穩定喚醒和相對穩定的注意，能夠促進運動表現結果。而本研究則認為，θ波頻段下降趨勢和β波頻段增強的意義是一致的，θ波主要代表了被試的疲倦和抑制程度，這種變化也切合OKUHATA[10-11]所提出的腦電θ波的一致性模式和處理過程顯著相關的觀點。對于體教組被試來說，罰球過程中相應皮層的興奮性提高幅度較高，則會相應地表現為θ波頻段的功率百分比降低，這兩者表現的內容是一致的。而對于運訓組來說，同樣的罰球情境并沒有使他們出現更高的興奮性，其θ波頻段的反應自然也不會出現顯著的降低。

本研究中所有被試均自發采用原地單手肩上投籃技術[23]完成投籃。本研究觀察到，運訓組左側大腦半球感覺聯絡區P3和 T5部位θ波頻顯著降低。根據大腦半球皮層控制運動部位支配對側身體的對應關系可知，運訓組在罰球過程中能夠將注意有選擇地集中在視覺運用上的同時，側重保持對右側肢體的感覺聯系和控制。這一調控方式和右手肩上投籃技術環節的要求是一致的。

因而，從空間特征來看，籃球專項訓練可以使運動員在罰球情境中觀察更大的目標范圍，獲得更多的視覺信息，同時也使得他們相應神經過程能耗趨于節約。在投籃動作操作中，其對軀體的調控偏于右側肢體，低水平運動員對目標點的注視維持能力較低且個體差異較大。

3.3 罰球思維調控內容特征

視覺內容是思維調控最主要的信息。眼動指標中瞳孔變化幅度是指瞳孔直徑的變化值，它與進行信息加工的心理努力程度密切相關[12，18，24]，當心理負荷比較大時或任務難度增加時瞳孔直徑增加，因此瞳孔變化幅度是信息加工時心理負荷的量化指標。本研究觀察到，運訓組罰球時注視時間顯著長于體教組，瞳孔變化幅度卻顯著小于體教組。

基于大腦特定功能區域與相應機能的關系，LURIA[25-27]和POSNER等[28]先后提出了腦神經信息加工模型。（1）以頂葉部位為中心，與顳葉和中央凹后枕葉共同組成后部指向神經網絡，它具有使注意穩定地指向任務目標的功能，并能使用同時性和繼時性信息編碼接受、加工和存儲信息。罰球過程中，它指導注視穩定地指向瞄籃點，防止注視點徘徊或游離至其他目標。（2）額葉部位則為前部執行神經網絡，負責意識決定層面，對自我心理活動起到制定計劃、調節和控制作用。對于罰球技能，它具有發展更為流暢的投射動作的功能，從而能夠降低對視覺的依賴。（3）腦干、間腦和兩半球中央區組成了警覺神經網絡，它負責調節皮層的狀態，喚醒和維持注意。在罰球中，它起到協調后部指向和前部執行神經網絡，以及防止注視期間的無關信息對這兩個系統形成干擾[6]。

本研究罰球過程中，全部被試的β波頻段表現出不同程度的上升，而θ波頻段表現為不同程度的下降，說明被試大腦皮層的興奮性變化的一致性明顯，處于較好的運動喚醒狀態中[10，21]。體教組被試的O1和O2、T3和T4、T5和T6、C4和P4部位導聯的β波頻段的功率百分比顯著提高，尤其是C4和P4部位上升幅度最高，而相應部位的θ波頻段的功率百分比顯著降低，這些導聯部位正是后部指向神經網絡部位，其中O1和O2又對應視覺功能區，結合本研究瞳孔變化值來看，體教組對于信息加工的心理負荷較大，即為了維持視覺的穩定性，體教組被試需要動用更多的心理能耗。T5、T6、C4和P4部位對應大腦主要感覺區和感覺聯絡區，在信息加工過程中起到對多維信息進行加工和儲存的作用。這表明，在罰球過程中，所有被試的思維調控仍須聯合多重感覺，但體教組對多重感覺的依賴程度更高，在調控內容上有可能是維持較高的平衡感受功能和增強觸覺、肢體本體的空間和速度感，從而需要募集更多的相應部位的大腦皮層單位[2]。進一步表明，對于罰球操作，2組之間存在著心理能耗差異，這也必然造成實際罰球操作時間的長短差異。

運訓組的前額極區FP1和FP2的β波頻段功率百分比雖然有上升趨勢，但是并未產生顯著性差異。這同樣表明，長期專業化訓練形成了運動水平差異的效應，使運訓組被試在罰球操作過程中傾向于獲得更多目標信息，對目標信息進行更深和更精細的加工，形成的技能更加流暢簡練，又更少地募集相關大腦皮層部位的神經單元，加工任務的負荷程度相對較低，最終能夠以相對快而流暢的動作完成引球和投籃動作。而面臨同樣罰球任務，體教組被試需要動用更深程度的思維加工，從而需要募集更多的相應部位的腦神經元，即相對運訓組心理負荷較大。

運動員在運動情境中必然受到多維信息的干擾。其中，內部信息：心理方面有情緒、注意、認知及元認知等內容，以及生理生化水平變化帶來的多種刺激；外部信息，如競賽局面的變化，以及環境變化有喧鬧、燈光、比分、裁判等。HARLE等[6]認為，這是運動調控中的不同層面的自由度，運動員在投籃時必須控制至少3個假設層面的自由度，即頭部、注視和球/手。這種天生的多層結構使得投籃調控的難度處于較高的水平。而針對性訓練可將調控目標優先維持在籃圈，這樣的話，運動員的投籃操作只須控制球/手的自由度。前文所發現的偏重右側肢體調控的腦電特征也佐證了這一控制方式。從信息加工的角度來看，通過專門性訓練，高水平運動員能夠在前部執行神經網絡形成優化計劃并對后部指向網絡進行相應的調控，從而實現注意指向目標更為精簡、明確和穩定。

在實際完成罰球的過程中，所有被試又因前例行動作（Pre-shot routin）和投籃操作程序的差異而表現出個體思維調控內容的不同[29]。前例行動作表現為，有運動員傾向于雙手胸前持球，有運動員傾向于持球后原地運球，有運動員原地雙手向上后旋拋接球數次等。而操作程序差異則表現為動作細節的差異，從技術標準來看，存在下蹲高度、手腕后座、舉球高度、出手角度和撥指方式等個體差異；從動作細節來看，則有運動員傾向于無中斷地完成從引球到出手，但有運動員傾向于在肩上短暫舉球，再次瞄準然后投籃。這些不同的個體特征決定了完成罰球思維調控內容的不同。

VICKERS等[4，6]在對高水平籃球運動員罰球注視控制的訓練中，明確且強調注視點為籃圈，并規定前例行動作為運球3次，也要求被訓運動員，當引球穿過視野遮擋目標點時不需要維持注視，但前提是“快速地運用快而流暢的動作”完成投籃，以避免較緩的引球動作對注視點形成干擾。將罰球注視操作明確為，注視籃圈、舉球后專注和迅速完成投籃，每個步驟都有相應的默念短語口令，這就使得運動員能夠通過念動強化來摒除無關信息的信息內容，從而能夠使思維調控內容趨于簡單化、程序化和標準化。訓練實踐證明，這一方法能夠有效提高運動員罰球表現。但VICKERS等人的研究主要集中在射擊、飛鏢、高爾夫和籃球的罰球等趨于閉鎖性和陳述性操作的瞄準項目上，對于更為復雜的運動情境中思維調控的研究其借鑒意義尚顯不足；且此方面以訓練實踐層面為主，尚需從神經系統的角度來系統地認識和評價瞄準操作思維過程[30-31]。

總之，從思維的內容特征來看，高水平籃球運動員在罰球過程中傾向于獲取更多的信息，但對此付出的心理負荷卻趨于節約。在罰球情境中，高水平運動員能夠在多維信息中專注于對視覺和右側肢體的球/手調控，雖然注視是優先維持環節，但完成罰球仍須聯合多重感覺，低水平運動員更為依賴多重感覺。在未經歷專門罰球注視訓練情況下，即使是高水平運動員，也存在著常見的個人動作細節差異，采用簡單化、程序化和標準化的注視訓練能夠有效減少這些個人差異并提高命中率。

4 結論

罰球過程中，所有被試都表現出多重感覺聯合，而不僅依賴于視覺。但專家運動員注意指向趨于集中在視覺和右側肢體，注視持續時間較長，任務負荷較低，思維調控能量消耗更為節約。雖然他們完成罰球總時間較短，但其中注視時間卻較長，這使他們對信息加工更為精細，而后又能在更短時間內完成更準確的投球。

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Analysis of the Thinking Self-control Characteristic of Basketball Free-Throw Based on the Eye Track&EEG

ZHU Yong1，2，GAO Jun2，3，HUANG Bin2，HE Changbo3
（1.Dept.of PE，Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224051，China；2.School of PE，Liaoning Normal University，Dalian 116029，China；3.College of Sports Science，Harbin Normal University，Harbin 150025，China）

Designing basketball free-throw situation for observing the indexes of participants’eye Duration of fixation，Distance of saccadic，Pupil Diameter，EEG theta and beta band power percentage，and understanding the self-control Characteristic of basketball free-throw.30 male college students of basketball coach major and 30 male college students of P.E.major were selected randomly and grouping tested the indexes of eye tracking and EEG.Results：Hit Rate，Duration of fixation and Distance of saccadic of the basketball coach group all were significantly higher than the P.E.group（P<0.05）；Throw time，Pupil Diameter，EEG theta and beta band power percentage of the coach group all were significantly less than PE group（P<0.05）.Experts gazed for a longer time and larger range to get more information and further process in free-throwing.Even experts had individual differences of action detail without special free-throw gaze training，and the simplified，routinized and standardized gaze training should reduce the individual differences and improve hit ratio.Overall participants made throw rely on multiple senses，not merely the visual in the processing of free-throwing，but experts notice tended toward visual and right side of the body，and task load is less.They consumed less energy in mind control，processed information more meticulously，and made the action more concisely and fluently in less time.

eye track；EEG；free-throw；thinking；self-control

G 804.8

A

1005-0000（2014）04-313-06

2014-03-26；

2014-07-05；錄用日期：2014-07-06

黑龍江省自然科學基金項目（項目編號：C201436）；江蘇省體育局體育科技局管課題（項目編號：TY10242）

朱泳（1971-），男，江蘇東臺人，博士，副教授，研究方向為體育教育訓練學。

1.鹽城工學院體育教學部，江蘇鹽城 224052；2.遼寧師范大學體育學院，遼寧大連 116029；3.哈爾濱師范大學體育科學學院，黑龍江哈爾濱 150025。