心理旋轉能力對定向運動選手識圖效率的影響研究

宋楊 唐思潔 缐紅

摘?要：探索不同水平定向運動選手心理旋轉能力對地圖識別效率的影響，為科學制定專項運動訓練方案提供理論依據。研究選取專家和新手定向運動選手作為被試者，進行正常方位與旋轉方位以及不同地圖難度特征條件下選手的識圖認知任務測試。結果表明：（1）心理旋轉與地圖難度均制約著定向運動選手的識圖效率，隨著心理旋轉與地圖難度認知壓力的加大，定向運動選手識圖效率降低，專家選手表現出較好專項認知優勢。（2）定向運動選手識圖效率隨地圖旋轉角度加大而降低，專家組好于新手組。在定向運動選手專項認知訓練中應充分考慮心理旋轉與地圖難度的認知因素，注重對心理旋轉等空間認知能力的專項訓練。

關?鍵?詞：定向運動;專項認知訓練;心理旋轉;識圖效率

中圖分類號：G804.8?文獻標志碼：A?文章編號：1006-7116（2021）04-0125-06

Abstract： To explore the influence of mental rotation ability of orienteering athletes at different levels on map recognition efficiency， so as to provide a theoretical basis for the scientific formulation of professional sports training programs. In this study， expert and novice orienteering players were selected as subjects to test the cognitive task of map recognition under the conditions of normal azimuth， rotation azimuth and different map difficulty characteristics. The results showed that： （1） Both mental rotation and map difficulty restricted the map recognition efficiency of orienteering players. with the increase of cognitive pressure of psychological rotation and map difficulty， the map recognition efficiency of orienteering athletes decreased， and expert athletes showed better professional cognitive advantages. （2） The map recognition efficiency of orienteering players decreased with the increase of map rotation angle， and the expert group was better than the novice group. The research reveals that in the professional cognitive training of orienteering players， we should fully consider the cognitive factors of mental rotation and map difficulty， and pay attention to the professional training of spatial cognitive ability such as mental rotation.

Key words： orienteering;professional cognitive training;mental rotation;map recognition efficiency

定向運動是一項借助于地圖的導航運動[1]，是提升軍人、警察、野外勘測者、徒步探險者專項技能和戶外生存能力的體育項目，是世界軍人運動會、世界警察運動會的正式比賽項目。識別地圖信息、規劃跑動路線是定向運動項目的核心技術。在識圖過程中，參加者需不斷進行空間定位與記憶，對地圖信息進行加工、處理，而心理旋轉能力制約著參加者的空間定位與識別[2]。心理旋轉概念最早于1971年提出[3]，是個體在空間中保持和操作二維或三維物體的過程，也是對物體的視覺心理圖像進行旋轉變換的能力，是空間能力的重要成分，主要包括感知、旋轉、決策3個部分[4]。

Levine[5]的研究表明當人利用地圖完成自我定位任務時，需要不斷進行心理旋轉。只有當地圖參照系與自我參照系的方向正好一致時，也就是當“朝上就是朝前”時，人不需要進行額外的心理旋轉，且完成自我定位任務的效率最高，這被稱作為調整效應[6]。研究表明，雜技、跳水、足球、體操、武術等項目運動技能與心理旋轉能力呈正相關[7]。運動領域中，心理旋轉能力是運動員專項運動技能必備的重要能力，并且這種能力能夠準確預測運動水平[8]。Lehmann[9]提出，心理旋轉會消耗大量的精神資源，是一種認知壓力，從而干擾其他認知或知覺過程。因此與新手相比，專家運動員往往具有更好的心理旋轉能力[10]，專家運動員在心理旋轉能力上具有認知優勢[11]。專項心理旋轉練習會使選手出現“練習效益”[12]，長期訓練和空間活動的參與行為能夠促進心理旋轉能力的提升[13]。心理旋轉能力對運動水平的提升至關重要[14]，因此聚焦運動領域，關注不同運動項目的心理旋轉能力對提升專項競技能力有著重要意義[15]。

劉陽[16]對定向運動項目識圖的視覺搜索、情景識別、路線決策等認知加工過程進行了深入研究，印證Eccles等學者的研究內容，并提出專家運動員在識圖的注意、記憶與決策加工過程中具有明顯認知優勢，這種認知優勢會受地圖難度和信息量的制約。在定向運動競技中，選手面對不斷改變的行進方向，需要在跑動中進行地圖信息的識別，折疊地圖、旋轉地圖，不斷更新與參照物的位置關系，以及心理旋轉已有的參照物方位，保持心理地圖與實際地形相一致[17]。已有研究者通過旋轉模型等非專項知識特征的心理旋轉實驗對其進行研究，提出專家定向運動選手在心理旋轉任務中的表現明顯優于新手，具有一定的認知優勢[18]，但基于地圖難度特征的心理旋轉能力是否對識圖效率產生不同影響以及地圖旋轉方位與識圖效率的關系，有待進一步驗證。

基于此，本研究將結合地圖難度任務與地圖不同方位識圖認知任務，探討不同水平定向運動選手的空間認知特征。提出以下假設：（1）心理旋轉能力制約和影響不同水平定向運動選手的識圖效率，專家組優于新手組;（2）不同方位下的識圖效率會受地圖難度的制約，表現出不同的認知加工特征;（3）不同旋轉角度具有不同的認知負荷，會對選手的識圖效率產生影響。通過實驗操縱，分析心理旋轉與地圖難度對不同水平定向運動選手識圖效率的影響及特征，了解定向運動選手心理旋轉能力與專項識圖效率的關系，為科學訓練提供理論依據。

1?研究對象與方法

1.1?研究對象

研究共招募60名定向運動選手，分為專家組、新手組。專家組選手30名，男生18人，女生12人，運動等級一級以上，訓練年限5年以上，平均年齡（21.56±2.42）歲，為現役中國定向運動國家隊隊員，獲得過全國定向錦標賽或全國定向精英賽前6名;新手組選取30名，男生16人，女生14人，訓練年限1年以上，平均年齡（21.38±2.51）歲。所有受試者左、右眼視力或矯正視力正常，皆為右利手，能夠熟練掌握定向運動專項基礎知識，均未參加過類似實驗。該研究已得到本校倫理委員會的批準，所有被試者均簽署實驗知情同意書。

1.2?實驗材料和設備

任務采用2（運動水平：新手組、專家組）×2（地圖方位：正常方位、旋轉方位）×2（地圖難度：簡單地圖、復雜地圖）三因素混合實驗設計。定向運動選手水平為組間變量，地圖方位和地圖難度為組內變量。

地圖識別實驗材料選自定向運動標準比賽地圖，由地圖方位和地圖難度構成4種刺激材料（正常方位簡單地圖，正常方位復雜地圖，旋轉方位簡單地圖，旋轉方位復雜地圖）（如圖1），旋轉地圖呈現角度為90°、180°和270°，一共24個刺激材料構成該實驗材料。所有地圖均由2名具有國家資格的定向運動地圖制圖員通過OCAD 10.0版（定向運動地圖開發的專業軟件）繪制。由3名定向教練員對這些地圖材料的難易程度進行評分。簡單地圖平均得分1.2分，復雜地圖平均得分4.5分。

刺激材料在Panasonic CF-53顯示器上顯示，分辨率為1 366×768，刷新率為60 Hz，由運行IBM的PC兼容PC計算機管理，這些PC運行使用E-Prime（2.0版）編碼和開發的實驗軟件。

1.3?實驗程序

在實驗前讓被試者填寫自行編制的基本信息情況采集表，記錄被試者的性別、年齡、訓練年限、運動等級等，之后被試者開始實驗。所有刺激均呈現在電腦屏幕上，被試者通過鍵盤對實驗刺激進行判斷，由此得出不同條件任務下的反應時和正確率。

實驗包括兩個階段：練習階段和正式測試階段。在兩個階段中，每個軌跡的處理過程都相同：首先讓被試者熟讀實驗指導語，然后出現實驗刺激地圖，正常方位地圖為同一方向且均指北，不同方位地圖分別為經過90°、180°與270°旋轉。每道題包括1個參考圖形和3個備選圖形，要求被試者仔細觀察后從3個備選圖形中選出1個與參考圖形一致的圖形（持續10 000 ms），并按下對應的數字鍵（1，2，3）作答。要求被試著在保證正確的前提下盡快按鍵。測試階段根據被試者的反應，在屏幕中央會顯示“正確”“錯誤”或“未響應”形式的反饋1 500 ms。為了最大限度減少超出任務熟悉程度的學習量，培訓階段被限制為4 mins，該階段使用的刺激材料與隨后進行正式實驗（測試階段）所用的刺激材料不同。培訓階段的目的是幫助參與者熟悉實驗，并且在此期間未收集任何數據。

待練習結束后方可開始正式測試，正式實驗與練習實驗過程相同，但是被試者做出反應后不會得到反饋，而是讓被試者保持放松狀態500 ms，直到進入下一個試次。研究者一共向被試者呈現24個圖形，將4種類型地圖隨機分組，期間被試者對任務的正確率和反應時被記錄到文件中，一直循環進行直至任務完成（實驗流程見圖2）。該任務產生的分數反映了參與者表現的準確性和反應速度，以及可評估整體識圖效率。

1.4?數據采集與處理

采用SPSS 24.0統計軟件包對分別收集的正確率和反應時數據進行重復測量方差分析和獨立樣本T檢驗，并用Greenhouse-Geisser法控制I型錯誤率。當交互作用顯著時進行簡單效應分析，用Bonferroni校正法進行修正。P<0.05說明具有統計學意義，偏Eta方（ηp2）表示方差分析的效應量大小。

2?結果與分析

2.1?被試者正確率比較

采用2（運動水平：新手、專家）×2（地圖方位：正常方位、旋轉方位）×2（地圖難度：簡單、復雜）三因素重復測量方差分析，被試者地圖信息識別任務正確率結果見表1。

重復測量方差分析結果顯示：正確率方面，運動水平主效應顯著[F（1，58）=221.05，P<0.001，ηp2=0.80]，地圖方位主效應顯著[F（1，58）=357.30，P<0.001，ηp2=0.86]，地圖難度主效應顯著[F（1，58）=112.69，P<0.001，ηp2=0.66]，運動水平×地圖方位的交互作用顯著[F（1，58）=20.85，P<0.001，ηp2=0.26]，運動員水平×地圖難度的交互作用顯著[F（1，58）=5.12，P<0.05，ηp2=0.08]，地圖方位×地圖難度的交互作用顯著[F（1，58）=5.03，P<0.05，ηp2=0.08]，運動水平×地圖難度×地圖方位的交互作用顯著[F（1，58）=6.34，P<0.05，ηp2=0.10]。

進一步簡單效應檢驗發現，新手組地圖難度主效應顯著[F（1，29）=78.02，P<0.001，ηp2=0.73]，難度越大正確率越低;地圖方位主效應顯著[F（1，29）=283.77，P<0.001，ηp2=0.91]，旋轉方位正確率小于正常方位正確率;地圖難度×地圖方位的交互效應不顯著。專家組：地圖難度主效應顯著[F（1，29）=37.22，P<0.001，ηp2=0.56]，難度越大正確率越低;地圖方位主效應顯著[F（1，29）=99.81，P<0.001，ηp2=0.78]，旋轉方位正確率小于正常方位正確率;地圖難度和地圖方位的交互效應顯著[F（1，29）=9.79，P<0.01，ηp2=0.25]，在簡單地圖和復雜地圖條件下，旋轉地圖正確率[t（58）=2.64，P<0.05]均低于正常方位[t（58）=11.84，P<0.001]。

2.2?運動員反應時比較

采用2（運動水平：新手、專家）×2（任務難度：簡單、復雜）×2（地圖方位：正常方位、旋轉方位）三因素重復測量方差分析，被試者地圖信息識別任務反應時結果見表2。

重復測量方差分析結果顯示：反應時方面，運動水平主效應顯著[F（1，58）=41.63，P<0.001，ηp2=0.42]，地圖方位主效應顯著[F（1，58）=57.62，P<0.001，ηp2=0.50];地圖難度主效應顯著[F（1，58）=94.95，P<0.001，ηp2=0.62]。地圖方位×地圖難度×運動員水平的交互作用不顯著，地圖難度×運動員水平的交互作用不顯著;地圖方位×運動水平的交互作用顯著[F（1，58）=4.46，P<0.05，ηp2=0.07];地圖方位×地圖難度的交互作用顯著[F（1，58）=14.47，P<0.001，ηp2=0.20]。

進一步簡單效應檢驗發現，新手組：地圖難度主效應顯著[F（1，29）=10.62，P<0.01，ηp2=0.27]，難度越大反應時越高;地圖方位主效應顯著[F（1，29）=34.61，P<0.001，ηp2=0.54]，旋轉方位反應時大于正常方位反應時;地圖難度和地圖方位的交互效應不顯著。專家組：地圖難度主效應顯著[F（1，29）=75.05，P<0.001，ηp2=0.72]，難度越大反應時越高;地圖方位主效應顯著[F（1，29）=80.21，P<0.001，ηp2=0.73]，旋轉方位反應時大于正常方位反應時;地圖難度和地圖方位的交互效應顯著[F（1，29）=27.14，P<0.001，ηp2=0.48];在簡單地圖和復雜地圖條件下，旋轉地圖反應時[t（58）=-5.29，P<0.001]均高于正常方位[t（58）=-8.41，P<0.001]。

2.3?不同角度變化條件下識別任務結果

對3（旋轉角度：90°、180°、270°）×2（運動水平：新手、專家）進行方差分析。分析結果顯示，不同旋轉角度運動水平主效應顯著[F（1，29）=116.93，P<0.001，ηp2=0.80]，地圖角度主效應顯著[F（2，58）=476.93，P<0.001，ηp2= 0.94]，運動員水平×地圖旋轉角度的交互作用顯著[F（2，58）=21.21，P<0.001，ηp2=0.42]，表明地圖旋轉角度加大時對于點位判斷的正確率顯著降低，即90°<180°<270°，專家組對于點位的錯誤率顯著低于新手組（見表3）。

3?討論

3.1?不同任務條件下定向運動選手識圖效率分析

從實驗結果可以得知，運動員水平主效應顯著，這符合研究預期：專家組的識圖效率在準確性和反應時間方面明顯優于新手組。周成林[19]認為，具有專長的人更有可能迅速識別環境信息并相應采取適當行動，并且根據主效應分析結果，這一發現也反映在地圖方位和地圖難度任務上。隨著專家掌握了更多專業技能，他們更有可能使用有效策略執行地圖識別任務，這表明準確判斷與快速反應是專家的優勢。

實驗刺激材料設置了方位與難度兩種自變量，通過正常方位、旋轉方位、簡單地圖、復雜地圖4種類型進行比較分析，發現隨著旋轉地圖的參與和地圖難度的增加，認知壓力明顯增加，地圖難度和地圖方位均制約著識圖認知能力。在旋轉地圖識別過程中，選手需要增加地圖方向標定的心理旋轉加工，這一過程實際上是選手對地圖上的符號信息進行提取、匹配、記憶的加工過程，需要對形成的心理地圖反復校正[20]，這種影響不僅僅在新手組，同樣作用于專家組，但專家組優于新手組。Ishikawa和Montello[21]的研究結果也表明，視覺空間技能的個體差異能夠影響人的路線導航能力，這也是影響運動員將空間信息整合到環境表征中的內部因素之一。經過多年研究已經得到有力證據，事實上這些技能包括多個不同的因素[22-23]，包括心理旋轉能力，這些能力均對地圖導航與認知地圖產生影響以及造成認知壓力。這一結果也與Bethell-fox等[24]研究相一致，他們認為被試者進行心理旋轉加工后增加認知負荷，從而影響加工效率。此外，研究增加地圖難度的自變量，復雜地圖與簡單地圖比較，復雜地圖多為野外地圖，涉及到許多地貌信息，是經過高度概括綜合的圖形，包括復雜各異的地圖形狀、符號和注記，造成選手的識圖效率會隨著地圖難度增加而降低，表明復雜地圖的信息識別需要更多專項知識和時間對其進行加工，制約著選手的識圖效率。專家組在簡單地圖和復雜地圖識別中均優于新手組，這是由于專家組長年的專項訓練使其具有更豐富的專項知識和識圖經驗，可以在不同地圖條件下正確并快速提取信息。

在定向運動項目的比賽過程中，選手在跑動過程中需要不斷對地圖進行識別，這需要選手以自己的身體作為運動主體，將環境方位和地圖位置進行匹配，定向運動選手對地圖在角度不斷變化條件下的識記和匹配過程，需要心理旋轉、方位認知、空間記憶等多種視空間認知能力的協調配合。因此，充分了解定向運動選手識圖過程中的心理旋轉特征可以更有效地指導運動員進行專項刻意訓練，獲得這種專項認知能力特征，可以有效提升專項競技能力。

3.2?地圖旋轉角度對定向運動選手地圖識別能力的影響

在心理旋轉研究中，空間識別的角度效應一直被研究者反復證實[25]。在跳水運動員的研究中，發現運動員身體的旋轉角度越大專家優勢越明顯，表現出更高正確率[13]。本研究結合定向運動項目的專項特點，在地圖旋轉角度中設置90°、180°和270°任務難度，研究發現在不同角度的識圖認知任務中，隨著角度加大，其識圖效率也明顯降低，這與以往研究一致[13]。本研究同樣證實了角度效應制約不同水平運動員的專項認知能力。在現實的定向運動專項訓練中，教練員和運動員往往過多關注路線規劃和地圖信息的識別，出現跑向相反方向或者地圖和實地角度錯誤等現象，在實際訓練中教練員經常將這種現象歸結于基礎知識不扎實和比賽緊張，而忽略了地圖指北的準確性以及快速地圖方向標定的認知技能訓練。研究也發現，專家組錯誤率顯著低于新手組，這也表明專家組經過長期專項訓練會提升自身的心理旋轉能力和識圖效率，這種差距的產生可能是由于定向運動專家對刺激圖像的信息搜索和記憶的認知能力更強，從而提升了自身的空間認知能力，所以在旋轉條件下依然能較好捕捉到關鍵信息;而新手組在信息識別過程中占據了大量認知資源，隨著角度改變，更加難以進行有效識別。由此可見，旋轉角度在定向運動識圖過程中制約著選手的識圖效率。

4?結論

心理旋轉與地圖難度均制約著定向運動選手的識圖能力，隨著心理旋轉與地圖難度認知壓力的加大，定向運動選手識圖效率降低，但專家組明顯好于新手組。地圖旋轉角度越大，定向運動選手識圖效率越低，但專家組明顯好于新手組。定向運動專家與新手的識圖效率受心理旋轉與地圖難度的制約，表現出不同的認知加工特征，專家運動員表現出明顯的專項認知優勢，表明定向運動選手的心理旋轉能力與識圖效率息息相關，因此定向運動專項心理旋轉能力可作為運動員選材的重要指標，并在專項訓練中需重點加強心理旋轉能力的刻意訓練，從而有效提升運動競技能力，取得優異成績。

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