空間工作記憶容量對足球運動員進攻戰術決策視覺信息加工的影響

史鵬，呂中凡，王國動，魏征，孫金月，章冬楊，張鐸耀

(1.上海體育學院 體育教育訓練學院，上海 200438；2.遼寧師范大學 體育學院，大連 116029；3.遼寧省運動人體科學重點實驗室，大連 116029)

足球競賽場景瞬息萬變、時空轉換迅速、身體對抗激烈.戰術意識是運動員戰術決策的重要前提，是影響競賽進程和獲取競賽勝利的核心因素.戰術意識是指運動員對專項認知所形成的心智過程，這一過程促使運動員對比賽場景的感知和理解，有效把握關鍵信息，從而做出戰術動作決策[1].視覺搜索是戰術意識這一思維決策的核心所在，決定了戰術信息選擇的有效性和戰術行為決策的合理性.HEIKO等[2]研究認為經驗豐富的足球運動員專注于刺激的特定區域，采用較少的注視評估潛在的戰術；ANDRé等[3]研究發現足球運動員高創造性的表現與早期感知高度相關的線索有關.上述研究表明，高水平運動員具備高效戰術決策的專長優勢源于其獨特的選擇性注意策略.工作記憶(Working Memory，WM)對于選擇性注意來講尤為重要，其與選擇性注意存在一種相互作用的關系，其不僅用于信息儲存，而且影響注意控制，主要通過將個體注意導向WM表征的信息或與信息有關的特征，影響注意方向[4-5].綜上，WM在運動員視覺信息加工過程中發揮著重要作用，但關于WM對視覺信息加工的直接影響尚需進一步探討.

WM是一個對信息進行暫時性存儲，并支持個體認知操作的記憶系統，基于這種雙重功能，使其成為連接視覺感知系統和長時記憶系統的橋梁，推動感知與記憶的交互[6-7].其中對圖案、形狀等客體信息進行暫時性儲存與加工的系統稱為客體工作記憶(Object Visual Working Memory，OWM)，主要執行“what”的功能；對位置、方向等空間信息進行暫時性存儲與加工的系統稱為空間工作記憶(Spatial Working Memory，SWM)，主要執行“where”的功能[8-9].足球競賽過程中，運動員需要對場上復雜多變的信息進行有效提取與加工，根據攻防球員的位置信息以及空當的變化情況進行預判決策，因此SWM容量起著非常重要的作用.李華慶等[8]研究認為SWM容量影響籃球運動員防守預判的反應時，且低容量的被試防守預判更為迅速.但是，該研究結果與前人研究存在爭議，FURLEY等[10]研究認為，高SWM容量的運動員注意力更加集中，有利于將更多的注視資源集中于當前任務.因此，SWM容量在運動員認知加工中的作用尚需進一步進行探討.另外，以往研究多基于行為指標探討SWM容量對運動員視覺搜索績效的影響，此類研究對探討SWM容量與注視時間的關聯具有一定的積極意義，但無法有效解釋SWM容量如何影響運動員的視覺信息加工.因此，本研究以信息刺激復雜多變的足球“3V2”進攻戰術決策情景為刺激材料，借助眼動記錄技術，探討不同SWM容量運動員進攻戰術決策的行為績效和眼動參數，進而深化對SWM容量對運動決策復雜認知加工的理解，同時為足球戰術意識的研究提供心理學依據，為我國足球運動員的運動訓練與監控提供認知心理學指導.

1 實驗設計與研究方法

1.1 實驗對象

共選取23名被試，均參加過CUFA足球聯賽的高水平大學生運動員，運動等級均為二級以上，年齡為(24.37±2.36)歲，平均訓練年限為(4.97±2.64)a.所有被試的優勢腳均為右腳，均報告了解“3V2”戰術決策任務，雙眼裸眼視力或矯正視力正常，無散光、色盲、色弱等.實驗前一天無熬夜、失眠等癥狀，且實驗當天精神狀態良好.根據SWM容量測試結果將被試分為高、低容量組，研究將測試結果前27%的被試定義為高容量組，將測試結果后27%的被試定義為低容量組.另外，高容量組末位和低容量組首位均存在3名SWM容量測試結果相同的被試，因此本研究剔除7名被試，納入16名被試進行眼動實驗，高容量組和低容量組被試各8名，保證了SWM容量在同一組別上的同質性.

1.2 實驗設計

研究采用回憶報告范式測量被試SWM容量；采用第一視角對足球運動員“3V2”進攻戰術決策場景下的視覺信息加工進行研究.采用2 SWM容量(高、低)的單因素實驗設計展開實驗研究，組間變量為SWM容量.將刺激視頻劃分為空當、球門(含守門員)、近端攻防球員和遠端攻防球員4個興趣區域(Area of Interest，AOI).以戰術決策績效和視覺信息加工的眼動參數為因變量，其中戰術決策績效包括決策反應性和決策合理性，眼動參數包括注視次數、注視時間、掃視次數、眼跳角度和注視分配.運動員在不斷變化的場景中快速搜尋關鍵信息.通過雙眼保持一定方位，使場景信息呈現在視網膜上的動作稱為注視；線索搜索過程中注視點位置的跳動和轉移，稱為眼跳或掃視.

1.3 刺激材料

實驗所選取的“3V2”真實錄像均取自于歐洲5大聯賽，采用“EV錄屏”軟件截取錄像資料.真實錄像的還原拍攝在L大學11人制足球場進行，拍攝期間天氣良好，無刺激性太陽光線，且拍攝期間無建筑物和樹木陰影等干擾因素.由1名研究者和5名熟知“3V2”戰術打法的足球專項大學生進行錄像還原，研究者扮演1名進攻球員，手持佳能6D相機配合50 mm定焦鏡頭以第一視角進行拍攝，經商議5名足球專項大學生分別扮演2名進攻球員、2名防守球員和1名守門員.共拍攝9個正式視頻和2個預備視頻.采用“EV剪輯”軟件對照比賽真實運動場景進行剪輯，以球員啟動初現移動方向時開始進行剪輯，以真實運動場景中控球球員做出運動決策后1 000 ms結束剪輯，剪輯視頻時長為5 000 ms左右.實驗前對刺激材料的效度進行檢驗，另邀請6名專選學生和6名普修學生分別獨立觀看刺激材料，分別記錄其決策反應時和決策合理性，對低區分度視頻再次進行剪輯，多次重復檢驗，最終確定刺激材料時長為4 000～6 000 ms.

1.4 實驗流程

1.4.1SWM容量測試

研究借鑒文獻[11-12]SWM容量測試內容，根據SWM既包括加工成分又包括存儲成分的特征，采用回憶報告范式進行測量，以此對被試進行SWM高、低容量分組.實驗材料由“W”和“M”兩種字母組成，形成n行m列的字母矩陣，且每次實驗均呈現3個“W”和n個“M”.第1次測試的材料為3行3列的WM字母矩陣，加工負載隨測試次數的增加而增加，其增加規律為每次測試后增加一行或一列字母，“W”的位置隨機變化，且不與上次測試位置相同.不同負載刺激材料的信息加工功能通過被試回憶判斷字母的空間位置加以評價.被試在每次測試中所讀取信息的時間為3 000 ms，之后呈現空白屏，要求口頭報告3個字母“W”的位置.若被試回憶判斷字母位置均正確則進入下次實驗，否則用同一負載的刺激材料再次呈現，若被試此次回憶判斷字母位置均正確則進入下次測試材料，否則將止步實驗，將回憶判斷正確的加工負載級別系列定義為SWM容量.試驗材料包含2個預備實驗材料和10個不同加工負載的正式實驗材料，正式試驗時長大約為3 min.

1.4.2眼動實驗

眼動記錄設備選用德國Ergoneers生產的Dikablis Professional頭戴式眼動儀，采樣率為60 Hz，追蹤精度為0.1°～0.3°，采集每位被試的眼動數據.將負責追蹤眼睛的eye-camera和負責錄制場景的field-camera與眼動儀信息收集裝置相連接，將數據信息傳輸端口與裝有D-Lab 3.0軟件的Lenovo筆記本電腦連接，用以記錄被試眼動行為過程.選用Dell筆記本電腦與SHARP XG-D3080XA投影儀連接，并將刺激材料投放到幕布(幕布距離被試測試區域2.5 m左右)上.實驗過程中要求被試坐在測試區域，面對投影儀幕布，眼睛水平視線在幕布中央，與足球運動真實場景的第一視角保持一致.采用手動調節校準和4點校準兩種校準方法對被試佩戴的眼動儀進行校準.通過預備實驗提高被試實驗流程和操作任務的熟悉程度，給予適時指導，糾正不當操作.呈現3 000 ms的空白屏后，進行刺激材料播放，并要求被試按鍵進行決策反應，若并未進行按鍵反應，系統將播放結束后自動進入空白屏界面，若被試能夠在有限時間內做出按鍵反應，系統將在按鍵后進入空白屏界面.眼動實驗由2人協調配合完成，其中1人負責進行刺激材料播放和記錄被試決策方案(運球、傳球、射門等)；1人負責操作D-Lab 3.0軟件記錄被試的眼動過程.每位被試的眼動實驗測試時間大約為5 min.

1.5 數理統計

基于D-lab 3.0軟件提取被試決策反應時數據.根據所有被試戰術決策選擇進行編碼，以真實比賽場景下的決策選擇為最佳決策依據，邀請專家對每位被試戰術決策合理性進行判斷，依據來源為被試行為選擇對守門員所造成的威脅程度.邀請5名長期從事足球教學與訓練的專家分別采用Likert 5級量表的形式對每種戰術決策合理性進行評價.決策合理性的分值為1～5分，其中1分表示非常不合理，3分表示一般，5分表示非常合理，取其平均值作為戰術決策合理性分值.在D-lab 3.0軟件數據統計與提取模塊，勾選本研究所需要的眼動參數并導出，經Excel 2010軟件處理后保存.采用SPSS 25.0軟件進行統計分析和繪圖，采用Kandall和諧系數計算專家戰術決策合理性評判的一致性程度；采用獨立樣本t檢驗進行決策績效和眼動參數的統計分析，探討SWM容量對戰術決策和視覺搜索的影響.研究所涉及統計學方法均將檢驗水平定為α=0.05.

2 研究結果

2.1 戰術決策績效

高、低容量組的被試各進行72次眼動測試.在戰術決策反應時上，高容量組戰術決策的反應時間顯著性長于低容量組(t=8.557，p<0.01)；在戰術決策合理性上，高容量組和低容量組不存在顯著性差異(t=-0.542，p=0.589)(表1).因此，在“3V2”進攻戰術決策場景下，SWM容量較低的運動員表現出既迅速又合理的決策行為.

表1 進攻戰術決策績效的組間比較

2.2 視覺信息加工的眼動特征

2.2.1注視次數

高容量組和低容量組在“3V2”進攻戰術決策場景下總的注視次數不存在顯著性差異(t=0.554，p=0.581)；高容量組在空當AOI的注視次數顯著性多于低容量組(t=2.847，p=0.005)，2組在球門、近端攻防球員和遠端攻防球員的注視次數不存在顯著性差異(p>0.05)(表2).

表2 進攻戰術決策場景下注視次數的組間比較

2.2.2注視時間

高容量組在“3V2”進攻戰術決策場景下總的注視時間顯著性多于低容量組(t=3.026，p=0.003)；高容量組在空當的注視時間顯著性多于低容量組(t=3.293，p=0.001)，2組在球門、近端攻防球員和遠端攻防球員的注視時間不存在顯著性差異(p>0.05)(表3).

表3 進攻戰術決策場景下注視時間的組間比較

運動員在不同AOI上的注視時間占總注視時間的比例稱為注視時間分配比例.高容量組在“3V2”進攻戰術決策場景下的注視時間分配排序由長到短為空當，近端攻防球員，遠端攻防球員，球門；低容量組為近端攻防球，空當，遠端攻防球員，球門.高容量組和低容量組在空當和近端攻防球員的注視側重點不同，其中高容量組對空當的注視分配顯著性大于低容量組(p<0.05)，低容量組對近端攻防球員的注視分配大于高容量組，但并不具有統計學意義(p>0.05).

2.2.3掃視次數

高容量組和低容量組在“3V2”進攻戰術決策場景下總的掃視次數不存在顯著性差異(t=0.316，p=0.752)；高容量組和低容量組在空當、球門、近端攻防球員和遠端攻防球員AOI的掃視次數不存在顯著性差異(p>0.05)(表4).

表4 進攻戰術決策場景下掃視次數的組間比較

2.2.4眼跳角度

高容量組和低容量組在“3V2”進攻戰術決策場景下總的眼跳角度不存在顯著性差異(t=-0.665，p=0.507)；高容量組在遠端攻防球員的眼跳角度顯著性小于低容量組(t=-2.113，p=0.036)，兩組在空當、球門和近端攻防球員的眼跳角度不存在顯著性差異(p>0.05)(表5).

表5 進攻戰術決策場景下眼跳角度的組間比較

3 分析與討論

本研究以足球“3V2”進攻戰術決策場景為刺激材料，旨在測試不同SWM容量運動員足球進攻戰術決策行為績效和眼動參數，揭示SWM容量在視覺信息加工中的作用，歸納不同容量運動員的視覺搜索策略.信息加工的類比計算機模型觀點認為，WM類似于計算機的“內存條”，其容量越大，信息加工速度越快[13].但本研究結果與其存在出入，這可能與其自身的視覺搜索策略存在關聯，研究將著重對其進行分析與討論.

任何運動項目的制勝本質是一致的，即要求運動員盡快準確做出最佳預判決策，并做出動作反應的過程[14].SWM是工作記憶多成分模型的重要組成部分，是實現對空間信息的暫時性加工與儲存的認知過程，對于揭示預判決策等高級認知活動具有重要意義[15].本研究結果顯示，SWM容量對足球運動員進攻戰術決策行為績效和視覺搜索存在影響，驗證了SWM容量個體差異影響決策行為和即時加工的論斷.SWM容量對戰術決策反應時的影響顯著，即高容量運動員決策反應時長于低容量運動員；在戰術決策合理性上，SWM容量的效應不顯著.該研究結果與類比計算機模型的觀點相反，但進一步支持了李華慶[8]等的研究.戰術決策的前提是有效的視覺搜索，運動員通過對外界輸入信息的編碼、存儲、整合等操作，實現高績效的決策[16].雖然高SWM容量有助于搜索到更多信息，但也意味著高容量運動員需要調用更多執行注意去解決沖突和干擾信息[17-18]，因此信息加工的時間相對延長.文獻[19]指出，高SWM容量個體在解決問題時更依賴于WM系統，因而在復雜任務壓力干擾其WM系統時，這些個體便表現出壓力下“Chocking”，這將影響戰術決策.另外，任務決策類型對SWM容量個體任務決策產生調節作用，高容量個體傾向于認知決策，低容量個體傾向于直覺決策[20].本研究實驗設計是開放性的被試反應時-合理性權衡任務，高容量運動員追求合理性投入較多認知資源，因而延長了決策時間.而低容量運動員直覺決策的傾向，使其投入較少注視對關鍵AOI進行加工，避免多信息間的沖突，因而戰術決策反應時較短.眼動參數顯示高容量運動員的總注視時間顯著性多于低容量運動員，因此耗費更多的時間進行認知信息加工，導致決策反應時拉長.高容量運動員在空當AOI投入的更多的注視次數和注視時間，而空當是最為關鍵的信息區域[21]，運動員往往通過解讀空當的大小和變化做出決策，同時也需要通過“過濾器”將掃視過程中的非關鍵線索過濾掉，因此耗費較多的時間和注意資源；而低容量運動員基于球門威脅程度的考慮，通過對近端攻防球員投入更多的注視，并通過遠端攻防球員的眼跳追隨，實現對關鍵AOI的有效預判，其戰術決策也并未因低容量而降低.

基于記憶的標簽機制(Memory-Based Tagging Mechanisms，MBTM)認為，在視覺搜索過程中，注意需要從一個空間位置轉移到另一個空間位置，并且先前已經被注意選擇的空間位置可能被儲存在WM中以抑制注意重復選擇，從而優化視覺搜索效率[22-23].本研究顯示不同容量運動員總的掃視次數和眼跳角度不存在顯著性差異.該研究結果似乎不符合MBTM機制，高容量運動員并未產生較少的回視眼跳和抑制重復.研究認為，足球“3V2”進攻戰術決策場景復雜多變的特征導致高容量運動員搜索集合的不斷變化，增加了SWM負載，造成視覺搜索與SWM的相互干擾.本研究所選取運動員經驗較為豐富，但由于SWM容量的作用，使得其在進攻戰術決策任務中表現出不同的視覺搜索策略.高容量運動員基于反應時-合理性的權衡，傾向于對攻防球員不斷撕扯變化的空當予以更多的注視，因此在增加戰術決策合理性的同時降低了戰術決策的反應時；而低容量運動員與之相反，限于其有限的SWM容量，僅對關鍵AOI進行眼跳追隨，同時附帶對決策場景信息的認知加工，并未對空當做出過多的解讀，可能并未參與過多的反應時-合理性權衡，因此戰術決策行為績效偏高.綜上，高容量運動員從全局出發把握整體運動場景中的信息，采用刺激驅動與經驗驅動相結合的“平行-系列”視覺搜索策略；而低容量專家組多基于特定線索進行決策，采用經驗驅動的“系列化”視覺搜索策略.

研究認為，刺激材料的難度可能是造成與類比計算機模型觀點歧義的原因.研究所選取的足球“3V2”進攻戰術決策場景，涉及AOI數量較少，可能體現不出高容量運動員視覺搜索策略的經濟性，因此研究假設若增加刺激材料難度，提高AOI數量，可能呈現不一致的研究結果.鑒于客觀條件原因，本研究還存在以下不足：1)采用二維動態材料的形式呈現刺激信息，在視覺信息的呈現形式上無法使材料呈現1∶1的畫面，生態學效度偏低；2)限于專業職責要求，不同場上位置球員的戰術決策和視覺搜索行為績效可能存在差異.后續研究中可以從提高刺激材料難度、提高生態學效度和增加場上位置變量等方面進一步對該領域進行考察，以更加契合足球戰術決策訓練的實踐需求.

4 結 論

在實驗室場景下，探討了SWM容量對足球進攻戰術決策視覺信息加工的影響，結果發現：1)高容量運動員戰術決策反應時高于低容量運動員；不同容量運動員戰術決策合理性不存在顯著性差異；2)高容量運動員戰術決策反應時高的原因在于其采用“平行-系列”視覺搜索策略，對空當投入更多的注視；低容量運動員戰術決策反應時高的原因在于其采用“系列化”視覺搜索策略，能夠對關鍵AOI進行有效預判.建議通過減少刺激驅動的搜索改進高容量專家組信息加工策略，以適應相對簡單的任務場景.