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基于眼动和EEG对篮球罚球思维调控特征的分析

2014-04-15朱泳高俊黄滨何长波

天津体育学院学报 2014年4期
关键词:脑电眼动体教

朱泳,高俊,黄滨,何长波

基于眼动和EEG对篮球罚球思维调控特征的分析

朱泳1,2,高俊2,3,黄滨2,何长波3

设计篮球罚球运动情境,观察被试眼动与脑电指标,分析篮球运动员罚球的思维调控特征。随机选取30名运动训练专业篮球专项男大学生(运训组)和30名体育教育非篮球专项男大学生(体教组),分组测试罚球过程中的眼动注视时间、眼跳距离和瞳孔变化幅度及脑电θ和β频段功率百分比指标。测试发现,运训组罚球命中次数、眼动注视时间和眼跳距离显著高于体教组(P<0.05),罚球完成时间、瞳孔变化幅度、脑电波θ和β频段功率百分比变化显著低于体教组(P<0.05)。结果表明,罚球时专家运动员对目标点注视时间更长,观察范围更大,以获得更多的目标信息,并进行更深的加工。在未经历专门罚球注视训练的情况下,即使是高水平运动员,也存在着常见的个人动作细节差异;采用简单化、程序化和标准化的注视训练能够有效减少这些个人差异并提高命中率。所有被试罚球都表现出联合多重感觉,而不仅依赖视觉,但专家运动员的注意趋向于集中在视觉和右侧肢体。专家运动员思维调控过程心理能耗更为节约,任务负荷较低,对信息加工更为精细,能在更短时间内完成更为准确的投球。

眼动;脑电;罚球;思维;调控

人体运动调控机制一直是体育理论学科极其重视而又始终未能透彻认识的领域。人体运动思维调控的最主要信息来源是视觉[1-2]。WILLIAMS等[3]研究发现,专家运动员与新手相比,能够通过更直接有效的注视从全部视觉内容中提取最为有用的信息,再基于这些信息形成正确判断,从而进行快捷准确的操作控制。VICKERS[4-5]和HARLE等[6]通过发展篮球、飞镖和高尔夫等项目高水平运动员的视觉控制能力,有效提高了这些高水平运动员的命中率。

脑电(EEG)技术则为人体思维调控研究提供了神经认知方面的实证,LOZE[7]、WU[8]和CHUANG[9]的研究表明,大脑皮层枕部或颞侧的脑电变化与运动水平具有较高相关,优秀运动员在操作过程中对视觉的依赖程度降低,其大脑皮层相应颞侧部位神经单元的动员程度得到提高,从而能以更高效率来完成同一任务。OKUHATA等[10-11]发现,脑电θ波的一致性模式和处理过程显著相关,而β波的变化则与任务内容和形式相关。

同时观察眼动和脑电变化,能够使研究者根据神经认知特征变化来评价人体运动过程中视觉信息处理过程,更为深刻地理解运动思维调控机制。近年来,流行的事件相关联电位(Event Related Potential,ERP)技术能够区分不同认知加工任务所对应的大脑皮层部位电位变化。但限于仪器条件,其研究[12-14]仅限于在实验室内观察被试阅读或识别图片的过程,研究结果多数集中在对专家和新手的某些特定能力差异的讨论上,尚未能结合人体运动实际情境,更难对激烈对抗的同场竞技运动的自我调控过程进行观察和评价。

罚球是篮球运动激烈对抗中的特殊阶段。罚球时,防守队员的干扰降低到最低,限制区域内的罚球队员、球、篮板与篮圈构成相对简单的情境系统,罚球队员的技能操作倾向于闭锁和陈述。因此,本研究尝试以实际罚球情境为例,同时观察眼动和脑电指标,以进一步认识相应运动情境中的人体运动思维调控过程。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

随机选取L大学体育学院30名本科运动训练专业篮球专项的男学生作为运动训练组(运训组),平均年龄(19.13±0.68)岁,专项训练年限(6.27±0.87)年,都具有2级以上篮球运动员等级证书。从同学院本科体育教育专业随机选取30名男学生为体育教育组(体教组),平均年龄(19.03±0.61)岁,参加体育运动训练年限(4.53±1.07)年,在平时都参加过篮球运动,但都不具有篮球运动员等级证书。

1.2 研究方法

1.2.1 试验场地和步骤(1)试验场地。东西向4片标准篮球场按次序依次编号,1号为试验场地,北半场为脑电测试场地,南半场为眼动测试场地,4号为等候活动区,在1号和2号场地中间拉好幕布。

(2)试验步骤。所有被试在2号场地集合,试验者说明试验目的和基本程序,介绍脑电和眼动的相关知识,使被试对脑电试验形成正确认知,消除干扰情绪。被试按照班级学号先后次序依次进入脑电测试场地,接受安静状态脑电测试;再到3、4号场地参加专项操作准备活动及自由专项活动各15 min;最后参加罚球的眼动和脑电测试,先眼动测试后脑电测试。

1.2.2 测试与数据采集(1)眼动测试仪器与方法。用加拿大SR Research Ltd的头戴式眼动仪EyelinkⅡFixed Eye Tracker记录被试眼动轨迹数据,采用BeGaze2.5眼动仪数据分析软件对idf格式文件进行分析(见图1)。被试佩戴好测试仪器,试验人员按照眼动仪系统设置要求进行瞳孔校正、空间校正和目标校正,确定目标区域为篮板。

试验人员对被试指导说明后,即开始进行录像(刺激元素)记录,试验人员先后2次将篮球递给被试,被试投篮2次后,该测试完毕。被试完成第2次罚球,眼动录像记录结束,在外接计算机上产生相应idf格式文件(刺激元素文件)。全部测试后,整理idf格式文件并采用BeGaze2.5眼动仪数据分析软件分析数据。选取注视时间(duration of fixation)、眼跳距离(distance of saccadic)和瞳孔变化幅度(pupil Diameter)等3个评价指标[15]进行分析。

图1 elinkⅡFixed Eye Tracker系统框架图

(2)脑电测试仪器与方法。采用北京科龙MEEG-903多功能脑电检测分析仪,按照国际脑电图学会10/20系统电极放置法(见图2),使用单极导联记录脑电信号。

图2 国际10/20系统电极放置法

脑电测试的步骤、指导说明及记录时间的区间和眼动测试相同。试验人员指导后,开始进行脑电记录,被试完成第2次罚球,脑电记录结束,然后通过外接计算机计算出各导联的功率值。本研究取脑电波θ和β频段作为观察指标[9,14,16]。

被试安静状态脑电功率分布特征和常人基本一致,运训组和体教组脑电功率分布应无显著差异[17]。将各被试安静状态各导联的各频段功率百分比作为比较基准线,然后将罚球时各导联θ和β频段功率百分比减去比较基准线数据,所得数据为该被试变化特征数据。

(3)罚球完成时间、命中结果记录方法。在眼动和脑电测试中,被试接过试验人员递给的篮球后连续完成2次罚球。自被试首次接球开始计时,至第2次罚球球触及篮圈、篮板或篮网时,或在明显不能命中的情况下篮球越过篮板立面时结束计时。被试眼动和脑电测试的罚球时间合计为罚球总完成时间。每次罚球命中记1次,不命中记0次,被试眼动和脑电测试的罚球命中次数合计为总命中次数。

1.2.3 统计与分析采用SPSS21.0对测试结果数据进行统计处理。

2 结果与分析

2.1 罚球命中与完成时间的组间比较

运训组罚球命中次数显著高于体教组(P<0.05),运训组罚球完成时间显著少于体教组(P<0.05)(见表1)。

表1 本研究罚球命中次数和完成时间组间比较

2.2 眼动指标组间比较分析

运训组注视时间显著高于体教组(P<0.05),眼跳距离和瞳孔变化幅度显著低于体教组(P<0.05)(见表2)。

表2 本研究眼动指标组间比较

2.3 脑电θ和β频段变化组间比较分析

运训组在罚球时脑电波θ和β频段较静站时,θ频段在FP2、C4、P3、P4、T4和T5部位导联的功率均显著下降(P<0.05),β频段在F3、F4、C3、C4、P3、P4、O1、O2、F8、T5和T6部位导联的功率均显著上升(P<0.05)。体教组在罚球时脑电波θ和β频段较静站时:θ频段在FP1、FP2、F3、F4、C4、P3、P4、O1、O2、F8、T5和T6部位导联的功率均下降,且差异显著(P<0.05);β频段在FP1、FP2、F3、F4、C3、C4、P3、P4、O1、O2、F7、F8、T4、T5和T6部位导联的功率均上升,且差异显著(P<0.05)(见表3)。

表3 本研究脑电θ和β频段功率变化组间比较

2.4 眼动特征和脑电特征相关分析

罚球时,被试总体注视时间、眼跳距离和瞳孔变化幅度与脑电波β频段呈正相关趋势,而与θ频段功率百分比呈负相关趋势,但均无统计学意义(见表4)。

表4 本研究眼动指标和脑电θ和β频段相关分析

3 讨论

3.1 罚球思维调控时间特征

在运动过程中,被试眼球的运动是跳跃式的,2次跳跃之间相对静止的状态就是注视。就同一被试个体而言,时间越长,加工越深;对不同个体而言,时间越长,加工速度越慢[12,18]。VICKERS[4]、HARLE[6]和VINE[19]等观察到,投篮准确率高的运动员,其注视时间较长;反之,注视时间则较短。但也有个别学者观点不同,廖彦罡等[20]认为,专项训练能够提高运动员在运动中的视觉信息处理和判断能力,与新手相比,专家具有更短的注视时间。本研究测试表明,运训组罚球完成时间短于体教组,但是运训组的注视时间却长于体教组。这表明,运训组被试在注视后用于投出球的操作时间要远远短于体教组。

结合对神经认知过程和相应运动情境分析,可以更好地理解罚球思维调控的时间特征。大脑皮层各功能区域电信号变化的结果与运动操作的感觉器官变化和思维活动密切相关,运动员在运动表现时脑电波α、β和θ等3个频段与运动表现具有较高一致性。LOZE[7]发现,专家气手枪射手在完成最佳射击前,对应视觉的大脑皮层枕部的活动显著增强,但在击发前转为降低。但HUNG[21]对飞镖运动员研究发现,专家脑电变化幅度要低于新手。本研究观察到,在罚球过程中,全体被试对应视觉功能区的枕部O1和O2的β波频段功率百分比显著提高,而θ波频段功率百分比显著降低,且体教组较运训组的变化更为显著,此结果与上述LOZE的研究是一致的。

枕部β和θ波功率变化说明,面对罚球任务,被试都能够充分动员视觉功能,通过注视来获取目标信息。本研究中,运训组注视时间较长,说明在投篮之前,专家运动员能够倾向于更多地注视,从而使策略加工更加趋于精细。根据LOZE的观点,在完成投篮操作时,对视觉的依赖程度降低,动作操作更多地依赖于形成的自动化程序,所以他们用于投球的操作时间要远远短于体教组,此时,他们相应脑电波功率可能趋于降低,这就可能造成上述HUNG所观察到的专家组脑电变化幅度较低的现象。而低水平的运动员或新手,由于其注视时间相对较短,他们可能会在缺乏足够信息和充分判断的情况下,匆忙、草率地形成投球的决策。因为罚球是篮球运动中的特殊过程,与激烈对抗的正常比赛不同,其运动任务的完成情境相对安静和简单,运动控制特征也倾向于闭锁性和陈述性,所以完成罚球任务的策略要求较低,这就使得新手可以在策略加工不足的情况下完成操作行为。

因此,从时间的视角来看,专家运动员表现出的注视时间较长和投球操作时间较短是经多年专项训练形成的经济性和精确性发展趋势,这使他们能够对目标点注视更长时间,以获得更多的目标信息并进行更深的加工,也使得他们的投球操作更为简练、流畅和精确。

3.2 罚球思维调控空间特征

眼跳距离指前后2个注视点之间的跨距,跨距越大,说明被试观察的范围越大,它是对信息加工内容多少的评价指标。接受多年训练的运动员,对于相同的运动情境,他们能够在视野中获得更为丰富的信息[12,18]。本研究罚球过程中,运训组眼跳距离显著大于体教组。

在实际测试中观察被试的行为还发现,被试维持注视点的能力存在着个体间差异。在罚球的引球上举过程中篮球会遮挡视线,此时多数被试能够保持注视,但体教组少数被试注视点消失,需要重新建立注视[22],这也可能导致个别体教组被试在举球至肩上后有停顿动作的现象。在开始抬肘伸臂将球投出的过程中,多数被试能够继续保持瞄篮点,但少数体教组被试瞄准点消失,转向篮板上方空中,注意转向想象中的空中篮球运行抛物线的最高点,这一行为应和少儿时期基层教练要求注视空中虚拟点有关。瞄篮点差异也是本研究中凸显的问题,即使在记录视频中表现出瞄篮点位于篮板(兴趣区域)内,但由于记录视频不具有景深的维度,测试并不能确定被试瞄准受测试瞳孔和瞄准点之间直线上的某一点,究竟是篮板或篮圈某一实点还是空中的某一虚拟点,而且在与被试的实际交谈中,被试的自我表述也不能与实际一致。

本研究中,所有被试在F3、F4部位导联的β波频段的功率百分比都显著提高,但运训组提高的程度低于体教组,且体教组在FP1和FP2部位显著提高。这说明,所有被试的运动前区和额叶都得到了充分动员,但在同样的视觉信息获取过程中,体教组需要更多的策略动员,即对于相同的罚球情境,运训组更倾向于较少地动员相关皮层的神经单元,从而减少神经系统的消耗。此外,2组之间F3、F4部位导联θ波频段的功率百分比的变化有着一些不同,虽然都具有下降趋势,但体教组下降显著,而运训组并不显著,这一结果与个别已有研究不同。CHUANG等[8]观察到,运动员在失败罚球的准备期中Fz和F4导联处θ波频段的功率波动显著增加,而在成功罚球的准备瞄准时,其前中部导联的θ波频段的功率更高,他认为,自动化执行任务之前的稳定唤醒和相对稳定的注意,能够促进运动表现结果。而本研究则认为,θ波频段下降趋势和β波频段增强的意义是一致的,θ波主要代表了被试的疲倦和抑制程度,这种变化也切合OKUHATA[10-11]所提出的脑电θ波的一致性模式和处理过程显著相关的观点。对于体教组被试来说,罚球过程中相应皮层的兴奋性提高幅度较高,则会相应地表现为θ波频段的功率百分比降低,这两者表现的内容是一致的。而对于运训组来说,同样的罚球情境并没有使他们出现更高的兴奋性,其θ波频段的反应自然也不会出现显著的降低。

本研究中所有被试均自发采用原地单手肩上投篮技术[23]完成投篮。本研究观察到,运训组左侧大脑半球感觉联络区P3和 T5部位θ波频显著降低。根据大脑半球皮层控制运动部位支配对侧身体的对应关系可知,运训组在罚球过程中能够将注意有选择地集中在视觉运用上的同时,侧重保持对右侧肢体的感觉联系和控制。这一调控方式和右手肩上投篮技术环节的要求是一致的。

因而,从空间特征来看,篮球专项训练可以使运动员在罚球情境中观察更大的目标范围,获得更多的视觉信息,同时也使得他们相应神经过程能耗趋于节约。在投篮动作操作中,其对躯体的调控偏于右侧肢体,低水平运动员对目标点的注视维持能力较低且个体差异较大。

3.3 罚球思维调控内容特征

视觉内容是思维调控最主要的信息。眼动指标中瞳孔变化幅度是指瞳孔直径的变化值,它与进行信息加工的心理努力程度密切相关[12,18,24],当心理负荷比较大时或任务难度增加时瞳孔直径增加,因此瞳孔变化幅度是信息加工时心理负荷的量化指标。本研究观察到,运训组罚球时注视时间显著长于体教组,瞳孔变化幅度却显著小于体教组。

基于大脑特定功能区域与相应机能的关系,LURIA[25-27]和POSNER等[28]先后提出了脑神经信息加工模型。(1)以顶叶部位为中心,与颞叶和中央凹后枕叶共同组成后部指向神经网络,它具有使注意稳定地指向任务目标的功能,并能使用同时性和继时性信息编码接受、加工和存储信息。罚球过程中,它指导注视稳定地指向瞄篮点,防止注视点徘徊或游离至其他目标。(2)额叶部位则为前部执行神经网络,负责意识决定层面,对自我心理活动起到制定计划、调节和控制作用。对于罚球技能,它具有发展更为流畅的投射动作的功能,从而能够降低对视觉的依赖。(3)脑干、间脑和两半球中央区组成了警觉神经网络,它负责调节皮层的状态,唤醒和维持注意。在罚球中,它起到协调后部指向和前部执行神经网络,以及防止注视期间的无关信息对这两个系统形成干扰[6]。

本研究罚球过程中,全部被试的β波频段表现出不同程度的上升,而θ波频段表现为不同程度的下降,说明被试大脑皮层的兴奋性变化的一致性明显,处于较好的运动唤醒状态中[10,21]。体教组被试的O1和O2、T3和T4、T5和T6、C4和P4部位导联的β波频段的功率百分比显著提高,尤其是C4和P4部位上升幅度最高,而相应部位的θ波频段的功率百分比显著降低,这些导联部位正是后部指向神经网络部位,其中O1和O2又对应视觉功能区,结合本研究瞳孔变化值来看,体教组对于信息加工的心理负荷较大,即为了维持视觉的稳定性,体教组被试需要动用更多的心理能耗。T5、T6、C4和P4部位对应大脑主要感觉区和感觉联络区,在信息加工过程中起到对多维信息进行加工和储存的作用。这表明,在罚球过程中,所有被试的思维调控仍须联合多重感觉,但体教组对多重感觉的依赖程度更高,在调控内容上有可能是维持较高的平衡感受功能和增强触觉、肢体本体的空间和速度感,从而需要募集更多的相应部位的大脑皮层单位[2]。进一步表明,对于罚球操作,2组之间存在着心理能耗差异,这也必然造成实际罚球操作时间的长短差异。

运训组的前额极区FP1和FP2的β波频段功率百分比虽然有上升趋势,但是并未产生显著性差异。这同样表明,长期专业化训练形成了运动水平差异的效应,使运训组被试在罚球操作过程中倾向于获得更多目标信息,对目标信息进行更深和更精细的加工,形成的技能更加流畅简练,又更少地募集相关大脑皮层部位的神经单元,加工任务的负荷程度相对较低,最终能够以相对快而流畅的动作完成引球和投篮动作。而面临同样罚球任务,体教组被试需要动用更深程度的思维加工,从而需要募集更多的相应部位的脑神经元,即相对运训组心理负荷较大。

运动员在运动情境中必然受到多维信息的干扰。其中,内部信息:心理方面有情绪、注意、认知及元认知等内容,以及生理生化水平变化带来的多种刺激;外部信息,如竞赛局面的变化,以及环境变化有喧闹、灯光、比分、裁判等。HARLE等[6]认为,这是运动调控中的不同层面的自由度,运动员在投篮时必须控制至少3个假设层面的自由度,即头部、注视和球/手。这种天生的多层结构使得投篮调控的难度处于较高的水平。而针对性训练可将调控目标优先维持在篮圈,这样的话,运动员的投篮操作只须控制球/手的自由度。前文所发现的偏重右侧肢体调控的脑电特征也佐证了这一控制方式。从信息加工的角度来看,通过专门性训练,高水平运动员能够在前部执行神经网络形成优化计划并对后部指向网络进行相应的调控,从而实现注意指向目标更为精简、明确和稳定。

在实际完成罚球的过程中,所有被试又因前例行动作(Pre-shot routin)和投篮操作程序的差异而表现出个体思维调控内容的不同[29]。前例行动作表现为,有运动员倾向于双手胸前持球,有运动员倾向于持球后原地运球,有运动员原地双手向上后旋抛接球数次等。而操作程序差异则表现为动作细节的差异,从技术标准来看,存在下蹲高度、手腕后座、举球高度、出手角度和拨指方式等个体差异;从动作细节来看,则有运动员倾向于无中断地完成从引球到出手,但有运动员倾向于在肩上短暂举球,再次瞄准然后投篮。这些不同的个体特征决定了完成罚球思维调控内容的不同。

VICKERS等[4,6]在对高水平篮球运动员罚球注视控制的训练中,明确且强调注视点为篮圈,并规定前例行动作为运球3次,也要求被训运动员,当引球穿过视野遮挡目标点时不需要维持注视,但前提是“快速地运用快而流畅的动作”完成投篮,以避免较缓的引球动作对注视点形成干扰。将罚球注视操作明确为,注视篮圈、举球后专注和迅速完成投篮,每个步骤都有相应的默念短语口令,这就使得运动员能够通过念动强化来摒除无关信息的信息内容,从而能够使思维调控内容趋于简单化、程序化和标准化。训练实践证明,这一方法能够有效提高运动员罚球表现。但VICKERS等人的研究主要集中在射击、飞镖、高尔夫和篮球的罚球等趋于闭锁性和陈述性操作的瞄准项目上,对于更为复杂的运动情境中思维调控的研究其借鉴意义尚显不足;且此方面以训练实践层面为主,尚需从神经系统的角度来系统地认识和评价瞄准操作思维过程[30-31]。

总之,从思维的内容特征来看,高水平篮球运动员在罚球过程中倾向于获取更多的信息,但对此付出的心理负荷却趋于节约。在罚球情境中,高水平运动员能够在多维信息中专注于对视觉和右侧肢体的球/手调控,虽然注视是优先维持环节,但完成罚球仍须联合多重感觉,低水平运动员更为依赖多重感觉。在未经历专门罚球注视训练情况下,即使是高水平运动员,也存在着常见的个人动作细节差异,采用简单化、程序化和标准化的注视训练能够有效减少这些个人差异并提高命中率。

4 结论

罚球过程中,所有被试都表现出多重感觉联合,而不仅依赖于视觉。但专家运动员注意指向趋于集中在视觉和右侧肢体,注视持续时间较长,任务负荷较低,思维调控能量消耗更为节约。虽然他们完成罚球总时间较短,但其中注视时间却较长,这使他们对信息加工更为精细,而后又能在更短时间内完成更准确的投球。

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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;录用日期:2014-07-06

黑龙江省自然科学基金项目(项目编号:C201436);江苏省体育局体育科技局管课题(项目编号:TY10242)

朱泳(1971-),男,江苏东台人,博士,副教授,研究方向为体育教育训练学。

1.盐城工学院体育教学部,江苏盐城 224052;2.辽宁师范大学体育学院,辽宁大连 116029;3.哈尔滨师范大学体育科学学院,黑龙江哈尔滨 150025。

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