短期羽毛球訓練對成年人整體運動知覺的影響

石 磊，朱子良，付慶镕，金 花

（1.北京航空航天大學 體育部，北京 100083；2.天津師范大學 心理學部，天津 300387）

體育鍛煉或急性運動（acute exercise）對認知功能的積極作用得到了大量研究[1-3]的證實，但多數研究聚焦于運動對注意、工作記憶或執行功能等高級認知功能的影響[4-6]，較少關注低級認知加工過程（如知覺過程）。知覺是高級認知功能的基礎，探討體育鍛煉對知覺的影響同樣具有重要意義。

整體運動知覺（Global Motion Perception，GMP）是指在一定視覺場景中，個體通過整合跨空間的局部運動信號，將各局部移動元素的軌跡整合成一個更具全局性的大刺激，并從中獲取運動速度和方向等信息的過程[7]。如果將足球場作為一個視覺場景，運動員們在場上不停地快速移動以協助同伴進球或阻斷對手射門。此時，場上每一名運動員相當于一個局部移動元素，移動軌跡因其與帶球運動員的空間位置關系不同而不同，但觀眾能通過整合每名運動員的移動信息而得到整個視覺場景的整體運動信息。GMP 是視覺功能的重要組成部分，它還與運動能力[8-10]、閱讀能力[11]以及認知能力下降[12]等密切相關。因此，探索能夠進一步提高正常個體GMP 或改善因老齡化、疾病導致的GMP 下降的訓練方案具有重要意義。

有研究[13-15]發現，GMP 可通過實驗室的知覺訓練得到改善，但經典的知覺訓練產生的知覺學習具有很強的特異性，當檢測分辨的任務、檢測對象的某一物理特征甚至檢測目標在視野中呈現的位置不同時，之前的學習效果就會減弱甚至消失[14-17]。通過經驗積累產生學習效應的知覺學習被認為有更強的遷移性或泛化性，可改善人們在一系列注意、知覺等認知任務中的行為表現[18-19]。如研究[20-22]發現，球類運動員更具有GMP 優勢。Overney 等[20]向被試呈現左右平動（horizontal translation）的隨機點陣（運動一致性設計為15%、10%和5%3種水平），要求被試判斷點陣的整體運動方向。結果顯示，3 種一致性水平下網球運動員的準確率均顯著高于非網球運動員。Liang 等[22]研究發現，羽毛球運動員在隨機點陣任務中的運動一致性閾值顯著低于短跑運動員和非運動員，而后兩者的運動一致性閾值不存在顯著差異，提示羽毛球運動對運動員GMP 的改善可能源于羽毛球運動本身的特性（如豐富的動態信息）而非一般性體力活動。上述結果表明，借助球類運動進行的知覺學習可能具有很好的遷移性，即知覺學習效果更容易遷移到更一般性的、與訓練內容無關的知覺任務中。球類運動的這種優勢可能與以下兩方面有關：①球類運動屬對抗性運動，運動中需根據視覺捕獲到的動態環境信息快速調整自己的行為反應，因此球類訓練雖以提高專業技術為目的，但也同時提高了視覺動態信息處理能力；②相對于實驗室單一的知覺訓練任務，伴隨球類運動進行的視覺訓練更為復雜，具有更高的遷移性。

上述球類運動對GMP 影響效果的研究均來自被試間設計，這類研究存在以下兩方面的局限：①被試間設計無法分離先天因素對實驗結果的影響，積極性結果只能證明球類運動經驗和GMP 之間存在相關關系，但難以解決GMP 優勢是高專業能力的原因還是結果這一問題。②運動員多數自小接受某項專業訓練，而兒童時期的神經和行為可塑性最強[23]，因此，橫向對比實驗結果難以推廣到所有人群特別是可塑性相對較低的成年人。成年后的視覺運動經驗積累特別是球類運動經驗是否能改善成年人的GMP 敏感性目前仍不清楚。此外，刺激速度可能影響個體在GMP 任務中的行為表現。如Kassaliete 等[24]調查了2 055 名6～19 歲被試在2（°）/s、5（°）/s、8（°）/s 3 種速度下的GMP，發現被試的運動一致性閾值隨著刺激速度的提高而上升（知覺能力下降）。至今極少有研究探討刺激速度在知覺學習誘發的GMP 變化中的作用。

基于此，本文應用心理物理學方法考察短期羽毛球訓練對成年人GMP 的影響，并通過對比快、慢2 種速度水平的刺激進一步揭示羽毛球運動對GMP 的影響特點。先前研究[21-22]發現，羽毛球運動員的GMP優于非運動員，這為本文選擇羽毛球運動作為干預手段提供了有效依據。雖然相關研究[18]發現視頻游戲也能改善GMP，但視頻游戲借助電腦等電子設備呈現，且互動發生在虛擬網絡空間中，對個體的視敏度、身體健康和真實生活中的人際交互能力可能存在一定的負面影響；而調查研究[25]發現，拍類運動的身心健康綜合價值促進效應較高，且我國羽毛球運動人口數僅次于跑步人口數[26]，因此，以羽毛球運動為模型探討真實生活中的球類運動經驗對成年人GMP 的影響比以視頻游戲為模型具有更好的社會意義和生態效應。

基于羽毛球運動的項目特征（運動過程的復雜性和開放性、動態視覺信息的豐富性）及知覺學習中關于復雜任務遷移性更高的結果，假設：①短期羽毛球訓練能改善成年人在訓練相關的知覺任務中的行為表現（球落點知覺能力）；②訓練可提高成年人GMP，即訓練組訓練后在隨機點陣任務中的運動一致性閾值顯著低于訓練前，且這種訓練效應在快速條件下更為顯著。

1 研究方法

1.1 研究被試

招募訓練組被試21 名，均為羽毛球培訓班成員，由在校大學生和社區健康成年人組成；控制組被試20 名，由普通在校大學生組成。2 組被試在后測前均不知道后測的存在。訓練組有7 名被試（男性5 名，女性2 名）未采集到后測數據，最終14 名被試（女性9 名）的數據有效；控制組20 名被試（女性11 名）的數據均有效。所有被試視力或矯正視力正常，無白內障、青光眼、黃斑變性等眼部疾病。所有被試在實驗前均簽署知情同意書并完成一份體育運動經驗調查問卷。

1.2 實驗設計和程序

采用三因素混合實驗設計。自變量1 為組別，含訓練組和控制組；自變量2 為測試時間，含前測和后測；自變量3 為刺激速度（GMP 任務速度）/任務難度（羽毛球落點知覺任務難度），含慢速[2.4（°）/s]、快速[9.5（°）/s]/難、易2 個水平。測試時間和刺激速度/任務難度為被試內因素。因變量為運動一致性閾值和落點判斷準確率。

由專業羽毛球教練員對訓練組進行為期10 周（2 次/周、2 h/次）的羽毛球訓練課程。每次課程的基本內容包括準備活動（5 min）、上次課程內容復習（20 min，如正手發高遠球30 次、正手高遠球動作30 次、反手放網動作30 次、殺上網步伐4 組）、本次課程技戰術要領學習（集中教學20 min，學生分組練習70 min，具體內容包括正手擊高遠球、正反手放網和挑球等）、放松活動（5 min）。控制組保持原有生活和學習習慣，不進行任何針對性訓練。2 組被試實驗前后都進行羽毛球落點知覺任務和GMP 任務測試，測試在安靜的房間內進行，視距約60 cm，1 次測試持續約30 min。

1.3 刺激和任務

1.3.1 羽毛球落點知覺任務

實驗材料來自以往研究[27-28]中世界高水平羽毛球單打競賽錄像的100 個片段。其中：難條件片段有60 個，每個片段持續時間為480 ms，錄像截停點為運動員準備擊球但球還未與球拍接觸的時刻；易條件片段有40 個，每個片段持續時間為1 280 ms，錄像截停點為球被擊出的第800 ms。測試時屏幕中首先呈現白色“+”1 000 ms，緊接著呈現比賽片段，要求被試盡可能快速且準確地判斷球員可能將球打到前半場還是后半場（不考慮左右），并做出按鍵反應。按鍵設置在被試間進行平衡。在正式測試前，每名被試先完成4 個練習試次，以熟悉測試程序。

1.3.2 GMP 任務

刺激為水平隨機運動點陣，所有刺激呈現在刷新率為60 Hz、分辨率為1 920×1 080 pixel 的電腦屏幕上。在黑色屏幕中央呈現一個直徑為12 cm、視角為11.42°的白色圓框，內有100 個白色圓點。點的密度為0.88 點/cm2，大小為2 px。點陣內部分點作為信號點以2.4（°）/s 或9.5（°）/s 的速度向左或向右一致運動[29-30]，其他點作為噪聲點以相同速度無規則隨機運動。運動信號的一致性水平指信號點占總點數的比例，被試達到實驗程序設置的正確率所需的一致性水平即為整體運動一致性閾值。GMP 較差的被試需要更高比例的信號點才能對點陣的整體運動方向做出正確判斷，即GMP 越差運動一致性閾值越高。

GMP 任務流程如圖1 所示，首先在黑色屏幕中央呈現紅色注視點提醒被試開始實驗（只在開始時呈現一次），然后呈現水平隨機運動點陣，之后呈現白色圓點（白色圓點在被試做出反應之后持續200 ms）。接下來呈現新的隨機運動點陣，如此循環。要求被試在點陣出現后盡可能快速且準確地判斷點陣的整體運動方向，并做出按鍵反應。實驗采用“2 下1 上”的適應性階梯法控制運動信號的一致性水平，即連續2 次反應正確則降低1 個步長（根據被試行為反應提高或降低的閾值的量），1 次反應錯誤則上升1 個步長，追蹤70.71%正確率水平下的運動一致性閾值[31]。要求被試共完成8 次反轉（閾值由降低變為提高或是相反），點陣的起始一致性水平為100%，前2 次反轉步長為10%，從第3 次反轉開始步長變為5%。步長為5%的后6 次反轉轉折點處一致性閾值的平均值為被試的運動一致性閾值，前2 次反轉的閾值因不穩定而刪除。每種速度的測試共包括2 組，每組約35 個試次。被試自主控制組間的休息時間。正式實驗前會進行20 個試次的練習。

圖1 GMP 任務流程Figure 1 The experimental procedure of GMP

1.4 數據分析

使用JASP（https://jasp-stats.org/）統計工具進行數據分析。①對被試人口學信息進行描述性統計，使用獨立樣本t檢驗比較人口學信息的組間差異；②對被試在2 個任務中的行為表現進行描述性統計分析；③以周運動時長為協變量對被試行為表現進行方差分析。羽毛球落點知覺任務：對被試表現進行2（組別：控制組/訓練組）×2（測試時間：前測/后測）×2（難度：難/易）的三因素重復測量方差分析，組別為被試間變量，測試時間和難度為被試內變量；對易條件下的行為表現進行2（組別：控制組/訓練組）×2（測試時間：前測/后測）的重復測量方差分析。GMP 任務：對運動一致性閾值進行2（組別：控制組/訓練組）×2（測試時間：前測/后測）×2（速度：快速/慢速）的三因素重復測量方差分析；分別對慢速和快速條件下的運動一致性閾值進行2（組別：控制組/訓練組）×2（測試時間：前測/后測）的重復測量方差分析。使用partialη2評估效應量，然后對以上方差分析中潛在的交互作用進行簡單效應分析。P＜0.05 表示存在顯著性差異。

2 研究結果

2.1 被試的人口學信息

對2 組被試的人口學信息進行描述性統計（表1）。獨立樣本t檢驗結果顯示，訓練組年齡顯著大于控制組[t(32)=-3.93，P＜0.001]，訓練組周運動時長顯著大于控制組[t(32)=-2.34，P=0.026]。2 組被試的學歷、運動年限、周觀看體育比賽時長、電子游戲行為（如半年內游戲時間、上月游戲時間、游戲年限）均無顯著差異（P＞0.05）。

表1 人口學信息描述性統計結果（M ± SD）Table 1 Descriptive statistics of demographic information

2.2 羽毛球落點知覺任務結果

羽毛球落點知覺任務描述性統計結果如表2 所示。為避免速度與準確率的權衡效應，進一步計算了逆效率分數（反應時/準確率，Inverse Efficiency Score,IES），分數越高表示行為表現越差[32]。

表2 羽毛球落點判斷結果描述性統計結果（M ± SD）Table 2 Descriptive statistics of badminton landing point judgment results

描述性統計結果顯示，訓練組每周運動時長顯著大于控制組，為排除周運動時長對研究結果的影響，將周運動時長作為協變量，對羽毛球落點判斷任務的準確率進行方差分析。結果顯示，測試時間的主效應顯著[F(1,31)=6.43，P=0.016，partialη2=0.17]，難度的主效應顯著[F(1,31)=65.82，P＜0.001，partialη2=0.68]，測試時間和組別的交互作用顯著[F(1,31)=5.85，P=0.022，partialη2=0.16]，三因素交互作用顯著[F(1,31)=6.70，P=0.015，partialη2=0.18]。進一步簡單效應分析結果顯示，控制組在易[F(1,31)=0.26，P=0.62]和難[F(1,31)=2.13，P=0.16]2 種條件下，前后測的正確率差異均不顯著；訓練組在難條件下前后測正確率差異不顯著[F(1,31)=0.15，P=0.70]，在易條件下后測正確率顯著高于前測[F(1,31)=14.80，P=0.002]。對易條件下的IES 進行兩因素（測試時間和組別）重復測量方差分析，結果如圖2 所示，測試時間和組別的交互作用顯著[F(1,31)=6.53，P=0.016，partialη2=0.17]。進一步簡單效應分析發現，訓練組后測IES 顯著小于前測[F(1,31)=10.52，P=0.007]，而控制組前后測IES 無顯著差異[F(1,31)=0.02，P=0.879]。結果證明，短期羽毛球訓練可改善個體在難度較低、與訓練內容相關的視運動知覺任務中的行為表現。

圖2 前測與后測IES 統計分析結果Figure 2 The statistical results of IES at preand post-test

2.3 GMP 任務結果

表3 為前后測運動一致性閾值的描述性統計結果。將周運動時長作為協變量，對數據進行三因素重復測量方差分析。結果顯示，測試時間[F(1,31)=4.25，P=0.048，partialη2=0.12]、速度[F(1,31)=164.22，P＜0.001，partialη2=0.84]的主效應顯著，測試時間和組別的交互作用顯著[F(1,31)=6.11，P=0.019，partialη2=0.17]，其余主效應和交互作用均不顯著（P＞0.05）。對測試時間和組別的交互作用進行簡單效應分析發現，控制組前后測差異不顯著[F(1,31)=0.012,P=0.916]，訓練組后測顯著小于前測[F(1,31)=7.53,P=0.018]。分別對2 種速度下的運動一致性閾值進行兩因素（測試時間和組別）重復測量方差分析發現：在慢速條件下，測試時間、組別的主效應和兩者的交互作用均不顯著（P＞0.05）；在快速條件下，測試時間和組別的交互作用顯著[F(1,31)=5.13，P=0.031，partialη2=0.14]。簡單效應分析結果如圖3 所示。訓練組后測運動一致性閾值顯著小于前測[F(1,31)=5.20，P=0.042]，控制組前后測無顯著差異[F(1,31)=1.04，P=0.322]。結果證明，短期羽毛球訓練提高了成年人對快速整體運動的知覺能力。

圖3 快速條件下前測與后測中的運動一致性閾值Figure 3 The motion coherence threshold under preand post-test of the fast speed condition

表3 前測與后測運動一致性閾值描述性統計結果（M ± SD）Table 3 Descriptive statistics of the motion coherence threshold of the two groups in pre-and post-test

3 討論

GMP 對人類更好地適應周圍的動態環境具有重要意義。先前研究發現，長期處于動態信息豐富的視覺場景的個體（如視頻游戲玩家和球類運動員）有著較優的GMP（較低的運動一致性閾值），提示視運動知覺經驗的積累和更優的GMP 之間可能存在一定的相關關系。本文發現：訓練組訓練后對羽毛球飛行落點的知覺準確率高于訓練前，在GMP 任務中對整體運動信息的知覺閾值低于訓練前；而控制組沒有表現出相似的變化。這說明短期羽毛球訓練不僅可提高成年人在與訓練相關的視運動知覺任務中的行為表現，還可改善成年人對快速整體運動信息的知覺能力，與研究假設相符。這一結果與先前橫向研究[20-22]得到的結果一致，且進一步將先前橫向研究中“球類運動經歷和更優的GMP 能力”間的相關關系拓展為因果關系，為羽毛球運動對GMP 的影響提供了有力的證據。

3.1 羽毛球訓練對專業相關的知覺能力的影響

球類運動員與專業相關的視運動知覺優勢已被廣泛證實[27,33-34]。應用相同的實驗材料和范式，Jin 等[27]發現，專業羽毛球運動員在易條件和難條件下球落點判斷任務中的準確率均顯著高于非運動員，但本文僅在易條件下觀察到訓練效應。結果的差異可能與2 個條件下的任務難度、任務涉及的認知過程、訓練經歷不同有關。雖然在2 種條件下的任務相同，都要求被試根據錄像片段判斷球的落點，但在2 個條件下所提供的信息量差異極大。在難條件下，錄像片段的持續時間為480 ms，錄像截停于球與拍接觸前的瞬間，被試只能借助運動員擊球前的位置和肢體姿勢等信息來推斷運動員可能將球打到什么位置，運動知覺的對象（球）和運動線索的供體（運動員的身體動力學信息）是分離的。難條件下的任務完成完全依賴于預判過程，需要豐富的專業知識積累，相對而言，專業運動員擁有幾年甚至十幾年的專項訓練和比賽經驗，而本文中僅10 周的訓練能積累的專業知識非常有限。在易條件下，錄像截停時球已飛過網并且接近落點，被試可更多地根據球的飛行速度和方向來判斷球可能的落點，對專業知識的需要相對較少，較短時間或業余訓練即可改善個體在這一任務上的行為表現。綜上所述，本文結果證實，短期羽毛球訓練可提高與訓練內容相關的視運動知覺能力，為其是否能提高遷移性指標（GMP）的效果奠定了前期基礎。

3.2 羽毛球訓練對專業無關的GMP 的影響

本文發現10 周羽毛球訓練后個體在快速條件下GMP 能力有所提高，這說明羽毛球運動對視運動知覺的改善作用可以從訓練相關的任務遷移到更具一般性的、與訓練無關的GMP 任務中。羽毛球運動對視運動知覺的這種泛化影響可能與羽毛球運動的復雜性和視覺動態信息的豐富性有關。作為一項開放性對抗項目，羽毛球運動過程極其復雜，涉及多類知覺、球路預期認知過程。當訓練任務的復雜度高于測試任務時，知覺訓練的學習效應更可能被遷移[35]，如包含視覺注意[36]、對比度敏感性[37]等的視頻游戲訓練可以提升游戲選手在簡單的GMP 任務中的行為表現[38]。羽毛球運動集小場地、快速度和高時間壓力于一身，動態信息極為豐富。雖然它不以視覺訓練為直接目的，但通過視覺預判球的落地點對贏得比賽非常關鍵，它要求運動員在短時間內分析、整合大量視覺動態信息，如球本身的運動信息、運動員在運動場中的跑動信息和持拍臂的揮動信息等。先前已有大量研究[39-41]證明，球類運動經歷可能改變個體在各類視覺任務中的行為表現，如季朝新等[41]發現，羽毛球運動員相比新手在完成多目標追蹤任務時探測刺激的覺察率更高。

在速度、組別、測試時間三因素交互作用不顯著但速度主效應顯著的前提下，嘗試對不同速度條件下的數據進行兩因素方差分析，發現實驗操縱的影響主要發生在快速GMP 上，即短期羽毛球訓練經驗僅改善了成年人快速GMP 能力，但不影響慢速GMP 能力，這可能與以下兩方面因素有關：①個體可能存在分別對慢速和快速整體運動更為敏感的兩套不同的系統[42]，這兩套系統發育速度不同[43]、易受損性不同[44-45]，對訓練的敏感性可能也不同。如：Meier 等[44]發現，弱視兒童的GMP 損傷在慢速運動上的表現更為明顯；Bogfjellmo 等[46]發現，在1.6（°）/s 和5.5（°）/s 速度下老年組的GMP 敏感性均顯著低于青年組，且在1.6（°）/s速度下GMP 損傷表現得更為嚴重。②羽毛球運動過程中的視運動知覺是在高時間壓力下進行的，視覺信息加工的目的是判斷動態環境中高速飛行的球的速度和方向，因此，羽毛球運動可能更多地訓練了快速整體運動的加工系統。由于本文的訓練持續時間和訓練強度遠低于專業羽毛球訓練，本文結果難以推斷長期、專業的羽毛球訓練是否可同時改善慢速和快速GMP 能力。另外，Yang 等[47]基于多類訓練任務的研究提出，在知覺學習中可能存在跨任務的一般性知覺學習能力。由于實驗設計的局限性，本文無法進一步揭示羽毛球訓練改善成年人GMP 的具體機制，不能區分成年人經短期羽毛球訓練后GMP 的改善是源于訓練對GMP 的直接作用還是訓練對跨任務的一般知覺學習能力的改善。

本文也存在一定的局限性。①沒有設置活動對照組，難以直接排除“觀察到的結果不是由羽毛球這一特定的項目訓練而是由單純的體力活動增加引起的”這樣的觀點；“羽毛球訓練更側重于改善快速GMP”這一結論是在未發現速度、組別和測試時間3 個因素存在交互作用的前提下，對不同速度條件下數據進行兩因素方差分析發現的，且簡單效應分析得到的訓練組前測和后測運動一致性閾值差異雖顯著（P=0.042），但接近0.05 的統計檢驗臨界值，統計效度較弱。②采用的分組方式不是隨機分組，可能會對實驗結果產生一定影響。結論的可靠性有待后續研究通過更嚴謹的實驗設計和招募更多的訓練組被試證實。另外，足球、網球等運動和羽毛球運動在動作的復雜性和場景的動態性上存在一定相似性，相關研究[20]也發現，網球運動員在特定難度隨機點陣任務中的行為表現優于非運動員，因此后續研究有必要全面探討球類運動與GMP 間的關系，以期篩選出提高GMP 最有效的運動方式。

本文結果對GMP 知覺學習的應用研究具有一定的指導意義。如前所述，知覺學習效應的遷移或泛化是當前知覺學習應用領域面臨的極大挑戰[48-49]。相較于先前研究發現的可以提高個體GMP 泛化程度的知覺學習方法，如實驗室點陣任務訓練或電子游戲活動等[38,50]，至少對弱視群體和正常群體而言，融合體能、技能、認知能力及更具社會性和娛樂性的羽毛球訓練是改善或提高其GMP 的更好選擇。而且，研究[51]發現，GMP 的損傷還可能引發或伴隨其他認知功能的損傷，如GMP 能力下降可能導致機動車駕駛過程中對危險的感知力下降，閱讀障礙兒童[11]、弱視者[52]和自閉癥患者[53]等均表現出GMP 異常。雖然迄今并無直接證據證明，通過運動訓練提高GMP 可以有效改善上述認知缺陷或臨床癥狀，但本文為上述功能障礙康復方案的制定提供了一定啟示，今后的實驗研究可進一步探討GMP 的改善和上述功能障礙改善間可能存在的因果關系。

4 結論

本文初步發現，短期羽毛球訓練不僅可有效提高成年人在訓練相關的視運動知覺任務中的行為表現，還可改善成年人在更一般性的、與訓練無關的GMP任務中的行為表現，羽毛球經歷積累的視運動知覺經驗具有較好的遷移性。

作者貢獻聲明：

石 磊：實施研究方案，制定訓練方案，撰寫論文初稿；朱子良：采集、分析、處理數據，校對文稿，核對數據；

付慶镕：招募被試，實施訓練方案；

金 花：設計、實施研究方案，提出論文框架，修改論文。