一项关于专业篮球运动员与新手运动员的眼动研究

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作为一个标准的实验范式，专家—新手研究在认知和学习等研究领域已经得到了广泛的应用。在我们的推文中，我们已经介绍，并将陆续推出更多关于特殊领域的专家—新手研究，如：
这类研究从分析专家长期经验累积下的视觉习惯入手，分析专家高任务表现的原因。并以此为依据，试图探索出更有效的专业教学方式。在专家—新手研究中，诸如正确率和反应时这类传统指标只能告诉研究者“噢，专家确实比新手表现更好”（是什么）。因为此类指标只能表征最终的任务表现。而作为一种信息含量高得多的数据类型，眼动数据能够揭示更多关于认知过程的信息。从而能够为研究者带来更多关于“专家为什么好于新手？”（为什么）的启示。
今天，我们要为大家带来的是另一个特殊领域的前沿探索。新年伊始，东南大学的金鹏副教授发表了一篇文章 Research on visual search behaviors of basketball players at different levels of sports expertise（不同专业水平的篮球运动员在视觉搜索中的差异）。研究重点探究了专家和新手篮球运动员对比赛形势的判断，并使用眼动追踪技术细致分析了视觉搜索任务中的认知过程。

作者谈
“感谢各位对本研究的关注！本研究基于运动实践，对优秀篮球运动员的视觉搜索特征进行探讨，对运动员进行有针对性的认知训练和球类项目科学选材提供理论依据和帮助。本研究的顺利进行印证了Tobii眼动追踪系统硬件的可靠(Tobii X3-120)和软件的强大(Tobiipro·lab)，更离不开 Tobii 中国苏州公司工程师们热情、耐心和专业的指导。希望在未来的日子里，Tobii 中国能与有志于眼动研究的科研工作者精诚合作，携手共赢。”
——金鹏博士，副教授
东南大学体育系



原文链接：https://www.nature.com/articles/s41598-023-28754-2


推荐该研究的理由：
探究了不同水平的篮球运动员的决策任务表现；
探究了不同水平篮球运动员对球场形势的视觉搜索过程；
深入探讨了专家篮球运动员的认知机制；
使用了基于注视的两个指标，衡量了被试在视觉搜索过程中的注意机制；

通过本文您能够了解到：
运动心理学领域的前沿探索；
眼动追踪技术在竞技体育领域的应用；
使用眼动追踪技术结合专家—新手范式的优秀科研实践；


1. 研究背景
及时准确地做出预测和决定是运动员取得成绩的基础。此前，已有许多视觉搜索研究证明了高水平的运动员在此类任务中的成绩优于新手运动员。视觉搜索是从无关刺激中找到目标的过程，被广泛用于认知心理学的研究中。视觉搜索任务可以反应运动员的视觉信息处理模式、认知能力、决策和判断反应能力。但前人研究中更多关注的是作为有一个整体的视觉注意，而很少有研究深入探究视觉注意的各个部分在问题发现中的作用。而具体到篮球运动研究中，前人研究注重罚球或跳投等封闭式技术，缺乏对球场局势判断的研究。
随着篮球规则的发展，“小球战术”在篮球运动中已经成为主流战术。不同于传统战术中依靠强力的中锋或其他内线发挥主要作用，小球战术更多依靠更多的传球，挡拆等创造空位来制造投篮出手的机会。相比于传统战术，小球战术更加灵活，无论是持球还是攻防转换都更加迅速。这种转变带来了“对抗强”、“节奏快”、“变换多”的球场环境，这就要求篮球运动员具有更强的视觉搜索能力，以快速判断场上局势并做出准确决策。


2. 研究问题和假设
为了探究篮球运动员对局势判断的认知过程，本研究主要关注以下研究问题，并提出了与之对应的假设：
研究问题1：专家和新手运动员在进攻决策上的任务表现是否存在差异？
研究假设1：专家运动员能够更快且更准确地做出进攻决策，这体现在更短的反应时间和更高的反应正确率上
研究问题2：专家和新手篮球运动员在对球场进攻局势的视觉搜索过程中有何差异？
研究假设2：专家在对球场局势视觉搜索策略更加高效、合理，这体现在对局势关键部分的注视时间更长、注视次数更多、注视轨迹更简洁且更少关注无关信息区域。


3. 实验设计
采用一个单因素二水平被试间实验设计。自变量为被试的篮球水平，有两个水平，专业运动员和新手运动员。采用四个指标作为因变量评估被试的任务表现和认知过程：




4. 方法
4.1 实验材料
从NBA比赛中挑选21张截图，6张用于练习，15张用于测试。这些截图由三种进攻场景组成：传球、突破、投篮。所有实验材料均由经验丰富的篮球教练筛选和评估。

4.2 实验流程
首先调整被试的坐姿，使被试距屏幕60cm，让被试熟悉三种进攻决策的按键。而后执行9点眼动校准，校准后，向被试呈现指导语，每个试次的顺序如下：首先呈现一张只有篮球的图片，要求被试注视这一点2000ms，此时，篮球相当于其他实验中的注视点，以控制被试在实验开始前的眼动位置。而后呈现一张比赛截图，呈现5000ms，要求被试尽可能快速，准确地做出进攻决策（传球、突破、投篮），如果被试在5000ms内没有做出任何判断，则进入下一个试次。


4.3 实验被试
使用G-Power计算样本量，共招募了48名男子篮球运动员。其中专家组运动员来自于篮球职业联盟CBA和CUBA，前锋12人，后卫12人。而新手运动员是来自于某体育类高校的本科生。

4.4 实验仪器
采用Tobii Pro X3-120（现已升级为Tobii Pro Fusion）眼动仪采集被试的眼动数据，采样率为120Hz。使用一台分辨率为1920x1280像素，刷新率为120Hz的LCD显示器呈现刺激程序。使用Tobii Pro Lab呈现实验，并收集和预处理眼动数据。



(Tobii Pro Fusion)



5. 结果与讨论
5.1 结果
5.1.1 AOI
本研究根据文献和研究目标确定了三个AOI。由教练根据进攻时威胁区域的评估确定:K-AOI（关键兴趣区，持球球员、关键队友、防守球员），R-AOI（相关兴趣区，防守球员前方的自由空间）和I-AOI（无关兴趣区，未定义的其他区域）。



5.1.2 任务表现
对两组被试的决策反应时和决策正确率做独立样本t检验，发现专家球员的判断显著地快于新手球员，且正确率更高。


5.1.3 眼动行为
对两组被试在每一个兴趣区内的注视时间百分比做配对样本t检验，结果发现，专家对K-AOI的注视时间比例更高，但与新手没有显著差异；专家对R-AOI的注视时间比例更高，且差异显著；最后，专家在I-AOI的注视时间比例显著小于新手。


对两组被试在每一个兴趣区内的注视次数百分比做配对样本t检验，结果发现，专家对K-AOI的注视次数比例更高，但与新手没有显著差异；专家对R-AOI的注视次数比例更高，且差异显著；最后，专家在I-AOI的注视次数比例显著小于新手。


5.1.4 眼动数据可视化
注视轨迹图（Gaze Plot）能够显示被试在刺激材料上的注视位置，顺序和时间，可以用来揭示观察的时间序列规律。通过对专家和新手运动员的注视轨迹图比较，不难发现，专家的注视点较少，且集中在K和R-AOI中。与之相比，新手运动员不仅关注K-AOI，还将注意力分配到了无关区域中。




热点图（Heat Map），也是一种眼动数据的可视化工具，能够形象地呈现多个或多组被试的注视在刺激材料上的分布情况，并允许研究者做被试间的对比。与注视轨迹图的结果相似，专家运动员更多地将注视分配在关键相关区域，而较少分配在无关区域。





5.2 讨论和结论
本研究采用篮球比赛图片作为实验材料，选取专家和新手篮球运动员作为实验对象，考察了他们的进攻决策，并在过程中使用眼动追踪技术探究了他们的视觉搜索过程。最终，实验结果支持了两个假设：
专家运动员能够更快且更准确地做出进攻决策，专家运动员的反应时和正确率都要高于新手运动员；
专家运动员对球场局势的视觉搜索策略更加高效，合理。相比于新手运动员，他们的注视分配更加集中在关键和相关区域，而较少外溢到无关的区域中去。

以上结果支持了这样一个结论，即，专家篮球运动员比新手运动员表现出更高效和有效的视觉搜索策略。在观看比赛场景图片时，专家在信息更丰富的区域产生了更长的注视时间和更多的注视次数。专业篮球运动员在决策测试中表现出更快的反应时间和更高的决策准确率。


6. 总结
在研究 Research on visual search behaviors of basketball players at different levels of sports expertise 中，金鹏副教授等人使用了一个简洁明确的单因素被试间实验设计，比较了专家和新手篮球运动员对球场进攻局势的决策的成绩和其中的视觉搜索过程。揭示了专家运动员表现更好的底层认知机制。通过眼动追踪技术，金老师等人不仅解决了“是什么”的问题，并且更进一步，尝试回答了“为什么”的问题。作为一种高时间和空间分辨率的测量技术，眼动追踪能够揭示认知过程的注意机制。而有意识活动的绝大部分心理过程都是从积累视觉信息开始的。通过眼动追踪技术，能够为传统研究领域和范式带来新的启示和更多活力。


参考文献
Jin, P., Ge, Z., & Fan, T. (2023). Research on visual search behaviors of basketball players at different levels of sports expertise. Scientific Reports, 13(1), 1–10.


致谢
感谢东南大学的金鹏老师允许我们报道并解析他们发表的研究成果，也感谢金老师团队在本文写作中给予的大力支持。




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艾小西

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