不同技能水平个体在拦截任务中预测性与前瞻性控制策略的差异研究

本研究通过眼动追踪与触屏拦截任务，系统探讨了棒球专家与新手的视觉运动协调机制。结果显示：专家表现出更短的眼跳潜伏期（Saccadic Latency）、更长的注视持续时间（Gaze Duration）和更低的时空误差（Timing Error/Radial Error），且在视觉信息受限（Stimulus-hidden）条件下仍能保持高效的眼-手耦合（Eye-hand Coupling）。研究表明，专业技能提升依赖于预测性控制（Predictive Control）与在线反馈（Online Feedback）的灵活整合，为运动技能训练提供了神经行为学依据。

　　

引言

成功拦截快速移动物体需要预测性控制和视觉运动信息的在线处理能力的协同作用。尽管已有研究揭示了棒球击球等高速拦截任务中视觉策略的重要性，但关于专业技能如何影响个体在轨迹信息受限情况下利用晚期视觉信息的机制仍不明确。本研究通过控制实验设计，限制晚期视觉信息的获取，旨在分离视觉信息可用性减少的影响，探究不同技能水平个体在时间要求严格的拦截任务中视觉与运动系统耦合的差异。

方法

参与者

研究最终纳入20名健康男性大学生，分为新手组（n=10，无棒球经验）和专家组（n=10，来自本地大学棒球队，具有超过10年训练经验）。所有参与者视力正常或矫正正常，色觉正常。样本量基于先前类似实验范式的功效分析确定，采用G*Power软件计算，最终每组至少10人以满足混合设计统计效能要求。

实验任务与装置

实验装置包括眼动仪（Gazepoint GP3 HD，采样率150 Hz）和触控显示器（BitM U24OLED Edge HDMI）。参与者使用触笔在屏幕上拦截水平移动的刺激目标。刺激以三种恒定速度（0.5、0.67、1.0 m/s）沿40 cm水平轨迹移动，目标区域位于屏幕右上角。实验设置 chin rest 以限制头部运动，眼动仪与触屏通过系统时钟同步，时间精度控制在±6 ms以内。

实验程序

实验采用两种视觉条件：刺激完全可见（Stimulus-unhidden）与刺激部分隐藏（Stimulus-hidden，最后1/3轨迹被遮挡）。参与者需在刺激出现后追踪其运动，并用触笔在目标区域拦截。每组参与者先完成熟悉化和练习阶段，随后进行60次随机化实验 trials。实验过程中不提供性能反馈，以避免影响控制策略。

数据分析

数据分析涵盖三个维度：（1）眼动特征：包括眼跳潜伏期（Saccadic Latency）、注视持续时间（Gaze Duration）和注视误差（Gaze Error）；（2）手动响应时空误差：包括时间误差（Timing Error）、径向误差（Radial Error）、反应时间（Reaction Time）和运动时间（Movement Time）；（3）眼-手耦合：包括时间耦合（Temporal Coupling）和空间耦合（Spatial Coupling）。数据采用三因素混合设计ANOVA分析，组间因素为技能水平（新手/专家），组内因素为刺激速度与视觉条件。

结果

眼动特征

专家组眼跳潜伏期显著短于新手组（F(1,18)=114.63, p<0.001, η_p²=0.889），且随刺激速度增加而缩短（F(2,36)=25.58, p<0.001）。专家组注视持续时间更长（F(1,18)=14.47, p<0.001），注视误差更低（F(1,18)=7.32, p<0.05）。视觉条件主效应显著，隐藏条件下注视误差更大（F(1,18)=5.85, p<0.05）。组别与速度在眼跳潜伏期和注视误差上存在显著交互作用（p<0.05），专家组在高速条件下优势更为明显。

时空误差与响应时间

专家组时间误差（F(1,18)=49.69, p<0.001）和径向误差（F(1,18)=7.31, p<0.05）均显著低于新手组。误差随速度增加而增大（p<0.001），隐藏条件下径向误差更高（F(1,18)=9.19, p<0.01）。专家组反应时间（F(1,18)=5.28, p<0.05）和运动时间（F(1,18)=5.21, p<0.05）更短，且随速度增加而减少（p<0.001）。

眼-手耦合

专家组时间耦合更短（F(1,18)=14.99, p<0.001），空间耦合更低（F(1,18)=11.70, p<0.01）。组别与视觉条件在时间耦合（F(1,18)=6.58, p<0.05）和空间耦合（F(1,18)=8.61, p<0.01）上存在显著交互作用：专家组在隐藏条件下时间耦合延长、空间耦合增加，而新手组无显著变化。

讨论

本研究结果表明，专业技能显著影响个体在拦截任务中的预测性与前瞻性控制策略运用。专家通过更早发起预测性眼跳（Predictive Saccades）和更稳定的注视策略，实现了高效的视觉-运动整合。其在视觉信息受限条件下仍能调整眼-手耦合机制，体现出对预测规划与在线反馈的灵活运用。相比之下，新手依赖单一的视觉处理策略，缺乏对不确定信息的适应性调整。

研究还发现，时间精度更多依赖预测性控制，而空间精度则需在线反馈的参与。专家较短的反应与运动时间反映了其基于经验的快速决策与动作启动能力。这些发现支持了拦截行为处于“预测-反馈连续统”（Prediction-Feedback Continuum）的理论框架，个体根据任务条件与自身技能水平动态调整策略组合。

结论

本研究揭示了专业技能在视觉运动协调中的关键作用：专家通过早期预测性眼跳、稳定的目标区域注视及灵活的眼-手耦合调整，优化了时空精度与响应效率。其在视觉信息受限条件下的策略适应性，凸显了感知行动整合的高阶能力。未来研究可进一步拓展运动轨迹类型（如曲线路径）与视觉遮挡时序操作，以深化对感知-运动协调机制的理解。本研究为运动技能训练与神经康复提供了实证依据与理论支持。