身体スキル獲得過程における身体動作と着眼点に関する実験的検討

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身体スキル獲得過程における身体動作と

着眼点に関する実験的検討

Analysis of Participants’ Body Movements and Their Intentional

Focuses in Motor Skill Acquisition by Novice Jugglers

市川淳

1∗

_{三輪和久}

1

_{寺井仁}

1,2

Jun Ichikawa

1

_{Kazuhisa Miwa}

1

_{Hitoshi Terai}

1,2

1

_{名古屋大学大学院情報科学研究科}

1

_{Graduate School of Information Science, Nagoya University}

2

_{JST/ CREST}

2

_{CREST, Japan Science and Technology Agency}

Abstract: We investigated how the diﬀerences of intentional focuses of novice jugglers inﬂuence their processes of motor skill acquisition. In the experiment, novices practiced three-ball cascade juggling over a period of one week. We analyzed the stability transition of body movements and verbal reports referring to what they intentionally concerned for achieving the optimum learning in practice. The result showed a possibility implying whether novices focus on the control of timing and rhythm in practice or not greatly related to the processes of acquisition of stable body movements.

1 はじめに

スポーツや演奏，伝統芸能等で要求されるスキルは，身体で現される暗黙的なスキルである（以下，身体スキルと呼ぶ）．身体スキルに関する研究は，運動学やスポーツ科学だけでなく，近年，認知科学においても，様々な手法を用いて実験的に検討が行われている（例えば，Ito ら [1]; 渋谷ら [2]）．その中でも，Suwa[3] は，学習者の言語報告に基づく，思考や知覚といった意識的活動に着目し，それらとパフォーマンスの関係について検討している．そこでは，身体動作と思考，知覚，環境とのインタラクションにより，身体スキルが獲得されると主張している．古川ら [4] は，身体スキル研究の発展に向けて，運動計測から得られた客観的な定量データと，言語報告から得られた主観的な定性データの両アプローチから，身体スキルを議論する重要性を述べている．運動学やスポーツ科学をはじめ，運動計測を用いた分析に主軸をおいた研究では，現在に至るまで，身体動作の特徴に関して膨大な知見がある．これらは，客観的な定量データに基づいて議論が行われているが，意識的活動と関連付けて検討した研究は多くない．一方，言語報 ∗_{連絡先：名古屋大学大学院情報科学研究科} 〒 464-8601 名古屋市千種区不老町 E-mail: [email protected] 告を用いた分析に主軸をおいた研究では，学習者の思考や知覚に関連する意識的活動について検討しているが，定量データに基づいて身体動作の特徴を捉え，学習過程における身体動作の変化を捉えるといった実験的検討は行っていない．運動計測と言語報告の両面からのアプローチは，古川ら [4] でその重要性が主張されているものの，未だ，その取り組みは少ないと考えられる．そこで，本研究では，ノービスによる身体スキル獲得において，身体スキルを獲得する上で，どのような観点に基づいて練習を行っていたのかといったような意識的活動が，身体スキル獲得過程にどのような影響を与えるのかについて実験的に検討する．本研究では，先述した観点を着眼点と呼ぶことにする．本研究では，身体スキル獲得の課題として 3 ボールカスケード（ボールジャグリング）を取り上げる．3 ボールカスケード（以下，カスケードと呼ぶ）は，ボールジャグリングの中でも最も基本的な身体スキルである．カスケードを対象とした身体スキルの獲得については，運動制御や，タイミングやリズムに関連する時間制御の側面から，これまで数多くの先行研究がある（例えば，Hashizume ら [5]）．カスケードは，多くの実験参加者にとって新規に獲得する身体動作であるため，身体スキル獲得における初期段階からの学習過程を検討しやすい課題である．さらに，ボールの連続キャッチ数人工知能学会研究会資料 SIG-ALST-B403-14

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でパフォーマンスを客観的に評価できる点についても，優れた特質を有している．カスケードのような周期的な運動が要求される課題においては，身体動作の安定性が重要であると考えられる．そこで，本研究では，カスケードを行う際の (1) 身体的位置の安定性と，(2) 時間周期の安定性，2 つを用いて身体動作の安定性を捉える．分析上の便宜から，手首の上下運動に着目し，その最下点をトスに関連する特徴点である「谷点」，最上点をキャッチに関連する特徴点である「山点」と定義して，両点における身体的位置の安定性と，時間周期の安定性を検討する（図 1）．(1) については，「腕の振りにおける，安定した周期的な運動により，カスケードが行われること」と，「身体全体を動かさずに，カスケードが行われること」の 2 つが鍵となる．そこで，前者をボールに触れる手に直結する「手首」の位置の安定性，後者を身体全体の動きと関連する「胸」の位置の安定性に基づき，それぞれ評価する．本研究では，ノービスに 7 日間，カスケードの練習を行わせた．そして，各参加者における着眼点の差異が，身体動作の安定性にどのような変化をもたらすのかについて検証する．なお，着眼点は言語報告，身体動作の安定性は運動計測によって，それぞれ測定された．図 1: 山点と谷点の定義.

2 実験方法

2.1 参加者

大学生，及び大学院生 26 名（全員男子，平均 20.8 歳）が，以下で述べる実験オーディションに参加した．参加者 26 名は全員，右投げでジャグリング未経験者である．そして，それを通過した 11 名（全員男子，平均 20.5 歳）が実験に参加した．

2.2 手続き

本実験は，7 日間にわたって実施された．1 日目に，参加者はジャグリング専用ボール 3 個を受け取った．さらに，補助資料として，投げ方について図解された解説シートが配布された．加えて，エキスパートによるカスケードの映像が実験室の壁に映し出され，参考にするよう指示を受けた． 1 日目は，実験オーディションを行った．このオーディションで，制限時間約 60 分以内に連続キャッチ数 7 回以上できた参加者は，2 日目以降の実験に参加することができた．結果，11 名が 2 日目以降の実験に参加した．2 日目以降は，補助資料なしで 7 日目まで，1 日最低 60 分，各自で練習を行った．進捗状況を確認するために，2 日目以降，連続キャッチ数を測るパフォーマンス測定を実施した．パフォーマンス測定では，足下に仕切られた縦 70cm ×横 70cm の枠内でカスケードを原則 10 試行，最大 25 試行行った．さらに，パフォーマンス測定時の身体動作を 3 次元モーションキャプチャで計測した．計測にあたって，左右の手首，肘，肩，そして胸計 7 か所に反射マーカーが取り付けられた．これらの反射マーカーの動きを，参加者の周囲に設置された赤外線カメラ 9 台（NAC 社製，Hawk: 4 台，Hawk-i: 5 台，サンプリング周波数： 100Hz）で捉えた（実験の途中，Hawk-i が１台故障したため，8 台で計測を実施した）．3 次元モーションキャプチャにより，床を原点とする各身体部位の位置を，3 軸方向（奥行方向，水平方向，垂直方向）で記録した．また，パフォーマンス測定前後に，参加者は半構造化インタビューを受けた．インタビューでは，カスケードを続けるうえでの重要な点に関して，自由に言語報告を行わせた．報告が少なく，実験者が内容を理解できない場合は，より詳細な報告を促した．

3 実験結果

3.1 パフォーマンス測定

参加者 11 名中 5 名がパフォーマンスを大きく向上させ，連続キャッチ数 100 回以上を達成したことが確認された．図 2 は，100 回以上を達成した，参加者 5 名におけるベストパフォーマンスの推移である．横軸は測定日，縦軸はベストパフォーマンス（回数）である．全参加者を通した最高記録は，409 回（参加者 A の 7 日目）であった．今回，最も高いパフォーマンスを記録した参加者 A と，2 日目で連続キャッチ数 1 桁（6 回）から始まり，そこから，ベストパフォーマンスが一貫して向上し続け，最終的に 100 回以上を達成した参加者 B を対象に，以降の分析を行う．

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図 2: ベストパフォーマンスの推移.

3.2 着眼点

半構造化インタビューより，参加者がどのようなことに着目して練習を行っていたのかという着眼点に関する分析を行う．本分析では，大谷 [6] で提唱されている，言語データの概念化を行う SCAT (Steps for Coding Theorization) を用いて，報告内容の一般化を行う．そして，一般化された言語報告を，意識的に着目した観点（着眼点）として，参加者 2 名における着眼点の特徴について以下で検討する．参加者 2 名の着眼点には，それぞれ以下のような特徴があった．まず，参加者 A については，練習の中盤である 4 日目に，「指先でトスをするように，ボールを手の上で転がして調整を行う」や「トスを行うための時間をつくる」，「ボールの握りを修正する」といった，ボールを正確に投げ上げるために，トスの直前の準備に意識が向いていたことが確認された．一方，参加者 B では，練習の序盤である 3 日目から既に，身体やボールに加えて，タイミングやリズムに関連する時間に対しても意識が向いており，「テンポを決めてトスを行う」といった，時間制御の確立に着目し，練習を行っていたことが確認された．参加者 A においては，参加者 B のような時間制御の確立に関する着眼点は，7 日間を通して観察されなかった．以上の結果は，同じように連続キャッチ数 100 回以上を達成した参加者であっても，身体スキル獲得過程において意識的に着目した観点には，差異があることを示す．

3.3 身体動作の安定性

参加者 2 名の身体動作の安定性を検証するために，7 日目のベストパフォーマンスを記録した 1 試行を対象に，床を原点とする右手首の垂直方向の位置の時系列推移を図 3 に示す．参考までに，例として，5 ボールカスケードの身体スキルを獲得しているエキスパートジャグラーによる時系列推移も示す．参加者 B では，エキスパートジャグラーと同様に，滑らかな sin カーブを描いていることがわかる．参加者 B は，最終的に，エキスパートジャグラーのような規範的な身体動作を獲得したと考えられる．一方，参加者 A は，最下点である谷点周辺の運動において，滑らかなカーブを描けておらず，いわゆるタメが観察される．このことから，参加者 A と参加者 B が獲得した身体動作には，差異がある可能性が考えられる． 3.3.1 身体的位置の安定性分析手続き身体的位置の安定性に関して，以下の 2 つの指標を用いた分析を行う．(1) トスに関連する特徴点である「谷点」と，キャッチに関連する特徴点である「山点」における「手首」の位置の安定性と，(2) 両点における「胸」の位置の安定性である．胸を原点とする手首の相対的位置の変動を示す標準偏差によって (1) を，床を原点とする胸の絶対的位置の変動を示す標準偏差によって (2) を，それぞれ評価する．本分析では，定常化した身体的位置の安定性を検討するために，カスケード開始からはじめの谷点 2 つ分は，ボールを手に持った初期状態の影響が現れる区間とみなし，分析から除外した．さらに，周期性を失う直前の谷点 2 つ分についても，終了直前状態の区間とみなし，分析から除外した．そして，残りの区間を定常状態の区間として，左右の手首の運動による谷点を分析対象とした．n 番目と n+1 番目の谷点で，手首の相対的位置のずれ，及び胸の絶対的位置のずれをそれぞれ求め，それらの変動を 3 軸方向（奥行方向，水平方向，垂直方向）について算出した．山点についても，同様の分析を行った．なお，連続キャッチ数が 10 回以下の場合は参考値として，カスケード開始から全ての山点，及び谷点を対象に同様の分析を行った．原則として，ベストパフォーマンスを記録した 1 試行を対象に分析を行った．なお，欠損データを補間する際に適切に補間できなかった試行については，セカンドベストを示した 1 試行を用いた（セカンドベストの試行を用いたのは，参加者 A の 4 日目であった）．結果参加者 A と参加者 B の結果を，図 4 と図 5 にそれぞれ示す（図 5 における，参加者 B の 2 日目の記録は参考値であるため，他の測定日とは異なる色でプロットしている）．全てのグラフで横軸は測定日，縦軸は位置の変動を示す標準偏差の平均値 (mm) を表す．また，各測定日の上にある数字は，ボールの連続キャッチ数である．参加者 A では，4 日目以降，手首と胸ともに，山点と谷点のそれぞれにおいて，全ての方向で位置の変動が一定の水準に抑えられていた傾向が確認された．4 日

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図 3: 右手首の垂直方向の位置の時系列推移（カスケード開始から 30 秒間）. 目は，連続キャッチ数 100 回以上をはじめて達成した段階である．一方，参加者 B では，3 日目以降，手首と胸ともに，山点と谷点のそれぞれにおいて，全ての方向で位置の変動が一定の水準に抑えられていた傾向が確認された．3 日目は，連続キャッチ数がはじめて 2 桁を達成した段階である．最終的に，両参加者とも，身体的位置の安定性を獲得したといえる．しかし，参加者 A は，連続キャッチ数 100 回以上を達成した段階で，その安定性を獲得したが，参加者 B は，連続キャッチ数 2 桁を達成した段階で既に，その安定性を獲得していた． 3.3.2 時間周期の安定性分析手続き時間周期の安定性に関して，以下の 2 つの指標を用いた分析を行う．(1) n 番目と n+1 番目の谷点における時間周期の安定性と，(2) 山点における同様の時間周期の安定性である．両者を時間周期の変動を示す標準偏差を用いて評価する．身体的位置の安定性と同様に，定常状態の区間における時間周期の安定性を検討する．左右の手首の運動による谷点を分析対象に，n 番目と n+1 番目の谷点で時間間隔を求め，その変動を算出した．山点についても，同様の分析を行った．なお，時間周期の安定性についても，連続キャッチ数が 10 回以下の場合は参考値として，カスケード開始から全ての山点，及び谷点を対象に同様の分析を行った．原則として，ベストパフォーマンスを記録した 1 試行を対象に分析を行った．結果参加者 A と参加者 B の結果をそれぞれ，図 6（上：参加者 A，下：参加者 B）に示す（参加者 B の 2 日目の記録は参考値であるため，他の測定日とは異なる色でプロットしている）．どちらのグラフも横軸は測定日，縦軸は時間周期の変動を示す標準偏差の平均値 (秒) である．また，各測定日の上にある数字は，ボールの連続キャッチ数である．参加者 A では，4 日目以降，山点においては，時間周期の変動が一定の水準に抑えられていたが，谷点においては山点よりも，変動を示す標準偏差の平均値が大きく，安定性が向上しないことが確認された．一方，参加者 B では，谷点と山点のそれぞれにおいて，変動を示す標準偏差の平均値が小さく保たれていたことが確認された．以上の結果は，時間周期に関して，参加者 B が，練習の序盤で，その安定性を獲得した一方，参加者 A では，練習の最後まで，その安定性を獲得することができなかったことを示す．

4 考察

本論文では，連続キャッチ数 100 回以上を達成した参加者 2 名の意識的に着目した観点（着眼点）と，身体動作の安定性を比較検討した．連続キャッチ数 100 回以上を達成する段階は，カスケードの学習 Stage における最後の段階である [5]． Hashizume ら [5] の知見を踏まえると，連続キャッチ数の側面でいえば，参加者 A と参加者 B は同程度の学

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図 4: 手首と胸の位置の変動の推移（参加者 A）. 図 5: 手首と胸の位置の変動の推移（参加者 B）. 習段階に到達したといえるが，本分析における着眼点や，時間周期の安定性の側面でいえば，参加者の間で差異が確認された．まず，参加者 B では，練習の序盤（3 日目）で「時間制御の確立」に関して，意識的に着目していた．学習者の中でカスケードを維持するための適切なタイミングやリズムを決め，そこに意識を向けて練習を行っていたことで，3 日目以降，時間周期の安定性が獲得された可能性が考えられる．一方，参加者 A は，「トスの直前の準備」に関して，意識的に着目していた．これは，適切なボールコントロールを実現するために，手の上でボールを持つ箇所を（手のひらから）指先へ修正することを意味する．参加者 A は，参加者 B のような時間制御の確立ではなく，トスを行う箇所の修正に意識を向けて練習を行っていたことで，谷点における時間周期の変動を示す標準偏差の値が大きくなり，安定性を獲得することができなかったと考えられる．連続キャッチ数 100 回以上を達成してもなお，エキスパートジャグラーのような規範図 6: 時間周期の変動の推移. 的な身体動作を獲得することや，一定のタイミングやリズムでトスを行うことができなかったと考えられる．谷点における時間周期の平均値（7 日目）は，参加者 A と参加者 B でそれぞれ約 0.95 秒と，約 0.60 秒であった．参加者 A は，参加者 B よりも 0.3 秒以上周期が長かった．この結果は，参加者 A が参加者 B よりも，遅いテンポでカスケードを行っていたことを示す．参加者 A では，トスの準備動作（ボールの握りを指先へ修正する）がカスケードの手続きに含まれたため，テンポが遅くなった可能性が考えられ，着眼点の差異による影響を確認することができる．手首や胸による身体的位置の安定性については，両参加者ともに，最終的には同程度に変動が抑えられていた．しかし，参加者 A は，連続キャッチ数 100 回以上を達成した段階（4 日目）で安定性を獲得したが，参加者 B では，連続キャッチ数 2 桁を達成した段階（3 日目）で既に，安定性を獲得していた．この推移の差異に関しても，先述した着眼点による影響があるのかもしれない． Zentgraf ら [7] は，2 ボールカスケードでエキスパートを対象にした実験ではあるものの，異なるインストラクションが身体動作に影響をもたらすことを明らかにしている．本研究では，インストラクションではなく，学習者が自律的に着目した観点の差異においても，同様に身体動作に影響をもたらす可能性を示唆した． Suwa[3] は，身体動作と思考，知覚のインタラクションにより，身体スキルが獲得されると主張している．本研究における，着眼点が身体動作に影響を与えるという知見は，そのインタラクションと関係しているのか

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もしれない．

5 むすび

本研究では，身体スキルを獲得するうえで重要な点に関する意識的に着目した観点（着眼点）の差異が，身体動作の安定性にどのような変化をもたらすのかについて実験的に検討を行った．その結果，連続キャッチ数 100 回以上という高いパフォーマンスを達成した参加者であっても，ある参加者は，練習の序盤でタイミングやリズムに関連する時間制御の確立に関して，意識的に着目していた一方，もう 1 人の参加者は，トスの直前の準備に関して，意識的に着目していたことが確認された．さらに，これらの着眼点が特に，トスに関連する特徴点である谷点における時間周期の安定性に影響をもたらす可能性を明らかにした．後者では，練習の最後まで，時間周期の安定性を獲得することができなかった．今後は，連続キャッチ数 100 回以上を達成した他の参加者において，また，ベストパフォーマンス以外の試行において，同様の議論が可能なのかについて検討する予定である．

参考文献

[1] Ito, M., Mishima, H., and Sasaki, M.: The Dy-namical Stability of Visual Coupling and Knee Flexibility in Skilled Kendama Players,

Ecologi-cal Psychology, Vol. 23, No. 4, pp. 308–332 (2011)

[2] 渋谷友紀, 森田ゆい, 福田玄明, 植田一博, 佐々木正人: 文楽人形遣いにおける呼吸と動作の非同期的関係：日本の古典芸能における「息づかい」の特殊性, 認知科学, Vol. 19, No. 3, pp. 337–364 (2012)

[3] Suwa, M.: A Cognitive Model of Acquiring Em-bodied Expertise Through Meta-cognitive Ver-balization, Transactions of the Japanese Society

for Artificial Intelligence, Vol. 3, No. 2, pp. 399–

408 (2008) [4] 古川康一, 植野研, 尾崎知伸, 神里志穂子, 川本竜史, 渋谷恒司, 白鳥成彦, 諏訪正樹, 曽我真人, 瀧寛和, 藤波努, 堀聡, 本村陽一, 森田想平: 身体知研究の潮流−身体知の解明に向けて−, 人工知能学会論文誌, Vol. 20, No. 2, pp. 117–128 (2005)

[5] Hashizume, K., and Matsuo, T.: Temporal and Spatial Factors Reﬂecting Performance Improve-ment During Learning Three-ball Cascade Jug-gling, Human Movement Science, Vol. 23, No. 2, pp. 207–233 (2004)

[6] 大谷尚: SCAT: Steps for Coding and Theoriza-tion −明示的手続きで着手しやすく小規模データに適用可能な質的データ分析手法−, 感性工学, Vol. 10, No. 3, pp. 155–160 (2011)

[7] Zentgraf, K., and Munzert, J.: Eﬀects of Attentional-focus Instructions on Movement Kinematics, Psychology of Sport and Exercise, Vol. 10, No. 5, pp. 520–525 (2009)

身体スキル獲得過程における身体動作と着眼点に関する実験的検討