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实 验 心 理 学

实 验 心 理 学. 盐 城 师 范 学 院 YANCHENG TEACHERS UNIVERSITY. 全国高等师范院校. 第四章反应时间. 第一节反应时间的概述 第二节减法法则 第三节 加法法则 第四节 测量反应时间的仪器和方法 第五节 影响反应时间的各种因素. 反应时间 (reaction time , RT).

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实 验 心 理 学

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  1. 实 验 心 理 学 盐 城 师 范 学 院 YANCHENG TEACHERS UNIVERSITY 全国高等师范院校

  2. 第四章反应时间 • 第一节反应时间的概述 • 第二节减法法则 • 第三节 加法法则 • 第四节 测量反应时间的仪器和方法 • 第五节 影响反应时间的各种因素

  3. 反应时间(reaction time,RT) • 反应时间是心理实验中使用最早、应用最广的反应变量之一。然而,对反应时间的研究最先始于天文学家Bessel对于“人差方程”的研究。最早将反应时间的测量用于心理实验的是荷兰生理学家Donders。冯特于1879年曾指出,Donders的计算心理操作时间的方法为心理实验研究指出了一条很有希望的途径。此后,冯特及其学生们对反应时间进行了一系列的实验研究。随着心理科学的发展,特别是认知心理学的兴起以来,为了揭示信息加工过程和特点,反应时间的测量也获得进一步的发展。

  4. 反应时间的概念 • “反应时间”是词不达意的。因为它不是指反应的延续时间,而是指从刺激的呈现到反应的开始之间的时距。 • 反应并不能在给予刺激的同时就发生。刺激的呈现引起一种过程的开始,此过程在机体内部进行是潜伏的,直至此过程到达肌肉这一效应器时,才产生一种外显的、对环境的效应为止。因而,反应时间往往也被称为“反应的潜伏期”。

  5. 反应时间的构成 • 在反应的潜伏期中包含着感觉器官、大脑加工、神经传入传出所需的时间以及肌肉效应器反应所需的时间,其中大脑加工所耗费的时间最长。 • 反应时间包括外界刺激作用于感受器所需的时间,大脑消耗的时间、神经传导的时间以及肌肉反应的时间。

  6. 反应时间的意义 • 实验心理学所使用的最方便的反应变量之一就是速度,而速度是用时间来测量的。 • 任何活动都需要时间,可以测量完成一定数量工作所需要的时间,也可以限定一段时间,测量这段时间里所完成的工作量。在这两种情况中,所测量的都是速度。 • 测量速度有两个用途:①作为成就的指标,因为对一件工作越精通,就完成得越快;②作为产生一种行为结果的内部过程复杂性的指标,因为内部过程越复杂,它所消耗的时间越长。

  7. 反应时间研究中的自变量(1) • 反应时间的研究常常同注意的研究联系在一起。 • 在这些实验中,所运用的各种自变量的主要作用是:通过对受试作各种不同反应难度的要求,影响受试作决策的速度。 • 如增加供选择的刺激数目,就会相应地加大受试作决策的难度,延长反应时;通过改变刺激系列呈现的速度,控制注意力在每一刺激目标上的分配;增加任务的复杂性来增加受试的注意力,如先让受试说出视觉呈现的数字,然后要求受试反应9减去这个呈现的数后的数字。

  8. 反应时间研究中的自变量(2) • 控制注意力变化的关键是逐渐加大任务难度,直至受试难以达到某一要求,即处于“超负荷”状态。 • “超负荷”这一概念是从工程学引进的术语。如将某一物体置于液压机下,渐渐增压,观察该物体究竟在多大的压力下才承受不了而被压坏。 • 实验心理学运用这一方法的原理与工程学是一样的,只是其结果不象工程学中将物体损坏那样具有破坏性。心理学家通过观察人在负荷情况下的反应来推测人对超过注意广度的信息处理的内部过程。

  9. 因变量 • 在反应时间实验中,对因变量变化的控制要比对自变量的控制要求更高。 • 因变量主要有三类: • (1)反应时间的长短。即被试接受刺激到做出反应所需的时间。通过对反应时间的分析,就可推断自变量的情况。 • (2)反应的正确率。尤其在有记忆成份参入的注意实验中。 • (3)派生的统计值。如在信号检测论中,d’常作为因变量指标。

  10. 控制变量 • 在注意及反应时的实验研究中,都要很严格地控制条件,象刺激的强度及刺激持续的时间等等。这些影响感知的物理条件一般都通过计算机和自动调节装置来控制。有时心理学家要分析几十毫秒的反应时所反映的情况,所以精确地控制条件是极为必要的。

  11. 速度与准确率权衡现象 • 速度和准确性是注意和反应时实验中的二个因变量。反应时间实验中的一个突出问题就是反应速度和反应正确性的相互关系。 • 当一个人很快去完成某件事时,会比慢慢地做犯更多的错误。反之,如果很正确地做某件事时,又会产生速度上的差距。心理学家称这种关系为“速度——准确性权衡”(speed-accuracy trade-off,SAT)现象。 • 这是反应时实验中因变量上一个十分重要的问题。“权衡”技术,是心理实验中一种重要技术。

  12. 西奥斯的实验(1) • 西奥斯对刺激呈现的概率和反应时的关系进行了研究。在他的实验中,呈现的刺激是视觉刺激,每次出现一个数目字;受试的任务是对某一个特定的数字(例如个位数是4)作出反应,而对其他数字则不作反应。实验的自变量是这个数字出现的概率,概率变化范围从0.2—0.8。换句话说,特定的数字(例如4)在一系列呈现的刺激中出现的百分率是20%至80%。他的结论是,刺激(指特定的信号刺激)的概率不影响反应时间。

  13. 西奥斯的实验(2) • 如果丢开反应准确率,这个结论是颇有道理的,但是,实验结果中还存在着如何看待错误百分率的问题。从表面上看,如果把各种概率的错误率平均起来,则平均错误率为3%,这个数字不能说是高的。但是进一步分析发现:第一,这实验中受试的任务是相当简单的;第二,实验对象是具有较高智力和文化水平的大学生;第三,错误率的变化是有规律的,最高的错误率(6%)发生在最低的刺激概率上,并且反应的错误率随刺激概率的增加而降低。由此可见,速度和准确性之间存在着内在的联系。

  14. 帕彻拉的实验 • 如果所有不同概率刺激的反应错误率做到相等的话,那么反应时又将出现怎样的变化。 • 帕彻拉实验结果表明,为了使错误率降低到2%,对0.2概率刺激条件的反应时将增加100毫秒。这说明根据速度一准确性权衡,在低刺激概率条件下,为了减少错误率,反应时就会延长。可见,在西奥斯的实验结果中,一旦考虑了反应错误率,那么单说刺激概率不影响反应时,是有问题的。二个因变量——反应时和准确性都应考虑,这就是速度一准确性权衡技术。

  15. 奈特和凯托威治的实验(1) • 奈特和凯托威治的实验更明白地阐述了速度一准确性权衡的道理。他们用两个间隔很短的刺激作为自变量呈现给受试,这种刺激称之为间隔刺激。因变量取反应时间和反应错误百分比。 • 起先,奈特和凯托威治发现,对于不同刺激间隔,反应时间是恒定的。如同上例西奥斯发现刺激概率不影响反应时一样。

  16. 奈特和凯托威治的实验(2) • 但是当绘制刺激间隔和错误百分比的关系图时,一种特定的关系被发现了:刺激间隔愈短,错误率就愈高。如果在各种不同的刺激间隔条件下,要保持相同的错误率,那么反应时将是怎样的呢?根据速度一准确性权衡的原则,在短的刺激间隔情况下,要保持与长的刺激间隔相同的反应错误率,反应时将会延长。因而,反应时不受刺激间隔长短的影响的结论乃是不全面的,甚至是不对的。只有选择两个因变量,实验才能得出更为正确的结论。

  17. 传统反应时实验中的缺陷 • 传统反应时实验测得的是在所有加工过程已经完成之后的,速度与准确率的单个结果。 • 速度与准确率权衡范式能测得在刺激呈现后关于速度与准确率的许多结果,特别是对于加工开始的最初几百毫秒也能加以测量,因此它比传统反应时实验更具优越性。然而速度与准确率权衡实验的数据不能验证,信息加工是连续性质的还是离散性质的。

  18. 速度与准确率分离技术 • Meyer等(1987、1988)发展了“速度与准确率分离技术”(Speed—Accuracy Decomposition Technique,SAD Technique)。 • SAD技术由两部组成: • 滴定的反应时程序(Titrated Reaction Time Procedure,TRT程序)。 • 平行精细的猜测模型(Parallel Sophisticated Guessing Model,PSG模型)。

  19. TRT程序(1) • TRT程序实际上是一种混合程序,它是SAD技术的一个具体获得反应时分布和反应准确率的方法。TRT程序包括两类试验: • 普通试验,在这一试验中要求被试在保证准确率的前提下尽快反应; • 信号试验,在这一试验中,刺激呈现后的不同时间间隔内出现一个信号,要求被试觉察到该信号就迅速地对刺激作出反应,不一定要求准确,允许被试猜测。

  20. TRT程序(2) • 在正式实验中,这两类试验随机混合进行。 • 在普通试验中,被试的反应是根据完整的信息作出的。而信号试验中,被试的反应可能是根据完整的信息而作出的,也可能是根据部分信息,由猜测而作出的。这样,信号试验的反应时和准确率数据就可补充普通试验。 • 这类似化学分析中的“滴定法”,故称TRT程序。经两类试验结果的比较,可精确地推论出,时间上部分信息的累积情况。

  21. 普遍试验 • 这一试验类似于传统的反应时实验。 • 每个试验先呈现一个预备信号,接着呈现一个或正或负的测验刺激,让被试作出相应的反应,要求是又准又快。记录反应时和准确率,并给予反馈,鼓励被试在确保准确率的前提下尽快地反应。 • 实际上,这一试验是为了建立一个高准确率的反应阈值,为评价被试在信号试验中的反应提供基线。

  22. 信号试验(1) • 这一试验类似于SAT方法。 • 在试验中,在测验刺激呈现之后的不同的延时后,给出一个短暂的信号(一般为声音信号),不同延时的时间是主试控制的变量。告知被试,一旦该信号出现,就立即对测验刺激作出相应的反应。 • 由于有的延时很短,被试可能来不及获得刺激的全部信息,因此,允许被试根据所获得的部分信息进行猜测而作出反应。

  23. 信号试验(2) • 通过变化信号出现的不同时间,可得到在不同时间间隔条件下的反应时间和准确率的大量数据。其中随时间间隔的延长,被试获得的部分信息就愈多,被试的反应准确率也会随之变化。 • 信号试验的目的是为了创造一种环境,即在信息积累未达到反应阈值之前,就让被试反应。此时,被试只能根据所获得的部分信息,经猜测而作出反应。 • 综合两类试验的数据,用新的数据分析方法,可分离出部分信息累积过程。

  24. 平行精细的猜测模型(1) • 对TRT程序所获得的数据进行定量分析,要依赖于一个理论模型,即平行精细的猜测模型,即PSG模型。 • 它是针对TRT程序而提出的一个定量分析的理论框架。 • PSG模型假定有两个平行的加工过程:

  25. 平行精细的猜测模型(2) • 正常加工过程包含在普遍试验和信号试验之中,当刺激呈现,被试能在“全部”信息达到很高的阈值时,识别出刺激并作出反应。这一加工过程就终止。但是,普通试验和信号试验是随机的,被试要在每一试验中都达到正确反应的目的,希望没有信号出现,这样正常加工才能正确地进行。然而,一旦信号出现,被试不能等到完成更多的加工来保证正确反应,而必须立即进行一个快速的“最佳猜测”,确定对刺激的反应。这就导致另一个加工过程—猜测加工过程,参与竞争。

  26. 平行精细的猜测模型(3) • 猜测加工过程始于反应信号刚呈现之时,一旦信号被觉察,被试必须立即决定对刺激应作出什么反应,并执行这种反应。被试的这种迫选决定是根据测验刺激呈现和信号出现之间的正常加工过程中已积累的所有部分信息而作出的。因此,被试的猜测是有一定根据的,尽管是不充分的。

  27. 平行精细的猜测模型(4) • PSG模型还假定,猜测加工过程和正常加工过程的持续时间都是随机独立的,即这两个加工过程是平行的、互不干涉的。 • 若猜测加工过程先于正常加工过程完成,则所观察到的反应时间和准确率就是由猜测加工过程的持续时间和输出来决定的;反之,则由正常加工过程来决定。 • 在这些假定的基础上,就可对所得数据进行分析,求出猜测加工过程的反应时间和准确率。

  28. 猜测加工过程的反应时间(1) • 经普通试验,能得到普通试验的反应时间(tr)分布,因正常加工过程完成的时间(tn)等于tr,即,tr= tn。 • 在不同时间间隔下的信号试验,可得到信号试验反应时(ts)的分布。 • 根据tn和ts的分布,求猜测加工过程的反应时tgs的分布,因两种加工过程是平行竞争的,所以:ts=min(tn, tgs)

  29. 猜测加工过程的反应时间(2) • 因信号在刺激呈现之后的不同时间间隔之后出现,所以信号试验的反应时应大于一个给定的常数(C),其概率为: • P(ts>C)=P(tn >C)* P (tgs>C) • 因为tr= tn,P(tn >C)= P(tr >C)=1—P(tr <C) • P(ts>C)=1—P(ts<C) • P (tgs>C)= 1—P (tgs<C) • 则得到P (tgs<C)=[ P(ts<C)—P(tr <C)]/[ 1—P(tr <C)]

  30. 猜测加工过程的反应时间(3) • 这个式子左边是指,猜测加工过程完成的时间小于或等于常数(C)的概率,是一个累积分布函数。右边有两个变量即P(ts<C)和P(tr <C),它们可从普通试验和信号试验中取得。 • 这一式子可估计出猜测加工过程完成时间的累积分布函数,并可由此而揭示出猜测加工过程的时间特性。

  31. 猜测加工过程的准确率(1) • 根据PSG模型,一个信号试验的准确反应在如下两种情况下发生:一是正常加工过程先于猜测加工过程完成而产生;另一个是猜测加工过程通过有效的部分信息积累先于正常加工过程完成并幸运地作出。 • 若用Ps (准确)表示信号试验中准确反应的概率,则 Ps (准确)=P(tn<tgs )* P (准确/ tn< tgs)+ P(tgs < tn )* P (准确/ tgs < tn)  • 整理后,得出猜测加工过程的准确率的估计方程:

  32. 猜测加工过程的准确率(2) • P (准确/ tgs < tn)=[ Ps (准确)—P(tn<tgs )* P (准确/ tn< tgs)]/ P ( tgs < tn)  • 在这个式子中,Ps (准确)可在信号试验结果数据加以统计后而得到;P(tn<tgs )可根据tn、tgs分布而计算出来;P (准确/ tn< tgs)实际上就是普通试验的准确率;而P ( tgs < tn)=1—P(tn<tgs )。经上述计算,就能获得各时间间隔下反应时作业中的猜测加工过程的准确率即P (准确/ tgs < tn)。根据准确率随信号时间间隔的变化而变化的情况分析,就能了解信息到底是怎么积累的。

  33. 反应时研究的阶段 • 自1850年赫尔姆霍兹至1969年这段长达一百多年的时期,称之为唐得斯ABC时期,又称反应时研究的第一阶段。这一阶段的方法学核心是减法法则。 • 自1969年斯顿伯格提出了加法法则之后,反应时研究便进入了第二阶段。

  34. 人差方程式(1) • 18世纪末,英国格林威治天文台台长马斯克林在一次观察星辰经过望远镜中的铜线时,发现他的助手启内布罗克比他自己的观察时间慢一秒钟。这事引起了马斯克林的严重注意,而后数日,这种误差不见减少,反而增加。他认为这是重大误差,并解雇了他的助手。 • ]20年后,在1816年林登诺著格林威治天文台史时述及此事,引起了克尼斯堡和另一天文学家柏塞尔(Bessel)的注意。他们认为这位助手既然自知其错误,又曾力求纠正,然而终至失败,可见误差亦非人力所能纠正。

  35. 人差方程式(2) • 1820年柏塞尔把自己和另一位天文学家沃尔柏克的观察作比较,结果发现柏塞尔的观察常早于沃尔柏克。1923年柏塞尔与阿革兰特共同观察七颗星,二人观察的差别如下: • B—A=1.223(秒)(B是柏塞尔,A是阿革兰特)。 这就是“人差方程式”。这个等式反映着两个观察者之间的差异。

  36. 赫尔姆霍兹的研究 • 1850年著名生理学家赫尔姆霍兹成功地测定了蛙的运动神经的传导速度(约为26米/秒)。其后,他又测定了人的神经的传导速度约为60米/秒。这与后来穆乃钦测定的每秒66—69米颇为接近。根据神经传导的大致速度,他认为神经传导所占据的时间是很短的,而整个反应时间是比较长而且变动很大。

  37. 唐得斯的研究(1) • 1865—1868年荷兰生理学家唐得斯第一次企图研究心理因素如何影响简单与复杂的反应。 • 他把上述心理过程交织在刺激和反应中间,而考察其结果,并比较简单与复杂的反应。 • 在简单反应的实验中,实验者预先告知受试者将有什么样的刺激出现;在辨别反应实验中,他们用两种不同的刺激,要求受试者只反应其中之一种,而对另一种不反应;选择反应实验中,使受试者对于甲乙两种刺激,准备两种不同的反应。

  38. 唐得斯的研究(2) • 总而言之,他创造了选择反应时间的实验,发现这种反应时间比简单反应时间约长100毫秒。唐得斯认为一个复杂反应只是在一个简单的反应加上一些别的动作,这些动作所需的时间可以用反应的全部时间减去简单反应所需的时间来求得。这个时间差就是上述心理过程所需要的时间。

  39. 埃克斯纳的贡献 • 奥地利生理学家埃克斯纳(S.Exner)在1873年作了一个重要的贡献,他指出受试者在反应时间实验中准备定势的重要性。 • 他首先起用“反应时间”这个名词。

  40. 反应时间的早期研究(1) • 反应时间直接作为心理学研究的课题开始于冯特,当时他便认为唐得斯指出了实验心理学的一条重要途径,即心理活动的时间测定工作。 • 冯特的学生对简单和复杂的反应时间进行过一系列工作,卡特尔作了许多关于反应时间的实验。

  41. 反应时间的早期研究(2) • 卡特尔先在德国然后在美国对反应时间作了广泛而系统的实验研究,其中不少材料至今仍为人们所引用。 • 德国心理学家屈尔佩在符兹堡对简单与复杂的反应发展了一种内省的研究,法国心理学家皮艾郎对反应时间的研究也作出了贡献。总之,自卡特尔之后心理学家对反应时间研究的兴趣已不在于分析它的原因,而转向测量技术的改进,以及深入到实际领域中。

  42. 减法法则 • 减法法则乃是一种用减数方法将反应时间分解成各个成分,然后来分析信息加工过程的方法。 • 它是由唐得斯提出来的,故又称做唐得斯减数法。 • 唐得斯把反应时实验的反应分为三类:一类为A反应,又称简单反应;一类为B反应,又称选择反应;再一类为C反应,又称辨别反应。

  43. A反应 • A反应,又称简单反应。 • A反应一般只有一个刺激和一个反应。唐得斯称这种反应为基线时间,一方面它是最简单的反应,另一方面它又是更复杂反应的成分或基本因素。

  44. B反应 • B反应,又称选择反应。它是复杂反应中的一种。 • 在这类反应中,有二个或二个以上的刺激,以及相应于刺激的反应数。也就是说,每一个刺激都有与它相应的反应。如在一个实验中,对红光按A键,对绿光按B键,对蓝光按C键,对白光按D键。这样的反应不仅要区分信号,而且还要选择反应,包括了两个心理操作,即刺激的辨认和反应的选择。

  45. C反应 • C反应。这种反应和B反应有相同点:具有二个或二个以上的刺激。和B反应的区别是:这种反应中只有一个刺激是要求反应的,其余刺激是不要求作出反应的。 • B反应既有刺激的辨别,又有反应的选择,而C反应仅有刺激的辨别,没有反应的选择。

  46. 唐得斯的减数法 • 分析A、B、C三种反应的辨别和选择的心理操作所要求的时间。这种分析,称之为唐得斯的减数法。即A、B,C三种反应是按减法规律进行的。 • C反应就等于辨别时间加同类的基线时间(神经传导时间等)。这里的同类是指刺激信号相同。从C中减去A,就得到了辨别时间,从B中减去C,就得到了选择时间。

  47. 反应时间的成分 • 对A,B,C三种反应进行时间上的排队:B反应时间最长,C反应次之,A最短。 • 和减数法原理相同,唐得斯明确提出了反应时间的成分说,即反应时间包括三个成分:基线时间、辨别时间和选择时间。

  48. 反应时的三成分说的影响 • 有人反对反应时间的三成分说,其主要理由是:B反应决不是在C反应上简单地加上些什么;C反应也决不是在A反应上简单地加上些什么。 • 但是,唐得斯的减数法在十九世纪六十年代到二十世纪六十年代这样很长的时间里,在实验心理学中占有很高的地位。 • 认知心理学正广泛应用减法反应时实验提供的数据来推论信息加工过程。

  49. 减法反应时实验的应用 • 在认知心理学中,当涉及快速的信息加工过程,如识别、注意、表象和短时记忆等,常常应用减法反应时实验。 • 通过某一心理过程在时间上的存在而证明某一心理现象的客观存在。 • 在认知心理学中一些著名的实验,如证明某些短时记忆信息可以有视觉编码和听觉编码两个连续阶段的实验,句子——图画匹配实验,心理旋转实验等。

  50. 视觉编码和听觉编码(1) • 短时记忆的信息是以视觉形式编码还是以听觉形式编码还是两者兼有之?这是认知心理学中讨论的一个重要问题。 • 20世纪60年代,根据记忆实验中对错误回忆的分析,通常认为人的短时记忆信息是以听觉形式来编码的。但是70年代初波斯纳等人的实验却表明,这种信息可以有视觉编码。他们所依据的就是减法反应时间实验的结果。

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