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1、视觉的心理物理实验方法1 心理物理学的诞生心理物理学在整个科学史上，尤其是在心理学史上占有很显著的地位。早期的科学家，不去争论心理活动能否测量，而只是着手去测量整个心理过程的某一部分，即属于感觉或知觉方面的心理活动。 费希纳（G. T. Fechner）是德国心理学家，为公认的心理物理学的奠基人。他在德国生理学家韦伯研究的基础上，假设最小可觉差是感觉单位，经过许多实验和推导，得出感觉与刺激的对数成比例的公式：S=Klog R(S代表感觉，R代表刺激，K系常数)。他发表了著名的心理物理学纲要。费希纳的公式引起种种怀疑和争论。经过多年研究，他又于1882年发表心理物理学要义一书，竭力为他的心理物理
2、学辨护。2心理物理学的发展费希纳在心理物理学纲细一书中提到了心理物理学有三种基本的方法。这些方法称之为心理物理学方法，又称心理物理法。心理物理法经过了一百多年的发展、修改和补充，出现了许多变式。自本世纪五十年代，泰纳和斯维茨把信号检测论引入心理学领域以来，又为心理物迎学的研究提供了一个新的有力工具。后人为了有所区别，将费希纳最早提出的三种基本的心理物理法称之为古典心理物理法，而信号检测论称之为现代心理物理法。2.1 古典心理物理学费希纳的心理物理学纲要一书，主要阐述了五个问题：对数定律；心理物理学的三种基本方法；内部心理物理学；意识阈；负感觉。其中，最主要的是前两个问题。下面我们分别叙述。2.
3、1.1对数定律费希纳在韦伯等人研究得到韦伯定律的基础上，应用微积分公理，提出感受的强度与刺激的强度的对数成正比。这就是费希纳对数定律。这个定律确定了心物之间的定量关系，因而成为心理物理学确定感觉强度和刺激强度之间函数关系的基本定律。就是说心理量是刺激量的对数函数，当刺激强度以几何级数增加时，感觉的强度以算术级数增加。这个对数定律曾为用差别阈限法制作的等距量表所支持。但是，费希纳的对数定律曾受到各方面的批评和质疑。由于费希纳再推导公式的过程中应用了微积分，同时提出丁两个假设，也引起了许多不必要的书记争论。这些批评和争沦，概括起来主要有：有些心理学家认为每个感觉是完整的，是不能分解成部分的，刺激可
4、直按测量，而感觉则否，感觉须根据刺激及感受性，作间接的测量；韦伯定律并不是到处都适用的，当刺激强度很低时就偏离了R和R之间的简单的比例。费希纳是以韦伯定律为出发点的，韦伯定律的局限性势必给费希纳定律带来同样的局限性。并且最小可觉差的主观量是否相等也存在疑问。2.1.2 心理物理学的三种基本方法-古典心理物理法费希纳在心理物理学纲要一书中，用自己多年的研究提出了心理物理学有三种基本的方法：最小可觉差法(the method of just noticeable differences)，后称极限法(the method of limits)；正误法(the method of right and
5、 wrong cases)，后称常定刺激法，或仅称常定法(th e constant method)；平均误差法(the method of average error)，后称调整法(the method of adjustment)和复制法(the method of reproduction)。这些方法都伴有实验的手续和数学的处理，而且各具有其特殊的形式。常定法因缪勒和乌尔班而有更进一步的发展。最近，调整法显示了胜过其他方法的优越性。2.1.3 内部心理物理学外部心理物理学是指对于心理现象与外界刺激的关系的研究；内部心理物理学则是指对于心理现象与身体内作用的关系的研究。费希纳以为内部心理物
6、理学有别于外部的心理物理学。他说，外部心理物理学讨论心理现象和刺激之间的关系，实际的实验隶属于外部心理物埋学；但是内部心理物理学是心理现象与对心理现象最直接的兴奋之间的关系。费希纳所称的韦伯律乃是以觉阈为基础。因为假设SKlogR，那么S0时，R便为一个有限量。因此赫尔巴特的意识阈，只是韦伯律的一个系论。在事实上，费希纳将觉阈和注意联系起来，就更与赫尔巴特互相符合了；意识苦已为他种感觉所占领，则新感觉若没有战胜那“混合的觉阈”(the“mixture limens”)就不能插足进去了。2.1.4负感觉根据内部心理物理学和意识阈的思想，就有“负的感觉”的存在。图（1）绘成对数的曲线，表示“韦伯律
7、”中S和R的关系。这个函数要求：S0的时候，Rr，r就是觉阈，因此，R的阈下值，就有负的感觉，因为在理论上，R0的时候，S是负的而无限的。费希纳相信“以负的数量表示无意识的心理的价值，那便为心理物理学的一个基本点”。负感觉=S 正感觉=+S图（1）负感觉示意图费希纳建立了心理物理学，试图在物理刺激和心理感觉之间寻求数量化的关系，这对于心理科学的独立和发展的作用是不可抹杀的。古典的心理物理学在它在测量感觉阈限和阈上感觉时，没有能够考虑人的情绪、动机、欲望、生活经历等因素的影响，其实验条件也与实际生活情景相差甚远，因此所得结果难于说明现实生活中人的感知能力。尽管古典心理物理学也曾在一定程度上注意到
8、了某些这类因素的影响，并且采取了一些补救措施，但是，这些措施只能使影响阈限估计的一些因素保持恒定，并不能把被试的反应偏好和辨别力区分开来。正是为了克服古典心理物理学的这一严重的缺陷，才促使信号觉察论引入了心理学研究之中。因此，随着心理物理学的不断完善和发展，形成了新的幂定律、信号检测论等现代心理物理学。2.2 现代心理物理学由于传统的阈限理论存在很多不足和缺陷，关于阈限概念的理解上已成为古典的和现代的心理物理学争论的焦点。经典的阈限测量最大的问题在于没有能够把被试的辨别能力(感受性)和他们作出判断时的倾向性(反应标准)区别开来。也就是说，经典的阈限测量没有考虑许多非感觉变量对被试的影响。而现代
9、心理物理学从对阈限概念的不同理解出发，将把被试的辨别力和他的反应倾向的感觉阈限值分开处理，这是现代心理物理学对阈限概念和感觉理论的新发展。由于现代科学，特别是控制论、信息论和系统论不仅对心理学理论带来的巨大影响，而且也对心理研究方法带来了新的突破。这些变化不仅明显的表现在对阈限溉念的理解上，而且你也反映在心理物理学所研究的课题上。现代心理物理学中将古典问题进行新的归类，把古典心理物理学的一些问题组织到那些感觉能力和反应倾向的范畴内。2.2.1 史蒂文斯定律到了二十世纪中期，史蒂文斯根据他多年研究的结果建立了一个新的心理物理定律幂定律。提出了出了刺激强度和感觉量之间关系式为：即心理量S是物理量I
10、的幂函数。这里，b是由量表单位决定的常数，a是由感觉道和刺激强度决定的幂指数。幂函数的指数值决定着按此公式所画曲线的形状。例如，如果指数1.0，便是一条直线，即刺激与感觉之间为简单的正比关系；指数大于l，则为正加速曲线形；小于1，使为负加速曲线形。史蒂文斯认为，这种函数关系适用于量的连续体，这是一些对它们做出多少的判断的连续体。在这个连续体上感觉的变化，是以刺激引起的神经兴奋多少为依据的。例如声音的响度，光的明度，彩色的饱和度等形成的连续体，都是量的连续体。史蒂文斯还认为，其它函数则可能来自与哪种或哪里的判断有关的质的连续体。在这个连续体上感觉的变化，是以刺激引起的神经活动的部位为依据的。也可
11、以说，在生理上它是以一个相互代替的机制为依据的。例如声音的音高，彩色的色调等形成的连续体，都是质的连续体。幂函数是对实验结果的总结，但史蒂文斯对它也做出了解释。他指出，由于感觉系统的神经输出是刺激强度的幂函数，所以被试作出的判断也是刺激强度的幂函数。幂定律的重要性在于其相等的刺激比例产生相等的感觉比例这一含义。由此可以认为，如果在一特殊环境中所有的刺激强度都按照百分比增加或减少，那么感觉变化的比例则保持恒定。它区别于费希纳的对数定律的地方还在于对感觉直接测量，以至有的心理学家称它为“新心理物理学”的开始。这里所说的“新心理物理学”，就是指现代心理物理学2.3 信号检测论信号检测论(Signal
12、 detection theory，简称SDT)，它是信息论的一个分支，研究的对象是信息传输系统中信号的接收部分，最早用于通信工程中。由于信号检测论的引入，解决了一些古典心理物理学方法所不能解决的问题。例如用古典心理物理法测定感觉阈限时，如果主试的指导语改变了，感觉阈限会随之发生变化。究竟指导语影响了被试的辨别力，还是影响了他的反应倾向，古典心理物理法就回答不丁这个问题。用信号检测实验得到的结果表明，在不同指导语的影响下测得的感觉阈限之所以不同，不是由于被试的辨别力发生了变化而是由于改变了判断标准造成的结果。随着信号检测论的引入，把心理物理学的研究确实向前推进了一大步。目前，信号检测论已经成为
13、一种新的心理物理法，并广泛应用到研究心理现象的各个领域。2.3.1 信号检测论的统计学原理统计决策理论是信号检测论的数学基础，它的主要工具是概率论。通常它的目的是对一大堆数据产生一种简单的描述或精炼化，使得人们易于理解，并使之与研究的已知情况相符合，这种数据的精炼可以用象均值，方差和置信度等量来表达。信号检测论是人们在同噪声干扰进行斗争中总结出的方法，实质上是有意识地利用信号和噪声的统计特性来尽可能地抑制噪声，从而提取信号的。2.3.2信号检测论的二个独立指标近三十年来，一些信号检测论者认为阈限不是个纯净的感知能力的指标，而且，一般纠偏和校正猜测机遇的公式都不能对被试者的真实感知能力作正确的估
14、计。因为被试者在报告他对某个刺激或信号的感受时，总是受到其它因素的影响。根据信号检测论把刺激的判断看成对信号的侦察和作出决择的过程。这样，在同一过程中就出现了两个独立的指标：一个是感觉辨别力指标d，表示感知能力，又称感觉敏感性；另一个是反应偏向（有时也用c表示），它包括利益得失、动机、态度等因素。由于反应偏向可由二种方法计算：一种是报告标准c；另一种是似然比。这样信号检测沦的二个独立指标就有三种计算方方法。2.4 反应时新法 五十年代后期，美国心理学中出现了一个新兴的理论方向和研究领域。到了七十年代已成为美国心理学的一个主要方向，这就是认知心理学。认知心理学反对局限于研究孤立的、外观的、可观察
15、的反应。而致力于认识活动，认知心理学把研究的重点转到内部心理过程上去。认知心理学家致力于从事能提供内部心理过程线索的观察。并利用不同的方法从不同的方面进行研究，积累数据。通过连锁推理作出有关观察不到的心理过程的可靠的说明。有人把这种方法称为会聚件证明法，即把不同性质的数据会聚到一起，得出结论。通过反应时可以测量看不到的心理过程，严格加以研究。在反应时研究中，认知心理学家研究较多的是选择反应时(CRT)，而不是简单反应时，因为逃择反应时能提供更多有关内部状态的信息。认知心理学有二个主要方法。除反应时以外，另一个最常用的方法就是以作业成绩为指标的实验。比较而言，反应时实验可以较好地揭示完成某个作业
16、的内部信息加工的诸阶段，而以作业成绩为指标的实验则较有利于揭不某个特定加工阶段的特点。这两类实验不是互相排斥的，事实上认知心理学常同时应用反应时和作业成绩两个指标，以取得更完整、更有意义的结果3 视觉刺激及实验中的相关变量视觉在人的感觉中占统治地位，各领域的研究者对视觉的研究也远远地超过其他的感知觉。视觉可告诉我们关于物体的形状和结构、大小与距离、亮度和光线、颜色和运动等信息，是人获得外界信息的重要渠道。下面介绍一下视觉实验中的相关变量。3.1视觉刺激3.1.1可见光(visible light)在一般情况下，引起视觉的刺激物是光。光是一种电磁波，引起人类视觉的电磁波称可见光。可见光的波长范围大约是380毫微米(紫色)到780毫微米(红色)，毫微米即十亿分之一米(nm或m)。光波在极其广泛的电磁波范围内
