第五章 现代心理物理法(1)

第五章 现代心理物理法 用传统心理物理学方法测定阈限时，常有一些非感受的因素对阈限的估计产生影响。因此， 传统心理物理法测得的数据，往往是感受性和被试反应的主观因素相混合的。例如痛阈， 因各人的主观因素不同，痛阈因人而异。所以，传统心理物理法的科学性和可靠性就受到 一定的影响。 为了有效地测定感受性，传统心理物理法中也想设法通过各种手段来消除如动机、态度等 因素的影响。正是由于采用种种手段，使传统心理物理法在感受性测量中能得到较科学和 较可靠的结果。 但上述这种种手段也不能从根本上排除被试的主观态度的一类因素的影响。所以我们常 发现，用传统方法获得的结果，有时甚至是相互对立的。 例如，精神分裂症患者和正常人关于大小常性的对照研究： 伯雷斯等人认为精神分裂症患者比正常人的大小常性要高； 汉米尔顿等人则认为精神分裂症患者比正常人的大小常性要低； 皮什克姆-史密斯等人的看法认为他们彼此并没有差别。 这些情况，以前总认为是实验条件和方法的不同造成的，实际上，最根本的问题是无法把 感受性的测量和被试的动机、态度等主观因素所造成的反应偏向区分开。 而信号检测论，在测定感受性上，能把被试的主观态度区分出来。所以，我们把费希纳 倡导的心理物理学三种基本方法称之为传统心理物理法，而把信号检测论这一心理物理法 的新发展称为现代心理物理学。 但是必须注意，不能因此否定传统心理物理法在测定感觉阈限方面的作用，一般情况下测 定感受性，传统心理物理法是可用的。 而信号检测论的实验更宜用于人的主观因素对实验结果影响较大的实验条件中，它解 决了传统心理物理法所不能解决的问题。 第一节 阈限概念和理论的发展 一、阈限的概念及其发展 （一）传统概念及其发展 上一章我们介绍了传统心理物理学的三种基本方法。传统心理物理学方法用极限法、 恒定刺激法和调整法来测定绝对阈限和差别阈限，并以阈限的倒数来表示感受性的大小， 阈限值越小，感受性越高。 传统的阈限概念起源于费希纳。波林在实验心理学史一书中指出，心理物理学的古典 问题有五个： （1）绝对阈限：观察者对个别刺激的感受； （2）差别阈限：观察者对刺激增量的感受性； （3）等量：被判断为相等的刺激，一般指主观判断的强度方面； （4）感觉距离：被判断为相等的两对刺激间的差别； （5）感觉比例：彼此判断为有特定比率的那些刺激。 史蒂文斯的补充 （1）刺激次序：观察者将某些组的刺激排成等级或次序的测定； （2）刺激等级评定：确定观察者评定刺激的真正物理值的准确性。 由此可见，一百多年前，费希纳在创建心理物理学时，就把注意力集中在感觉阈限的测量 上。 经过长期来的研究，形成了许多阈限理论，包括柏拉克韦尔的高阈限理论，路司的低阈 限理论，格林的高-低两种阈限理论，以及史蒂文斯的神经量子理论和斯韦茨等人的信号检 测理论。 从测量上考虑传统阈限的概念，最后形成了传统觉察理论基础。 这种觉察论假设有三个连续量：刺激、内部反应和判断。从图 5-1 中可见，刺激 S2 被定 义为绝对阈限（T） ，因为它是引出“有”反应的一半次数。 上图的三种连续量是相互联系的。假设实验与实验间刺激的物理变量是固定不变的，而内 部反应则被认为是可变的，每个恒定的物理刺激所引起的反应可看作是常态分配。这样刺 激的连续将引起一系列重叠的分布。在这些重叠的分布中，阈限 T 就是一个固定点（参见 中间一条线） 。通常，被试判断的连续是被假设准确地对应于它的反应连续，当刺激强度超 过阈限 T 时，被试判断有刺激出现，低于阈限 T 时，则判断无信号出现。 根据阈限的传统定义，刺激 S2 是这个被试的绝对阈限。由于反应分布是常态的，所以阈 值对应于 S2 所引起的反应平均值。常态分布的对称性，使得刺激 S2 所引起的反应有一半 次数是超过阈限。一半次数不超过阈限。S1 有时可以超过；S3 则一般会超过；S4 超过的 概率就更高了。 （二）对传统阈限概念的异议 起源于费希纳的传统阈限概念，在 20 世纪 50 年代前，没有受到多大挑战。可是，近四十 年来，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。 50 年代以后，许多心理物理学家愈来愈感到，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）和他们做出判断时的倾向性（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。在这些非感觉变量中， 主要有下列二种最为主要： 刺激出现的概率 反应代价 1.刺激出现的概率 传统的心理物理学实验中，刺激出现的概率以 P（S）表示，其值总是 1.0，这样被试做出 “有”或“无”的判断时，即使凭机遇也有 50的精确性，难以避免地存在着期望误差。 实验证明，当 P（S）系统变化时，做出“有”判断的概率以 P（yes）表示，也会发生 变化，测出的阈限值亦发生变化。 察觉指端震动的实验 实验结果表明，改变 P（S）对于传统的阈限测量具有强烈的影响。当 P（S）等于 0.7 时， 阈限是 1.3 微米；P（S）为 0.3 时，阈限则是 2.3 微米。而且，当刺激不出现时，P（yes） 也明显地高于零。而根据传统的阈限理论，在不呈现刺激时，训练有素的、忠实可靠的被 试者只是偶然地报告“有”感觉，P（yes）不可能明显地高于零。 2.反应代价 反应代价影响反应的结果，即反应受到奖赏和惩罚的影响。传统的阈限理论是对此忽略不 顾的。 事实上，如果正确地报告了“有”刺激（称为“击中” ）得到的奖赏多，而且错报时受 到的惩罚少，则被试倾向于降低反应标准，在这种情况下，所测量的阈限相对值便低。反 之，如果击中时所得奖赏少，而错报时所受惩罚多，则被试者倾向于提高反应标准，不会 轻易做出“有”反应，这时，所测量的阈限值便高。这一显而易见的事实，传统的阈限理 论恰不能给予解释。 从上述二种非感觉变量的讨论中看到，现代心理物理学从对阈限概念的不同理解出发，把 被试者的辨别力和他的反应倾向区分开处理，而传统心理物理学测得的感觉阈限是二者不 可分割的混合物。这是现代心理物理学对阈限概念和感觉理论的新发展。 （三）现代心理物理学的研究课题 现代心理物理学不仅对心理研究方法带来新的突破，而且也对心理学理论带来了巨大影响。 这些变化不仅明显地表现在对阈限概念的理解上，而且也反应在心理物理学所研究的课题 上。对研究的课题，现代心理物理学从系统论出发，将一个事物看成是有层次阶段和多水 平的结构，因此，它所面临要解决的问题也是有层次和不同水平的事件。 具体地说，现代心理物理学课题可分割为检测、认知、分辨、量表等四个基本问题， 叙述如下： 1.检测问题 检测（或觉察） （detection）就是察觉一个事物是否存在的问题。这是一个低水平、低层次 的感知觉问题，它所要解决的问题是，人检测到了信号，报告为“有” ，没有检测到信号， 报告为“无”的简单问题。 在使用方法时，如果研究者承认“阈限”的存在，就可用传统的极限法和常定刺激法 来测定阈限；如果不承认“阈限”的存在，就可用信号检测论来分析检测信号的辨别力和 反应倾向。 2.认知问题 认知（cognitive）就是辨认一个事物的问题。这里已包括较高水平的问题，如当一个雷达 操作员在屏幕上观察到了有信号以后，就要进一步向自己提出这样的问题：“这是什么？” 。 这就包括了复杂的知觉过程。这里包括可以采用信息论的方法来认知对象。 应当指出，检测和认知阶段有时是不可分的，相互联结的，所以有时也称为检测-认 知阶层。 3.辨别差异问题 辨别差异是叙述某些事物与标准的区别问题。这是一个更高的梯级。例如雷达操作员要正 确无误地分辨出这一刺激不同于别的刺激。心理物理学中的韦伯定律（或韦氏定律） （Webers law） ，分辨中的信号检测论，以及用反应时来测定分辨等，都属于辨别差异问 题。 4.量表问题 量表（scale）这方面的研究方法和内容，已构成了一个专门的学科心理测量学 （psychometrics） 。测量心理活动并转换成某种尺度（yardstick）的问题。 二、神经量子理论 神经量子理论（neural quantum theory）是由史蒂文斯等人（Stevens et al.， 1941）提出 用来解释阈限的一种理论。 神经量子理论假设反应刺激变化过程的神经结构在机能上被分为各个单元或量子。 具体地说，被试者只有在此增量大到足以兴奋一个附加的神经量子单位时，才能够察觉 到刺激增量。必要的刺激增量的大小将取决于某一个刺激高于上一个兴奋了的神经单位的 阈限多少。超过上一单位的阈限越多，兴奋下一个单位所需要的刺激量则越少。 两种连续： （1）刺激连续（stimulus continuum） 。 （2）神经单元阶梯式的感觉连续（sensory continuum） 。 因此剩余和能量是有关的，即剩余大，要求增量便小；反之亦然。用数学式表述如下： 三、史蒂文斯的幂定律 1957 年根据多年的研究结果，提出了刺 激强度和感觉量之间关系的幂定律（the power law） 史蒂文斯（1957，1958）阐述了数量估计法的两种形式： 1、给被试呈现一个标准刺激，并告诉他们这一刺激对应的感觉是某个确定值，在随 后的实验中，被试要根据标准刺激的数值，给其他的刺激产生的感觉赋值。 2、没有标准刺激初始赋值，所有刺激都随机呈现给被试，他们要对第一个呈现的刺激 随意指定一个数值来代表它所产生的感觉量，并据此对接下来的所有刺激一一赋值。 使用几何平均数的好处： 1、几何平均数能避免少数被试在赋值时采用极大或极小的数字的影响。 2、如果心理物理函数的幂函数关系正确的话，那么几何平均数能保留在算术平均过程 中损失的心理物理函数特征。 在不同的刺激水平上获得跨感觉道的匹配，一条称为等感觉函数的曲线便产生了，它表示 出一感觉道的刺激值与造成相等感觉量的判断的另一感觉道刺激的关系。这种方法称为等 感觉匹配法 。 四、物理相关论 物理相关论 （ physical correlate theory）是由瓦伦（Warren， 1959）在 20 世纪 50 年代 末至 60 年代初提出来的，它与史蒂文斯的心理物理定律是针锋相对的。 第二节 信号检测论 一、信号检测论引入的缘由 信号检测论（或讯号侦察论、讯号觉察论） （ signal detection theory，简称 SDT）是现代心 理物理学最重要的内容之一。 它的出现彻底改变了以往人们对阈限的理解，将个体客观的感受性和主观的动机、 反应偏好等加以区分，从而解决了传统心理物理学所无法解决的问题。 信号检测论是信息论的一个分支，研究的对象是信息传 输系统中信号的接受部分。 坦纳和斯韦茨（Tanner Swets， 1954）等人最早在密西根大学的心理学研究中把信 号检测论应用于人的感知过程，并取得了可喜的结果。 这是由于人的感官、中枢分 析综合过程可看作一个信息处理系统（或讯息处理系统） ，因 此有可能应用信号检测论中的一些概念和方法对它进行分析。 二、信号检测论的基本原理 统计决策理论是信号检测论的数学基础。 信号检测论问题很像统计学中假设检验问题。 刺激出现并报告“有” 击中（hit） 概率：P（hit） 刺激出现并报告“无” 漏报（miss） 概率：P（miss） 刺激没有出现并报告“有” 虚报（false alarm） 概率：P（fa） 刺激没有出现并报告“无” 正确拒绝（correct rejection） 概率：P（cr） P（H）P（M）=1 P（FA）P（CR）=1 信号: 就是刺激 S，SN 噪音：信号所伴随的背景 N 对信号起着干扰作用的因素都可以当作噪音 信号伴随噪音，和单独出现噪音这两种情况下，分别可以在心理感受量值上形成两个分布 （distribution）： 信号加噪音分布（信号分布） 噪音分布 （1）信号分布的均值总是大于噪音分布的均值 （2）呈正态：信号和噪音的感觉强度都受各种随机因素的影响 （3）有重叠：这一强度范围的感觉可能由信号导致，也可能由噪音导致 （4）两分布的距离：可用来衡量被试的感受性，被称为辨别力指标 三、信号检测论的两种独立指标 （一）反应偏向 反应偏向可用两种方法来计算： 一种是似然比值 另一种是报告标准 1、似然比 数学定义：区分信号与噪音反应的心理感受水平 Xc 所对应的信号分布纵轴与噪音分布纵 轴之比。 Xc 右移： 反应标准变得严格，击中率和虚报率下降，漏报率和正确拒绝率上升， 值上升。 Xc 左移： 反应标准变得宽松，击中率和虚报率上升，漏报率和正确拒绝率下降， 值降低。 的具体计算方法 P（hit）=0.28 P（fa）=0.06，通过查 PZO 转换表，求得 O 击中的纵轴值为 0.3368，O 虚报的纵轴值为 0.1192，则 O（SN） 0.3368 = = 3 O（N） 0.1192 P（hit）=0.70 P（fa）=0.30，通过查 PZO 转换表，求得 O 击中的纵轴值为 0.3478，O 虚报的纵轴值为 0.3478，则 O（SN） 0.3478 = = 1 O（N） 0.3478 P（hit）=0.94 P（fa）=0.72，通过查 PZO 转换表，求得 O 击中的纵轴值为 0.1192，O 虚报的纵轴值为 0.3368，则 O（SN） 0.1192 = = 1/3 O（N） 0.3369 OPT 的主要影响因素为信号概率和支付矩阵 P（N） V（cr）+ C（fa） = P（S） V（hit）+ C（m） V（cr）：正确拒绝的奖励数 C（fa）：虚报的惩罚数 V（hit）：击中的奖励数 C（miss）：漏报的惩罚数 P(N)和 P(S)分别为噪音概率和信号概率 的含义 值被认为是反应阈限 但 不再是对被试感觉状态的绝对分界,而是被试主观决策反应的判断标准. 2、报告标准 C（report criterion） 表示反应偏向、感受经验强度。 C 是横轴上的判定标准位置，C 的单位要转换成刺激强度单位。 I2 I1 C = Z1 +I1 d 其中，I2 高强度刺激，I1 为低强度刺激，Z1 为低强度刺激时的正确拒绝概率的 Z 值 （二）辨别力指标 辨别力指标 d：噪音分布与信号分布之间的距离。 d越大，表示敏感性越高，d越小，表示敏感性越低。 设 =1，则 d可能出现三类情况： （1）非常敏感： d= Z 击中 - Z 虚报 =1.476-（-1.476）=3 （2）中等敏感： d= Z 击中 - Z 虚报 =0.994-（-0.994）=2 （3）不敏感： d= Z 击中 - Z 虚报 =0.524-（-0.524）=1 再认实验：两组图片“新的”和“旧的” 先让被试看一组图片，然后将其与另一组图片混合，被试在再认过程中，根据自己的标准 回答“新的” “旧的” 两个指标： （1）感觉辨别力指标，亦称感觉敏感性 d，不受期望、情绪、动机等变数的影响 （2）判断标准，即个体反应偏向 d固定， 会出现三种情况 ( 1 )宽松的报告标准：报告“旧的”概率接近 1.0；新刺激呈现时，报告“旧的”概率是高 的。 （2）中等的报告标准：旧刺激呈现时，报告“旧的”概率较高；新刺激呈现时，报告“旧 的”概率适中。 （3）严格的报告标准：旧刺激呈现时，报告“旧的”概率的低的；新刺激呈现时，报告 “旧的”概率接近零。 信号检测论指标 d比较稳定，不受实验条件不同的影响，信号检测论指标 受被试的动 机、态度、利害得失等心理因素的影响，我们可以从指标 的变化中，分析被试的心理因 素。 四、接受者操作特性曲线 接受者操作特性曲线（receiver operating characteristic curve） ，简称 ROC 曲线，又称为感受 性曲线（sensitivity curve）： 以虚报率为横轴、以击中率为纵轴所组成的坐标图，和被试在特定刺激条件下由于采 用不同的判断标准得出的不同结果画出的曲线。 （一）ROC 曲线的绘制 实例：杨治良（1983） 选图画页 500 页，分成 5 组，每组 100 张。5 组画页的先定概率分别是 0.1、0.3、0.5、0.7 和 0.9。对于每组画页，主试使用一种信号的先定概率，然后按此先定概率呈现给被试一定 数量的画页，要求他们把它们当作“信号”记住。 作为信号的画页呈现完毕之后，与此组作为噪音的画页混合，然后随机地逐张呈现给被试。 这时，每呈现一张画页，就要求被试判断此画页是“信号”还是“噪音” ，并要求被试把结 果记录在实验纸上。 ROC 曲线的属性： （1） 值的改变独立与 d的变化。 （2）ROC 曲线的曲率反应敏感性指标 d。对角线代表 P（y/SN）=P（Y/N） 。曲线离对 角线越远，表示辨别离越强，d值就越大。 五、信号检测论的实验方法 1、有无法 2、评价法 3、迫选法 1有无法 基本程序:事先要向被试说明刺激呈现的先定概率以及判定结果的奖惩办法，然后主试呈现 刺激，让被试判断刚才呈现的刺激中有无信号。 最后根据被试的反应结果来估计击中率 P（y/SN）和虚报率 P(y/N)。 2评价法 评价法的主要特点: 除了告诉被试对判定结果的奖惩办法、先定概率之外，还要求被试在每次试验中对自 己做出判断的把握性进行评价，并确定一个等级。如果在呈现信号时，他的判断是“有信 号” ，即击中，还要求他对这个判断有多大地把握做出评价；如果是噪音，他作出“有信号” 的判断，即虚报，也要求他对这个判断的把握性有多大作出评价并给定一个等级；然后计 算各评价等级下的击中率和虚报率。 要求被试把评价分成五个等级， “5”代表最有把握， “1”代表最没有把握， “4” 、 “3” 、 “2”代表中间状态。这样就可以求出各个评价等级下的击中次数和击中率以及虚报次数和 虚报率。由于被试的反应判断有一个累积递推性，因此，在计算不同判断标准下的 和 d时必须采用累积次数即累积百分比。如果信号和噪音各呈现 150 次，获得了如表 5-7 所 示的结果。 累计概率图解 3、迫选法