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第五章心理物理学Psychophysics阮昆良（ruankl@swu.edu.cn）西南大学心理学部本章主要内容：第一节传统心理物理学–感觉阈限及阈上感觉的测量第二节心理物理函数–韦伯定律；费希纳定律；史蒂文斯定律第三节感觉的直接测量第四节信号检测论–原理及应用心理物理学概述引言：什么是心理物理学定义：就是研究心理量和物理量之间的关系的科学。物理量是指对身体各感官的刺激；心理量是指各种感觉或主观印象。如：–亮度（物理量）——明度（心理量）–强度（物理量）——响度（心理量）心理物理学的发展心理学研究从哲学思辨到实证研究的重要进步：从定性（qualitative）到定量（quantitative）的变化心理物理学的诞生：费希纳，《心理物理学纲要》，1860。传统心理物理学奠基人费希纳：G.T.Fechner（1801-1887）。他通过对感觉强度与刺激强度之间的数量关系的长期研究，发展出了测量感觉的基本方法。费希纳简介费希纳，1801年4月19日出生于德国，1817年到莱比锡大学开始学医，1822年获得医学博士学位，1824年被聘为莱比锡大学物理学教授，在教授物理学的同时，他开始从事感觉研究，率先采用心理物理学方法研究色觉与后像。相信身体和心理是一个共同体的两个方面，开始采用科学方法对此进行深入的研究。1860年他出版了《心理物理学纲要》。1887年11月18日病逝于莱比锡。费希纳的贡献联系内部世界和外部世界–费希纳采用物理学方法研究感觉生理，以探讨哲学心理学中身心关系的问题。1860年他在韦伯定律的基础上提出费希纳定律：S=KlogR。–证明了内部世界（心理和经验的世界）与外部世界（物理和环境刺激）之间存在联系，而且这种联系可以进行简单的数学表达；内部世界和外部世界存在差异。心理现象的定量研究方法–在心理物理学研究中创造了三种感觉测量方法。心理物理学方法分为两大类–感觉阈限的测量；–阈上感觉的测量，也就是心理量表的制作。现代心理物理学：20世纪50年代，史蒂文斯定律和信号检测论同时诞生。一百多年来，心理物理学方法不断发展，但它的中心问题仍然是物理量和心理量之间的数量关系的问题。第一节传统心理物理学费希纳把心理物理学定义为一门精密的关于身体和心理之间函数依附关系的理论。心理物理学的目标就是最终用精确的数学函数的形式来描述外部的物理刺激与由此而发生的感觉和知觉之间的定量关系。EdwinG.Boring（1950）认为对内部感受与外部世界之间关系的测量方法的引入，是科学心理学开始的一个标志。心理物理学研究的变量介绍自变量：刺激质和量的属性控制变量：观察者的意愿因变量–只有一个刺激的实验：（1）信号存在或不存在（我看到/我没有看到）（2）直接给出刺激属性（重多少克？）–对两种刺激进行比较的实验：（1）判断大小（刺激A和B谁大？）（2）直接估计结果（A是B的几倍？）一、感觉阈限的测量测量感觉是非常困难的，我们不能象测量石头的重量或光的强度那样来测量感觉。内部判断与作用于感受器的物理量之间并不是完全一对一的。我们必须把物理刺激及其引起的感觉区分开。感觉阈限的界定感觉阈限（sensorythreshold），又称阈限，是传统心理物理学的核心概念。阈限可以分为两种：–绝对阈限（absolutethreshold），通常简写为RL（德语ReizLimen），指刚好能够引起心理感受的刺激大小–差别阈限（differencethreshold），通常简写为DL（德语DifferenzLimen），指刚好能引起差异感受的刺激变化量按照这样的定义，还不能对这两种阈限进行测定。根据实验我们知道，某一特定数值的刺激，在重复作用于感官时，被试有时报告为“无感觉”，有时报告为“有感觉”，有时还报告为“刚刚有一点点感觉”。人的感受性的这种随机性变化，在每一种感觉道中都能发现。这种随机变化往往与以下几个方面有关：–（1）如何测量阈限有关；–（2）被试对任务的注意程度及其态度有关；–（3）被试的感受性暂时出现不稳定的摇摆有关。不过，这种随机变化的感觉，其次数分配基本上呈常态分布。感觉阈限的操作性定义因此，根据统计学，可以把那个可以刚刚引起感觉的最小刺激强度以其算术平均数来表示。而这个平均数恰好有50％的实验次数报告为“有感觉”的刺激强度，由此可见，阈限是个统计值。阈限的操作性定义：有50％的实验次数能引起积极反应的刺激之值；同理，把差别阈限定义为有50％的实验次数能引起差别感觉的那个刺激强度之差。关于操作性定义操作性定义（operationaldefinition）是由物理学家布里奇曼提出的，他主张一个概念应由测定它的程序来下定义。操作定义的提出受到心理学家的欢迎。在心理学上，对一个心理现象根据它们的程序下定义就叫操作定义。具体说，操作定义就是用可感知、度量的事物、时间、现象和方法对变量或指标作出具体的界定。感觉种类觉察阈限值视觉清晰无雾的夜晚30英里处看到的一只烛光听觉安静条件下20ft.处表的滴答声味觉一茶匙糖溶于8L水中嗅觉一滴香水扩散到三室一套的整个房间触觉一只蜜蜂的翅膀从1cm高处落到你的背部某些近似的觉察阈限1ft.=30.48cm二、测定阈限的三种基本方法我们明确了阈限的操作定义，就能够用心理物理学方法来测定阈限。关于测定阈限的实验，一般具有下列三个明显的特点：–选择好刺激系列和反应系列–要尽量简化被试对刺激所作的反应–测定的次数要多些测量感觉阈限的方法有三种：–最小变化法（minimal-changemethod）–恒定刺激法（methodofconstantstimulus）–平均差误法（methodofaverageerror）应特别注意这三种方法的实验程序和实验结果的统计处理。（一）最小变化法又叫极限法（limitmethod）、最小可觉差法（methodofleastdifference）、序列探索法（methodofserialexploration）：是测量阈限的直接方法特点是：将刺激按递增或递减系列的方式，以间隔相等的小步变化，寻求从一种反应到另一种反应的瞬时转换点或阈限的位置。1、运用极限法测量RL最小变化法的刺激：–递减和递增的两个系列每次呈现刺激后让被试报告他是否有感觉；刺激的增减应尽可能地小，目的是系统地探求被试由一类反应到另一类反应的转折点，即在多强刺激时，由有感觉变为无感觉，或由无感觉变为有感觉。每个系列的转折点就是该系列的绝对阈限。（1）自变量自变量：刺激系列刺激系列按递增或递减系列交替呈现：–递增时，刺激要从阈限以下的某个强度开始；–递减时，刺激系列的起点要大于阈限的某个强度；–一般应选10到20个强度水平。为了使测定的阈限准确，并使每一刺激系列的阈限能相对稳定，一般递增和递减刺激系列要分别测定50次左右（共100次左右）、刺激应由实验者操纵。为了避免被试者形成定势，每次呈现刺激的起点不应固定不变，而应随机变化。若被试感觉“说不准”，则要求其进行猜测。（2）因变量（反应变量）用极限法测定绝对阈限的反应变量，要求被试以口头报告方式表示。当刺激呈现之后，被试感觉到有刺激，就报告“有”，当被试没感觉到有刺激，就报告“无”，其依据是被试的内省，而不是刺激是否呈现。被试报告后，主试以“有”“无”或“＋”“-”记录被试的反应，每个系列都需要被试作“有”到“无”、或“无”到“有”这两种报告，亦即，递增时直到第一次报告“有”之后，这一系列才停止；递减时直到第一次报告“无”之后，这一系列才停止，然后再进行下一个系列。若被试者在这二类判断中有“说不准”的情况，则可以猜，但不可放弃。（3）绝对阈限的计算绝对阈限计算分为两步：–计算每个刺激系列的阈限，被试者反应转折点处所对应的两个刺激强度的中点就是这个系列的阈限，表5-1每列的下方都有列出；–求出所有系列阈限的均值，便是最后求得的绝对阈限值。极限法测定音高绝对阈限2、用最小变化法测定DL和绝对阈限的测定不同，用最小变化法测定差别阈限时，每次要呈现两个刺激，让被试比较–一个是强度大小不变的标准刺激–另一个是强度按递增或递减顺序排列的比较刺激。标准刺激在每次比较时都出现，比较刺激按递增或递减系列与标准刺激匹配呈现，直到被试的反应发生转折。（1）反应记录一般来说，将被试的报告分为三类反应–比较刺激大于标准刺激，记为”＋”；–比较刺激等于标准刺激时，记为”＝”；–比较刺激小于标准刺激，记为”－”。–当被试在比较时表示怀疑，可记作”？”。极限法测定时间差别阈限注：PSE(pointofsubjectiveequality)为主观相等点（2）差别阈限的计算差别阈限的计算比绝对阈限来得复杂。–（1）在递减系列中最后一次“＋”到非“+”（即“＝”或“－”或“？”）之间的中点为差别阈限的上限，用Lu表示；第一次非“－”到“－”之间的中点为差别阈限的下限，用Ll表示。–（2）在递增系列中最后依次“－”到非“－”之间的中点为Ll；第一次非“＋”到“＋”之间的中点为Lu。–（3）在上限与下限之间的距离为不肯定间距Iu。–（4）不肯定间距的中点是主观相等点（PSE），理论上讲PSE应与标准刺激（St）相等，但实际上两者有一定的差距，这个差距称为常误（constanterror，简称CE）。–（5）取不肯定间距的一半或者取上差别阈（Dlu=Lu-St）和下差别阈（DLl=St-Ll）之和的一半为差别阈限。DL的计算公式上差别阈下差别阈3.误差及其控制用极限法求绝对阈限经常会产生一些误差。在这些误差中–有些是由直接对感觉产生干扰的因素引起的；–有些是非感觉方面的因素引起的（如习惯和期望、练习和疲劳、时间和空间等）极限法测定绝对阈限产生的误差主要有四种（两对）：–习惯误差和期望误差–练习误差和疲劳误差在极限法实验中，由于刺激是按一定的顺序呈现的，被试在长序列中有继续给同一种判断的倾向，如在下降序列中继续说“有”或“是”，在上升序列中继续说“无”或“否”，这种被试习惯于前面几次刺激所引起的感觉叫作习惯误差。由于习惯误差在递增法序列中，即使刺激强度早已超出阈限，被试仍报告感觉不到，这就会使测得阈值偏高。相反，在递减法序列中，即使刺激强度早已小于阈限，被试仍报告有感觉，这就会使测得的阈值偏低。递增递减系列中的习惯误差abba实际无感觉报告无感觉报告有感觉实际有感觉与习惯误差相反的是另一种误差叫期望误差（errorofanticipation）。它表现为被试在长的序列中给予相反判断的倾向，期望转折点的尽快到来。用递增法测定时，阈值就会偏低；用递减法测定时，阈值就会偏高。递增递减系列中的期望误差abba报告无感觉实际无感觉实际有感觉报告有感觉练习误差和疲劳误差练习误差（errorofpractice）是由于实验的多次重复，被试逐渐熟悉了实验情境，对实验产生了兴趣和学习效果，而导致反应速度加快和准确性逐步提高的一种系统误差。与此相反，由于实验多次重复，随着实验进程而发展的疲倦或厌烦情绪的影响，而导致被试反应速度减慢和准确性逐步降低的一种系统误差，称之为疲劳误差（erroroffatigue）。随着时间的进展，练习可能使阈限降低，而疲劳可能使阈限升高。怎样消除误差？习惯误差和期望误差–递增和递减序列做到数量一致、相互抵消。练习误差和疲劳误差–测量RL：ABBA设计–测量DL：多层ABBA法误差计算习惯误差和期望误差哪一种倾向更大？–分别求上升序列和下降序列的阈值，然后进行比较练习误差和疲劳误差哪一种倾向更大？–分别计算出前一半实验中测定的阈限与后一半实验中测定的阈限根据下表数据中分析误差（二）恒定刺激法恒定刺激法（或固定刺激法）（methodofconstantstimulus）又叫正误法（true-falsemethod）、次数法（frequencymethod），它是心理物理学中最准确、应用最广的方法。1.操作程序（1）主试从预备实验中选出少数刺激，一般是5到7个，这几个刺激值