河南大学实验心理学课件

第四章现代心理物理法第一节阈限概念和理论的发展传统的阈限概念：波林指出，心理物理学的古典问题有五个：①绝对阈限，被试对个别刺激的感受。②差别阈限，被试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感觉等距，被判断为相等的两对刺激之间的差距。⑤感觉比例，彼此判断为有特定比率那些刺激。斯蒂文斯又补充了两个问题：①刺激次序，被试将某些组的刺激排成等级和次序的测定。②刺激等级评定，确定被试评定刺激的真正物理值的准确性。而这些都是以如下对感觉阈限的理解为基础的：作用于感受器的一个刺激，引起一系列冲动在大脑中枢发生了一种效应。这种效应的大小将随着刺激的强度、感受器的感受性、传导通路的效率和中枢的活动水平背景而发生变化。传统的阈限概念从测量上考虑传统阈限的概念，经过发展，形成了费－伽马（Phi-gamma）假设的传统觉察理论。该理论假设有三个连续量：刺激（stimulus，S）、内部反应（response，R）和判断（judgment，J）。参见下页图：内部反应判断J对传统阈限概念的异议：刺激出现的概率反应代价现代心理物理学研究的课题现代心理物理学课题检测问题（detection）认知问题（Cognitive）辨别差异问题（discriminativedifference）量表问题：scale→心理测量学（psychometrics）；测量心理活动并转换为某种尺度（yardstick）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。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。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）（Weber’slaw），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。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。神经量子理论（neuralquantumtheory）斯蒂文斯等人提出用来解释阈限的一种理论。他们通过响度和音高的辨别实验，推论其基本的神经过程是按全或无定律（all-or-nonelaw）进行的。这种理论假设，反映刺激变化过程的神经结构，在机能上被分成各个单元或量子，具体来说就是，每当刺激增量兴奋的量子数，超过标准刺激所兴奋的量子一个时，这个刺激增量就被辨别出来。如果刺激增量所兴奋的量子数，没有超过标准刺激所兴奋的量子一个时，这个刺激增量就不能被辨别出来，即刺激增量是线性连续的，而感觉是按阶梯形式进行的。必要的刺激增量的大小取决于一个刺激高于上一个兴奋了的神经单位的阈限是多少。神经量子理论（neuralquantumtheory）①刺激连续（stimuluscontinuum）（任意度标）。②神经单元阶梯式的感觉连续（sensorycontinuum）。在刺激连续体上，St是标准刺激值，a是肯定能够兴奋附加量子的刺激增量，△φ是只能部分兴奋神经量子所需要的刺激增量。在感觉连续上，P是S所产生的“剩余”兴奋量，如果说，假定17个能量单位的刺激量足以兴奋神经量子a、b、c，而且还能够部分兴奋“d”量子，这个剩余量只能是由超出20个能量单位的那点能量所引起。因此，剩余量和感受性的波动有关。只有△φ和S剩余量总和达到等于和大于兴奋一个附加量子所需的能量时，才能产生一个可觉察的感觉反应。所以剩余和能量是有关的，即剩余大，要求增量便小。用数学表达式则为：△φ=Q－P,△φ：使附加量子活动所需要的刺激增量。Q：肯定能够兴奋一个量子的增量的大小。P：标准刺激剩余量能引起的部分兴奋量。斯蒂文斯的幂定律△I／I＝K→两个假设：①每一个最小可觉差（JND）可以看作感觉上的一个最小变化，它的主观量相等的，是感觉的单位；②任何阈上感觉的大小都可以用感觉随机刺激变化而发生的总和表示，也就是说可以用最小可觉差作感觉单位，对阈上感觉进行间接测量。其函数关系表达式为：S=KlogRS——感觉大小（以JND为单位）R——刺激强度K——常数。（Fechner’Law＆Lawoflogarithmicfunction）。ThePowerLaw：S=bIaS——物理量I的幂函数b量表单位决定的常数a感觉通道和刺激强度决定的幂指数。修正的幂定律：S=b(I－I0)a

这样幂定律就可以用于全不可知觉的刺激范围。在某些研究者看来，I0就是绝对阈限值。从I中减去I0，意味着以阈限以上有效单位而不是以物理量表上的零点以上单位去说明刺激。不同感觉通道的交叉匹配（cross-modalitymatching）斯蒂文斯的数量估计法和幂定律后来受到人们的批评。人们认为被试给出的数目字可能更多地反映它的数字习惯而不是反映他的感觉。为此，斯蒂文斯采用不同感觉通道的交叉匹配法来进行实验，从而进一步验证幂定律。实验中，被试不需要产生数字判断，被试的任务是把两个不同的感觉通道产生的感觉量相等起来。例如，要求被试调整施加于指端的振动强度，以便使振动的感觉印象和一爆破噪音的响度相匹配。这样在不同的刺激水平上获得跨感觉通道的匹配，一条等感觉函数的曲线便产生了，它表示出一感觉通道的刺激与造成相等感觉量的判断的另一感觉通道刺激的关系。这种方法称之为等感觉匹配法（equal-sensationfunctionobtainedbymatches）。假设某一感觉通道的主观值S1=Im1，另一感觉通道的主观值为：S2=In2；如果主观值S1和S2相等，则最后的相等感觉函数形式为：Im1=In2

；ogI1=n/mlogI2信号检测理论（signaldetectiontheory,SDT）该理论认为，人类被试觉察信号有一个神经中枢效应，这种效应随着每次刺激的出现，时刻都在变化；信号总是在噪音的背景上产生，信号的影响和纯噪音的影响都是正态分布，两种分布，由于信号比噪音微弱增强，所以有一定的重叠而使得信号和噪音都可能引起同一程度的感觉。人类觉察是建立在统计决策理论的基础上，就是说被试选择一个标准，当给定的刺激超过这个标准时，被试就反应“有”，否则报告“无”。这个反映标准的选择决定于很多因素。这个反应的标准就是阈限，而不是感觉本身的真实的东西。信号检测论还认为，感觉是连续的，而不是神经量子论的阶梯式间断，也不是传统阈限理论的3个标准差处。不存在固定的阈限。所谓的阈限是统计检测的结果，是随判断标准而变化的。信号检测过程的理论说明感觉系统大脑感觉模块收益动机注意频率大脑决策模块反应依据SDT，知觉由感觉和决策过程控制。一个信号或刺激产生的感觉取决于信号强度和观察者的感受性其部分决定着观察者作出“有”的反应。其他还有一些决定作出“有”的反应的因素，包括观察者说出“有”刺激出现的意愿即反应偏向。感觉量值X感觉分析将感觉量值（x）发送到决策模块。X的数值是信号强度和观察者感受性的函数。收益动机以及注意过程将反应偏向信息发送到决策模块。感觉和偏向成分共同决定观察者的反应。感觉量值x位于分布的横坐标。收益等因素决定着反应标准的位置第二节信号检测论的原理一、信号检测论的由来二、信号检测论的统计决策原理反应刺激有信号无信号有信号hitmiss无信号FalsealarmCorrectrejection判断反应矩阵统计决策所需的两个基本假设——两个相等的、有重叠的正态分布——在信号检测论中能够得到满足，→统计决策的原理可以成为信号检测理论的数学基础。β（漏报）1－β（击中）1－α（正确拒斥）α（虚报）决策（判断）

接受H0（无信号）拒绝H0（有信号）H1为真（有信号）H0为真（无信号）信号检测论的原理信号检测论测量感受性的基本假设：传统心理物理法认为人在感知方面的生理功能存在一定的局限性使个体在对感知觉刺激进行感知和判断时，要求刺激达到一定的程度才能克服这种生理局限。SDT认为不存在这种生理局限性，没有真正的感觉阈限被试对某以刺激是否存在或刺激之间是否存在差别的决策困难来源于内部和外部的干扰。信号检测论的原理(续)人类被试觉察信号有一个中枢神经效应，这种效应随着每次刺激的出现，时刻发生变化。因为存在着内部和外部噪音，所以即便没有信号出现，中枢效应也可能由纯噪音引起。可以把被试做出判断所根据的感觉材料，设想为对神经活动的测量，或者把它看作在给定时间内，达到皮质上给定点的神经冲动数目。P（Y/SN）=f1/(f1+f2)P（N/SN）=f2/(f1+f2)=1－P（Y/SN）P（Y/N）=f3/(f3+f4)P（N/N）=f4/(f3+f4)=1－P（Y/N）YNSN击中p(Y/SN)f1漏报p(N/SN)f2N虚报p(Y/N)f3正确拒斥p(N/N)f4信号检测论应用于感知觉测量的两个基本假设SDT认为重复呈现一个刺激并不产生相同的感觉量。因此，当多次重复同一刺激会形成同一刺激的一个感觉分布，而且，刺激信号和噪音形成的感觉分布均是正态分布，两个分布的标准差相等信号分布的平均数大于噪音分布的平均数。两个分部的重叠部分可能是由信号引起的，也可能是由噪音引起的。被试判断某一个刺激是信号还是噪音时，是根据自己的主观感受进行判断的，而且这种主观的判断标准是受信号呈现的先验概率和对判断结果的奖惩措施的影响。一般在被试的感受性保持恒定的情况下，判断标准（严格、一般、宽松）对被试的击中率和虚报率产生影响。当判断标准严格时，被试的击中率和虚报率都比较低，当判断标准一般时，被试的击中率和虚报率均居中，当判断标准比较宽松时，被试的击中率和虚报率均较高。心理物理实验中所选定的信号和噪音的刺激强度相差很小，而且只有单维的强度差异。因此，噪音和信号加噪音的两个正态分布有重叠的部分。信号实际上总是在包含内部和外部噪音的背景上产生，因此所谓对信号感觉的分布，实际上是对信号加噪音的分布。由于噪音及信号所引起的两个感觉分布有重叠的部分，所以某一特定的感觉既可以由噪音所引起，也可以由信号所引起。似然比（likelihoodratio）反应偏向Decisionthreshold似然比判断标准刺激反应有无S＋1－1N－1＋1Pay-offmatrixP(N)=P(S)=0.5β＝1，说明被试掌握的标准适中刺激反应有无S＋20－20N－1＋1P(N)=P(S)=0.5β＜1，说明被试掌握的标准宽松刺激反应有无S＋1－1N－30＋30P(N)=P(S)=0.5β＞1，说明被试掌握的标准严格P(N)和P(S)分别为噪音和信号的先定概率，V代表由正确反应得到的价值，C代表错误反应得到的价值。报告标准（reportcriterion）I1为的强度刺激（噪音的物理强度），I2为高强度刺激（信号的物理强度），Z1为低强度刺激时的正确拒斥率的Z值（虚报率的Z分数）。d′=Z击中—Z虚报=0.994—（—1.405）=2.399C=（I2－I1）/d′×Z1＋I1=（1—0）/2.399×1.450+0=0.59

反应刺激报告“旧的”报告“新的”旧刺激428新刺激446敏感性指标信号检测论最主要的贡献就是把反应偏向与敏感性区别开来。感觉辨别力（sensorydiscriminability）(d′)表示感知能力。d′就是信号检测的敏感性指标。表现为内部噪音分布与信号加噪音分布之间的分离程度。d′=（MSN—MN）/σN

；d′=ZSN—ZN=Z击中—Z虚报。接受者操作特性曲线（receiveroperationcharacteristiccurve）ROC曲线在心理测量中ROC曲线常称为等感受性曲线。图a表示三个信号的波幅。图b是噪音的波幅。图c是信号加噪音的波幅。阈值为T1时只有第二个目标被检测到。在图中所示的时间区间中没有虚报。对于固定的输出信噪比（signal-to-noiseratio），各种阈值下，有不同的击中率和虚报率。ROC曲线被试的感受性判断标准低高（0，0）（1，1）ROC曲线的基本特征还可以用下面的图来表示。该图说明了ROC曲线的曲率怎样代表着被试对信号的感受性和他的反应标准。①当信号强度大或被试的感受性高时，信号容易被觉察，向左边弯得更高；当信号强度变弱或者被试的感受性低时，曲线就向45°对角线靠拢。即曲线的曲率是由信号的强度和被试的感受性共同决定的。②45°对角线上，击中率和虚报率总是相等的，显示出被试无任何分辨能力。被试判断的策略是根据先定概率或支付矩阵，随意回答。其中有两种极端情形：不管强度如何，均回答“YES”，击中率和虚报率都等于100％，在曲线坐标中为（1，1）点。③击中率和虚报率均较小时，在曲线上的坐标靠近左下角的原点，显示判断标准比较高。倾向于少说信号倾向于多说信号第三节信号检测论的基本方法有无法（yes-nomethod）：用有无法测定被试的辨别力和判定标准时，只用两类刺激，信号和噪音，信号和噪音的差别要比较小，约接近被试的辨别阈限，（可用古典心理物理法事先测试来确定），将两类刺激多次的重复呈现，一般情况下采用P（SN）=P（N）=0.5，但实验的总次数要多，一般在300到1000次。信号和噪音的呈现是随机的。为了使实验结果较为稳定，一方面可采用较为有经验的被试来做实验，另一方面也可以在实验过程中每当被试回答后，主试都给予反馈。为了得到被试的等感受性曲线，一般采用改变先定概率的方法来得到不同的β值。有无法的基本程序当主试呈现刺激后，让被试判断刚才呈现的刺激中有无信号，呈现刺激和反应顺序如图所示。在听觉实验中，预备信号等用灯光，在视觉实验中用声音。如，听觉实验开始时，先开亮白灯1.5秒作为预备信号，红灯持续时间为声音刺激呈现的时间；然后在固定的时间内让被试做出判断。有时也可以给被试以反馈。实验前先规定SN和N呈现的比例[p(SN)和p(N)]（先定概率）,主试应把先定概率或奖惩办法告诉被试。根据被试对呈现的刺激判断的结果来估计p(y|SN)和p(y|N)。y代表判断为“有信号”,n表示判断为“无信号”,f1、f2、f3、f4分别代表“击中”、“漏报”、“虚报”和“正确拒斥”。主是通过改变先定概率，改变对判断结果的奖惩办法以及改变指导语，来改变被试采用的判断标准。f4f3f2f1反应SNNyn评价法（confidenceratingmethod）又称多重决策法、评级量表法、自信度评价法。把握程度含义相应的概率判断6十分肯定有信号出现100%有信号出现5肯定有信号出现80%有信号出现4可能有信号出现60%有信号出现3可能没信号出现40%有信号出现2肯定没信号出现20%有信号出现1十分肯定没信号出现0%有信号出现评价法实验结果在一个信号检测实验中，SN和N个呈现600次，用评价法得到的实验结果如下：确信程度654321f(SN.Ri)176154101665944f(N.Ri)24546696162198p(Ri|SN)0.290.260.170.110.100.01p(Ri|N)0.040.090.110.160.270.33判断标准C5C4C3C2C1p(y|SN)0.290.550.720.830.93p(y|N)0.040.130.240.400.67各标准下的击中率和虚报率判断标准C5C4C3C2C1p(y|N)0.040.130.240.400.67p(y|SN)0.290.550.720.830.93ZN+1.75+1.13+0.71+0.25-0.44ZSN+0.55-0.13-0.58-0.95-1.48虚报率纵坐标0.08630.21070.31010.38670.3621击中率纵坐标0.34290.39560.33720.25410.1334d′1.201.261.291.201.04β3.791.871.090.660.37各标准下的d′和β当x≥C5,被试以“6”反应，当C4≤x≤C5,以“5”反应，当C3≤x≤C4,以“4”反应，当C2≤x≤C3,以“3”反应，当C1≤x≤C2,以“2”反应，当x＜C1,以“1”反应。对C5而言，p(y|SN)是当SN呈现时被试以“6”反应的概率，对C4来说，p(y|SN)除了SN呈现时以“5”反应的概率外，还应加上以“6”反应的概率，因为把标准定在C4时，意味着对任何大于C4的感觉都以“y”反应，大于C5的感觉当然也大于C4。故，对C5以下的标准其击中率都是累积概率。迫选法（forcedchoicemethod）迫选法与有无法、评价法不同之处：⒈从刺激呈现的方式上来看，每次让被试判断之前都要呈现多个刺激，一般是从2到8个，其中只有一个是信号刺激（SN），其余都是相同的噪音刺激（N）。这种刺激的呈现方式常用mAFC（AFC是alternativeforcedchoic