现代心理物理学

现代心理物理学第1页，共67页，2023年，2月20日，星期一主要内容阈限的概念的发展和信号检测论的由来对传统的阈限概念的质疑电子侦察系统的启示信号检测论的原理色子游戏人对信号刺激的觉察信号检测论的实验方法有无法评价法迫选法信号检测论的应用2第2页，共67页，2023年，2月20日，星期一一、阈限概念的发展传统的阈限概念: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：绝对阈限：观察者对个别刺激的感受；差别阈限：观察者对刺激增量的感受性；等量：被判断为相等的刺激，一般指主观判断的强度方面；感觉距离：被判断为相等的两对刺激间的差别；感觉比例：彼此判断为有特定比率的那些刺激。3第3页，共67页，2023年，2月20日，星期一史蒂文斯的补充刺激次序：观察者将某些组的刺激排成等级或次序的测定；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。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。4第4页，共67页，2023年，2月20日，星期一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。传统觉察理论假设有三个连续量：刺激内部反应判断从图中可见，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。5第5页，共67页，2023年，2月20日，星期一6第6页，共67页，2023年，2月20日，星期一例1：两个人正在看电视的时候有人敲门，甲说“有人敲门”，乙却说“没有”。是否可以说，甲的听觉比乙的更敏锐？例2：两人在夜间行走在野外的小路上，忽然，甲指着远处说“那里有灯光”，乙却说“没有”。是否可以说，甲的视力比乙的更敏锐？例3：战斗中两位战士同时胳膊中弹，在卫生兵取出子弹的时候，一位战士疼得大声喊叫，另一位战士却一声不吭。是否可以说，第二位战士对疼痛的感觉不敏锐？对传统阈限概念的质疑7第7页，共67页，2023年，2月20日，星期一例4：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。那么，谁的研究更符合事实呢？

8第8页，共67页，2023年，2月20日，星期一1950年代以后，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：刺激出现的概率(先定概率)

反应代价（反应倾向）9第9页，共67页，2023年，2月20日，星期一刺激出现的概率(先定概率)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，这样被试的反应只有两种：“有”或“无”。且仅凭机遇也有50％的精确性，难以避免地存在着期望误差。

问题：当P（S）系统变化时，做出“有”判断的概率（以P（yes）表示）是否也会发生变化，测出的阈限值是否亦发生变化？10第10页，共67页，2023年，2月20日，星期一P(S)不等于1意味着每一次实验都可能出现也可能不出现刺激，这样一来被试的可能反应类型就扩大到了4种：“击中”（Hit）：刺激出现并报告”有”(y)“漏报”（Miss）：刺激出现并报告“无”(n)“虚惊”（FalseAlarm）：刺激没有出现并报告“有”(y)“正确拒斥”（CorrectRejection）：刺激没有出现并报告“无”(n)P(y)=P(Hit)+P(FA)11第11页，共67页，2023年，2月20日，星期一GesCheideretal.（1971）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微米；P（S）为0.3时，阈限则是1.5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。12第12页，共67页，2023年，2月20日，星期一GesCheideretal.（1971）：对指尖震动刺激的绝对阈限测定实验

13第13页，共67页，2023年，2月20日，星期一反应代价（反应倾向）反应代价影响反应的结果，即反应受到奖赏和惩罚的影响。如果正确地报告了“有”刺激（“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（争取奖赏），在这种情况下，所测量的阈限相对值便低。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（回避惩罚），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。14第14页，共67页，2023年，2月20日，星期一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。15第15页，共67页，2023年，2月20日，星期一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。16第16页，共67页，2023年，2月20日，星期一具体地说，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：检测问题：察觉一个事物是否存在

认知问题：辨认一个事物

辨别差异问题：叙述某些事物与标准的区别

量表问题：测量心理活动并转换成某种尺度

17第17页，共67页，2023年，2月20日，星期一检测（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。18第18页，共67页，2023年，2月20日，星期一认知（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。19第19页，共67页，2023年，2月20日，星期一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。20第20页，共67页，2023年，2月20日，星期一量表（scale）就是测量心理活动并转换成某种尺度（yardstick）的问题。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）。21第21页，共67页，2023年，2月20日，星期一电子侦察系统的信噪分离信号检测论的由来22第22页，共67页，2023年，2月20日，星期一二、信号检测论的原理信号检测论（signaldetectiontheory，SDT）是信息论的一个重要分支。它的理论基础是统计决策理论。1954年，美国心理学家W.P.Tanner和J.A.Swets把它应用于人的知觉过程，使心理物理学方法发展到一个新的阶段。抽样分析总体推断良好决策损益分析行动可能性分析23第23页，共67页，2023年，2月20日，星期一骰子游戏假设一次掷三颗骰子：两颗是正常的，即每个面有一个数字，依次为1到6。第三颗是特殊的，三面写0，另三面写3。你的任务是猜测，特殊骰子的哪一面朝上？猜对有奖，猜错受罚。在猜测之前，告诉你三颗骰子朝上的数目总和。那么，这个游戏的实质是什么？24第24页，共67页，2023年，2月20日，星期一骰子游戏：决策过程

8=出现3的可能性为4种总数特殊骰子（三）正常骰子（一）正常骰子（二）3+50+81+42+33+24+1+6+5+4+3+2出现0的可能性为5种25第25页，共67页，2023年，2月20日，星期一骰子游戏：反应类型击中P(Y/3)漏报P(N/3)虚报P(Y/0)正确否定P(N/0)骰子游戏的四种情形猜3030特殊骰子P(N/3)＝1－P(Y/3)P(N/0)＝1－P(Y/0)26第26页，共67页，2023年，2月20日，星期一数目总和0出现次数3出现次数0出现概率%3出现概率%虚报率％击中率％累加虚报率％累加击中率％2101/1=10001／36＝30／36＝01001003202/2=10002／36＝50／36＝0971004303/3=10003／36＝90／36＝0921005414/5=801/5=204／36＝111／36＝3831006525/7=712/7=295／36＝142／36＝572977636/9=673/9=336／36＝163／36＝958928545/9=564/9=445／36＝144／36＝1142839454/9=445/9=564／36＝115／369=336/9=673／36＝96／36＝16175811252/7=295/7=712／36＝55／36＝1484212141/5=204/5=801／36＝34／36＝11328130303/3=1000／36＝03／36＝9017140202/2=1000／36＝02／36＝508150101/1=1000／36＝01／36＝300总和363627第27页，共67页，2023年，2月20日，星期一骰子游戏：0分布与3分布28第28页，共67页，2023年，2月20日，星期一骰子游戏：标准变化引起的击中率、虚报率的变化以虚报率作为横坐标，击中率作为纵坐标做图时，我们就可以形象地看到随着标准的变化，击中率与虚报率也相应地发生变化的情形。这个曲线上各点代表在特定刺激条件下被试所采用的各种反应方式，所以叫做接受者操作特征曲线（receiveroperatingcharacteristiccurve,ROC）。29第29页，共67页，2023年，2月20日，星期一如何解读ROC曲线？曲线的斜率：曲线的坡度代表了决策标准β。

对角线：从左下角到右上角的对角线（虚线）是一条机遇线。如果被试的决策标准在信号分布的最右边，即采用最严格的决策标准，则无论出现什么刺激，被试均以“无信号”反应，击中率和虚报率都是零。如果被试的决策标准在信号分布的最左边，即采用最宽松的决策标准，则无论出现什么刺激，被试均以“有信号”反应，击中率和虚报率都是1。

30第30页，共67页，2023年，2月20日，星期一人对信号刺激的觉察（1）

骰子游戏已知骰子数目总和

3

判断

0判断标准

信号觉察获得某种感觉

信号判断

噪音判断标准31第31页，共67页，2023年，2月20日，星期一噪音（Noise）分布与信号（Signal）分布（信号＋噪音分布）信号检测论所指的信号可以理解为刺激（stimuli）,而被试的任务就可以相应地理解为”信号检测”，即判断”有信号”还是”无信号”。噪音就是信号所伴随的背景。信号检测论认为，信号和噪音总是混杂在一起的，且产生不同的感觉印象分布。

32第32页，共67页，2023年，2月20日，星期一人对信号刺激的觉察（2）对骰子游戏的分析完全适用于人对信号的觉察过程。人对信号的觉察也有击中、虚报等四种情形；随着标准的变化，其击中率与虚报率也在变化；也同样可以绘制其操作者特征曲线和分布曲线。33第33页，共67页，2023年，2月20日，星期一34第34页，共67页，2023年，2月20日，星期一

信号检测论的两个独立指标

——辨别力指数（d’）和决策标准（β）

敏感性指标：辨别力指数d’信号分布和噪音分布的中轴（平均数）之间的距离（d’）代表信号与噪音之间的可辨别性，也是人的感受性的反映。因此，信号分布的平均数（MSN）和噪音分布的平均数（MN）的距离，就可以作为被试辨别力的指标。辨别力指数（d’）的计算公式是：

d’＝（MSN－MN）／δN

＝ZSN－ZN

35第35页，共67页，2023年，2月20日，星期一反应偏向指标：决策标准β由于存在信号与噪音的混杂，必须确定一个判断信号是否出现的内在标准，即决策标准（β），也称似然比。在图上以一条垂直于横坐标轴的直线表示，它可以左右移动表示标准的变化。β的数学定义为给定Xc水平上信号分布的纵轴与噪音分布的纵轴之比。β的计算公式是：

β＝Of(y/SN）/Of(y/N）

36第36页，共67页，2023年，2月20日，星期一设d’不变，β可能出现三类情况37第37页，共67页，2023年，2月20日，星期一设β=1，d’可能出现三类情况38第38页，共67页，2023年，2月20日，星期一三、信号检测论的实验方法有无法评价法迫选法39第39页，共67页，2023年，2月20日，星期一有无法有无法要求事先选定SN刺激和N刺激，并规定SN和N出现的概率，然后以随机方式呈现SN或N，要求被试回答：刚才的刺激是SN还是N。根据被试对呈现刺激的判断结果来估计击中率P(y/SN)和虚报率P(y/N)，进而计算两个指标d’和β。40第40页，共67页，2023年，2月20日，星期一有无法（2）击中f1漏报f2虚报f3正确否定f4反应ynSNN刺激P(y/SN)=f1/(f1+f2)P(y/N)=f3/(f3+f4)41第41页，共67页，2023年，2月20日，星期一例：白噪音背景上的纯音信号，二者各随机呈现100次，击中16次（P=0.16），虚报2次（P=0.02），结果如下图。

β＝0.242／0.048＝5.042

；d’＝2－1＝1（这是特定实验条件下的结果）ZSN：表示β与ＭSN的距离；ZN：表示β与ＭN的距离。二者之差就是ＭSN和ＭN的距离。42第42页，共67页，2023年，2月20日，星期一影响判断标准的两个因素：先定概率和奖惩标准

例：当奖惩办法固定时，先定概率对判断标准的影响。

（不同的实验条件：先定概率不同）实验信号出现频率结果ynA0.20SNN0.160.020.840.98β＝5.042d’=1.0B0.50SNN0.500.160.500.84β＝1.649d’=1.0C0.80SNN0.930.690.070.31β＝0.378d’=1.043第43页，共67页，2023年，2月20日，星期一实验奖惩办法结果DynynSN+1-1SN0.310.69N-2+2N0.070.93d’=1.0;β=4.481EynynSN+1-1SN0.690.31N-１+１N0.310.69d’=1.0;β=1.000FynynSN+３-３SN0.980.02N-１+１N0.840.16d’=1.0;β=0.223例：当先定概率固定时（P（SN）=0.50）,奖惩办法对判断标准的影响（不同的实验条件：奖惩标准不同）44第44页，共67页，2023年，2月20日，星期一辨别力不同的被试的ROC曲线：

＊曲线越远离对角线，表明被试的辨别力越强。

＊而被试表现出的辨别力是由两个因素共同决定的：感受性水平和信号强度。

＊ROC曲线上的点代表判断标准的变化。辨别力指数d’和判断标准β是相互分离的。45第45页，共67页，2023年，2月20日，星期一例：有无法：杨治良（1983）选图片500页，分成五个组，每组100张。五组图片的先定概率分别是0.1、0.3、0.5、0.7和0.9。对于每一组图片，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者一定数量的图片，要求被试者把它们当做”信号”记住。作为信号的图片呈现完毕之后，与此组作为噪音的图片混合，然后随机地逐张呈现给被试。这时，每呈现一张图片，即要求被试判断此图片是”信号”还是”噪音”，并要求被试把结果记录在实验纸上。

46第46页，共67页，2023年，2月20日，星期一P击中＝0.30P虚报＝0.14P击中＝0.53P虚报＝0.13P击中＝0.70P虚报＝0.2247第47页，共67页，2023年，2月20日，星期一P击中＝0.84P虚报＝0.43P击中＝0.92P虚报＝0.6048第48页，共67页，2023年，2月20日，星期一可见：被试的再认能力没有明显改变，再认成绩的变化是决策标准改变的结果。49第49页，共67页，2023年，2月20日，星期一50第50页，共67页，2023年，2月20日，星期一评价法评价法呈现刺激的方式和有无法一样，但要求被试反应的方式和有无法不同。在有无法中，只要求被试以“有信号”或“无信号”来反应。每次实验被试只用一个标准作出判断。在评价法中，还要求被试对信号出现的可能性作出评价。如果被试判断“有信号”，还要求他对这个判断的把握程度做出评价。这时被试实际上同时使用着几个标准。51第51页，共67页，2023年，2月20日，星期一确信程度含义相应的概率判断第6等十分肯定有信号出现100%有信号出现第5等肯定有信号出现80%有信号出现第4等可能有信号出现60%有信号出现第3等可能没有信号出现40%有信号出现第2等肯定没有信号出现20%有信号出现第1等十分肯定没有信号出现0%有信号出现表各个确信程度含义52第52页，共67页，2023年，2月20日，星期一例：评价法（信号和噪音各呈现600次）判断标准C5C4C3C2C1（1）确信程度654321（2）f（SN.Ri）176154101665944（3）f（N.Ri）24546696162198（4）P（Ri│SN）0.290.260.170.110.100.01（5）P（Ri│N）0.040.090.110.160.270.3353第53页，共67页，2023年，2月20日，星期一各种标准下的d’和β

判断标准C5C4C3C2

C1P（y│N）0.040.130.240.400.67P（y│SN）0.290.550.720.830.93ZN+1.75+1.13+0.71+0.25-0.44ZSN0.55-0.13-0.58-0.95-1.48虚报率纵坐标0.08630.21070.31010.38670.3621集中率纵坐标0.34290.39560.33720.25410.1334d’1.201.261.291.201.04β3.791.871.090.660.3754第54页，共67页，2023年，2月20日，星期一迫选法迫选法和有无法、评价法不同的地方在于，让被试判断以前，至少要连续呈现两次刺激。在两次或多次呈现的刺激中，只有一次有信号出现，但信号在哪一次出现则是随机的。被试的任务就是判断哪一次呈现的刺激中最可能有信号。

55第55页，共67页，2023年，2月20日，星期一例：刺激数目对汉字再认准确性的影响

假设：刺激数目对汉字再认的准确性具有消极影响。材料：汉字字表，分为三种情况：

A每组两个字，一个为信号（2AFC），60组；

B每组四个字，一个为信号（4AFC），60组；

C每组六个字，一个为信号（6AFC），60组。程序：被试：中学生或大学生若干人，随机分为3组，分配到三种实验条件下。预备学习：准备一个汉字字表，以每个2秒的速度依次呈现，让被试进行识记；56第56页，共67页，2023年，2月20日，星期一再认测验：将识记字表与另一些未识记的汉字混合，组合成前述三种材料；每组被试接受一种材料的再认任务。将每组汉字一个字一个字地呈现给被试。要求被试报告每组汉字材料中哪一个字是刚才识记过的（“识记过”或“未识记过”），即使说不清也要选一个。结果：统计每种条件下被试的击中率和虚报率。计算每种条件下被试的分辨力指数d’和判断标准β

。比较不同条件下被试的击中率和虚报率，比较不同条件下被试的分辨力指数和判断标准β

。57第57页，共67页，2023年，2月20日，星期一四、信号检测论的应用在医学心理学中的应用在工程心理学中的应用在认知研究中的应用58第58页，共67页，2023年，2月20日，星期一在医学心理学中的应用痛阈研究（Clack，1974）:提示对热辨别力（d′值）和反应判定标准（β或C）的影响Clack采用信号检测论，研究了提示对热辨别力（d′值）和反应判定标准（β）的影响，并与传统方法测得的阈值客观地进行了比较分析。采用传统心理物理法分析得到以下结论：提示能取得提高回缩阈值（即耐痛阈）的预期效果提示时口头报告的痛阈影响极小

59第59页，共67页，2023年，2月20日，星期一表：提示前、后被试者各类反应的累积条件概率

60第60页，共67页，2023年，2月20日，星期一在工程心理学中的应用警戒与警戒衰退

警戒（vigilance）是指操作者在相当长的一段时间内，对环境中偶然出现的某种信号的察觉并做出反应的持续准备状态麦克沃斯（Machworth，1948）：“钟表任务”

结果：被试正确检测信号的数量随着时间呈下降