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1、第五章 心理物理学Psychophysics章节章节传统心理物理学心理物理函数感觉的直接测量信号检测论2第一节第一节 传统心理物理学传统心理物理学感觉阈限的测量阈上感觉的测量3感觉阈限的测量感觉阈限的测量什么是感觉阈限(Sensory Threshold)?包括绝对阈限(absolute threshold)和差别阈限(difference threshold)。前者指刚好能够引起心理感受的刺激量的大小；后者指刚好能引起差异感受的刺激变化量测量感觉阈限的方法最小变化法恒定刺激法平均差误法4最小变化法最小变化法什么是最小变化法基本的实验过程误差控制5什么是最小变化法什么是最小变化法又称极限法（l
2、imit method)、序列探索法（method of serial exploration)、最小可觉察法（或最小差异法）(method of least difference)等，是测量阈限的直接方法特点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。6基本的实验过程基本的实验过程测定绝对阈限（P232表）刺激：刺激系列（递增或递减序列）起点的确定程序：呈现刺激序列，要求被试报告是否感觉到刺激，当被试反应变化时停止阈限的计算（1）求每个系列上的阈限值；（2）求所有系列阈限的平均值，即总的阈限值测定差别阈限（P233表）刺激：一个标准
3、刺激（St)和比较刺激（Sv)序列程序：呈现比较刺激序列，要求被试将之与标准刺激比较，直到被试反应发生转折，以“+”、“-”、“=”、“？”记录被试反应阈限的确定7误差控制误差控制测定绝对阈限时产生的误差及其控制习惯误差：继续作同一种判断的倾向；使递增系列阈值偏高，递减系列阈值偏低期望误差：期望转折点尽快到来；使递增系列阈值偏低，递减系列阈值偏高*抵消习惯和期望误差的方法为递增和递减序列数量一致练习误差：练习使速度和准确性提高疲劳误差：随实验进行，速度和准确性降低*控制练习和疲劳误差的方法为ABBA法8误差控制误差控制测定差别阈限时产生的误差及其控制习惯、期望、练习和疲劳误差及控制方法如前时间
4、与空间误差：标准和比较刺激呈现的时间先后和空间位置多层次ABBA法控制9恒定刺激法恒定刺激法具体做法绝对阈限的计算差别阈限的计算10具体做法具体做法选择距离相等的5到7个刺激，最大刺激强度被感知的可能性大于95%，最小刺激强度被感知的可能性低于5%每种刺激呈现50到200次刺激呈现顺序随机安排，测量绝对阈限时，无需标准值，测量差别阈限时，需将以上刺激与某一标准值比较求出各个刺激变量引起某种反应的次数11绝对阈限的计算绝对阈限的计算以两点阈为例以两点阈为例实验程序：5个等距的刺激8、9、10、11、12毫米，每个呈现200次，要求被试报告是“两点”还是“一点”用直线内插法求绝对阈限将刺激作为横坐
5、标，以正确判断的百分数作为纵坐标画曲线从纵轴的50%处画出与横轴平行的直线，与曲线交于点a，从点a向横轴画垂线，垂线与横轴相交处就是两点阈12差别阈限的计算差别阈限的计算以重量辨别为例以重量辨别为例实验程序：以200克为标准刺激，以从185到215克间隔为5克的7个重量作为比较刺激，要求被试做“重”、“相等”、“轻”三类反应用直线内插法求差别阈限以三种反应的次数作为纵坐标画曲线直线内挺好求得50%次被判断为比标准刺激重的重量和50%次被判断比标准刺激轻的重量作为上限与下限13平均差误法平均差误法实验程序阈限计算误差控制14实验程序实验程序呈现一个标准刺激，令被试再造、复制或调节一个比较刺激，使
6、它与标准刺激相等，测定绝对阈限时，假设标准刺激为零。15阈值阈值计算计算绝对阈限：每次调节结果的算术平均数差别阈限：其中，PSE为主观相等点，即多次调整结果的平均值，St为标准刺激强度16误差控制误差控制动作误差：因被试所采用的动作方式不同而过高或过低估计比较刺激的反应倾向时间误差标准刺激和比较刺激是相继呈现导致的反应倾向控制方法多层次的ABBA法17阈上阈上感觉的测量感觉的测量顺序量表的建立将事物按某一标准排出一个次序，所建量表既不等距，也无绝对零点等距量表的建立建立有相等单位但无绝对零点的量表比例量表的建立建立既有真正零点又有等距单位的量表18顺序量表的建立顺序量表的建立等级排列法程序：同
7、时呈现许多刺激，让多个被试按照一定标准，把这些刺激排成顺序，然后将每个被试对同一刺激评定的等级加以平均，最后把各刺激按平均等级进行排列便构成顺序量表P241例注意问题：被试样本的代表性；一次排序中的随机误差1920对偶比较法对偶比较法程序：刺激成对出现，要求被试判断哪一个刺激在某一特性上更为突出，然后根据每个刺激优于其它刺激的百分比进行排序，建立顺序量表P243例注意问题：针对一个被试得到的心理物理量表的推广性差；要求这种对偶比较是可传递的21等距量表的建立等距量表的建立通过POZ转换，将顺序量表直接转化为等距量表感觉等距法制作方法：将一个感觉分成主观上相等的距离二分法：呈现两个刺激A和C，要
8、求选择第三个刺激B，使得A和B之间的距离等于B和C之间的距离渐进的解决方案同时分出几个等分同时的解决方案22等距量表的建立等距量表的建立差别阈限法制作方法：以绝对阈限为量表起点，以差别阈限（最小可觉察）为单位制作量表以刺激强度为横坐标，以绝对阈限以上的最小可觉察数为纵坐标，画出的心理物理关系图就是等距量表（P246图5-6）23比例量表的建立比例量表的建立分段法制作方法：把一个感觉量加倍或减半或取任何其他比例例如：听觉响度量表的制作数量估计法制作方法：呈现一规定了主观数值的标准刺激，要求被试以这个主观值为标准，给其它强度不同的比较刺激附上主观值例如：长度估计24第二节第二节 心理物理函数心理物
9、理函数韦伯定律费希纳定律史蒂文斯定律25韦伯定律韦伯定律韦伯分数：对于任何同一类的刺激，产生一个最小可觉察所需增加的刺激量，总是等于当前刺激量与一个固定分数的乘积，这个固定分数被称作韦伯分数韦伯定律：韦伯定律的修正：（参数a解释为感觉噪音）韦伯定律的作用：比较不同感觉道的感受性26费希纳定律费希纳定律费希纳定律的推导费希纳定律的改进费希纳定律的成立条件27费希纳定律的推导费希纳定律的推导按照韦伯定律预测，设绝对阈限的值为a，对应心理量表的零点，韦伯分数 ；那么：心理量表的1就对应a(1+C)，心理量表的2就对应a(1+C)2，心理量表的n就对应a(1+C)n。这说明，心理量值恰好是物理量值除以
10、a以后，并取以（1+C）为底的对数：28费希纳定律的推导费希纳定律的推导经过对数换底公式的变化：可得到更简洁的形式：是物理刺激高出绝对阈限以上的单位数量，K是固定的系数；该公式即为费希纳定律，意为：感觉强度的变化和刺激强度的对数变化成正比。29费希纳定律的改进费希纳定律的改进艾克玛定律艾克玛定律最小可觉差的主观大小，随感觉量成比例增长，公式表示为：其中 是在感觉量 水平的是小可觉差的主观大小根据艾克玛定律推导得出幂定律：所有感觉通道的b值都为0.03（Teghtsoonian,1997)30费希纳定律的成立条件费希纳定律的成立条件费希纳定律的成立，依赖的假设假设建立心理量表所用的差别阈限法是合
11、理的假定用韦伯定律的推导代替大量的差别阈限法实验来确定每个最小可觉差也是合理的成立的条件假定韦伯定律对所有类型和强度的刺激都是正确Riesz(1928)的实验否定了这一点假定所有最小可觉差的心理上都是相等的Stevens(1936)的研究和Durup(1933)等的实验否定了这一点。31史蒂文斯史蒂文斯定律定律对最小可觉差的重新理解幂定律的提出幂定律的发展32对最小可觉差的重新理解对最小可觉差的重新理解神经量子理论 是使附加量子活动所需的刺激增量；Q是肯定能够兴奋一个量子的增量大小；P是标准刺激St的剩余能量所引出的部分兴奋量。当 ，增量达到兴奋一个附加量子，这就能产生一个最小可觉差梯形曲线和
12、拱形曲线33对最小可觉差的重新理解对最小可觉差的重新理解梯形曲线和拱形曲线拱形曲线的影响因素被试的动机、注意疲劳等梯形曲线的满足条件仔细地控制刺激，避免噪音干扰被试在整个实验过程中必须保持恒定的判断标准如果神经量子的大小在实验期间改变了，曲线将变为拱形从标准刺激向比较刺激的转换必须迅速34幂定律的提出幂定律的提出公式：（S是感觉量；b是由量表单位决定的常数；a是感觉道和刺激强度决定的幂指数）大量数量估计法实验证明：感觉量和刺激间符合幂定律（P263，表5-11及图5-16和5-17）。35幂定律的发展幂定律的发展幂定律的修正公式 （I0是绝对阈限值）跨感觉道的匹配技术：匹配两个不同感觉道产生的
13、感觉量等感觉函数的曲线证明不同感觉首可以匹配：这样，在双对数坐标中等感觉函数是直线36第三节第三节 感觉的直接测量感觉的直接测量感觉的直接测量法感觉直接测量的情境效应直接数量估计法的应用37 感觉的直接测量法感觉的直接测量法 对心理感受直接赋予数值对心理感受直接赋予数值数量估计(magnitude estimation)数量生产(magnitude production)绝对数量估计(absolute magnitude estimation)38 感觉的直接测量法感觉的直接测量法 对心理感受直接赋予数值对心理感受直接赋予数值数量估计数量估计法的首次尝试Richardson和Ross(1930
14、)数量估计法的两种形式根据标准刺激的数值，给其他刺激赋值无已赋初值的标准刺激，按被试自己的恒定标准给所有刺激赋值使用几何平均数进行统计避免赋值时极大或极小值的影响保留在算术平均过程中损失的心理物理函数特征39 感觉的直接测量法感觉的直接测量法 对心理感受直接赋予数值对心理感受直接赋予数值数量生产（数量估计法的反向程序）给被试一个用数字表示的感觉量值，要求他们调整刺激产生相应的感觉量数量生产和数量估计配合使用，以抵消回归效应（P268页图5-18）感觉的直接测量技术及由此归纳出的幂定律，被认为是现代心理物理学的标志。40感觉直接测量的情景效应感觉直接测量的情景效应实验中其他刺激的影响情景效应定义
15、：同一个刺激和较弱刺激一起出现，会被高估；而和较强刺激一起出现，则被低估（P269页图5-19，试问何种曲线表示高低强度的刺激）对这一现象的解释：被试的反应偏差：被试倾向于在每次实验的数值估计中使用相同范围的数字（P270页图5-20）感觉参照导致：41刺激序列效应发生在同一实验阶段内定义：数量估计受到此前呈现刺激的同化作用序列效应和情景效应的比较（P271页图5-21）刺激全距的影响定义：刺激全距减小，心理物理函数斜率提高（P272页图5-22）对此现象的解释保持同样的反应全距反应全距减小感觉直接测量的情景效应感觉直接测量的情景效应两者变化不同步两者变化不同步42直接数量估计法的应用直接数量
16、估计法的应用情绪研究中的应用Frankenhaeuser等（1967）发现情绪体验估计值和生理指标间具有高相关数量估计法用于恐惧症治疗生活事件量表：对生活事件的影响强度进行度量（P273）社会舆论的测定（P274）Sellin等（1964）发现不同被试对犯罪行为严重程度的数量估计一致性很高罪行舆论量表的效度证据：（1）满足可加性要求；（2）偷盗罪行的严重性是偷盗数额的幂函数幂函数的指数作为量形公正性的指标：虽然罪行恶劣程度和刑期的指数不为1，但惩罚程度评价和刑期的幂函数指数也不为1，两者互补，呈现立法公平43信号检测论信号检测论信号检测论引入的原因信号检测论的基本思想信号检测论的两种独立指标接
17、受者操作特性曲线认知研究中的应用44信号检测论引入的原因信号检测论引入的原因传统心理物理学的错误假设假设：被试报告为“有”的概率P(y)仅是物理刺激强度的函数，不受刺激出现概率P(S)等非感觉因素的影响事实上，P(S)总为1将被试反应局限在击中和漏报两种，真实的被试反应有击中、虚报、漏报和正确拒斥四种，P(y)=P(Hit)+P(FA),P(y)会受P(S)的影响传统心理物理学控制P(y)会受P(S)影响的方法（P277格希德等人的研究及修正方法P278-279）根据上述控制方法所导出的P*(Hit)与P(FA)的关系与其传统心理物理学本身的实验数据矛盾信号检测论引入（Tanner&Swets
18、,1954)45传统心理物理学控制传统心理物理学控制P(y)会受会受P(S)影响的方法影响的方法阈上刺激的反应不受到非感觉因素的影响；阈下刺激的反应受到非感觉因素的影响，部分反应为“有”，称为猜测反应。加入空白试验来去除猜测为“有”的概率，如P279页图5-24所示，P*(Hit)为排除了猜测反应后的击中率46P*(Hit)与与P(FA)的关系与实验数据矛盾的关系与实验数据矛盾根据上述控制方法得：这说明P*(Hit)与P(FA)呈线性关系,而实验上传统心理物理学实验数据显示它们成如图5-26的关系47信号检测论的基本思想信号检测论的基本思想信号与噪音决策标准48信号与噪音信号与噪音信号=刺激噪
19、音=起干扰作用的所有背景实验程序:有时只呈现噪音(以N表示);有时信号和噪音同时呈现(SN表示),让被试报告是否出现信号SN和N分布:SN和N两种情况分别在心理感受量值上形成两个重叠的正态分布,SN分布的均值总大于N分布,SN分布和N分布间的距离可以作为被试感受性的衡量指标,这被称为辨别力指标(d)P282页图5-2749决策标准决策标准似然比:如图5-28,对于某一感觉量值X,当它远离N分布时,被试报告“有”,远离SN分布时,报告“无”,但如果处于重叠区域,X来自N分布的可能性用两个分布的纵线高度(O),即似然比来衡量L(x)随着X值的变化而变化(P283页图5-29)50决策标准决策标准决
20、策标准:选择某一似然比作为决策标准,当观察得到的x所对应的似然比l(x)大于等于,报告为“有”;否则,报告为“无”最优值(OPT)受P(S)和支付矩阵的影响P为概率,V代表正确反应的价值,C代表错误反应付出的代价(负值)51信号检测论的两种独立指标信号检测论的两种独立指标反应偏向似然比报告标准C辨别力指标52似然比似然比数学定义“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(图5-30)间接计算方法(图5-31)可以通过4种反应概率的PZO转换得到Xc分别对应的O(SN)和O(N),两者的比值就是值.1说明被试掌握的标准较严;=1说明不严也不松;1说明标准太松5
21、3报告标准报告标准CC是横轴上的判定标准位置,计算公式为:I2为高强度刺激,I1为低强度刺激,Z1为低强度刺激时的正确拒斥概率的Z值C会出现三种情况(以再认实验为例,d固定)宽松的报告标准:旧刺激呈现时,报告“旧”的概率接近1.0;新刺激呈现时,报告“旧”的概率高中等的报告标准:旧刺激呈现时,报告“旧”的概率较高;新刺激呈现时,报告“旧”的概率适中严格的报告标准:旧刺激呈现时,报告“旧”的概率低;新刺激呈现时,报告“旧”的概率接近0.0(计算表5-14)54辨别力指标辨别力指标称为辨别力d用fN(X)与fSN(X)之间的距离表示,分式为:当N分布与SN分布均为常态分布时(见图5-33):55接
22、受者操作特性曲线接受者操作特性曲线ROC曲线的绘制以杨治良(1983)实验为例(P292页)设定五种先定概率0.1,0.3,0.5,0.7,0.9计算P(FA)和P(Hit)计算d和,发现d恒定,变化以P(FA)为横坐标,以P(HIT)为纵坐标得到ROC曲线ROC曲线的属性:(1)值的改变独立于d的变化;(2)ROC曲线的曲率真反应敏感性指标d56接受者操作特性曲线接受者操作特性曲线方差齐性假设的检验在d的计算中蕴含方差齐性假设检验方法:ROC曲线坐标转化为Z分数后,斜率是否为1实验证明方差齐性假设不成立57认知研究中的应用认知研究中的应用再认记忆研究中的应用新旧项目在记忆强度的连续体上形成两
23、个互相重叠的正态分布SN和N分布MOC(记忆操作特征)曲线检验脑操作,药物等因素是d还是社会认知研究中的应用攻击性行为的研究刺激:2X2的矩阵(恰当的攻击,不恰当的攻击,恰当的不攻击,不恰当的不攻击,其中攻击情景为信号)结果:自身攻击性越高的青少年,在问卷中显示出的d越低;而教养良好的青少年,其d都很高青少年的攻击性行为是由于不能分辨恰当攻击和不恰当攻击的区别58思考题思考题1.两种心理物理函数费希纳定律和史蒂文斯定律分别是如何推导得出的？它们的涵义分别是什么？2.信号检测论的两个独立指标是什么，如何进行计算，如何绘制接受者操作特性曲线？3.虽然阈限测量通常是在实验室情境中进行，但是它也可以借助日常生活中的简单道具来实现。请你设想一下，如果给你 10 个容器（杯子、信封、纸盒等）、能够装进容器的物品（硬币、沙子、大米等）以及一把秤，你如何利用这些工具测量重量差别阈限？4.除了音高量表和响度量表之外，你还可以想到其他在日常生活中运用心理物理量表的例子吗？5.请根据你所学过的心理学知识，列举一些可以利用信号检测论进行研究的领域。并说明在应用中如何使用信号检测论的两个指标，以及两个指标代表的意义。59