4 反应时间
《论语·子罕》中记载了孔子的名言“逝者如斯夫,不舍昼夜”,这句话表达了古人对于时间流逝的慨叹,同时也反映出如流水般的时间对于人类而言,是多么的难以掌控和琢磨。尽管如此,现代的科学家面对“时间”这个抽象的概念时,并没有叹息,更没有却步,而是在思考时间这一概念的同时发现了一种与人类行为密切相关的时间——反应时间,并利用它完成了大量的实验研究,使得众多心理活动得以量化。时至今日,反应时间依然是实验心理学研究领域中最经典、应用范围最广的变量之一。
一、反应时间概述
(一)反应时间的概念
有机体对刺激的反应并不能在受到刺激的同时就发生,从刺激的呈现到反应的开始之间会有一段时间间距。反应时间(reaction time, RT)就是指从刺激呈现到有机体做出明显的反应所需要的时间。
反应时间主要包括三个时段:①刺激使感受器产生兴奋,其冲动传递到感觉神经元的时间;②神经冲动经感觉神经传至大脑皮质的感觉中枢和运动中枢、中枢加工,并从那里经运动神经到效应器的时间;③效应器接受冲动后开始效应活动的时间。刺激的呈现会引起一种过程的开始,此过程在机体内部的进行是潜伏的,直至此过程到达肌肉这一效应器时,才产生一种外显的、对环境的反应。因此,反应时间往往也被称为“反应的潜伏期”。
在反应的潜伏期中包含着感觉器官产生兴奋、中枢(脑和脊髓)加工、神经传入传出所需的时间,以及肌肉效应器反应所需的时间,其中中枢加工所消耗的时间是最多的(图4-1)。
图4-1 反应时间的神经传导过程关系
(二)反应时间的研究简史
回顾反应时间的历史,我们会发现研究者对于反应时间的探索早于实验心理学的出现,甚至可以说早期对于反应时间的探索和研究在一定程度上为实验心理学以及后来的认知心理学奠定了方法学的基础。
个体的反应并不是即时发生的,而通常会在刺激出现之后有一定的延迟,且这种延迟存在个体间的差异。这种现象最初实际上是由天文学家观察到的,所以说对于反应时间的研究其实肇始于天文学:1796年的一天,英国格林尼治天文台台长Maskelyne解雇了自己的一名助手,原因是他发现助手Kinnebrook观察星体通过子午线的时间总要比自己慢,虽然Maskelyne反复提醒Kinnebrook,但几个月之后助手的观测误差仍然存在,于是台长就以失职为由将其解雇。几十年后,德国天文学家Bessel注意到这个故事,他认为两个人在观测时间上存在的差异可能并非是由于助手的粗心或无能所致。为了证明这种猜想,Bessel尝试比较了自己与其他天文学家在观测同一星体通过子午线时间之间的差异,结果发现两个观测者之间总会存在一定的差异,且这个时间差往往是恒定的。Bessel用“人差方程”来表示这种现象:
B(天文学家1的反应时间)-A(天文学家2的反应时间)≈1.22s
即两个天文学家总会存在约1.22s的差异。这一发现不仅为Kinnebrook“沉冤昭雪”,同时也使得天文学家开始关注观测的计时方法。
1850年,德国生理学家Helmholtz开展了历史上第一个反应时间的实验,并成功测量了神经元的传导速度。他首先测得蛙的运动神经传导速度(约为26m/s),随后他还希望可以进一步测得人类的神经传导速度。Helmholtz认为被试的反应快慢可能会受到大脑皮层和刺激点相连的神经元之间距离的影响,所以他尝试用微弱的电击刺激人类被试不同位置的皮肤(如脚趾和大腿),要求被试在感受到电击刺激的同时进行按键反应,并计算不同位置反应时间的差异,结果发现人类的神经传导速度约为60m/s。尽管这一结果很粗略,但是Helmholtz采用的这种测量方法在科学发展史上却是十分重要的,它提示神经传导速度这种内在的活动是可以被测量的,这为后续实验心理学领域中运用反应时间测量一些内在的心理现象和过程提供了重要的启示。
真正把反应时间引入心理学研究的是荷兰生理学家Donders。1868年,他在《关于心理过程的速度》一文中试图利用反应时间来测量各种心理活动所需要的时间,并进而提出存在三种不同类型的反应以及一套测定这些反应的时间的方法,即后来为人们所熟知的“Donders反应时间ABC”和“减数法”(详见本章第二节)。科学心理学之父Wundt很快便意识到Donders这种计算心理活动的办法可以为心理学的实验研究所用,于是他带领学生利用反应时间对知觉、注意和联想等一系列心理过程进行了测量。随着反应时间在研究中的应用越来越广泛,1873年奥地利生理学家Exner在论文中首次提出了“反应时间”一词。
20世纪50年代中期,认知心理学开始兴起和发展,关于反应时间的测量方法和研究也日益丰富起来。认知心理学主张研究认知活动本身的结构和过程,认为认知就是信息加工。按照这一观点,认知可以分解为一系列阶段,每个阶段都是一个对输入的信息进行某些特定操作的单元,而反应则是这一系列阶段和操作的产物。在这一背景下,Sternberg于1969年在减数法的基础上提出了反应时间的加因素法。这种方法假定,完成一个任务需要的时间是一系列信息加工阶段分别所需时间的总和(详见本章第二节)。Sternberg所提出的加因素法使得在利用反应时间解释心理过程方面的研究又前进了一步,但由于这种方法依然不能直接测得某一特定加工阶段所需的时间,Hamiton等人(1977)和Hockey等人(1981)又提出了一种新的实验技术——“开窗”实验。利用这种技术每个加工阶段的时间都可以被直接测得,从而使研究者可以更直观地看到这些加工阶段,就好像打开了一扇窗户一样,一目了然(详见本章第二节)。除此之外,还有Meyer等人(1988)提出的速度与准确率分离技术(speed-accuracy decomposition, SAD)以及Greenwald等人(1998)提出的内隐联想测验(implicit association test, IAT)也都是反应时间研究历史上值得铭记的一笔。
二、反应时间的测量与分析
(一)反应时间的测量
反应时间的测量方法主要包括减数法、加因素法、“开窗”实验和内隐联想测验等。减数法是所有方法的基础,例如,加因素法和“开窗”实验是在减数法基础上发展而来,目前这两类实验虽然只有一个原型实验,但相对于减数法来说也是一种推进。内隐联想测验也是在减数法基础上提出的,是将减数法应用于内隐态度的测量。因此,下面将加因素法、“开窗”实验和内隐联想测验与减数法一同作为反应时间测量的方法加以介绍。
1.减数法
(1)基本原理
Donders受到天文学家关于人差方程研究和Helmholtz测定神经传导速度研究的影响,提出了反应时间的减数法,其背后的逻辑是减法法则,即如果一种任务包含另一种任务所没有的某个特定的心理过程,且除此之外二者在其他各个方面均相同,那么这两种反应时间之间的差异即为此心理过程所需的时间。Donders把反应分为A、B、C三类来对心理的加工过程进行研究。
A类反应,又称简单反应。在简单反应中仅有一个刺激,当这一个刺激呈现时,便立即对其做出反应。例如,当被试看到圆形出现时就马上按下A键。一方面,这是一种最简单的反应;另一方面,简单反应又是复杂反应的基本组成部分,它所耗费的时间可称为“基线时间”,即为复杂反应所耗费的时间提供了一个基线。
B类反应,又称选择反应。在这类反应中,有多个刺激,每一个刺激都有与它相对应的反应。例如,主试要求被试看到圆形按A键,看到方形按B键,看到三角形按C键。被试在完成这一任务时,不仅需要辨别自己看到的是圆形、方形还是三角形,还需要选择自己按哪个键进行反应。所以,选择反应所耗费的反应时间中,既包含了简单反应的基线时间,又包含了辨别刺激和选择做出怎样的反应的时间。
C类反应,又称辨别反应。与B类反应相类似,辨别反应也具有多个刺激,但不同的是被试仅需要对其中一种刺激做出反应,而不用理会其余的刺激,也就是说被试只需要辨别出某一刺激,而无须选择做出怎样的反应。例如,屏幕上可能会呈现圆形、方形和三角形,被试需要在圆形出现时按键反应,而方形和三角形出现时则无须进行反应。由此可以看出,辨别反应所耗费的时间中,仅包含了简单反应的基线时间和辨别刺激的时间。
通过上述三类反应时间,可以计算出辨别反应和选择反应所需要的时间:辨别过程的反应时间可由C反应减去A反应获得,选择过程的反应时间则可由B反应减去C反应获得,具体如图4-2所示。
图4-2 Donders反应时间ABC和减数法图解
反应时间的减数法最初是被用来测定某一心理过程所需时间的,但是反过来,也可以从两种反应时间的差异来判定某一心理过程的存在。认知心理学正是应用减数法反应时间实验提供的数据来推断其背后的信息加工过程的。但同时也应注意到,减数法也有其弱点:使用这种方法要求研究者对实验任务所引起的刺激与反应之间的一系列心理过程有精确的认识,并且要求两个相减的任务中共有的心理过程要严格匹配,这一般是很难办到的。
(2)经典研究举例
减数法既可以用来研究信息加工的某个特定阶段或操作,也可以用来研究一系列连续的信息加工阶段。例如,在感知觉、注意、表象、短时记忆等研究中,常常会应用减数法进行实验。下面我们就以Posner等人和Cooper等人的经典实验研究为例,介绍减数法在实际研究中的应用。
Posner等人进行了一系列有关视觉编码和听觉编码的实验研究,运用反应时间的减数法来证实短时记忆的信息除听觉编码之外还存在视觉编码。实验向被试并排呈现两个字母,这两个字母可能同时呈现给被试,也可能中间插入短暂的时间间隔,要求被试指出这一对字母是否相同并按键反应。实验所选用的字母对有两种,一种是两个字母的读音和书写都一样,如AA;另一种是两个字母的读音相同但书写不同,如Aa。在这两种情况下,被试的正确反应都应该是判断字母相同并按键。当两个字母相继呈现时,其时间间隔分为两种情况:第一种是0.5s和1s,第二种是1s和2s。结果发现,在两个字母同时呈现时,AA字母对的反应时间明显小于Aa字母对;在两个字母相继呈现的情况下,随着两个字母时间间隔的增加,AA字母对的反应时间也随之急剧增加,但Aa字母对的反应时间则没有发生大的变化,并且AA字母对和Aa字母对反应时间的差也在逐渐缩小,及至时间间隔为2s的条件下,两个条件间的差别就变得很小了(如图4-3所示)。
图4-3 反应时间是字母间隔的函数(Posner,1990)
从实验所呈现的刺激字母对的特征分析中,我们可以看出被试对AA字母对进行匹配判断时可立即进行视觉编码或听觉编码,而对Aa字母对的匹配判断只能在听觉编码的基础上进行,并且必须先由视觉编码过渡到听觉编码。因此,刺激“AA”与“Aa”的反应时间之差反映了被试内部编码过程的差别。从以上的实验结果可以看出,Pos-ner等人运用反应时间的减数法证实了在短时记忆的信息加工过程中存在着视觉编码和听觉编码两种方式(Posner,1990)。
Cooper和Shepard(1973)用减数法的实验证实了心理旋转的存在。心理旋转(mental rotation)是指单凭心理运作的方式,将所知觉的客体进行旋转,从而获得正确知觉经验的心理历程。研究采用非对称性的字母(例如R)为实验材料,根据“正”“反”以及不同的倾斜角度构成了12种情况(图4-4(a))。由于字母R在垂直和水平方向均不对称,所以其正、反也是不同的。要求被试只要判断字母R是正的还是反的,而忽略其倾斜程度。实验分为5种条件(图4-4(b)):①无进一步信息;②仅提示正或反;③仅提示倾斜度;④分别提示正、反和倾斜度;⑤同时提示正、反和倾斜度。实验结果发现,字母倾斜程度越大,反应时间越长(图4-5)。因此,研究证实了心理旋转过程的存在。
图4-4(a)正、反12种刺激字母;(b)正120°刺激举例(Cooper&Shepard,1973)
图4-5 刺激倾斜度对反应时间的影响(Cooper&Shepard,1973)
心理旋转的存在符合了反应时间的减数法原理,如果存在两个任务,它们之间除了需要心理旋转的角度不同之外无其他差异,那么两者的反应时间之差即为完成心理旋转两者角度之差所需的时间。例如,倾斜度0°和60°的两种任务中,除了倾斜角度存在差异外别无差异。如果存在心理旋转的话,那么应该是一个任务比另一个任务只多了从60°旋转至0°的心理过程。
减数法能够测量辨别和选择等心理过程所需要的时间。虽然值得肯定,但也存在一些弱点。例如,这种方法未必能够较容易地将各个加工阶段区分开,一个参数可能涉及两个或者更多的加工阶段。此外,这类实验笼统地假定,在复杂的信息加工过程中,增加或减少某些加工阶段并不会影响其余的加工阶段,有研究者则认为这种假定不一定总能够成立。因此在运用反应时的减数法时,需要结合实际情况具体分析、考虑。
2.加因素法
(1)基本原理
Sternberg发展了Donders的减数法,提出加因素法。这种方法规定,完成一个任务所需要的时间是一系列信息加工阶段各自需要时间的总和,如果能够分离出影响某种任务的一些因素,那么单独地操作这些因素进行实验,就可以观察到这些因素对完成任务的时间的影响。其背后的逻辑是,如果两个不同的实验因素,彼此独立地影响任务完成的时间,其效应具有可以叠加的性质,则这些因素影响的是两个不同的加工阶段。相反,如果两个不同的实验因素对完成任务时间的影响不具有可叠加的性质,则这些因素影响的是同一个加工阶段。
Sternberg在进行了一系列实验研究的基础上,确定了短时记忆信息提取过程中的4个相互独立的因素:探针项目的质量、识记项目的数量、反应类型(“是”反应或“否”反应)和每种反应类型的相对频率。并且在实验研究的基础上确定了上述的4个因素分别对4个独立的加工阶段起作用,这4个独立的加工阶段为:探针编码阶段(此阶段所用时间为e)、顺序比较阶段(若每一项目的比较耗时为b,则N个项目所需时间为Nb)、决策阶段(二择一)和反应组织阶段(这两个阶段共需时间为C)。而探针项目的质量对探针项目编码阶段起作用,识记项目的数量对顺序比较起作用,反应类型对决策阶段起作用,反应类型的相对频率对反应组织阶段起作用。综上所述,可将短时记忆的信息提取过程表示为图4-6。
图4-6 反应时间的加因素法及短时记忆信息提取的阶段和影响因素(Sternberg,1969)
根据Sternberg的反应时间加因素法的原理,如果完成一项任务所需的时间是一系列信息加工阶段分别所需时间的总和,则整个信息加工过程的时间应为:
设
则
RT=a+bN(4.1)
因此,Sternberg的反应时间加因素法的理论认为,信息加工过程的时间可以视为一个以b为斜率、a为截距的直线方程。
(2)经典研究举例
在Sternberg的记忆扫描实验中,让被试识记一些项目(如数字)。每一项的数字长度(识记项目的数量)均不超过短时记忆的容量。识记之后,呈现探针项目。若识记项目中有探针项目,则要求被试按“是”键反应,反之,按“否”键反应。记录被试在完成记忆扫描实验任务的反应时间,根据表4.1提供的反应时间数据,按照上述信息加工过程所需时间的公式(4.1),分别将表4.1中的“是”键反应(+)和“否”键反应(-)对应的数据带入公式可配成两个直线方程:
RT(+)=350+40N
RT(-)=400+40N
表4.1 记忆扫描实验结果
从公式可以看出,由于N只影响直线方程的斜率,而不影响此方程的截距。因此,识记项目的数量(N)只作用于第二加工阶段,即顺序比较阶段。从这两个直线方程也可看出,正、负函数的截距不同,即两者相差50ms,因此也说明不同反应类型的反应时间是不同的,这是由于决策阶段的二择一的决策造成的。因此,反应类型作用于第三阶段,即决策阶段。
3.“开窗”实验
(1)基本原理
“开窗”实验是由Hamilton(1977)以及Hockey等人(1981)提出的一种反应时间测量技术。我们之前提到的减数法和加因素法往往需要间接地通过比较才能得到,并且加工阶段的存在也需要通过严密的推理才能被确认,也就是说这两种方法都难以直接测得某个特定加工阶段所需要的时间。而“开窗”实验能够直接测量每个加工阶段的时间,其实验逻辑是:一个复杂的加工过程往往是由若干个具体的加工阶段所组成的,如果能够直接地测量每个加工阶段所需要的时间,那么我们就可以得到整个过程所需要的时间。
“开窗”实验具有减数法和加因素法不具备的优点,它可以对信息加工过程进行简化地测量,直接得到每个加工阶段所需要的时间。但实际上这种方法也存在着一些问题。例如,在后一个加工阶段可能出现对前一个阶段的复述,并且它难以在最后与反应组织区分开来(王甦,汪安圣,1992)。
(2)经典研究举例
比较典型的“开窗”实验是由Hockey等人(1981)设计的字母转换实验。在实验中,向被试呈现的刺激是1~4个字母,并在字母之后加一个数字,如“F+3”“KENC+4”等;当给被试呈现刺激“F+3”时,被试的任务是要口述三次字母转换的过程(即G、H、I),并报告最终转换后的字母(I)。而给被试呈现刺激“KENC+4”时,则要求被试将“K、E、N、C”分别转换4次,最终正确地说出“OIRG”。具体实验程序为,通过指导语告诉被试转换方式后,要求被试按键开始,当被试第一次按键时可以看到第一个字母“K”,并同时开始计时,被试同时开始出声地进行字母转换并报告出结果“LMNO”;然后再按键来看第二个字母,再作转换并报告出结果“FGHI”,如此循环到最后一个字母“C”转换完毕,并做出回答“OIRG”,同时停止计时。这样,就可以获得每个字母的转换反应时间和整个字母串的转换反应时间。根据反应时间,可以看出完成每个字母转换必须具备的3种不同的信息加工阶段(如图4-7所示)。
编码阶段:从被试按键看到一个字母到开始出声转换所用的时间。在这一阶段中,被试对所看到的字母进行编码并在记忆中找到该字母在字母表中的位置。
转换阶段:转换过程所用的时间,如看到字母“K”后报告出“LMNO”所需要的时间。
储存阶段:从前一个字母转换结束到按键看下一个字母的时间,在此阶段中,被试将转换结果储存于记忆中,并需要从第二个字母开始,还需将前面的转换结果加以归并和复述,以保证最终能够正确报告本组转换后的实验结果。
通过上述程序可以看到完成字母转换的整个过程,也可以获得每个字母编码阶段的时间、转换阶段的时间和储存阶段的时间。将每个字母各个阶段的时间累积便可得到总的字母串转换时间。“开窗”实验通过对字母转换作业的分析,可以把每一种认知成分所经历的时间都比较直接地估计出来。
图4-7 字母转换实验过程示意图
4.内隐联想测验
(1)基本理论
随着反应时间技术的发展,研究者不仅仅满足于测量一些基本的认知过程或心理现象的反应时间,而是进一步希望可以利用反应时间探索更高级的社会认知加工过程。在这样的背景下,内隐联想测验应运而生,它是由Greenwald等人(1998)提出来的。内隐联想测验以反应时间为指标,通过测量被试对目标概念与属性词所形成的联系紧密度,以数量化的形式表示个体对于特定目标概念的态度或观念。目标概念可以是一种花的名字或一种昆虫的名字,也可以是年轻人的照片或老年人的照片。属性词则可以是带有评价性的词汇,比如愉快的或不愉快的。内隐联想测验的程序一般包括七个步骤:①呈现一系列不同的目标概念要求被试进行快速分类,并对分类结果做出反馈,且记录对目标概念分类的简单反应时。②呈现一系列不同类别的属性词要求被试进行快速分类,对分类结果的反馈和记录简单反应时的方式与步骤一相同。③联合任务一,要求被试对目标概念与属性词的联合做出反应。由于目标概念与属性词之间有两种可能的关系,即相容的和不相容的,所以通常在内隐联想测验中会设置两个联合任务——相容联合任务和不相容联合任务。其中,相容是指二者的联系与被试内隐的态度一致,反之则为不相容。④对联合任务一进行正式测试。⑤为了配合联合任务二的实施,交换左右键反应的内容,要求被试再次对目标概念进行反应。⑥联合任务二,和联合任务一的反应内容正好相反。⑦对联合任务二进行正式测试。相容和不相容的联合测试反应时间的均值相减即为所要求得的内隐联想测验效应。
这种方法或范式的逻辑是:在相容任务中,目标概念和属性词的关系与被试的内隐态度一致或二者联系较紧密,此时辨别任务更多依赖于自动化加工,因而反应速度较快;不相容任务中,目标概念和属性词的关系与被试的内隐态度不一致或二者缺乏紧密联系,进而导致被试的认知冲突,此时辨别任务更多依赖复杂的意识加工,因而反应速度慢。所以,两种联合任务的反应时间之差就可以作为目标概念和属性词的关系与被试的内隐态度相对一致性的指标。
(2)经典研究举例
Greenwald等人(1998)开展了一项经典的花—昆虫内隐联想实验。首先,呈现目标概念:让被试对花的名字和昆虫的名字归类并做出一定的反应(看到花的名字按F键,看到昆虫的名字按J键);第二步,呈现属性词:让被试对积极的词汇(例如,可爱的)和消极的词汇(例如,丑陋的)做出反应(积极词汇按F键,消极词汇按J键);第三步,联合任务一:联合呈现目标概念和属性词,让被试做出反应(花的名字或积极词汇按F键,昆虫的名字和消极词汇按J键),花和积极词的联系为相容,昆虫和消极词的联系为相容;第四步,联合任务一的正式测试;第五步,让被试对目标概念做出相反的判断,交换左右键反映的内容(花的名字按J键,昆虫的名字按F键);第六步,联合任务二:再次联合呈现目标概念词和属性词,让被试做出反应,与联合任务一内容正好相反(昆虫的名字或积极词汇按F键,花的名字或消极词汇按J键);第七步,联合任务二的正式测试。
实验发现两种联合任务的反应时间有显著差异,即内隐联想测验效应显著——被试对“花+积极词”的联合反应明显快于“虫+积极词”的联合,这表明“花+积极词”的联合与被试的内隐态度更一致,即被试对花的态度更为正向。实质上内隐联想测验是减数法的一种延伸,研究者通过巧妙的设计利用反应时间测量出了个体内在的态度与观念。
(二)反应时间的数据分析
我们在前面提到,反应时间也被称为反应潜伏期,是完成一种任务所需要的时间,在心理学研究中通常是将它作为一种因变量来进行测量的。在对反应时间的数据进行分析时,研究者多倾向对平均反应时间进行方差分析(van Zandt,2002)。但是,由于反应时间数据本身的特性,导致了这种分析方法可能并不是非常有效。从统计上来讲,反应时间的分布并不是高斯(正态)分布(图4-8),在形态上可以看出,左侧迅速增长,而右侧有着一个较慢的负向增长,因此对平均反应时进行方差分析并不总是有效的。实际上,反应时间的分布与指数高斯分布相似(Luce,1986),而指数高斯分布是高斯分布的一种卷积形式,这种指数的分布被认为是拟合了经验作用的反应时间分布(Balota&Spieler,1999)。指数高斯分布的平均数和标准差分别采用mu(μ)和sigma(δ)来描述(左侧峰值),而tau(τ)则描述了指数成分的平均数和标准差(右侧尾巴)。指数高斯分布的平均数就是mu(μ)和tau(τ)的和。
图4-8 模拟的指数高斯分布体现了反应时间分布的形状特点(引自Whelan,2008)
此外,一些研究所观测到的反应时间并不是研究者所感兴趣的加工过程的结果。例如,Luce(1986)认为,真实的反应时间应至少为100ms,因为在这个过程中需要对刺激属性进行知觉以及需要相应的运动反应等生理过程的参与。如果反应时间低于这一数值,那么这个数据在很大程度上是依赖于快速猜测而不代表真实的反应时间。更为重要的是,一些位于反应时间分布中段的不真实数据因其混淆在真实的反应时间数据中而更加难以进行辨认。因此,这种不真实的反应时间数据只能通过在实验过程中进行严格地控制来减小其发生的概率。此外,由于被试的不认真或不专心等因素所导致的较长的反应时间也是较为常见的,这样的反应时间也势必会对实验结果产生影响。接下来我们将介绍一些技术来处理这些不真实的反应时间数据。
1.集中趋势的方法
最为常见的反应时间分析方法就是分析数据的集中趋势(平均数)和离散程度(标准差),比较不同条件间反应时间的平均差异可采用方差分析的方法。然而,使用方差分析这种假设检验的数据因其可能存在异常值或是方差不齐,会导致检验的统计力降低,并且导致不能准确检测出条件间的真实差异(Wilcox,1998)。如Ratcliff(1993)认为,当条件间的差异处于mu(分布转向右侧部分),并且数据包含异常值,那么采用方差分析对数据进行分析来检测条件间差异的能力则会降低。假定条件间的差异集中在反应时间分布中段的85%~95%,在对平均反应时间进行方差分析前可以考虑采用以下方法对平均反应时间进行优化。
(1)截点(cutoffs):通过将一些位于平均反应时间部分标准差之外的反应时间去掉以排除一些相对较长或较短的反应时间。这样便可以排除因被试快速猜测所导致的较短的反应时间以及由于被试的不认真或不专心等因素所导致的较长的反应时间。根据Ratcliff(1993)的研究,当不同条件间的差异位于mu时,则排除了一些处于截点之外的反应时间,同时保持了最高的统计检验力。当不同条件间的差异发生在tau,并且存在极端值时,那么采用截点的方法会潜在地增加统计检验力。截点通常是基于标准差而定,例如,剔除离平均数三个标准差以外的数据,或者是基于极端值而定,例如,剔除大于1000ms以及小于100ms的数据。
Chi等人(2014)采用跨通道的语义启动范式,通过操纵启动项与目标项的关系,考察了在跨通道信息的加工中,对于一个物体的表征是基于其通道特性还是基于其本身的物体属性。在实验结果的数据分析中,采用了基于标准差的方法剔除了平均数正负三个标准差(±3SD)之外的反应时间数据。Gabay等人(2012)采用经典的返回抑制研究的范式,要求被试对线索和靶子均做出反应,考察了线索和靶子的加工水平对返回抑制的影响。在实验结果的数据分析中,采用了基于极端值的方法剔除了反应时间大于1500ms和小于100ms的数据。
采用这种方法的问题是,并不存在较为可靠的方式选取截点,因为截点是较大程度地依赖所观测到的数据。此外,因为标准差也会受到实验因素对较快或者较慢反应的影响,所以基于标准差的截点可能会降低统计检验力。
(2)数据转换(data transformation):将反应时间的数据转化为速度(反应时间的倒数)可以在一定程度上标准化反应时间的分布,这样便可降低较大的极端值的影响,进而保持较高的统计检验力(Imam,2006;Spencer&Chase,1996;Greenwald, Nosek&Banaji,2003)。Ratcliff(1993)认为这种方法是仅次于通过截点的方式来降低极端值影响的最有效方式。此外,对每个反应时间数据取对数的方法也可以是一种数据转换的方法,尽管这种方法对于较长反应时间数据的转换不如取倒数转换的统计检验力高,但也能够使得数据的分布更加标准化。
Greenwald等人(2003)对内隐联想测验的分数进行了标准化,研究提出了5种方法来检测内隐联想测验中相容组和不相容组之间差异,其中包含将反应时间取倒数和取对数这两类数据转换方法。通过这两种方法进行数据转换可以提高反应时间分布中尾部的对称性,从而使得反应时间的分布更趋向标准化。
采用这种方法的问题是,通过转化后的数据可能会降低统计结果的显著性。
(3)中数(median):如果反应时间的分布是偏态的,那么平均数并不能代表典型的反应结果,因为平均数在偏态方向上存在偏差,标准差也会因为存在一些少量的较慢反应的影响而增大。而中数因不易受到标准化偏离的影响,所以也可以作为表达反应时间分布的集中趋势的参数。此外,当被试间存在较大的变异时,中数比其他集中趋势参数具有更高的统计检验力。虽然当总体呈偏态分布时,样本中数是总体中数的一个偏向性的指标,不能代表真实的总体中数,但是当所比较的条件具有相同数量的试次时,这种偏向性在条件间是可以得到平衡的。
Psotta(2014)采用视觉反应测验考察了反应时间的分布是否依赖于信息加工的数量以及平均数和中数哪种集中趋势参数更能代表反应时间的分布。结果分析中,同时对反应时间数据进行了平均数的检验(参数检验)分析和中数的检验(非参数检验)分析。结果发现,相对于传统的参数检验分析,非参数检验的分析更适合用来代表反应时间的分布。
采用中数作为集中趋势参数的问题是,当数据分布集中于mu或tau,无论是否存在极端值,相对于截点或者数据转换,使用中数在一定程度上会降低统计检验力。
2.整体分布的方法
尽管集中趋势的分析方法是分析反应时间数据最为普遍的方法,但是这种方法也存在着不足。例如,尽管两组数据的总体反应时间分布不同,但平均数却可能是相同的。此外,如果仅考察平均数则可能会丢失一些有意义的细节,例如,有的实验条件总体反应较快,有的实验条件总体反应较慢,将其平均后,不同实验条件间一些较快或较慢的反应就会被忽略。为了弥补这种不足,一种越来越受欢迎的方法是分析数据本身的整体反应时间分布,通过这种分析可能会发现一些容易被忽视的效应。
Hervey等人(2006)采用一项反应/不反应(Go/No go)任务来测量注意力缺陷综合征儿童和正常儿童在神经生理学表现上的差异,反应时间的分析中剔除了反应时间小于100ms的数据。传统的反应时间测量方法(样本平均数和标准差)表明,相对于正常儿童,注意力缺陷综合征儿童反应时间更长、数据更离散。然而,当采用指数高斯分布衡量反应时间数据时,结果却不同:相对于正常儿童,注意力缺陷综合征儿童在正态的指数高斯分布的反应时间指标上的平均反应要更快(319ms vs.296ms)。然而,不同组间的差异在分布曲线的指数部分最大(tau),这表明相对于正常儿童,注意力缺陷综合征儿童超出平均反应的反应时间数量更大一些。
整体反应时间分布分析方法的一个不足是把每个被试和每个条件的数据都纳入进了统计分析,这就难以排除受到诸如被试的练习效应、疲劳效应等因素影响的数据。
三、影响反应时间的因素
在心理学的实验研究中,常常会用到各种实验设备,将刺激变量或被试的机体变量作为自变量来观测被试的反应时间和正确率。因此,反应时间常常会受到刺激、被试、速度与准确率权衡以及实验设备的时间精度等因素的影响。
(一)刺激因素
反应时间与刺激的强度、时空特征和作用的感觉通道有关。而且,被试接受的刺激的类型是单一刺激还是复合刺激,也会对其反应时间产生影响。
1.刺激强度
刺激的强度会影响反应时间。Hull(1949)考察了被试对不同强度的光的反应时间,结果如图4-9所示,当刺激强度较小时,反应时间较长;随刺激强度增大,反应时间会逐渐缩短;而当刺激强度增强到一定程度时,反应时间的缩短速度会逐渐减小,最终保持在一定的水平上。
图4-9 对不同强度的光的反应时间
2.时间特征
影响反应时间的刺激时间特征主要有两个:第一,刺激呈现的时间;第二,从一个刺激出现到另一个刺激出现的时间(stimulus onset asynchronies, SOA)。
Froeberg(1907)探讨了光刺激的持续时间对被试反应时间的影响。从表4.2的实验结果中可以看出,光刺激持续的时间越长,对其反应的时间就越短。而当光刺激呈现时间达到24ms和48ms时,被试的反应时间并无显著差异,说明刺激持续的时间达到一定程度时,反应时间就不再发生变化。
表4.2 光刺激的持续时间与反应时间之间的关系
Woods等人(2015)考察了SOA如何影响被试的反应时间,如图4-10所示,目标是圆环,可能出现在屏幕的左侧或右侧,被试需要尽快地对目标进行按键反应。如图4-11所示,结果发现SOA越长,反应越快。但是SOA太长,被试的反应又会变慢(Pos-ner, Klein, Summers&Buggie,1973)。
图4-10 Woods等(2015)的实验情景
图4-11 刺激之间的时间间隔对反应时间的影响(引自Woods et al.,2015)
3.空间特征
空间特征是指刺激物理面积的大小以及呈现的空间位置。增加刺激的表面积,会使感受器的神经兴奋在空间维度上进行累积,被试的反应时间因此会受到影响。1907年Froeberg用在不同面积的正方形白纸上反射的日光作为刺激进行研究,结果发现所测得的反应时间随正方形白纸的面积增加而缩短。此外,刺激的空间累积作用还体现在双眼视觉和双耳听觉方面,Poffenberger于1912年发现被试用双眼观察一个光刺激时,其反应时间小于使用单眼观察时的反应时间。与此相似,Bliss早在1893年发现双耳的听觉反应也会快于单耳的听觉反应。
刺激呈现的空间位置也会影响反应时间。在视知觉的研究中,一般被试对呈现在外周视野的刺激比呈现在中央视野的刺激反应更慢;刺激呈现在反应手的对侧视野时,被试的反应要比呈现在同侧视野更快。这是因为对侧视野呈现的刺激,并不需要通过胼胝体,就直接的诱发了运动反应(Clarke&Zaidel,1989;Bisiacchi et al.,1994;Brizzolara et al.,1994;Chaumillon et al.,2014)。以上这些实验结果都说明,刺激的空间特征会对被试反应时间产生影响。
4.感觉通道
个体对作用于不同感觉通道的刺激的反应时间也会存在差异。表4.3的数据综合了许多实验结果。
表4.3 不同感觉道的反应时间
视觉、听觉和触觉这三种感觉接受的都是来自单一通道的刺激,但是对于冷觉、温觉、嗅觉、痛觉和味觉接受的却是来自多个通道的刺激。例如,一个光点只能引起我们的视觉,但是对于痛觉来说,我们要通过触觉感受到刺激,然后才会对这个刺激产生痛觉,因此对冷觉、温觉、痛觉和味觉的反应时间通常要长于视觉、听觉和触觉这三个单一通道的感觉。
5.刺激类型
如果刺激是来自于不同感觉通道的复合刺激,其反应会快于来自于单一感觉通道的单一刺激。Todd(1912)比较了不同感觉通道对单一刺激和复合刺激的反应时间,如表4.4所示,当声音和电击联合呈现时,所测得的反应时间比单独呈现声音或电击时测得的反应时间更短,而当光、声和电击联合呈现时,所测得的反应时间最短。
表4.4 单一刺激与复合刺激所测得的反应时间
以上部分介绍了刺激的强度、时间特征、空间特征、感觉通道和刺激类型这些因素会反应时间的影响。事实上,个体往往是将这些刺激特征作为一个整体进行加工的,刺激的这些物理属性的变化会影响到个体所知觉到刺激的强度进而对其反应时间产生影响。
(二)被试
在反应时间的实验中,被试本身往往是一个很难控制的因素。被试的适应水平、准备状态、觉醒水平、态度、情绪、动机及疲劳等众多生理和心理因素都会影响到反应时间,并且不同年龄和性别的被试群体间差异很大,个体反应时间的变动性也很大。
1.适应水平
在心理学实验中,被试完成任务的反应时间与自身的适应水平有关。在刺激物的持续作用下,感受器会发生变化,进而影响反应时间。Hovland(1936)的实验就清晰地表明适应会对反应时间产生影响:在250lx的光照度下,被试对距离被试眼睛30.48cm处的一个直径为30mm的白色图纸片进行反应。结果如表4.5所示,实验前被试眼睛对光照度的适应水平不同,所测得的反应时间也不同。
表4.5 反应时间与对不同光的适应水平的关系
2.准备状态
被试的准备状态也会影响其反应时间。准备时间太长、太短都会对反应时间有不利的影响。通常情况下,为了避免被试形成预备期待,在实验中需要将准备信号和刺激出现的时间间隔随机,这样在每个试次中,被试没有办法准确估计到刺激信号的出现的时间,进而可以有效地避免被试的预备期待。
3.动机
通常被试会由于对心理学实验感兴趣或是希望得到实验报酬等因素前来参加实验、完成任务。因此,被试的动机在一定程度上可能会影响其完成任务时的表现,但这里的动机不仅仅指被试参与心理实验所持有的动机,还包括由于实验设计所增加的额外动机。
在反应时间的实验中,被试都希望尽快地做出反应。根据被试的这种心理状态,主试可及时地对被试的反应给予“赏”与“罚”,以此给被试形成反应的额外动机。Small等(2005)的空间注意实验中,要求被试对目标反应,对干扰刺激不反应。实验分为奖励组、惩罚组和无奖惩组:首先,每名被试完成无奖惩组,以该组的反应时间为被试的基线反应时间;然后被试完成奖励组和惩罚组的实验,在奖励组中,若反应时间短于基线反应时间,则给予18美分,在惩罚组中,若反应时间长于基线反应时间,则没收18美分。结果发现被试在无奖惩组的反应慢于惩罚组,在奖励组和惩罚组中的反应时间相近,这一实验结果说明被试的额外动机会影响反应时间。
4.练习
练习也会影响到被试的反应时间。一般而言,练习可以提高熟练程度进而加快反应。例如,对运动员进行训练,五周后运动员对“go to start”“ready”等信号词的反应速度有了很大的提高(Harvey, Beauchamp&Beauchamp,2011)。需要注意的是练习对反应时间的影响是逐渐变化的,最后达到反应时间不再减少的程度。但如果实验任务十分复杂,即使经过一段时间的练习,反应时间的变化幅度也并不会很大。
5.年龄和性别
不同年龄段的个体之间,反应时间是存在差异的:在个体25岁以前,对于刺激的反应时间会随着年龄的增长逐渐缩短;在成年阶段,对刺激的反应时间变化很小;及至60岁以后,对于刺激的反应时间开始逐渐拉长。为什么老年人的反应更慢呢?研究表明老年人和年轻人在加工信息时的速度其实并不存在显著差异,但是老年人动作执行更慢,因而才导致了反应时间的增长(Era et al.,2011)。
被试的性别也会影响到反应时间:男性普遍比女性的反应更快。Bellis(1933)的研究发现男性对光刺激的平均反应时间是220ms,而女性的平均反应时间为260ms;这种性别差异不仅存在于在视觉通道,也存在于听觉通道:男性对声音刺激的平均反应时间为190ms,而女性为200ms。Botwinck和Tompson(1966)发现男女被试的肌肉的收缩时间是相同的,但是在刺激呈现后到肌肉收缩前的这段时间是不同的,这才是反应时间性别差异的主要来源。
6.个体差异
个体差异是很难控制的因素,每个人的反应时间都各不相同。有研究者训练被试对声音进行简单反应,未练习时简单反应时间的平均值分布如图4-12所示:分布范围从125ms到215ms。在练习后,虽然一些被试会比另外一些被试反应加快很多,他们在分布图中的位置有所变动,但是个体差异却仍然存在。
图4-12 声音的简单反应时间分布
所以在一个实验研究中,我们通常需要招募多个被试进行多次测量,以满足统计检验样本量的要求,在分析过程中也需要剔除一些反应过快或者过慢的极端数据。
心理学实验通常都是通过被试完成实验任务时的表现,来推测个体信息加工过程的规律和特点,而被试自身的一些身心特点、状态都会对他们的认知活动产生影响,这些因素都是需要研究者予以关注的。
(三)速度与准确率权衡
反应速度和准确率是反映被试信息加工的最基本的指标。在完成任务的过程中,被试有时会牺牲准确率以提高反应速度,有时也会以牺牲反应速度以提高准确率,也就是说被试会主观的权衡反应速度与准确率的标准来完成实验任务,这就是反应速度与准确率的权衡现象。在实验中,当被试权衡的标准发生变化时,反应时间也会相应变化。
Theios(1975)对“刺激出现的概率和反应时间的关系”进行了研究。实验中,向被试呈现连续的数字流,要求仅对某一个目标数字做出反应,而对其他数字不反应。实验操作的自变量是这个目标数字出现的概率。结果发现随着刺激出现的概率增大,反应时间基本不变,而错误率却随刺激呈现概率的提高而降低。这说明被试为了在各种概率条件均保持相同的反应速度而牺牲了正确率。如果在指导语中要求被试要尽可能准确地完成任务,反应时间会有何变化呢?被试可能会以牺牲反应速度为代价去换取反应准确率。因此,反应时间与速度与准确率权衡有关。
研究者尝试去分离反应时间和准确率,采用了不同于传统反应时间实验的新的实验范式——速度与准确率权衡范式(SAT范式)。这种范式操控了被试的反应时间,并将其作为自变量,测定不同时间下的准确率。这样就可以得到横轴为反应时间,纵轴为准确率的权衡曲线,该曲线可以反映刺激出现后关于速度和准确率的各种不同的结果。Meyer等人(1988)在该范式的基础上,发展出速度准确率权衡分离技术,包括滴定反应时间程序和平行精细的猜测模型。滴定程序需要测得两部分的数据:第一,在预备信号出现后呈现测试刺激,此时要求被试保证准确率的前提下尽快地反应;第二,在测试刺激出现后呈现反应信号,要求被试在该信号出现时就立即反应。刺激和反应信号二者出现的时间间隔长短不同:当时间间隔很短时,被试来不及充分加工该刺激,就需要猜测;而当时间间隔很长时,对刺激的加工就会更好。这样,就可得到随时间间隔增加被试反应时间和正确率的分布曲线。再通过平行精细的猜测模型对滴定程序获得的两部分数据进行定量分析,以此分离加工速度和准确率。
鉴于速度与准确率权衡是影响反应时间的因素之一,在实验中主试应根据实验设计的要求在指导语上对被试的速度与准确率权衡问题进行引导:在更关注反应速度对实验结果影响的实验中,可告知被试在尽可能快的进行反应;在更关注反应准确性对实验结果影响的实验中,可告知被试尽可能准确地进行反应;而对于反应速度和准确率都为主要因变量的实验中,可告知被试在完成实验的过程中需要“既快又准”地进行按键反应。
(四)实验设备的时间精度
随着科学技术的不断进步,实验仪器和设备也在不断更新。当今的研究者可以使用计算机方便地制作实验材料、随机呈现刺激、批量采集数据(记录被试的反应时间和正确率等信息)、分析实验数据。然而,计算机测量反应时间也有其自身的限制,它的准确性依赖于:①合适的操作系统以及能够精确控制刺激呈现的实验软件;②高时间精度的外接反应设备。
1.操作系统
操作系统是评估计算机能否在实验过程中准确可靠运行的重要因素。通常来说,目前流行的大多数操作系统如Windows、Linux、Unix和Mac OS都能较好地满足心理学实验的需求,但值得注意的是系统也会出现特别短暂的延迟,这些误差对于效应量仅有几十毫秒的反应时实验还是很关键的。在实验过程中,操作系统不仅控制了实验相关的程序,还会将系统资源分配给外接设备的驱动、检索存储数据的硬件以及防护病毒的软件等。这些不仅仅会影响操作系统计时,还会给刺激呈现和采集反应的整个过程中都引入误差,重要的是这些误差并不稳定,会在不同试次间有很大的变化。所以,我们进行实验时,应尽量确保计算机执行的命令间不存在冲突(Cernich et al.,2007)。
2.外接反应设备
键盘、鼠标和游戏手柄都是采集被试反应时间的常用设备,值得注意的是这些设备也都会给记录到的反应时间引入误差变异。当被试按下鼠标或者键盘,编译器会记录电信号,但是在按键反应转换为电信号的过程中需要消耗一些时间,这就带来了一部分延迟,这部分延迟并不能完全消除。而且,一次按键会使电信号产生多次闭合,编译器为了消除电路的抖动,也会带来时间误差。一些研究者对反应设备的时间精度进行了测量(刘祖祥,朱滢,2004;张阳,张明,2010)。表4.6显示了用不同的方法测得的不同反应设备存在的误差,我们可以看到这三种反应设备都存在2ms到5ms的误差。近期,也有研究者设计了有四个按键的反应盒,该装置的时间精度高于鼠标和键盘,使用这种反应盒可以缩短反应设备引入的误差,通过搭配同步的晶体管测得该设备的时间精度可达0.1ms(Li et al.,2012)。
表4.6 三种反应设备在不同测试方法下的时间精度(单位:ms)
除了操作系统和反应设备外,影响反应时间的还有研究者所选用的实验软件。研究者需要知道这些软件的详细信息和功能特点,选择适宜的心理学编程软件,按照软件的使用规则以及特定的计算机语言编制实验程序,选择稳定的操作系统和高精度的反应设备,以最优化地呈现刺激,并最精准地采集反应时间。
总的来说,在反应时间相关的实验中,刺激、被试、速度与准确率权衡以及实验设备等都会影响反应时间。研究者需根据实验的目的,控制好影响反应时间的因素,这样实验结果才能反映信息加工过程的普遍规律。
问题
1.什么是反应时间?
2.如何运用减数法、加因素法、“开窗”实验、内隐联想测验来测量反应时间?
3.数据分析的过程中应该如何处理不真实的反应时间数据?
4.哪些因素会对反应时间产生影响?
5.如何才能在实验中准确测得反应时间?
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