实验心理学2第4章第2节 反应时研究的基本问题

第四章 反应时
第二节 反应时研究的基本问题
自反应时进入心理学研究以来，对于反应时的研究在很长一段时期内主要集中于某些基本问题的解答，其中包括：反应时和所作反应种类数量的关系、反应时和反应准确性的关系，以及反应时的其他影响因素等。

一、简单反应时和选择反应时
继人差方程和赫尔姆霍兹（1850）青蛙运动神经传导速度的测定之后，荷兰生理学家唐德斯第一次较为系统地研究了反应时。

他试图揭示反应时任务中的一些心理加工过程。

为此，他设计了两类反应时任务——简单反应时和选择反应时任务。

（一）简单反应时
简单反应时（simple reaction time）是指给被试呈现单一的刺激，同时要求
他们只作单一的反应，这时刺激－反应之间的时间间隔就是反应时。

譬如说，短跑运动员在听到发令枪响后立即起跑，这一事件就可以作为一个简单反应时任务。

这种反应之所以称之为简单反应，是因为特定的刺激与特定的反应间的联系十分明确。

这种联系不是一种先天的条件反射，为了建立联系，被试必须进行反复的学习与训练。

在测定反应时的研究中，听觉反应时和视觉反应时的研究比较多。

1. 听觉简单反应时
在听觉简单反应时任务中，研究者通过耳机向被试呈现声音信号，并要求被试一听到信号，就尽快地按某一反应键。

刚开始实验时，被试的反应也许会很慢，不过通过多次学习与训练之后，被试获得了信号与反应间的联系，反应时就会迅速减少。

如图4-4列出的是某一被试的实验结果。

可见，听觉简单反应时存在波动，任何一个时刻被试对听觉刺激的简单反应时都不会完全相同，因为它会受到各种因素的影响，比如刺激本身性质的变换和被试练习水平，图4-4中超过160毫秒的几次反应就是被试练习水平不够，所导致的反应时延长，有关反应时任务的影响因素，我们将在本节的最后一部
分详细阐述。

从图4-4中还可以看出，出现次数最多的反应时大约为130毫秒左右，这便是被试最具代表性的、最为稳定的简单反应时值，也就是说，被试在正常情况下对可辨别听觉刺激最易出现的简单反应时。

从整个反应时分布上来看，分布并非对称于最高点——130毫秒，它是偏态的，低于100毫秒的反应只出现一次，而高于160毫秒的反应却不少。

这似乎表明，被试可以任意减慢自己的反应速度，但却无法任意加快自己的反应，此处被试的反应时似乎存在一个无法跨越的绝对界限——100毫秒，无论进行多少次的训练，这种时间极限就像一堵无法逾越的“生物墙”。

25%
平均值0.13秒
图4-4 听觉简单反应时（单位ms）
（采自波佩尔，2000）
“生物墙”是一种人类能力的限制，它根源于人类有机体的特性——感官、脑以及肌肉工作的特性。

外界的振动带动耳廓的运动，后者带动三块听小骨的运动，最后带动耳蜗中气流的运动，气流又引起耳蜗纤毛的摆动，转化成位听神经的神经冲动形式，这需要耗费一定时间。

外周神经系统将信息通过郎飞氏结（Ranvier node），以最多不过每秒100米的速度传导传达到脑，又需要一定时间。

此外大脑还需要时间来加工信息、对信息作出反应，而后还要再一次地通过郎飞氏结传导以及突触传递将信息传送给肌肉组织，并指导其运动。

因此，感官换能、神经传导、大脑加工和肌肉运动的时间总和便是我们所获得简单反应时。

2．视觉简单反应时
其他通道的简单反应时是否也存在这样的生物限制呢？研究者进行了视觉简单反应时实验：首先要安排好呈现光刺激的屏幕、反应键以及计时设备，然后请被试进入一个弱光照明的实验室，要求被试端坐在屏幕前，指示他一旦看到屏幕上出现红光就立即按下反应键。

最初测得的反应时可能长达0.5秒，多次测定后很快会降至0.2－0.25秒，再后可能会降至0.2秒以下，但无论怎样练习，都不可能降至0.15秒之下。

和听觉简单反应时相比，视觉简单反应时较长，其原因在于感官换能时间较长。

视网膜的工作方式是累积性的：并不是在接受光刺激的同时，感光细胞便能引起神经节细胞的兴奋；而是当光量子达到一定数量后，感光细胞的兴奋达到一定程度后，感光细胞才会引起神经节细胞的兴奋。

而听觉刺激的换能过程不存在能量累积的问题，不同振动频率的刺激引起不同长度纤毛的摆动，并直接将信号传递至位听神经。

视觉简单反应时较听觉简单反应时来得慢，而听觉反应时又较触觉反应时来得慢。

可见，不同感觉通道的简单反应时具有差异。

如果从赫希（Hirsch，1862）较为成功的研究算起，研究者对光、声、触等不同通道刺激的反应时研究已积累了大量资料，可约略综合如表4-2。

由于反应时的个体差异很大，所以即使是对于图4-4中的一个感觉通道而言，反应时也有很大的不同。

这里还需要指出的是，图4-4中记录的反应时是每个被试每次试验的最高反应频次的那个反应时，即上述听觉实验中的130毫秒。

表4-2 不同感觉通道的简单反应时
感觉通道反应时间（毫秒）
触觉117－182
听觉120－182
视觉150－225
冷觉150－230
温觉180－240
嗅觉210－300
味觉308－1082
痛觉400－1000
注：被试为训练有素的成人
（采自赫葆源、张厚粲和陈舒永等，1983）
总体而言，简单反应时比较短，并且简单反应时具有通道差异性。

（二）选择反应时
与简单反应时不同的是，选择反应时任务中的刺激与反应之间存在多样而复杂的联系。

1．选择反应时的概念
选择反应时（choice reaction time）就是根据不同的刺激物，而在多种反应方式中选择符合要求的，并执行反应所需要的时间。

比如：一个视觉选择反应时实验可能会包括两个刺激，被试必须在其中一个刺激出现时，按左边的按钮；而当另一个刺激出现时，按右边的按钮。

不同于简单反应时任务，被试必须在反应之前先判断哪个按钮是对当前刺激的正确反应。

选择反应时任务在内容上更贴合日常生活的复杂反应，比如驾驶员常常要根据不同的情况尽快地作出刹车、加
速和转弯的反应，而一个优秀的足球或排球运动员与普通运动员的区别就在于前者能迅速判断新情况，和作出相应的反应，即选择反应时较短。

上述的视觉简单反应时任务中只有单一的红光和与之对应的单一反应键，在此基础上稍作修改，就可以设计出一个典型的视觉选择反应时实验。

如安排红和绿两种不同的色光刺激，并在被试前面放置两个反应键，要求其左右手食指各放在一个键上，右手反应红光，而左手反应绿光。

显然，这一选择时间里包括了被试的辨别和选择活动所花费的时间，他必须在作出反应之前对不同刺激有所辨别，并作出不同反应的选择。

结果发现二择一的选择反应时比简单反应时长约0.07秒，这一时间便是辨别和选择所需要的时间。

2．选择反应时的研究
对选择反应作出系统区分的当属唐德斯（1868）。

他将上述两个刺激对应两个反应的反应时任务称为B反应（B-reaction），即选择反应，而将一个刺激对应一个反应的反应时任务称为A反应（A-reaction），即简单反应。

将B反应经过调整之后，可以获得C反应（C-reaction），即辨别反应。

与B反应不同的是在C反应任务中，虽然也呈现红绿两种色光，但只要求被试看到红光后立即用
右手按反应键，而看到绿光后则不反应。

C反应只包括辨别的时间，而B反应既包括了辨别时间，又包括了选择时间。

用C反应的反应时减去A反应的反应时则得到辨别时间，而用B反应的反应时减去C反应的反应时，则得到选择时间。

他正是应用这种相减的方法通过反应时任务来分解心理加工过程的。

选择反应时是否也和简单反应时一样，涉及到通道问题呢？让我们来看看听觉的情况，实验发现二择一的听觉选择反应时也比听觉简单反应时长了约0.07秒。

可见，不管是视觉还是听觉，从一个刺激增加到两个刺激，所需的时间增量是一样的。

辨别和选择反应过程并不因通道不同而有所不同，这一过程不是外周神经系统的功能，而应该是大脑的功能。

多辨别一个刺激并多选择一个反应大约需要0.07秒的心理加工时间，是否是说，再加入一个需要辨别的刺激或一个需要选择的反应之后，心理加工时间又得再增加0.07秒？关于选择（或辨别）的数目与反应时的关系，早期的心理学家曾经作过不少研究。

例如默克尔（Merkel，1885）用公式揭示了二者之间的函数关系：RT = lg N。

其中，RT为反应时，N为辨别刺激的数目。

20世纪50年代，卡克尼（Gauge, R. M.）绘制了目前公认的选择数目与反应时的关系曲线图
（见图4-5）。

从图中可以看出，反应时并不随选择项目的增多而线性增长，当刺激项目从两个增加到三个时，反应时的增量小于 0.07秒。

图4-5 选择数目与反应时的关系
（采自曹日昌等，1979）
选择反应时和刺激数目的对数成比例，这在刺激是同一通道的情况下被证明是正确的，但如果刺激不是同一通道的，那么情况又会发生什么变化呢？波佩尔进行的一项实验回答了这一问题。

他通过耳机向被试的右耳呈现声刺激，并在被试的左视野呈现光刺激，实验中只允许被试使用右手，当见到光时按一个反应键，听到声时则按另一个反应键。

结果如图4-6所示，图中所列出的是听觉反应时的频数分布。

从图4-6中，我们发现了一个奇怪的现象，和简单反应时、单一通道选择反应时频数分布不同的是，不同通道的选择反应时存在多个峰值，反应时间
（秒）0.2
0.40.6
2013 645710
8
9
其间距约为0.03到0.04秒。

周期性峰值的出现表明被试的选择反应存在周期性。

对此，应怎样解释呢？
图4-6 听觉选择反应时（单位ms ）
（采自波佩尔，2000）
波佩尔将其归因于脑的周期性震荡，即由特殊的神经细胞网络产生的电震荡，这种振荡过程对刺激的辨别选择是至关重要的。

对刺激辨别选择的延时不是任意的，而是需要在一定的震荡周期上，只有震荡电流达到某一点后，已辨别的刺激才能引起某一特定的反应；但若即使辨别成功了，而震荡电流还未达到这点，那么则仍必须等待下一轮震荡周期的开始。

这似乎表明：需要在不同刺激通道间进行转换时，反应时增量不再是简单的刺激项目的对数函数，或者说，反应时增量不再是一个确定的值，而是几个周期性增大的值。

05%
10%
15%
总之，对于反应时任务的复杂度进行操纵可以获得三类不同的反应时：简单反应时、辨别反应时和选择反应时。

并且，它们之间相减可以获得辨别和选择加工所需的时间，这是唐德斯减数法的精髓，也是反应时研究的意义所在。

也正是由于纳入了辨别和选择两个心理加工过程，选择反应时比简单反应时更为复杂，它和刺激数目、不同刺激通道转换都有关系，对这种关系的内部机理的解释有助于我们对辨别和选择加工的进一步探讨。

二、速度－准确性权衡
反应时在心理学研究中被广泛使用，反应时的快慢常被作为衡量加工的自动化程度、概念的激活水平以及注意需求量等的指标。

然而，在具体采用反应时指标时常常会遇到一些问题，因为反应时实验有两个基本的因变量，即速度和准确性。

反应时实验中的一个突出问题就是反应速度和反应准确性间的反向关系这使得我们必须在它们之间作出权衡。

我们都有这样的常识，当你急于做某件事时，你更可能出错；相反，当你试图准确地完成某件事时，如完成学期论文，为了达到预期的准确性，你必须放慢工作速度。

心理学家将这种关系称为速度－
准确性权衡（speed-accuracy trade off）。

这对于以反应时为因变量的研究有着重要影响。

（一）速度－准确性权衡的例证
不少心理学家试图通过实验来说明速度—准确性权衡的道理。

这里先举泰奥斯（Theios，1975）的实验为例。

泰奥斯对刺激呈现的概率和反应时的关系进行了研究。

实验中，呈现的是视觉刺激，每次出现一个数字，被试的任务相当简单只需对某一特定的数字（例如4）作出反应，而对其他数字则不作反应。

实验的自变量是数字出现的概率（相对频数），概率的变化范围是0.2－0.8。

换句话说特定的数字在一系列刺激呈现中出现的概率是20%到80%。

实验结果如图4-7所示，刺激呈现概率基本不影响反应时，特别是在不考虑错误率的情况下，这一结论是颇有道理的，和我们上面所得出的结论——简单反应时总是趋于一个稳定值——完全一致。

然而，如果把错误率考虑在内，我们就必须对这一实验作出另一种解释。

虽然，从图4-7中，我们可以发现错误率的均值大约在3%左右，这个值并不算高，但是进一步的分析会发现：第一，在这个实验中被试的任务
是相当简单的；第二，实验被试是具有较高文化水平的大学生；第三，错误率的变化是有规律的，最高值（6%）出现在最低刺激呈现概率处，并且错误率随着刺激呈现概率的提高而下降。

虽然错误率的变化范围如此微小，但鉴于实验任务对被试来说异常简单，故可以认为这种错误率的系统变化是由于被试试图保持反应速度而导致的。

我们知道，速度和准确性之间存在内在的联系。

设想如果实验要求被试在各种刺激呈现概率条件下，保持高正确率，那么反应时又会怎样变化呢？根据速度－准确性权衡，为减小低呈现频率条件下的错误率，必须增加反应时。

帕奇勒 （Pachella，1974）在实验中发现，在刺激呈现概率为0.2的条件下，要降低2%的错误率，反应时必须增加100毫秒。

因此，一旦将错误率考虑进去，刺激呈现概率不影响反应时的结论必将受到质疑。

图4-7 反应时和错误率是刺激呈现概率的函数
注：当反应时基本恒定时，错误率随刺激呈现概率的升高而降低。

（采自Theios ，1975）
奈特和坎特威茨（Knight 和Kantowitz ，1974）的实验更明白地阐述了速度－准确性权衡的道理。

他们用两个间隔很短的刺激作为自变量呈现给被试，这种刺激称之为间隔刺激。

因变量有两个：一个是反应时，另一个是反应错误率。

起初，奈特和坎特威茨发现，对于不同的刺激间隔不影响反应时，如图4-7上图。

但是后来奈特和坎特威茨发现：刺激间隔和错误率间存在某种关系，刺激间隔越短，错误率就越高，如图4-7下图。

如果在各种不同的刺激间隔条件下，要保持相同的错误率，那么反应时会有怎样的变化呢？根据速度－准确性权衡的原反应时（毫
秒）错误百分率
则，在短刺激间隔情况下，要保持与长刺激间隔相同的错误率，反应时就一定会加长。

因而，反应时不受刺激间隔影响的结论是片面的。

图4-8 反应时和错误率是刺激间距的函数
注：当反应时恒定时，刺激间距越长，错误率越低。

（采自Knight 和Kantowitz ，1974）
（二）速度－准确性权衡与实验信度
反应时任务的速度－准确性权衡的探讨和大量以反应时为因变量的心理实验的信度密切相关，速度－准确性的探讨有助于我们有效地提高心理实验的信度，这便是反应时研究基本问题探讨的另一大意义。

下面就让我们来看一个思维方面的实验研究，看看研究者是怎样使用速度－准确性权衡来提高实验结论的反应时
错误百分
率
刺激间距
信度的。

邓克（1945）的盒子问题是问题解决领域的经典研究。

它揭示了被试在问题解决中的功能固着1现象。

实验中，被试的任务是将三支蜡烛安置门上，被试可以使用的材料是几枚大头钉、几根火柴、三个火柴盒以及蜡烛。

正确的问题解决方法是先将盒子钉到门上作为平台，然后再把蜡烛底部融化后粘在盒子上。

将21个被试平均分入三个实验条件中：控制条件下，盒子是空的；功能固着条件下，盒子里装有蜡烛、火柴或图钉，盒子的功能会被固着为容器；在中性条件下，盒子中装有钮扣等非解决问题所需的中性物品，盒子也被固着为容器。

结果发现，在控制条件下，7位被试都解决了问题；在功能固着条件下，仅3个被试解决了问题；在中性条件下，只有一个被试解决了问题。

至此，邓克得出结论认为，是功能固着影响了问题解决。

而事实是这样吗？鉴于速度－准确性权衡的原理，亚当森（Adamson，1952）纳入了时间变量来检验邓克实验的信度。

在亚当森的实验中，因变量指标有两个：一个是在20分钟内能够解决问题
1功能固着：如果被试经常在某一情景中，以某一特定方式使用某一事物，那么在面临新问题时，事物的其他用途或功能则会被被试忽视。

的被试占被试总数的百分比；而另一个是被试成功解决问题所花的时间，这类似于反应时，不过这一反应时远比泰奥斯或奈特和坎特威茨实验中所使用的简单反应时复杂得多，它涉及记忆、思维等多种中枢加工过程。

下面我们来看看在纳入了反应时后，会得出怎样的实验结论。

除了纳入反应时因变量之外，亚当森还增加了两个实验任务——螺丝锥问题和回形针问题。

结果十分有趣。

当亚当森使用和邓克一样的因变量，即20分钟内能够解决问题的被试占被试总数的百分比作为因变量时，他只在盒子问题上验证了功能固着效应，他发现86％的控制组被试解决了盒子问题，而只有41％的功能固着组被试解决了盒子问题，功能固着对问题解决产生了显著的影响。

然而，由于另外两种实验任务中存在天花板效应，即两种条件下几乎所有被试都解决了问题，其结果不可能解释原先的实验结论——功能固着对问题解决产生了显著的影响。

这时实验结论的信度相当低，因为整个实验的三项任务中只有一项任务验证了原来的前提假设，整个实验中的各个部分不完全一致，因变量的不灵敏导致研究者无法识别两种条件下可能存在的任何差别。

现在让我们用速度－准确性原则再次考虑此问题。

在螺丝锥问题和回形针
问题中，或许20分钟的时间限制对被试来说，过于简单，他们完全可以不考虑速度，而只求高准确性。

换言之，20分钟足以让功能固着组被试跳出思维定势从而解决问题，准确率的天花板效应似乎不可避免。

在泰奥斯的简单反应时实验中，当被试遵循高反应速度原则时，他们的准确率随着刺激呈现概率的降低而降低，那么亚当森的实验中，我们是否也可以根据速度－准确性权衡作出这样的假设：在被试遵循高准确率的情况下，被试的反应时会随着功能固着效应的增大而提高呢？亚当森使用的第二个因变量指标——反应时验证了这一假设尽管几乎所有被试都能解决问题，但两种条件下的反应时有很大差别，不管是在解决螺丝锥问题时，还是在解决回形针问题时，被试在控制条件下解决问题要比在功能固着条件下解决问题快得多。

因此，当某一问题的解决过程伴随着功能固着时，被试表现为问题解决速度变慢，功能固着显著地影响了被试执行问题解决的反应时。

亚当森这一结论的提出明显地提高了整个研究的信度，即功能固着效应在三个任务中都得到了验证。

从另一个角度来说，如果亚当森在实验中将问题解决的实验控制在10分钟或是更短，那么成功解决问题的被试百分比这一因变量应该会更可靠些，因为被试在追求速度的同时，必将以准确性
作为牺牲，所以功能固着的影响一定能在准确率上反映出来。

至此可知，事实的确如邓克所说的，功能固着会影响被试的问题解决。

可见，在以反应时为因变量指标时，单一考虑速度，或单一考虑准确性，都会极大地损害实验研究的信度。

因此，在进行反应时实验时，必须考虑两个因变量——速度和准确性；当只选择一个因变量指标时，应对为何不使用另一个的原因有所交代。

这是心理实验的一项基本技术。

三、影响反应时的其他因素
简单－复杂反应时任务的区别以及速度－准确性权衡，是影响反应时的两个最基本因素。

除此之外，反应时还受到众多其他因素的影响。

诸如刺激强度、准备期待等都会对反应时起作用。

大体上，其他影响反应时的因素可以分成刺激变量和机体变量两大类别：
（一）刺激变量
在刺激变量中，对反应时影响比较大的因素有：刺激的强度、复杂程度等。

反应时会受刺激强度的影响，当刺激强度很弱时，反应时就会延长；而当
刺激增至中等或较高强度时，反应时就缩短了。

然而反应时的缩短受到有机体结构的限制，无法突破某一极限。

上面曾经提到，大量训练后反应时的缩短将遭遇“生物墙”，同样的现象也出现在反应时随刺激强度的变化过程中。

绰绰里（Chocholle，1945）用1000赫兹强度不等的纯音作反应时测定，结果两名熟练被试的平均成绩见表4-3：反应时随刺激强度的增加而减少，强度每增加一个对数单位，反应时便有一定缩减；但达到中等强度后，减少量减小；而当刺激强度为10个单位（即在阈上100个分别）时，被试的反应时则始终处于110毫秒之上。

可见，在反应时的实验中，为了维持反应时的相对稳定，必须要将刺激强度维持在一个稳定值上。

1983
刺激的复杂程度也会影响反应时。

谢波德和梅茨勒（Shepard和
Metzler，1973）的实验验证了这一点。

实验中，在屏幕上呈现如图4-9所示的一对图形，要求被试报告两个图形是否相同。

实验共有三个条件：（1）左右两个图形中的物体是相同的，它们平放在一张纸上，只是角度不同，即从上到下的旋转角度不同。

这被称为两维旋转；（2）左右两个图形中的物体是相同的，除了从上到下旋转外，还要从前到后旋转，这被称为三维旋转；（3）两个物体相似，但实际上是不同的。

在这个实验中，为判断物体是否相同所必需的心理旋转角度代表了刺激的复杂度。

实验结果如图4-10所示，两维旋转和三维旋转有相似之处，反应时都随着心理旋转角度的增大而增大，即刺激复杂度影响了反应时。