心理实验系统E-Prime介绍及其应用

心理实验系统E-Prime介绍及其应用

摘要心理实验正在进一步计算机化，文章介绍了这种发展趋势，概述了心理实验系统的发展，并重点介绍了标准化实验系统E-Prime。文中概述了E-Prime的功能及其与DMDX的比较，介绍了E-Prime作为实验教学系统和实验生成系统在实验教学和实验研究的应用，讨论了E-Prime应用中的一些问题。

关键词实验实验生成系统心理实验系统 E-Prime

从冯特创立第一个心理学实验室宣告科学心理学的诞生开始，实验科学就成为心理学与生俱来的标志，心理学实验也成为心理学教学和研究必不可少的组成成分[1，2]。随着技术和认知科学的发展，现代的心理学实验，尤其是认知科学的实验，已经差不多全部计算机化。虽然，计算机化的心理学实验研究和实验教学为心理学家提供了相当的方便，但他在发展过程中也出现了一些不可避免的问题，比如：计算机化实验的计时精度一直是计算机化心理实验难以忽视的问题，另外不同系统的系统误差也影响了同类实验的数据比较。标准化心理实验系统E-Prime为解决上述这些问题，提供了一个前景广泛的思路。鉴于E-Prime在心理学的应用日益广泛，我们觉得有必要在国内介绍一下E-Prime。

1 心理实验计算机化的发展趋势和心理实验系统

从20世纪90年代开始，心理学实验研究和教学的仪器出现了计算机化的趋势，即编制实验教学软件并辅以专用的接口和外设，以便在计算机上进行实验研究和教学。在国外，早在计算机发展早期的1971年，美国心理学界就成立了计算机的心理学应用学会（Society for Computers in Psychology，SCiP）[3]，以满足研究和教学中计算机应用的讨论和交换信息的需要。随着计算机技术的迅猛发展，心理学实验移植到计算机系统上进行已成为现实。计算机可以模拟物理刺激，以此省却专用的机电或光学设备；计算机可用于控制实验过程，大大提高实验的精准度和可靠性；计算机还可以自动记录、处理和分析实验数据，减轻无关任务负担。时至今日，计算机程序控制的实验已被广泛地应用于心理学的研究和教学，并且Psychonomic学会编辑的期刊《Behavior Research Methods, Instruments and Computers》，专门关注心理学研究中的计算机应用问题，包括硬件和软件的进展；自1997年开始，该杂志每年还出版有关计算机在心理学中应用方面的专刊。目前我国己研制、开发了多种实验软件，并应用于心理学的实验演示教学，例如北大心理系的PES?心理实验演示系统。但是实验生成系统几乎没有，实验程序大多是专业编程人员用VB、C、Delphi等编程语言编制。国外的

心理实验系统则稍多一些，包括实验生成系统和实验教学系统，如PsyScope、Inquisit、SuperLab、ERTS等等，国内心理学研究者比较熟悉的有E-Prime（MEL，DOS版）、DMDX （D-Master，DOS版）。

张智勇等将用于心理实验的教学软件或硬件统称为心理实验系统(Psychological Experiment System，PES)[2]。但是，计算机程序在心理学应用中更重要的作用是为心理学研究提供便利，并且大多实验生成系统都可以作为实验教学的平台，提供比单纯的教学软件更灵活的控制。因此，本文所称的心理实验系统不仅仅指教学软件，更包括实验生成软件（Experiment generator software for teaching & research）。从80年代末起，许多实验生成系统开始出现，最广为人接受的是PsyScope、MEL、SuperLab等。MEL的WINDOWS后续版本E-Prime在国内外正逐渐成为心理实验系统的主流。下面将介绍E-Prime及其在心理学的应用。

2 标准化心理实验系统E-Prime

2.1标准化心理实验系统的意义

现代的认知心理学实验多是计算机化的，因此，研究人员经常需要面对实验的计算机化问题。这个问题通常有两种解决方法。一是研究人员请计算机专业人员的编制，但常常在如何让编程人员真正贯彻研究人员的意图方面浪费大量的时间；另一种方法是具有一定编程基础的研究人员自己编制，但常常面临技术上的难题。纵观国内以往的计算机化实验，以下问题是比较常见的：

（1）在WINDOWS下，多数是非系统级编程，时间精度不够，误差较大，也存在较多的由多任务系统引起的随机误差；

（2）采用的编程语言各种各样，如C，Delphi，更多是采用Visual Basic，对时间精度和误差的处理存在许多缺陷；

（3）非熟练编程者记录的时间结果随机误差大；

（4）不同软件编制人员编制的实验之间难以比较，例如同一实验，不同的编程记录的结果存在明显差异。

因此，标准化心理实验系统就显得很有必要。这种系统必须简单易用，不会耗费研究人员的太多时间；解决或优化了计时精度、系统随机误差等重要技术问题；便于在研究中推广，为心理学研究人员所接受。E-Prime作为标准化心理实验系统，对Experimenter’s Prime（Best）的追求，无疑满足了上述要求。

2.2

E-Prime是什么

E-Prime是Experimenter’s Prime (best) 的简称，是实现计算机化行为研究的一个跨平台系统，它与所有的可视化编程语言系统相似，使用类似于Visual Basic的E-Basic语言，是一个涵盖从实验生成到毫秒精度数据收集与初步分析的图形界面应用软件套装。该系统包括如下特征：1）图形化界面编程环境，对实验功能的实现可以通过所见即所得的选择、拖放和设定产生，使编程简单化；2）面向对象的简单易懂的Script语言，类似于Visual Basic，提供了许多针对行为研究的增强命令，为编程提供了灵活性，可以帮助实现更加灵活全面的实验范式，并提供了E-Prime的扩展空间；3）扩展的数据分析和导出系统；4）数据检验核对功能；5）实验生成向导；6）PsychMate系统提供了实验教学需要的经典实验[4]。

E-Prime和DMDX的比较

2.3

鉴于E-Prime出现以前，国内比较熟悉的是DMDX，我们将E-Prime的特征与DMDX 做了初步的比较。（1）在易用性上，DMDX的编程界面不如E-Prime直观友好，刺激控制主要由rtf脚本控制，不如E-Studio的所见即所得好理解和掌握；E-Prime提供了整个程序结构视图，不像DMDX程序结构分割，可以“看到”实验的流程细节，更好把握整个实验的控制和理解。（2）在灵活性和扩展性上，DMDX没有提供可扩展的模块，实验控制也不如E-Prime灵活方便，例如E-Prime可以实现复杂的分组随机，DMDX在刺激的复杂组合控制就显得无能为力了。（3）E-Prime提供了详细的数据细节和数据接口以及数据检验功能，可以很好地进行初始分析和数据整理导出，DMDX只简单提供RT和对错反应，无法对可疑数据进行查验，也没有数据导出的接口。（4）在时间控制方面，DMDX处理Windows多重任务，刺激显示、计时等问题并未提供多少细节，E-Prime则提供详细的细节以便我们排除误差大（尽管很少）的刺激或数据。（5）E-Prime由于是商业软件，对软件应用过程中的技术问题提供了很好的支持，同时也有许多研究资源可以利用，比如经典实验的程序文件；DMDX由于是自由软件，在技术支持上就显得不如E-Prime。

3 E-Prime的应用

3.1作为实验生成系统的E-Prime

简单地说，E-Prime是一个毫秒级精度的心理实验生成系统，针对行为实验做了刺激组织、时间精度等方面的优化，提供了强大而灵活的各种功能。

（1）E-Prime能呈现的刺激可以是文本、图像和声音，可以呈现三者的任意组合；List 控件为实验刺激材料和实验过程的组织提供了强大的功能和便利。

（2）反应输入方式多样：E-Prime目前可以实现的反应输入有：键盘、鼠标以及反应盒SRBox；SRBox有个声音反应键，可以检测声音反应。另外，也可以利用反应盒接口或并口、串口接上其它设备，如ERP设备等。

（3）它专门面向心理实验，并针对心理实验的时间精度作了优化。刺激呈现与屏幕刷新同步，精度可以达到毫秒。它也提供了详细的时间信息和事件细节（包括呈现时间、反应时间的细节），可供进一步分析，了解实际实验运行的时间问题、或对记录的时间结果进行检验核对。

（4）对于VB等编制的实验，在Windows下，程序不可避免地受到多重任务的影响，系统调度可能在某一时刻中断实验程序的执行，并且实验程序需要与OS交换信息，从而实验计时会出现随机的延迟。E-Prime处理了程序运行与OS的交换，提高实验运行的优先级，减少延迟出现的概率；检测其中的延迟，计时准确性平均可以达到99.95%。

因此，ms级时间精度是相对的。实际上，E-Prime（包括任何其它软件）并没有办法达到百分百的准确，满足以下条件就可以认为已经达到ms精度[5]：

－计时偏差SD<=0.5ms

－记录到1ms，如果出现误差，系统能够检测到，并且由此造成的测量变异<=1ms2；任何大于10ms的误差都会报告出来以供研究者取舍数据。

－99.9%的显示器刷新可以被追踪监控，遗漏的刷新能够报告出来

－计时准确率达到99.9％，即相同的机器测量同一个时间段，相差不会大于0.1％（5）E-Prime与fMRI的接口：E-Prime提供了与fMRI等外部设备连接的接口，可以进行认知神经科学方面的实验。此外，PST公司还提供了fMRI研究的工具套装（BrainLogics fMRI Research Ensemble），将fMRI研究的软件和硬件紧密结合起来，可以让研究人员避免陷入各种细节问题，例如E-Prime和fMRI设备的同步问题。

（6）相对于传统编程语言，E-Prime易学易用，可以快速生成实验，大大节省研究人员在实验编程上耗费的时间。

3.2 E-Prime作为实验教学系统

传统的心理实验教学系统主要是用来演示实验的，实验室活动经常只是局限于实验的演示。但是，演示实验和真实实验不同：（1）研究问题不明确，（2）文献背景少，（3）学生被动参与，（4）数据收集仅限于少数。与之相对比，在真实实验里：（1）研究者对研究问题很清楚，（2）实验综述了背景文献，（3）学生是主动的实验者，（4）数据收集较多。科学教育的研究者[6,7]认为演示实验给学生提供的科学视角存在偏差，如果学生具有真实实验的体验，

就会对科学和科学研究过程有更好的理解。

在认知心理学研究方法或实验心理学课程里，很少有机会进行真实实验。学生接触的多是纸笔任务或不可灵活调整的计算机化实验。由于现代的认知心理学实验多是计算机化的，这种状况严重限制了实验教学。除非是少数计算机高手或专业人员，开发更精细复杂的实验就需要花费很长时间。因此，教师通常只有两个选择，让学生做计算机演示实验，或者采取相似的非计算机化实验。但是，这两种方式相对于真实实验有很大缺陷：学生从前人的实验中获益不大，或者因为非计算机化实验的限制太大而无能为力。

使用E-Prime作为实验教学系统，可以避免上述缺点，并且能够更好地达到实验教学的目的。PaychMate系统提供一系列知觉、认知、神经心理学、社会心理学和工程心理学方面的经典实验，由于E-Prime的逐渐推广，现成的实验资源很丰富。传统实验教学系统中，由于实验设计，如变量控制、因素匹配、反应记录、结果计算等过程都由计算机来操纵完成，学生体会不到实验设计过程本身，很被动，因而实验教学效果受影响。而且，刺激呈现、反应记录、过程控制等变量及其参数设置一般都由专业编程人员完成，限制了实验教学的灵活性。E-Prime作为开放的实验教学系统，允许教师和学生方便地控制或修改E-Prime演示实验的各种变量和参数设置，“看到”实验设计实现的全过程，从而更深刻地理解演示实验。另外，传统实验教学系统中通过E-Prime，学生也可以很方便将现成的实验修改成自己的实验。

事实上，E-Prime提供了实验计算机化的“可视”过程，能使学生对自己的实验细节更清楚，明确各种变量的操作化定义，在开始实验数据收集前就考虑到各种相关变量，从而控制或排除无关变量的影响，并且设计出更为实际可行的实验，因为生成实验的过程就是实验具体化的过程，而且他们能够控制各种情况，更正确测量被试的行为。此外，E-Prime还提供了与SPSS、EXCEL等的数据接口，将反应记录、数据导出到数据分析紧密结合，有助于学生更全面理解研究过程。使用E-Prime进行真实实验的学生，报告说对研究过程有更好的理解，例如从实验设计到实验实现到数据分析，E-Prime为学生提供了可具体操作化的完整过程。

3.3 E-Prime的实际应用

根据PST公司2001年的统计，使用E-Prime的实验室已经超过3000多个，并且正在逐渐增加；使用E-Prime进行研究的发表文章已经近百篇，此外还有很多研究工作和文章未纳入统计；国内使用E-Prime的实验室也在迅速增加。

3.3.1心理实验教学和研究中的E-Prime实现

Macwhinney等2001年启动了一个项目叫STEP（System for the Teaching of Experimental Psychology）[8]。这个项目提供了各种学习背景下应用E-Prime的教学材料，以及实验心理学课程建设的教学材料。在STEP的运作下，许多经典实验用E-Prime实现了计算机化，可以用来进行实验教学，或实际研究的实验参考。这些经典实验近百个，涉及的领域包括感知觉、记忆、注意、心理生理学、心理语言学、工程心理学、发展心理学、社会心理学、认知神经科学等。更详细的细节参见https://www.360docs.net/doc/199828662.html,。PST公司的PsychMate教学系统也提供了21个经典实验，允许学生作为被试进行真实实验来体验实验教学。

随着PST公司发布E-Prime相关工作列表的公布[9]，从中可以看到有许多文章或研究中的实验是采用E-Prime编制的，涉及的领域包括知觉、注意、记忆、高级认知、认知神经科学、社会心理学和工程心理学等，如Vision Research，NeuroImage，Journal of Experimental Psychology，Cognitive Science，Cognitive Psychology，Journal of Cognitive Neuroscience，Memory & Cognition等杂志上发表的一些文章。

3.3.2E-Prime在国内的应用

中国科学院心理研究所在2000年引入E-Prime，在技术中心和公用实验室建设的带动下，成立了E-Prime学习交流的平台，四年来，许多老师和同学大部分实验都采用E-Prime 编制。在全国心理学界与心理所的交流下，越来越多的心理学研究机构购买了E-Prime，如北京师范大学心理学院、中山大学心理系、东北师范大学心理系、大连医科大学等。采用E-Prime的一些研究工作已经在心理学报、心理科学等发表，例如：《心理科学》2003年05期的“线索对基本特征刺激加工作用机制研究”，《心理学报》2003年01期的“汉语同音歧义词歧义消解的过程及其抑制机制”。

3.3.3E-Prime与实验室建设

实验室建设的一个重要方面是实验室软件或系统的应用。这些系统的应用主要分为教学和研究两个方面。E-Prime应用于实验室教学，在国外已经比较常见，如美国Carnegie Mellon 大学、Pittsburgh大学、Richmond大学、George Mason大学和Millikin大学等。在国内，实验室教学系统仍然主要是传统的心理实验系统，如北大心理系的PES。随着E-Prime应用在国内日渐增多，凭借其接近真实实验和强大灵活而又开放的特点，E-Prime在实验室教学方面具有很大的发展空间。E-Prime应用于实验室研究，在国内外已经已经成为很多实验室的必备工具。在国内，中科院心理所公共实验室的建设主要就是围绕E-Prime进行的，例如实验环境和硬件配备。

4 E-Prime应用中的若干个问题

4.1 E-Prime的时间精度为毫秒级，E-Prime可以呈现几毫秒甚至1毫秒的刺激？

这是对毫秒级精度的误解，实际上，毫秒精度是相对的（参见E-Prime对毫秒精度的定义），E-Prime无法做到绝对1毫秒的控制，任何实验生成软件都无法做到。这是因为时间精度受到硬件的很大制约，尤其是显示刷新频率的制约（取决于显示器、显卡的性能），E-Prime所能控制的显示时间都是显示刷新周期的整数倍。也就是说，如果显示刷新周期是14毫秒，则20毫秒的显示时间（Duration）在实际执行时是28毫秒。所以建议实际操作时显示刷新频率设为100Hz，有关的显示时间则设为10毫秒的整数倍。如果需要更高的显示精度，就需要高刷新频率的显示设备。

4.2如何更快显示图像

在考虑刺激特性和硬件（如显卡和显示器）的限制下，通过一些设置，还是可以获得更快的刺激显示。一般情况下，可以参考以下建议来改善图像的装载和显示（在ERP等需要连续时间段的实验尤其需要考虑这些建议）：

（1）将图形控件的Frame大小尽可能接近图像大小。假如图像大小是200×200，那么就不要用100％的Frame大小，除非必须全屏幕清屏（例如清除前面显示的尺寸更大的刺激）。这样可以减少画屏的时间和资源。

（2）设置图形控件之前的控件PreRelease属性，来预装载图像。当前控件的PreRelease 属性只对下一个控件有用。

（3）就像E-Prime用户手册第三章说明的，精确显示时间的一般规则是将目标Duration 减去10ms，以便抵消对下一个刷新周期的等待时间，这样可以减少显示延迟（OnsetDelays）。

（4）如果所有图像大小相同，可以考虑将背景设为透明（BackStyle属性设为transparent），并且不清屏（ClearAfter 属性设为no）。这样，E-Prime在装载新的图像前不需要清屏，可以更快装载新图像。

（5）如果可能的话，事先调整好图像大小，而不要设置Stretch属性，让E-Prime缩放图像。

4.3 不同输入设备收集的反应时的差异问题

E-Prime允许收集多种反应输入设备的输入，例如PC键盘、鼠标、反应盒SRBox，以及连接外部设备的Port接口。这些设备在将被试反应传导到E-Prime的过程中都有一定的延迟，即存在设备相关的系统误差。在对时间精度要求不高的情况下，这些都是可以作为反应

输入设备；但通常情况下，同一实验应该采用同一种输入设备，而且根据不同的时间精度要求选择合适的输入设备。事实上，这些设备的时间分辩率有较大的差异：键盘的延迟大约为7±0.5ms；SRBox延迟则约为1.25ms；鼠标的延迟则较大，变化范围也比较大：±92ms；Port 设备的延迟则取决于所连接的外部设备。因此，反应时实验最好采用键盘或SRBox，ERP、fMRI有关的实验最好采用SRBox，采用外部设备的实验最好先进行该设备时间分辩率的测试。另外，尽管同一种设备的延迟相差不大，但仍有可能存在某个特定设备有较大延迟，例如某个键盘的按键弹簧失灵等等；因此，实验前的设备测试不可忽视。

4.4 fMRI、ERP等外部设备接口问题

在认知神经行为实验中，需要与外部脑电设备通讯。E-Prime提供了WritePort、ReadPort 命令，通过串口或并口与外部设备通讯；也可以通过OnsetSignalEnabled、OnsetSignalPort、OnsetSignalData，OffsetSignalEnabled、OffsetSignalPort、OffsetSignalData给外部设备信号（作为Trigger）。在ERP实验中，很关键的是刺激呈现时间的精确性（参见问题2）和E-Prime 刺激事件与脑电设备的同步。为了尽可能达到同步，正式实验前需要进行测试校准，检验信号是否同步（运行实验一段时间，比较预期的E-Prime时间和外部设备的时间）、以及E-Prime 与外部设备的时钟是否同步匹配（如果不匹配，可以通过Clock.Scale调整E-Prime时钟）。

显示时间设置值（Intended Duration，ID）与实际值（Real Duration，RD）的差异 4.5

一般情况下，我们设置完刺激的显示时间（Duration）后，就认为实验运行时刺激也实际显示那么长时间。但实际上，由于刷新等待等因素，RD无法完全与ID一致。有时候这种不一致对实验结果有很大影响，如果是VB等编程的程序无法把这种不一致反映出来，但E-Prime提供了详细的时间细节，可供我们检验核对，在必要的时候排除不合适的刺激数据。在E-prime中，DurationError属性反映了ID和RD的差值，它和OnsetDelay提供了我们进行核对时间精确性的数据。

听觉和视觉刺激联合呈现问题

4.6

在研究中经常会遇到跨通道刺激的问题，即声音和图片（或文本）共同作为刺激。当两者是同步呈现同步消失的时候，在E-Prime中实现比较简单：在slide控件上添加声音控件和视觉控件（图片或文本），并设置相应的呈现时间就可以了。当两者非同步呈现的时候，就需要采取一些特殊设置才能达到目的。有些学生是采取将声音文件分割成几个片断分别在适当时候调用，但这样会造成声音连续不过圆滑，失真等问题。实际上可以通过一些处理方式尽可能避免这些问题，下面分非同步的不同情况分别说明如何在E-Prime中实现：（1） 视觉刺激开始晚于声音刺激，结束早于声音刺激：首先测量出声音和视觉刺激之

间的SOA, 把声音的duration设置为[SOA]，Stop After设置为No；然后呈现视觉刺激；最后加上空屏，duration设置为[声音总呈现时间-SOA-视觉刺激的呈现时间]。

（2） 视觉刺激开始早于声音刺激，结束晚于声音刺激：首先测量出声音和视觉刺激之间的SOA, 把视觉刺激的duration设置为[SOA]；然后呈现声音；最后加上wait控件，duration 设置为[视觉总呈现时间-SOA-声音的呈现时间]。

（3） 视觉刺激开始早于声音刺激，结束也早于声音刺激：首先测量出声音和视觉刺激之间的SOA, 把视觉刺激的duration设置为[SOA]；然后呈现声音，duration设置为两种刺激重合的时间，Stop After设置为No；最后加上空屏，duration设置为[声音呈现时间-两者重合的时间]。

（4） 视觉刺激开始晚于声音刺激，结束晚于声音刺激：首先测量出声音和视觉刺激之间的SOA, 把声音的duration设置为[SOA]，Stop After设置为No；然后呈现视觉刺激，duration 设置为[视觉刺激的呈现时间]。

（5） 在上述情况下，SOA可能为0，直接用0代替上述SOA有关值即可。

4.7 E-Prime与外部程序连接问题

与大多数高级语言（如VB）相似，E-Prime也可以通过调用一些外部动态链接库文件（DLL）或类型库文件等的函数或子过程。通过这一点，可以实现一些在E-Prime没有直接提供的功能，如播放多媒体文件。但是，为了保证计时的精度，如果时间数据比较重要，不建议采用外部程序进行计时，最好利用E-Prime的计时系统。E-Prime中调用外部DLL，要先用DECLARE说明调用的函数或子过程；也可以在user script中移植类型库或DLL源代码中的函数或子过程（改编成Basic），以便以后在inline中调用；还可以自己编写函数和子过程，作者在E-Prime不支持中文的时候就曾经编过函数来处理中文以便在E-Prime显示中文刺激。

5总结

心理实验的计算机化趋势和非专业实验编程带来的问题，呼唤着标准化心理实验系统的出现。E-Prime作为强大而灵活的开放系统，专门针对心理实验做了优化，使非专业编程的大部分难题变得很简单，并且在心理学界的应用日益广泛，正逐渐成为心理学界的标准化心理实验系统。它为我们的教学和研究带来很多便利和新的变化，是优秀的心理实验系统。

参考文献

1 张一中。心理学实验教学及其发展趋势。实验室研究与探索，2002，21（2）：17-18

2 张智勇，田立。心理实验室建设与心理实验软件。心理学动态，1996，4（2）：60-63

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5 Schneider W, Eschman A, & Zuccolotto A. E-Prime User’s Guide. Pittsburgh: Psychology

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education. In K Crowley, C Schunn, & T Okada (Eds.), Designing for science: Implications from everyday, classroom, and professional settings. Mahwah, N.J.: Lawrence Erlbaum Associates, 2001. 251-278

7 Chinn C A, & Malhotra B. Epistemologically authentic scientific reasoning. In K. Crowley, C.

D. Schunn & T. Okada (Eds.), Designing for science: Implications for everyday, classroom,

and professional settings. Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Associates, Inc, 2001. 351-392

8 MacWhinney B, James J, Schunn C, Li P, & Schneider W. STEP—A System for Teaching

Experimental Psychology using E-Prime. Behavior Research Methods, Instruments, & Computers, 2001, 33 (2): 287-296

9 https://www.360docs.net/doc/199828662.html,/products/e-prime/e-publications.htm