心理物理學

[英文]psychophysics

[名詞解釋]心理物理學——心理物理學是研究心物關係並使之數量化的一個心理學分支。費希納的定義是：一門研究心身或心物之間的函數關係的精密科學。

對物理刺激和它引起的感覺進行數量化研究的心理學領域。它所要解決的問題是：多強的刺激才能引起感覺，即絕對感覺閾限的測量；物理刺激有多大變化才能被覺察到，即差別感覺閾限的測量；感覺怎樣隨物理刺激的大小而變化，即閾上感覺的測量，或者說心理量表的製作。1860年 G.T.費希納出版《心理物理學綱要》，開創了心理物理學的研究。一般把以費希納為代表的研究稱為古典心理物理學，而把以S.S.斯蒂文斯為代表的研究稱為新心理物理學。

古斯塔夫·費希納（1801—1887）本是德國萊比錫大學一位年輕有為的物理學家，但由於身患疾病，長期卧床思考，研究興趣便轉向了宗教和靈學。他用一種富於詩意和神秘的眼光考察世界，認為凡物有組織即有生命，有生命即有靈魂。至此，費希納就由一位自然科學家轉變成一位地道的哲學上的唯心主義泛靈論者。他認為心與物是同一不可分的，不過心是主要的，物只是心的外觀。他感到要使他所宣揚的泛靈論哲學觀點有科學的根據，必須求得心與物關係的法則，要達到這個目的，則需要對它們作精確的數學測量。人們感覺雖有量的差異，又怎麼能像物理學那樣對它進行精確的測量呢？此時韋伯已完成了對韋伯定律的表述。這使費希納想到可以用測量刺激量的變化來確定感覺量的大小。同時他也發現了刺激量按幾何級數增加而感覺量則按算術級數增加。於是他在韋伯定律的基礎上，經過多年的研究和推導，把感覺強度與刺激強度之間的關係，概括為S=KlgR，其中S是感覺強度，R是刺激強度，K是常數。因為這個定律是在韋伯定律的基礎上推演出來的，所以亦稱韋伯—費希納定律。費希納在1860年出版了他著名的《心理物理學綱要》一書，對心物關係作了詳細的說明。他在心理物理學的研究中曾應用三種測量方法，即最小可覺差法、正誤法和均差法。通常把這些方法稱為心理物理法，而把關於刺激量的變化和感覺量的變化之間的關係的研究稱為心理物理學。

費希納的心理物理學雖然存在一定的局限性，例如他的出發點是為他的唯心主義泛靈論作論證，他沒有考慮到刺激與感覺之間的關係會受其他因素的影響而產生波動的實際情況，以及其公式只適用於中等強度的刺激等等。但費希納的歷史功績也是不可抹煞的。他所使用的心理物理法經過加工，沿用至今。20世紀50～60年代，隨著通信科學和信息科學的發展，人們又在費希納的經典心理物理法的基礎上，創造新的心理物理方法——信號檢測論。而費希納的更重要的貢獻則是他第一次把物理學的數量化測量方法帶到心理學中來，提供了後來心理學實驗研究的工具。而且費希納的工作是實驗心理學的直接前驅，他的心理物理學為馮特建立實驗心理學起了奠基的作用。正如美國心理學史家舒爾茨指出：“馮特能夠設想出建立實驗心理學的計劃，這主要歸功於費希納的心理物理學的研究……費希納為物理世界與精神世界的關係找到了一種數學的說明。他關於測量感覺以及把感覺與刺激變數聯繫起來的出色而獨立的見解，對認識韋伯早期工作的含義與結果，以及應用這些含義和結果使心理學成為一門精確的科學，乃是不可或缺的。”

費希納定律又稱為韋伯-費希納定律，是表明心理量和物理量之間關係的定律。是以德國物理學家、心理物理學創始人G.T.費希納與E.H. 韋伯名字命名的用於揭示心理量與物理量之間數量關係的定律。該定律是在韋伯定律的基礎上發展而來。

韋伯發現同一刺激差別量必須達到一定比例，才能引起差別感覺。這一比例是個常數，用公式表示：ΔI(差別閾限)/I(標準刺激強度)=k(常數/韋伯分數)，這就是韋伯定律。把最小可覺差（連續的差別閾限）作為感覺量的單位，即每增加一個差別閾限，心理量增加一個單位。感覺量與物理量的對數值成正比也就是說感覺量的增加落後於物理量的增加，物理量成幾何級數增長，心理量成算術級數增長，這個經驗公式被稱為費希納定律或韋伯-費希納定律。適用於中等強度的刺激。

費希納定律是一個表達簡單的定律，其公式為S=KlgR，其中S是感覺強度，R是刺激強度，K是常數。簡單來說，這個定律說明了人的一切感覺，包括視覺、聽覺、膚覺（含痛、癢、觸、溫度）、味覺、嗅覺、電擊覺等等，都遵從感覺不是與對應物理量的強度成正比，而是與對應物理量的的強度的常用對數成正比的。這個定律是19世紀德國心裡物理學家費希納在他的表兄和老師韋伯的定律基礎上建立的，所以又稱為韋伯-費希納定律，也正是因為這個定律，心理物理學才作為一門新的學科建立起來。

恩斯特·韋伯（179 5—1878）是德國萊比錫大學的解剖學和生理學教授，以研究觸覺而著名。他的創造性工作是用實驗證明了赫爾巴特的閾限概念。他以圓規的兩點接觸皮膚，看看有多大的距離才能為人所察覺為兩點。他把剛剛能感到兩點的距離覺稱為皮膚觸覺的兩點閾限或差別閾限，閾限這一概念從實驗心理學的建立直到今天仍在沿用。後來韋伯在實驗重量的閾限中，發現比較兩個物體的重量時，我們所覺知的不是兩個物體重量之間的絕對差數，而是其所增加的重量與原來的重量的相對的比例數，比如30克與31克剛能辨別，其差數是1，然而對60與61克則不能辨別，必然是62克才能辨別。這個所增加的重量與原來的重量的比是個常數，都是1/30。以後他又對線段的長度做了實驗，發現它們的比例也是個常數。於是他得出結論：“觀察彼此對象間的差異之時，我們所覺察到的不是絕對的差別，乃是相對的差別，這是在幾種感官內都曾經得到證實的觀察。”而且，“我們把兩件東西比較而觀察其差別之時，我們並不是看到這兩件東西的差異，所看到的乃是這個差異對於所比較的東西的分量之比。”如果我們用I代表原來的刺激量，用ΔI代表剛能引起較強感覺的刺激增加量，用K代表一個常數，那麼就可以用公式K=ΔI/I來表示。這就是後來費希納所稱的韋伯定律。

這一定律表明物理刺激同它引起的知覺之間不存在直接的對應關係，但是韋伯的研究卻顯示出身體與心理之間、刺激與感覺之間有相互依存的關係，且這種關係可以通過實驗用數學公式加以表示，從而體現了赫爾巴特曾經設想而未能做到的事。這對於心理學具有極其重要的意義，因為它是心理學史上第一個數量法則。不久費希納就在這個基礎上建立起他的心理物理學，促進了實驗心理學的誕生。同時，韋伯也開始了引人入勝的心理學實驗，連他本人也承認其研究“是個耐人尋味的心理學問題”。

（1）感覺閾限，或者絕對閾限是，有感覺與無感覺分界線上的刺激強度，或者在50%的試驗次數中引起感覺的刺激值。

（2）差別閾限則是在50%的試驗次數中引起感覺差別的最小刺激增量。這個最小的變化量叫做差別感覺閾限，又叫差別閾限或最小可覺差，簡稱作j.n.d。

在 運用最小變化法測定絕對閾限的時候，首先要確定一系列間距較小又相等的刺激，並交替地按由弱到強（遞增系列）；或由強到弱（遞減系列）給予被試者，每一系列刺激的起始點都不一樣，讓被試者報告有感覺或無感覺。被試者從一類感覺到另一類感覺的轉折點，就是這個系列的感覺閾限值。把所有系列的閾限值平均起來，即得到整個實驗的閾限值。

容易產生的誤差及其克服的方法

習慣誤差：被試者習慣於原來的刺激所引起的感覺，因而使轉折點向後推延。

期望誤差：被試者知道刺激是連續變化的，他可能會期望刺激所引起的感覺變化儘快到來，這樣就會提前作出反應。

克服習慣誤差和期望誤差的方法是刺激的變化按遞增和遞減的系列安排。

（1）用恆定刺激法測定感覺閾限時，要先選定幾個刺激。一般是用最小變化法粗略地測定出被試相關的閾限值，把比閾限值強或弱的幾個刺激定為實驗中所要用的恆定刺激。這些刺激中強度最大的要有90%～95%的可能性被感覺到；強度最小的要有5%～10%的可能性被感覺到。然後，在最強和最弱的刺激之間按相等的間距確定幾個刺激。每個刺激呈現的次數相等，整個實驗的程序按隨機的順序排列。

統計出每個刺激被感覺到的百分數，再用直線內插法，或者平均Z分數法、最小二乘法計算出50%的次數引起感覺的刺激強度，這個強度就是所測的閾限值。

（2）用恆定刺激法對差別閾限的測量

首先要確定標準刺激和比較刺激，讓標準刺激與每一個比較刺激進行比較。每對刺激按隨機方式呈現。

（1）實驗者 規定一個刺激為標準刺激，然後要求被試調節另一個比較刺激，使後者在感覺上與標準刺激相等。事實上不可能每次都能把比較刺激調節的和標準刺激一樣。這樣，每一次比較就會得到一個誤差，把多次比較的誤差平均起來就得到平均誤差。因為平均誤差與差別閾限成正比，所以可以用平均誤差來表示差別閾限值。

（2）求平均誤差的方法有兩種：一種是把每次調節的結果，與標準刺激之差的絕對值平均起來作為差別閾限；另一種是把每次調節的結果，與主觀相等點之差的絕對值平均起來作為差別閾限。主觀相等點就是相等地帶的中點，等於每次比較結果的平均數。

（3）在運用平均差誤法測量感覺閾限時，容易產生動作誤差和空間誤差。為了消除動作誤差，被試從長於和短於標準刺激處，開始調節比較刺激的次數要各佔一半；為了消除空間誤差，標準刺激在左邊和右邊的次數也應各佔一半。

等距量表的製作費希納用差別閾限的方法製作等距量表的時候，發現了費希納定律。如果我們要用差別閾限的方法來製作等距量表的話，其結果將和費希納的結果一致，因而會支持費希納定律。

費希納定律的表達式是：RK=lgS0+Klg（1+W）

由於物理刺激的等量增加或減少並不一定引起感覺上等量的變化，因而為了度量感覺量，就需要根據刺激變化和感覺變化之間的關係建立心理量表。心理量表大體上可以分為順序量表、等距量表和比例量表3類。

①順序量表。既沒有相等單位也沒有絕對零點。根據順序量表只能知道某事物按照規定的標誌在一定順序中所處的位置。比如我們說哪一種手機更好，但卻不說好多少或好多少倍（當然我們平時說什麼好一萬倍都是開玩笑的）。

②等距量表。只有相等單位而沒有絕對零點。根據等距離量表不僅可以知道兩事物之間在某種特點上有無差別，還可以知道它們相差多少。比如，當以攝氏度為溫標單位時，就屬於等距量表。我們能說10攝氏度比20攝氏度低10攝氏度，但不能說20攝氏度是10攝氏度的兩倍或者10攝氏度是20攝氏度的一半。換句話說等距量表上的數值只能加減，不能乘除。

③比例量表。既有相等單位又有絕對零點。它不僅可以表明就其一特點來說兩事物相差多少，而且還可以表明它們之間的比例關係。比如，500克和1000克的兩個東西，我們不僅能說500克的東西比1000克的東西輕500克，也能說前者是後者的一半。

（1）斯蒂文斯用數量估計法製作比例量表的時候，發現了斯蒂文斯定律。

（2）如果我們用數量估計法來製作比例量表的話，其結果將和斯蒂文斯的結果相一致，因而會支持斯蒂文斯定律。

（3）斯蒂文斯定律，或叫冪定律，是說心理量是物理量的冪函數。如果以S代表心理量，I代表物理量，a、b代表常數，那麼，冪定律可以寫成S=bIa（4）什麼是數量估計法數量估計法就是讓被試對各種刺激所引起的感覺的大小，直接用數字來表示。一般是先給被試一個標準刺激，讓他用一個數字來表示這個刺激所引起的感覺的大小。然後再給被試其他的刺激，讓他根據這些刺激所引起的感覺，與標準刺激所引起的感覺進行比較，分別用數字來表示這些比較刺激所引起的感覺的大小。比較刺激有比標準刺激強的，也有比標準刺激弱的。標準刺激不能太大，比較刺激與它比較時的順序安排應是隨機的。

（1）等級排列法

（2）對偶比較法在運用對偶比較法製作順序量表時，要先將樣品兩兩配成對，一對一對地放到被試者面前，讓他從兩個樣品中挑選出一個更喜歡的來。由於把每對樣品呈現給被試時，或一左一右，或一前一後。這樣便會產生空間誤差或時間誤差。為了消除這些誤差，應該把每對樣品讓被試比較兩次。當每對樣品第二次出現時，它們呈現的位置或時間先後，要和第一次相反。整個實驗中每對樣品比較的順序完全是隨機安排的。把每個樣品被選中的次數統計出來，再按選中次數的大小排成隊，選中次數最多的就是最受歡迎的，以此類推便是順序量表。