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《实验心理学》

作者:杨治良    文章来源:《实验心理学》    点击数:    更新时间:2006-7-30
报告“旧的” 报告“新的”
旧刺激42 8
新刺激4 46
(采自杨治良, 1983)
根据公式5-9,我们就可求出某被试者在再认图片中的报告标准。假如
在这个实验中,新、旧图片各50 张,并获得了表5-8 上的结果。在此实验
中,在横轴上设新刺激强度为0,旧刺激强度为1,就可先求得d’值。
d’=Z 击中-Z 虚惊
=0.994-(-1.405)=2.399
上式中的数值是通过PZO 转换表所查得的,数值0.994 是击中概率42/50
的Z 值,数值(-1.405)是虚惊概率4/50 的Z 值。这样,求出了d’值就可
按公式5-8 算出C 值:
C
I I
d
= Z I
-
+ -
=
-
+ =
2 1
1 1 5 9
1 0
2 399
1 405 0 0 59
'
[ ]
.
. .
× 公式
×
C 值0.59 是在判定轴上的位置,前面曾讲到,I1 为0,I2 为1,因此,C
略靠近I2,所以可以认为被试掌握的标准略严。
(二)敏感性指标
信号检测论的最主要贡献是在反应偏向与反应敏感性之间能作出区分。
击中概率P(N)可以因为检测者持严格的反应标准(高β)而减低;另一方
面,即使观测者持宽松的反应标准(低β),P(N)也可能因为敏感性的降
低而降低。
敏感性可以表现为内部噪音分布fN(X)与信号加噪音分布fSN(X)之间的
分离程度。两者的分离程度越大,敏感性越高;分离程度越小,敏感性越低。
图5-12 给出了反应偏向(β)相同的情况下,两种敏感性情况。
内部噪音分布fN(X)与信号分布fSN(X)的分离程度既受信号的物理性质
影响,也受被试者(测验者)特性的影响。因此,fN(X)与fSN(X)之间的距离
就可作为敏感性的指标,称为辨别力d’:
d
M M SN N
M
'=
-
s
即辨别力(d’)等于两个分布的均数之差除之 N 分布的标准差。当
IUM)等于两个分布的均数之差除之N 分布的标准差。当N 分布与SN 分布均
为常态分布时,其变异数类同,则有:
d
M M
SN N Z Z Z Z
SN N '= - = - = - [ - ]
s s 击中虚惊公式5 10
d′越大,表示敏感性越高,d′越小,表示敏感性越低。
与反应偏向一样,反应敏感性同样存在最佳水平。被试者(检测者)能
否达到最佳水平,与能否对N 条件和SN 条件下物理能量的统计特征作出精确
估计有关。格林和斯韦茨(Green& Swets, 1966)曾对白噪音背景下听觉
信号的检测问题进行了实验室研究,结果指出,敏感性对最佳水平的偏离(下
降)与被试者缺乏对信号物理特征的精确记忆有关。这些资料具有极其重要
的实用价值。
下面我们通过固定反应偏向(β)来看辨别力(d′)的情况。本例设β
=1,则d′可能出现三类情况。我们知道,“击中”概率落在纵轴右方的高
强度分布(或信号加噪音分布)曲线,“虚惊”概率落在纵轴右方的低强度
分布(或噪音分布)曲线。
(1)第一类情况是:在输入感觉刺激非常敏感的情况下,当信号加噪声
存在时,常常出现“肯定”,击中率为93%;当噪声单独存在时,很少做出
“肯定”,虚惊率为7%,这时:
d’=Z 击中-Z 虚惊=1.476-(-1.476)=3
以上是根据“击中”和“虚惊”概率,再通过PZO 转换表求得的。图5
-13(a)就是本例的情况。图上横轴的单位是噪声fN(X)时的Z 值,纵轴单
位是概率密度。
(2)第二类情况是:当感觉鉴别能力降低时,“击中”和“虚惊”分布
二者相互接近。例如当中等情况时,击中率为84%;虚惊率为 16%,则:
d’=Z 击中-Z 虚惊=0.994-(-0.994)=3
图5-13(b)就是本例的情况。
(3)第三类情况是:被试者相对不敏感,或刺激相对比较弱,击中率下
降为 70%;虚惊率增为 30%,则
四、接受者操作特性曲线
接受者操作特性曲线(receiver operating characteristic curve),
简称 ROC 曲线( ROC curve ) 在心理学上又称为感受性曲线
(sensitivitycurve),这就是说,曲线上各点反映着相同的感受性,它们
都是对同一信号刺激的反应,不过是在几种不同的判定标准下所得的结果就
是了。接受者操作特性曲线以虚惊概率为横轴,击中概率为纵轴所组成的坐
标图和被试者在特定刺激条件下由于采用不同的判断标准得出的不同结果画
出的曲线。
前面讲到,判定过程需要给定一个标准,超过标准时就作出“有目标”
的判定。例如,超过标准时,接受机接通继电器,发出警报,但是,若阈值
(指给定的判定标准)太高时,只有强目标信号才能检测到;若阈值太低,
会有许多“虚惊”。在给定的阈值较高时,目标检测概率和虚惊概率二者都
较低;在给定的阈值较低时,这两个概率都变高了。阈值给定的这种效应如
图5-14 所示。
上图(a)表示三个目标信号的波幅;中图(b)是噪音的波幅,下图(c)
是信号加噪音的波幅。从图5-14 的下图可见,在阈值为T1 时只有第二个目
标被检测到,在图中所示的时间区间内没有虚惊。对于固定的输出信噪比
(signal-to-noise ratio,指通讯系统中,所要求的信号和背景噪音的功
率之比),各种阈值下,有不同的虚惊概率 (PSN(A))和击中概率(PN(A))。
一个接受者的操作特性曲线(ROC 曲线)的纵轴表示击中概率(定义为检测
到信号的概率),横轴表示虚惊概率(定义为由于噪音而超出阈值的概率)。
给定阈值改变时,在击中概率和虚惊概率图上可以画出曲线。图5-15 中阈
值从T1 变到T2 时所得的ROC 曲线就是一个例子。
接受者操作特性曲线是被试者在特定刺激条件下由于采用不同的判断标
准得出的不同的结果所画成的曲线,这两者的形式表示下列各种函数关系:
(1)当信号呈现的概率对P(y/SN)和P(y/N)的影响随信号呈现的概率增
加时,P(y/SH)增加,同时P(y/N)也增加,此时图中的弓形弯曲度也增
加。(2)β值的改变对P(y/SN)和P(y/S)的影响:当β=0 时,击中概率
几乎为0,即信号全当成噪音接受;当β接近无穷大时,虚惊概率几乎为 0,
即噪音全当成信号接受,故最佳的标准β应选一定的 P(y/SN)和P(y/N)
的比值。(3)曲线的曲率反应出敏感性指标d’:在图5-16 中有一条对角线,
代表p(y/SN)=P(y/N),即被试者的辨别力d’为0,ROC 曲线离这条线愈
远,表示被试者辨别力愈强,d’的值当然就愈大。信号检测论的任务在于寻
找最佳ROC 曲线。
通过以上分析,可以看到接受者操作特性曲线是严格地由给定阈的信号
和噪音的概率密度函数决定的(见图5-8)。此噪音的平均幅度是MN,横轴
上用A0 表示;信号加噪音的平均幅度是MSN,用A1 表示。假定噪音和信号加
噪音都是正态分布,方差都是σ2,比值d’可由公式5-10 计算,从这里可看
出一些变量的关系。一般有两种情况:
(1)第一种情况:d’固定,从公式上可看到,当σ变大时,则(MSN-MN)
也成比例变大。此时,若T 从右方向左方移,从图5-8 上可看到P0(X)和
P0(X)概率变大,这整个变化过程就构成了一条 ROC 曲线。
(2)第二种情况:T 固定,又有两种情况:①若σ变大,而(MSN-MN)
不变,则d’就会变小,此时二概率密度分布曲线就会靠近,其结果P0(X)
就大,从图5-16 上,我们就可见到d’值小的ROC 曲线。②若σ值不变,而
(MSN-MN)值变大,则d’就会变大,此时二概率密度分布曲线之间的距离就
拉大,因为T 固定,其结果P0(X)就小,此时,从图5-16 上看到d’值大
的ROC 曲线。
下面我们通过一个实例来叙述ROC 曲线的具体绘制过程。笔者曾做过这样一
个实验:选图画页500 页,分成五个组,每组100 张。五组画页的先定概率
分别是0.1、0.3、0.5、0.7 和0.9。对于每一组画页,主试者使用一种信号
的先定概率,然后按此先定概率呈现给被试者一定数量的画页,要求被试者
把它们当做“信号”记住。例如,先定概率为0.1 时,则当作“信号”的画
页为10 张;当做“噪音”的画页为90 张。作为信号的画页呈现完毕之后,
与此组作为噪音的画页混合,然后随机地逐张呈现给被试。这时,每呈现一
张画页,即要求被试判断此画页是“信号”还是“噪音”,并要求被试把结
果记录在实验纸上。
根据五种先定概率得到的实验结果,就可计算击中概率和虚惊概率。其
一般的计算格式见表5-9。
表5-9 刺激-反应矩阵
R
S
是否
信号
击 中
f1
漏 检
f2
噪音
虚 惊
f3
正确拒斥
f4
(采自赫葆源等, 1983 )
感觉敏感性是d′=Z 击中-Z 虚惊,反应偏向为β=O 击中/O 虚惊,式中O 代
表纵轴,根据d′和β的公式可计算如下,见表5-10。
根据上面所得的击中概率和虚惊概率,就可求出不同先定概率下的d′
值和β值(见表5-11)。
表5-10 五种先定概率的实验结果
当先定概率P = 0.1 当先定概率P=0.3 当先定概率P = 0.5
R
S
是否
R
S
是否
R
S
是否
信号3 7 信号16 14 信号35 15
噪音4 86 噪音9 61 噪音11 39
P 击中=0.30 P 击中= 0.53 P 击中=0.70
P 虚惊=0.14 P 虚惊=0.13 P 虚惊=0. 表5-10
五种先定概率的实验结果(续)
当先定概率P = 0.9 当先定概率P=0.7
R
S
是否
R
S
是否
信号59 11 信号83 7
噪音13 17 噪音6 4
P 击中=0.84 P 击中= 0.92
P 虚惊=0.43 P 虚惊= 0.60
表5.11 不同先定概率下的d′值和β值
项目
y/sN
(击中)
y/N
(虚惊)
d ′ β
P 0.30 0.04
0.1* Z -0.524 -1.751
O 0.3478 0.0862
1.227 4.035
P 0.53 0.13
0.3 Z 0.075 -1.126
O 0.3928 0.2116
1.201 1.880
P 0.70 0.22
0.5 Z 0.524 -0.772
O 0.3478 0.2962
1.296 1.174
P 0.84 0.43
0.7 Z 0.995 -0.176
O 0.2434 0.3928
1.171 0.620
P 0.92 0.60
0.9 Z 1.405 0.253
O 0.1481 0.3864
1.152 0.383
*(采自杨治良, 1983 )
最后,根据不同先定概率下的击中概率和虚惊概率,就可在图上确定各
点的位置,把五点联接起来就绘成一条ROC 曲线(见图5-17)。图上各点,
均可通过PZO 转换表查得。
第三节 信号检测论的应用
作为一种新的心理物理学方法,信号检测论对实验心理学领域产生了巨
大影响,它对应用心理学各个领域中的许多问题也具有广泛的应用价值。由
于信号检测论在感觉敏感性(d′)与反应偏向(β)之间作出区分,因此,
它能够分析不同被试、不同操作条件下的反应敏感性;同时,信号检测论能
够分析操作的恶化是因为敏感性下降还是因为反应偏向的变化,并根据这些
分析的资料对操作进行改进。下面我们讨论信号检测论在心理学中的几个主
要应用领域。
一、在医学心理学中的应用
在应用领域中,医学诊断是信号检测论大有作为的领域。异常症状既可
出现于病人也可出现于正常人,医生最初的任务就是作出“是”或“不是”
的决断。在这里,信号强度(将影响d′)与异常症状的显著程度、异常症
状的多少、医生对有关线索的关注(取决于医生所受的训练)有关。反应偏
向的影响因素包括信号概率和支付矩阵,具体地说,前者指疾病的发病率;
后者主要是诊断的可能后果。例如,如果虚惊,就诊者将接受不必要的治疗
(服药还是手术?治疗有无副作用?);若漏检,病人将延误治疗(是否会
产生严重后果?)(Lusted,1976)。斯韦茨等人(Swets& Pickett,1982)
曾指出,医生的诊断操作可以用ROC 曲线进行数量化,他们在进一步的研究
中还详细考虑了应用信号检测论分析医学诊断的方法学问题。
一部分研究者关注更具体的诊断问题,例如放射学家根据X 光片所作的
诊断,这类诊断通常距最佳操作甚远。据估计这类诊断中异常症状的漏检率
可高达20%到40%,运用信号检测论进行的分析得出了一些有用的结果。例
如,史文森(Swennsen,1977)的研究指出,让操作者的注意力集中于X 光
片上的异常症状可能发生的区域能够提高检测到症状的可能性。但提高的原
因是操作者降低了反应偏向β,而不是增加了感觉敏感性(d′)。史文森等
人(Swennsen et al.,1979)还比较了两种条件下进行的异常症状检测,第
一种条件是很多X 光片中有一部分包含了一种异常症状。第二种条件是需检
测的关键异常症状同包括有其他病理表现的X 光片混合在一起。比较结果表
明,第一种条件下的击中概率较高,但这一提高是由降低反应偏向(β)造
成的,事实上第一种条件下的敏感性还低于第二种条件。
帕拉苏拉曼(Parasuraman,1980)对医生和住院医生(实习医生)的诊
断进行了信号检测论分析,结果表明,正式医生的感觉敏感性(d′)一般高
于住院医生,但总的说来正式医生的反应偏向(β)较高(更加保守)。此
外,正式医生对发病率的反应更加敏感(调整β)。显然,这些研究所得出
的结果对改善医生的诊断操作是较为有用的资料。
下面我们举一实例来说明信号检测论的实际应用价值。
根据传统心理物理法,痛阈(threshold of pain)乃是被试报告痛觉时
的刺激强度,也就是对50%次数的刺激报告痛的强度。报告痛的次数比例高,
表示痛敏感性大,即被试者对有害刺激的痛阈低;反之,报告痛的比例少,
即对痛不敏感,表示个体具有高阈值。但是,信号检测论认为,一般常用的
阈值测定是一种极不可靠的测痛方法。因为阈值并不单纯是感觉敏感度的指
标,它还受被试者反应偏差的影响,即他愿意或不愿意报告是否有刺激存在。
这里引用克拉克(Clack,1974)关于痛感受性和报痛的研究。克拉克采用信
号检测论,研究了提示对热辨别力(d′值)和反应判定标准(β或C)的影
响’并与传统方法测得的阈值客观地进行了比较分析。研究结果不仅说明了
信号检测论的理论意义,且还使我们看到了实际价值。
由枪式热辅射器提供热刺激,每一个被试者在提示前后各接受72 次刺
激,分为6 个强度,各重复12 次。被试者共10 人,试验前,实验者对被试
者说明实验的目的,并罗列一些可能出现的反应,以帮助被试者前、后回答
一致。罗列的热感觉强度有11 个等级,它们是:没有感觉、略有感觉、微温、
温热、烫、很烫、极微痛、轻痛、中痛、重痛、回缩动作。
实验结束后,休息5 分钟,继续进行实验。此时,向被试者说“马上开
始的实验要说明,重复进行刺激可改变你的耐痛能力。因为,原先的刺激已
使你的皮肤感受器疲劳而不那么敏感。现在你可能更能耐受痛刺激,将延迟
投射器从皮肤上移开的时间。现在开始就要测定你的耐受剧痛的能力。”实
验者在痛阈和个体反应标准的研究中,将口头报告“极微痛”定为痛阈,并
将“回缩反应”定为耐痛阈(threshold of bearable pain)或痛觉耐力(pain
endurance)。
为了进行方法上的比较,采用传统心理物理法分析实验结果所得的结论
是:(1)提示能取得提高回缩阈值(即耐痛阈)的预期效果,当刺激强度为
0.435 卡/秒/平方厘米时,回缩反应的概率从0.75 下降到0.53(配对
t=3.20,自由度=9,P<0.025),提示前、后回缩阈值(50%阈值)分别为
0.385 和0.430 卡/秒/平方厘米。由此可见,提示能够明显提高回缩阈值,
约为0.045 卡/秒/平方厘米。(2)提示时口头报告的痛阈影响极小,累计
的极微痛反应主要发生在0.370 和0.350 卡/秒/平方厘米强度刺激。由于在
这类反应之间的差异,在统计学上不显著,因此提示不可能对口头痛报告的
阈值有任何影响。
表5-12 提示前、后被试者各类反应的累积条件概率
反 应 刺 激
没有
感觉
略有
感觉
微温温热烫很烫极微痛微痛痛很痛
回缩
动作
-0.435* 1.0 0.85 0.80
0.370 1.0 0.92 0.67 0.50 0.42 0.36
0.305 1.0 0.92 0.67 0.36 0.25 0.08 0.08
0.240 1.0 0.92 0.75 0.67 0.67 0.33 0.14 0.14 0 0
0.120 1.0 0.92 0.75 0.67 0.25 0 0 0 0 0 0



0 1.0 0.36 0.25 0.14 0.08 0.08 0.08 0 0 0 0
0.435 1.0 0.92 0.80 0.62
0.370 1.0 0.75 0.75 0.50 0.33 0.14
0.705 1.0 0.92 0.80 0.25 0.25 0.08 0 0
0.240 1.0 0.83 0.75 0.75 0.67 0.42 0.08 0 0 0 0
0.120 1.0 0.83 0.67 0.36 0.25 0 0 0 0 0 0



0 1.0 0.42 0.25 0.08 0.08 0 0 0 0 0 0
*单位:卡/秒/平方厘米(采自Clark & Yang , 1974 )
若用信号检测论处理此实验结果又将会得到什么结果呢?表5-12 为某
一被试者的反应的累积条件概率。由此可算出感觉敏感性(d′)和判定标准
(C)。信号检测论假定,横轴代表主观经验不同强度,纵轴代表其发生的概
率。随着温度刺激逐步加强,被试可以从无感觉到感到微温、烫、很烫、极
微痛、轻痛、中痛、重痛等等级不同、但分布上互相连接的感觉。由于感觉
在心理上是连续的,相邻的两个刺激引起的感觉分布曲线可以有部分重叠(见
图5-18)。因此,沿判定轴分布的每一感受经验有两种概率表示,一种是低
强度(噪音)的分布概率,另一是高强度(信号加噪音)分布概率。被试者
所要判定的是:某一感觉是由于低强度还是高强度刺激引起的,因而必须作
出统计学决定。被试者为了前、后一致地做出判定,就必须选择一个判定反
应标准的点。在本例,Cw 表示回缩反应的判定标准,若被试者对高强度刺激
出现回缩反应,表示“击中”;若对低强度刺激也出现回缩反应,表示“虚
惊”。图5-18 中,Cw 右方的高强度刺激分布下的面积(80%)表示击中概率,
而同一标准右方的低强度刺激分布下的面积(36%)表示虚惊概率。根据“击
中”和“虚惊”概率就可推算出被试者的二种反应指标:感觉敏感性(d′)
和判定标准C 的位置。
根据公式d′=Z 击中-Z 虚惊,求得:
提示前d′=0.841-(-0.358)=1.2
提示后d′=0.305-(-1.08)=1.385
根据公式
C
I I
d
= Z I
-
2 1 +
′ 1
× 正确拒斥
求得:
提示前×
提示后×
C =
0.435
0.358 + 0.370 = 0.3894
C =
0.435
1.08 + 0.370 = 0.4206
-
-
0 370
1 2
0 370
1 358
.
.
.
.
以上我们用传统及现代心理物理法处理了实验数据,分析表明,提示的
唯一作用是使被试者提高其回缩的判定标准,即提示能使被试者耐受较高强
度的热量,而不会引起躯体的回缩动作,使被试者提高其反应的判定标准。
可见,传统的心理物理法都公认,提示能明显地提高回缩反应的痛阈,痛阈
的提高是由于痛感受的减轻所致。但是,用新的心理物理法(即信号检测论)
对同一资料进行分析,则完全否定了这一解释。事实上,被试者的感觉辨别
力(d′)始终没多大改变,所改变的仅仅是他的痛阈报告的标准而已。这正
是信号检测论优越性所显示的应用价值。
二、在工程心理学中的应用
工程心理学(engineering psychology) 研究人与机器相互作用的过
程中,人机功能相互适应与配合的心理学问题。随着生产技术的日益发展,
人与机器间的相互关系也愈显重要。在复杂的人机关系中,警戒操作是工程
心理学中的一个重要问题:操作者需要在相当长的一段时间里检测信号,而
信号是间歇性的,无法预测的,发生频率很低。诸如雷达操作员监测偶然出
现的飞机信号,复杂工业系统的操作人员监测偶然发生的系统故障,流水线
上的质量检测员监测次品等操作都可以看作是警戒操作。日常生活中,文字
的校对也和人的持续注意有关。
警戒(vigilance) 是指操作者在相当长的一段时间内,对环境中偶
然出现的某种信号的察觉并做出反应的持续准备状态。它是心理学领域中持
续注意概念在工程心理学中的应用。对警戒问题的研究兴趣起源于第二次世
界大战。当时,军事上需要高水平的雷达操作员,理想的雷达操作员应始终
保持对显示屏的注意。可是,实际情况常常是,尽管重要的战备任务使操作
员保持高度良好的动机和责任心,可是他们的工作成绩总是不能令人满意,
或是漏报信号,或是虚报,而且往往随着工作时间的延续,检测出的信号越
来越少。很显然,

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