第4章　反应时间

4.1　复习笔记

一、反应时间的概述

（一）反应时间的概念

反应时间又称为反应的潜伏期，是指从刺激的呈现到反应的开始之间的时距。它包含了感觉器官、大脑加工、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，其中大脑加工所耗费的时间最多。

（二）反应时间的研究简史

1．天文学的贡献

对反应时间的研究最早始于天文学。19世纪初，一些天文学家就发现，不同天文观测者所得数据之间有明显差异。德国天文学家Bessel等人通过观测得出了“人差方程”，即B—A=1.22s，来表示Bessel的观测数据和另一位天文学家的观测数据之间的差。

2．生理学的研究

（1）Hehnhohz的研究

l850年生理学家Hehnhohz运用反应时间来测定神经的传导速度。他测定蛙的运动神经的传导速度，约为26m·s^-1。后来，他用一弱电击刺激人的脚趾的皮肤和大腿的皮肤，并告知被试。一旦觉得电击，就用手反应，记录这些反应时的差异。他从中可粗略估计人的神经传导速度，约为60m·s^-1。

（2）Donders的研究

1868年，荷兰生理学家Donders发明了分离反应时间的实验。Donders借助反应时间的相减得到选择反应时间、辨别反应时间，即反应时间的相减法。

3．心理学的研究

（1）Wundt及其学生的研究

1879年，Wundt在莱比锡大学创建了第一个心理学实验室。Wundt及其学生对反应时间进行了一系列的实验研究。特别是冯特的学生Cattell，不仅在冯特的实验室中并且后来回到美国之后都作了许多关于反应时间的研究。

（2）认知心理学

20世纪50年代中期之后，认知心理学开始兴起。由于它主张研究认知活动本身的结构和过程，并把这些心理过程看做信息加工过程。而任何过程都需要时间，因而可利用反应时间这一客观指标对加工过程进行研究，以揭示信息加工过程和各个阶段。

①相减法

反应时的相减法在具体应用中都必须假定，所安排的两种作业中的一种作业包含另一种作业所没有的某个特定心理过程，而在其他方面均相同，这样就可判定这两个作业的反应时间之差就是完成那个特定心理过程所需的时间。这种实验在原理上有一定的合理性，但在具体实施上往往有一定的困难。

②相加法

1969年，Sternberg在相减法的基础上发展了反应时间的相加因素法。这种方法假定，完成一个作业所需的时间是一系列信息加工阶段分别所需时间的总和，如果两个因素的效应是相互制约的，那么这两个因素只作用于同一个信息加工阶段；如果两个因素的效应是分别独立的，那么这两个因素各自作用于某一特定的加工阶段。

③开窗实验法

Hamilton等（1977）、Hockey等（1981）发展了一种新的实验技术，被称为“开窗”实验。即能直接地测量每个加工阶段的时间，从而能明显地看出这些加工阶段。

（3）速度与准确率权衡现象

速度与准确率权衡现象是指在反应时实验中，被试往往会以牺牲反应正确率为代价而换取反应的速度，有时则会为了达到高的反应正确率而牺牲反应的速度。被试在反应时实验中可运用不同的速度—准确率权衡标准来指导自己的反应。针对这种问题，Meyer等人（1988）提出了一种新的反应时技术，被称为速度—准确率分解技术（SAD）。

二、反应时间的测定方法

（一）反应时间的相减法

1．三种反应时间

Donders首先测定三种不同的反应时间：

（1）A反应时间。一个反应仅对应于一个刺激，当一个刺激呈现时，就立即对其作出反应，这种反应时间也称为简单反应时间。

（2）B反应时间。多个反应，各自对应于事先所规定的那个刺激进行反应，此时测得的反应时间，其中包含简单反应时间、辨别刺激的时间和选择反应的时间。

（3）C反应时间。一个反应，仅对应于多个刺激中的那个事先规定的刺激进行反应。而对其他刺激则呈现不反应。所测得的反应时间，其中包括简单反应时和辨别反应时。

辨别过程的反应时可由C反应时减去A反应时而获得。选择过程的反应时可由B反应时减去C反应时而获得。

2．相减法在认知心理学中的应用

（1）原理

反应时间的相减法最初被用来测定某一心理过程所需的时间，但是认知心理学是从两种反应时的差数来判定某个心理过程的存在。

（2）相减法的实际应用

在认知心理学中，研究者们有时运用反应时相减法来判定某个信息加工阶段的存在，如Posner等的研究；有时也用此法来判定一系列连续加工阶段的存在，如Clark和Chase（1972）的研究。

①Posner的研究

Posner等人运用反应时相减法来证实，短时记忆的信息除听觉编码之外，还存在视觉编码。

a．实验程序：在实验中安排了两种材料：一种是形同音同的两个字母如AA；另一种是形状不同但读音相同的两个字母如Aa。并安排了两种呈现方式：一种是同时呈现；另一种是继时呈现，其中还设置有几个间隔时间。要求被试判定所呈现的两个字母是否相同并用按键反应，记录反应时间。在这两种情况下，正确反应都是“相同”。

b．实验结果：同时呈现时，形同音同的两个字母（如AA）的反应时小于形不同音相同的两个字母（如Aa）的反应时。继时呈现时，随着两个字母的间隔时间增加；形同音同的字母对的反应时急剧增加；而形异音同的字母对的反应时却变化不大。并且两者的反应时的差别逐渐缩小。当两个字母呈现的间隔时间为2s时，其差别很小。

c．结果解释：在同时呈现条件下，形同音同的字母对（如AA）的判定反应时之所以较小，是因为此字母对可直接按其视觉特征来判定，其不像形异音同字母对（如Aa）必须按其读音来判定。这表明，形同音同的字母对（如AA）的匹配是在视觉编码的基础上进行的，至少部分是如此；形异音同字母对（如Aa）则需从视觉编码过渡到听觉编码，在听觉编码基础上才能判定，所以其用时较多。在继时呈现条件下，随着两个字母呈现的间隔时间增大，形同音同的字母对的视觉编码效应逐渐变弱，而听觉编码的作用增大，所以其反应时也随之增加，并与依赖于听觉编码的形异音同的字母对的反应时的差别逐渐减小。

d．结论：Posner等运用反应时的相减法来证实了某些短时记忆信息可以存在视觉编码和听觉编码两个阶段。

②Clark和Chase的研究

Clark和Chase（1972）曾设计过一个句子图画匹配实验，运用反应时相减法来揭示某些作业的操作要经过几个加工阶段，得到几个加工阶段的时间分别为：参数a为93ms，参数b和d为685ms，参数c为187ms，参数t为1763ms。

（二）反应时间的相加因素法

Sternberg在进行一系列的实验研究的基础上，确定了对短时记忆信息提取过程有独立作用的4个因素。并且在实验研究的基础上确定了这4个因素分别对4个独立的加工阶段起作用。探针刺激的质量对探针刺激的编码阶段起作用；记忆集大小对顺序比较起作用；反应类型对决策类型起作用；反应类型的相对频率对反应组织阶段起作用。可将短时记忆的信息提取过程用框图来表示（图4-1）。

图4-1  反应时相加因素法，短时记忆信息提取的阶段及其影响因素

根据Sternberg的反应时相加因素法的原理，即完成一项作业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：

RT=e+Nb+C，设a=e4-C，则：RT=a+bN

其中，e为探针刺激编码阶段的时间，N为识记项目的数量，b为每个项目比较的耗时，C为决策阶段和反应组织阶段共需的时间。

这是一个以b为斜率、a为截距的直线方程。Sternberg用操纵变量的方法，并以在相同自变量的不同水平之间的反应时间的不同，作为整个过程中的子阶段的时间测量。

（三）反应时间的“开窗”实验

1．相减法和相加法的缺陷

反应时间的相减法和相加因素法都不是直接测出某一特定加工阶段所需的时间，而是间接地通过作业之间的比较而得出的，并且相应的加工阶段还要通过严密的推理才能被发现。

2．开窗实验

Hockey等（1981）发展了一种新的反应时实验技术即“开窗”实验。他们以一种字母转换实验来说明这种新实验技术。在字母转换实验中，主试向被试呈现l-4个字母或字母串，而且在这字母串之后标有一数字。并告之，这一数字表明把该数字之前的字母或字母串中的每个字母都按英文字母表中的位置转换到该数字所指的位置上的字母。如“A+3”即将“A”转换到“D”，即字母A之后的第三个位置上的字母；以“KENC+4”为例。

（1）实验程序

最先呈现“4个字母+4”，然后，4个字母相继呈现。被试自己按一下键，就可看到第一个字母“K”（此时计时开始），当看到“K”之后，被试就做出声转换，即说出L-M-N-O，然后再按键，第二个字母“E”呈现，再做出声转换，F-G-H-I，如此下去，直到4个字母全部呈现完毕并作出总的回答，即0IRG，计时也随之停止。在实验进程中出声转换的开始和结束都在时间记录中标出。

（2）结果分析

根据该实验的反应时数据，可以得出完成字母转换作业的3个加工阶段：

①编码阶段，即从被试按键看到一个字母到开始出声转换所用的时间。

②转换阶段，即转换所用的时间。

③贮存阶段，即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，被试将转换结果贮存于记忆中，并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。如图4-2所示。

图4-2  “开窗”实验：字母转换作业的3个阶段

（3）评价

“开窗”实验通过对字母转换作业的分析，可把每一种认知加工成分所经历的时间都比较直接地估计出来，因而它比反应时的相减法和相加因素法具有更明显的优点。

（四）反应时间的速度与准确率权衡现象及其分离技术

1．速度与准确率权衡现象

（1）以反应时间为指标的逻辑

以反应时间作为指标的逻辑是，心理加工过程的复杂性和反应时间的长短之间有一种对应关系，即对一个复杂刺激的加工所需时间较长；而对一个简单刺激的加工时间则要短一些。然而，反应时实验中除了反应速度之外还有反应准确率问题。

（2）速度与准确率权衡的定义

反应速度与准确率的权衡（SAT）现象是指被试能根据不同的实验要求或在不同的实验条件下，建立一个权衡反应速度与反应准确率的标准来指导他的反应的现象。

（3）速度与准确率权衡范式（SAT范式）

①在速度与准确率权衡范式SAT范式中，可以通过控制被试作出反应的时间长短来作为实验自变量，测定在各种时间条件下的反应准确率。然后以反应时间为横坐标，以反应准确率为纵坐标，可得到一条速度与准确率权衡曲线。

②在这条曲线上，可以找到在各种反应时间下的反应准确率（）。在这条曲线上，可以用3个参数来描述SAT现象。I表示截距，R表示准确率（）随反应时间（RT）的变化而变化的速率，A表示准确率的渐近值，即在无限延长提取时间条件下的最高准确率。

③反应时和准确率之间的权衡关系在加工早期是很显著的。当接近或达到A值之后，随反应时的延长，准确率变化很小。反应准确率（）与上述3个参数的关系可表示为如下的经验方程：

2．反应时的速度与准确率分离技术

Meyer等（1987、1988）发展了“速度与准确率分离技术”（SAD）。这种技术可以把反应过程中猜测过程的准确率和反应时分布分别加以描述。SAD技术由两部分组成：滴定的反应时程序（TRT程序）和平行精细的猜测模型（PSG模型）。

（1）滴定的反应时程序（TRT程序）

TRT程序是SAD技术的一个具体获得反应时分布和反应准确率的方法。它包括普通试验和信号试验。具体做法如下：

①普通试验

在这一试验中，先呈现一个预备信号，接着呈现一个或正或负的测验刺激，让被试作出相应的反应，反应的要求是又准又快。记录反应时和准确率，并给予反馈，鼓励被试在确保准确率的前提下尽快地反应。其目的是为了建立一个具有高准确率的反应阈值，为评价被试在信号试验中的反应提供基线。

②信号试验

在这一试验中，在测验刺激呈现之后的不同的延时后，给出一个短暂的信号（一般为声音信号），不同的延时的时间是主试控制的变量。告知被试，一旦该信号出现，就立即对测验刺激作出相应的反应。由于有的延时很短，被试可能来不及获得刺激的全部信息，因此，允许被试根据所获得的部分信息进行猜测而作出反应。通过变化信号出现的不同时间，可得到在不同时间间隔条件下的反应时间和准确率的大量数据。

（2）平行精细的猜测模型（PSG模型）

对TRT程序所获得的数据进行定量分析，要依赖于平行精细的猜测模型（PSG模型）。它是针对TRT程序而提出的一个定量分析的理论框架。PSG模型假定有两个平行的加工过程：正常加工过程和猜测加工过程。PSG模型还假定，猜测加工过程和正常加工过程的持续时间都是随机独立的，即这两个加工过程是平行的、互不干涉的，这两个加工过程相互竞争。

①正常加工过程

正常加工过程包含在普通试验和信号试验之中，当测验刺激呈现，被试能在“全部”信息达到很高的阈值时，识别出测验刺激并作出相应反应，这一加工过程就终止。

②猜测加工过程

a．猜测加工过程始于反应信号刚呈现之时，一旦信号被觉察，被试必须立即决定对测验刺激应作出什么反应，并立即执行这种反应。被试的这种迫选决定是根据测验刺激呈现和信号出现之间的正常加工过程中已积累的所有的部分信息而作出的。

b．求猜测加工过程的反应时间和准确率。

首先，计算猜测加工过程的反应时间。

经普通试验，能得到普通试验的反应时间（）分布，=；

经在不同时间间隔下的信号试验，可得到信号试验反应时（）的分布；

根据和的分布，求猜测加工过程的反应时（）的分布，因两种加工过程是平行竞争的，所以，=min（，）；

因信号在测验刺激呈现之后的不同时间间隔之后出现，所以信号试验的反应时间应大于一个给定的常数（C），其概率为：

P（>C）=P（>C）×P（>C）

移项得

  　（4.1）

因=，P（>C）=P（>C）=1—P（<C）  　（4.2）

同理，P（>C）=1—P（<C） （4.3）

P（>C）=1—P（<C）  　 （4.4）

把（4.2）、（4.3）、（4.4）代入（4.1），得

P（<C）=1—P（>C）

　 　 （4.5）

（4.5）式左边是指，猜测加工过程完成的时间小于或等于常数（C）的概率，是一个累积分布函数。（4.5）式右边有两个变量即P（<C）和P（<C），它们可从普通试验和信号试验中取得。因此，经（4.5）式可估计出猜测加工过程完成时间的累积分布函数，并可由此而揭示出猜测加工过程的时间特性。

其次，估计猜测加工过程的准确率。

根据PSG模型，一个信号试验的准确反应在如下两种情况下发生：一是正常加工过程先于猜测加工过程完成而产生；另一个是猜测加工过程通过有效的部分信息积累先于正常加工过程完成并幸运地作出。若用（准确）表示信号试验中准确反应的概率，则

（准确）=P（<）×P（准确／<）+P（<）×P（准确／<）

整理后，得出猜测加工过程的准确率的估计方程：

P（准确／<）=[（准确）—P（<）×P（准确／<）]／P（<）  （4.6）

由于（4.6）式右边中，（准确）可在将信号试验的结果数据加以统计后而得到；P（<）可根据、分布而计算出；所以（准确／<）实际上就是普通试验的准确率；而P（<）=1-P（<）。经上述计算，就能获得各时间间隔下反应时作业中的猜测加工过程的准确率即P（准确／<）。根据准确率随信号时间间隔的变化而变化的情况分析，就能了解在信息加工过程中信息积累的过程。

三、影响反应时间的因素

（一）反应时间与刺激强度有关

1．刺激强度（J）通常指物理刺激的能量大小，包括物理刺激强度和与物理刺激有关的心理强度。

2．刺激强度与反应时间的关系：一般当刺激强度较弱时，反应时间较长；并且随刺激强度增加，反应时间会逐渐缩短。最初，随刺激强度增加，缩短得快些；而当刺激强度增加到一定程度时，反应时间的缩短速度减小甚至停留在某一水平上，反应时间似乎渐近于一个极限。

（二）反应时间与刺激的时间特性以及空间特性有关

当物理刺激的强度本身保持不变，而增加作用于感官的时间，即造成时间的累积作用，这样便会增加刺激的心理强度。如果物理刺激强度保持不变，刺激的时间也保持不变，仅增加刺激的面积时，由于感受器神经兴奋的空间累积的作用，也会增加刺激的心理强度。

（三）反应时间与所刺激的感觉器官有关

不同的感觉器官的反应时间也不同。不仅不同的感觉器官的反应时不相同，而且同一感觉器官受到不同刺激物，其反应时间也不同，甚至同一刺激作用于同一感觉器官的不同部位，其反应时间也不同。当利用复合刺激同时作用于不同的感觉道时，其反应时间也不同。

（四）反应时间与被试的机体状态有关

1．反应时间与机体的适应水平

机体对刺激的适应水平不同，反应时间也不同。如眼睛对明、暗适应水平不同，反应时间也不同。

2．反应时间与被试的准备状态

从预备信号的发出到刺激的呈现这一时距称为预备时间。如果预备时间太短，被试就会来不及作好反应的准备；如果预备时间太长，被试的准备状态则会越过最佳状态而趋向衰退。因而，预备时间太长、太短都会对反应时间的测量产生不利的影响。

3．反应时间与额外动机

额外动机对反应时间影响的实验结果表明：在罚的条件下，被试反应的额外动机最强，其反应时最短；在赏的条件下，被试的反应时次之；在不赏不罚的条件下，反应时间最长。由此可见，反应的额外动机影响着反应时间。

4．反应时间与被试的年龄

被试的年龄也是影响反应时间的一个因素。在人的整个发展阶段之内，25岁以前，其反应时间是逐渐变快；进至成人阶段，其反应时间的变化是很少的；直至60岁之后，反应时间开始缓慢下来。

5．反应时间与练习

练习与反应时间的关系很密切。一般练习越多，反应时间越短。其变化是逐渐的，最后达到反应时间不可再减少的最小限度。但是反应越复杂，经练习，反应时间变化幅度越大；简单反应，反应时间的变化幅度则较小。

6．反应时间与个体差异

被试变量中主要的是个人在反应时间上的差异。不仅在被试之间存在着差异，而且同一个被试，在同一条件下，其每时每刻的反应时间也会因其心理和生理方面的某些变化而不同。

四、测量反应时间的仪器和注意事项

（一）测量反应时间的仪器

任何一种有效的测量反应时间的仪器都包括3个部分：刺激呈现装置、反应装置和计时装置。反应时间研究的仪器和手段可根据研究课题的要求而定。

1．自由落体尺计时器

皮龙（1928）用一束约lm长的直尺作为测量工具，根据直尺的等加速自由下落的原理来计算反应时间。用公式表述为：。

2．机械的钟表计时器

（1）希普（Hipp）计时器

这是最早的直接读出反应时间的计时器。该仪器由重力部分和计时部分组成，重力部分是一个上下移动的重锤；记时部分是上下两个钟面。指针的转动速度靠一个每秒振动1000次的钢片控制，指针的转动停止则由一个串联的离合器加以控制。希普计时器虽然精确度甚高，但其结构笨拙，又须经常校正。

（2）邓拉普（Dunlap）计时器

邓拉普（Dunlap）计时器的构造略同于希普计时器，但以电磁离合器代替希普计时器的弹簧装置。邓拉普计时器虽也很笨重，但却为设计更新的钟表计时器作出了贡献。

3．电子计时器

现代心理实验室常用一些精密的电子仪器作为测时工具。如电子毫秒计、电子定时计、电子时间描记器、数字式频率仪、示波器等。刺激的呈现和反应的启动则需通过电子开关来控制，以获得更可靠的实验数据。这类仪器虽然价格高些但因其使用便利、精确度高而适合于实验室使用。

4．特殊摄影

摄影不仅可记录实况，而且也可记录时间。必要时，可以把刺激的呈现和反应的动作都摄入电影，甚至还可改变拍电影的速度，或把某一种计时器同时摄入画面。这样，根据摄影机的速度或画面上附加的计时器，就可获知反应时间。

5．刺激与反应键

反应时间实验，首先是选择合适的时间测量器，其次就是如何设计刺激和反应时开闭的电路装置。一般电路要求被试从听到预备信号起即将电键按住，至刺激出现再放开电键，这种要求容易使被试疲劳，因而增加了“抢步”的趋向。另一种是要求主试从呈现刺激开始直到被试作出反应为止一直按着刺激键。如果主试一时疏忽在被试反应前便放开了电键，那就会使结果不准确。一般实验，如使用灵敏继电器，其时滞很小，属于毫秒级单位，故可忽略不计。

6．以计算机作为测量反应时的工具

通过编写的计算机程序来测量反应时。

（二）测量反应时间的注意事项

1．避免过早的反应以及其他错误的反应。

2．反应数目要和刺激数目相等。