4　反應時間

《論語·子罕》中記載了孔子的名言“逝者如斯夫，不舍晝夜”，這句話表達了古人對于時間流逝的慨嘆，同時也反映出如流水般的時間對于人類而言，是多么的難以掌控和琢磨。盡管如此，現代的科學家面對“時間”這個抽象的概念時，并沒有嘆息，更沒有卻步，而是在思考時間這一概念的同時發現了一種與人類行為密切相關的時間——反應時間，并利用它完成了大量的實驗研究，使得眾多心理活動得以量化。時至今日，反應時間依然是實驗心理學研究領域中最經典、應用范圍最廣的變量之一。

一、反應時間概述

（一）反應時間的概念

有機體對刺激的反應并不能在受到刺激的同時就發生，從刺激的呈現到反應的開始之間會有一段時間間距。反應時間（reaction time, RT）就是指從刺激呈現到有機體做出明顯的反應所需要的時間。

反應時間主要包括三個時段：①刺激使感受器產生興奮，其沖動傳遞到感覺神經元的時間；②神經沖動經感覺神經傳至大腦皮質的感覺中樞和運動中樞、中樞加工，并從那里經運動神經到效應器的時間；③效應器接受沖動后開始效應活動的時間。刺激的呈現會引起一種過程的開始，此過程在機體內部的進行是潛伏的，直至此過程到達肌肉這一效應器時，才產生一種外顯的、對環境的反應。因此，反應時間往往也被稱為“反應的潛伏期”。

在反應的潛伏期中包含著感覺器官產生興奮、中樞（腦和脊髓）加工、神經傳入傳出所需的時間，以及肌肉效應器反應所需的時間，其中中樞加工所消耗的時間是最多的（圖4-1）。

（二）反應時間的研究簡史

回顧反應時間的歷史，我們會發現研究者對于反應時間的探索早于實驗心理學的出現，甚至可以說早期對于反應時間的探索和研究在一定程度上為實驗心理學以及后來的認知心理學奠定了方法學的基礎。

個體的反應并不是即時發生的，而通常會在刺激出現之后有一定的延遲，且這種延遲存在個體間的差異。這種現象最初實際上是由天文學家觀察到的，所以說對于反應時間的研究其實肇始于天文學：1796年的一天，英國格林尼治天文臺臺長Maskelyne解雇了自己的一名助手，原因是他發現助手Kinnebrook觀察星體通過子午線的時間總要比自己慢，雖然Maskelyne反復提醒Kinnebrook，但幾個月之后助手的觀測誤差仍然存在，于是臺長就以失職為由將其解雇。幾十年后，德國天文學家Bessel注意到這個故事，他認為兩個人在觀測時間上存在的差異可能并非是由于助手的粗心或無能所致。為了證明這種猜想，Bessel嘗試比較了自己與其他天文學家在觀測同一星體通過子午線時間之間的差異，結果發現兩個觀測者之間總會存在一定的差異，且這個時間差往往是恒定的。Bessel用“人差方程”來表示這種現象：

B（天文學家1的反應時間）-A（天文學家2的反應時間）≈1.22s

即兩個天文學家總會存在約1.22s的差異。這一發現不僅為Kinnebrook“沉冤昭雪”，同時也使得天文學家開始關注觀測的計時方法。

1850年，德國生理學家Helmholtz開展了歷史上第一個反應時間的實驗，并成功測量了神經元的傳導速度。他首先測得蛙的運動神經傳導速度（約為26m/s），隨后他還希望可以進一步測得人類的神經傳導速度。Helmholtz認為被試的反應快慢可能會受到大腦皮層和刺激點相連的神經元之間距離的影響，所以他嘗試用微弱的電擊刺激人類被試不同位置的皮膚（如腳趾和大腿），要求被試在感受到電擊刺激的同時進行按鍵反應，并計算不同位置反應時間的差異，結果發現人類的神經傳導速度約為60m/s。盡管這一結果很粗略，但是Helmholtz采用的這種測量方法在科學發展史上卻是十分重要的，它提示神經傳導速度這種內在的活動是可以被測量的，這為后續實驗心理學領域中運用反應時間測量一些內在的心理現象和過程提供了重要的啟示。

真正把反應時間引入心理學研究的是荷蘭生理學家Donders。1868年，他在《關于心理過程的速度》一文中試圖利用反應時間來測量各種心理活動所需要的時間，并進而提出存在三種不同類型的反應以及一套測定這些反應的時間的方法，即后來為人們所熟知的“Donders反應時間ABC”和“減數法”（詳見本章第二節）。科學心理學之父Wundt很快便意識到Donders這種計算心理活動的辦法可以為心理學的實驗研究所用，于是他帶領學生利用反應時間對知覺、注意和聯想等一系列心理過程進行了測量。隨著反應時間在研究中的應用越來越廣泛，1873年奧地利生理學家Exner在論文中首次提出了“反應時間”一詞。

20世紀50年代中期，認知心理學開始興起和發展，關于反應時間的測量方法和研究也日益豐富起來。認知心理學主張研究認知活動本身的結構和過程，認為認知就是信息加工。按照這一觀點，認知可以分解為一系列階段，每個階段都是一個對輸入的信息進行某些特定操作的單元，而反應則是這一系列階段和操作的產物。在這一背景下，Sternberg于1969年在減數法的基礎上提出了反應時間的加因素法。這種方法假定，完成一個任務需要的時間是一系列信息加工階段分別所需時間的總和（詳見本章第二節）。Sternberg所提出的加因素法使得在利用反應時間解釋心理過程方面的研究又前進了一步，但由于這種方法依然不能直接測得某一特定加工階段所需的時間，Hamiton等人（1977）和Hockey等人（1981）又提出了一種新的實驗技術——“開窗”實驗。利用這種技術每個加工階段的時間都可以被直接測得，從而使研究者可以更直觀地看到這些加工階段，就好像打開了一扇窗戶一樣，一目了然（詳見本章第二節）。除此之外，還有Meyer等人（1988）提出的速度與準確率分離技術（speed-accuracy decomposition, SAD）以及Greenwald等人（1998）提出的內隱聯想測驗（implicit association test, IAT）也都是反應時間研究歷史上值得銘記的一筆。

二、反應時間的測量與分析

（一）反應時間的測量

反應時間的測量方法主要包括減數法、加因素法、“開窗”實驗和內隱聯想測驗等。減數法是所有方法的基礎，例如，加因素法和“開窗”實驗是在減數法基礎上發展而來，目前這兩類實驗雖然只有一個原型實驗，但相對于減數法來說也是一種推進。內隱聯想測驗也是在減數法基礎上提出的，是將減數法應用于內隱態度的測量。因此，下面將加因素法、“開窗”實驗和內隱聯想測驗與減數法一同作為反應時間測量的方法加以介紹。

1.減數法

（1）基本原理

Donders受到天文學家關于人差方程研究和Helmholtz測定神經傳導速度研究的影響，提出了反應時間的減數法，其背后的邏輯是減法法則，即如果一種任務包含另一種任務所沒有的某個特定的心理過程，且除此之外二者在其他各個方面均相同，那么這兩種反應時間之間的差異即為此心理過程所需的時間。Donders把反應分為A、B、C三類來對心理的加工過程進行研究。

A類反應，又稱簡單反應。在簡單反應中僅有一個刺激，當這一個刺激呈現時，便立即對其做出反應。例如，當被試看到圓形出現時就馬上按下A鍵。一方面，這是一種最簡單的反應；另一方面，簡單反應又是復雜反應的基本組成部分，它所耗費的時間可稱為“基線時間”，即為復雜反應所耗費的時間提供了一個基線。

B類反應，又稱選擇反應。在這類反應中，有多個刺激，每一個刺激都有與它相對應的反應。例如，主試要求被試看到圓形按A鍵，看到方形按B鍵，看到三角形按C鍵。被試在完成這一任務時，不僅需要辨別自己看到的是圓形、方形還是三角形，還需要選擇自己按哪個鍵進行反應。所以，選擇反應所耗費的反應時間中，既包含了簡單反應的基線時間，又包含了辨別刺激和選擇做出怎樣的反應的時間。

C類反應，又稱辨別反應。與B類反應相類似，辨別反應也具有多個刺激，但不同的是被試僅需要對其中一種刺激做出反應，而不用理會其余的刺激，也就是說被試只需要辨別出某一刺激，而無須選擇做出怎樣的反應。例如，屏幕上可能會呈現圓形、方形和三角形，被試需要在圓形出現時按鍵反應，而方形和三角形出現時則無須進行反應。由此可以看出，辨別反應所耗費的時間中，僅包含了簡單反應的基線時間和辨別刺激的時間。

通過上述三類反應時間，可以計算出辨別反應和選擇反應所需要的時間：辨別過程的反應時間可由C反應減去A反應獲得，選擇過程的反應時間則可由B反應減去C反應獲得，具體如圖4-2所示。

反應時間的減數法最初是被用來測定某一心理過程所需時間的，但是反過來，也可以從兩種反應時間的差異來判定某一心理過程的存在。認知心理學正是應用減數法反應時間實驗提供的數據來推斷其背后的信息加工過程的。但同時也應注意到，減數法也有其弱點：使用這種方法要求研究者對實驗任務所引起的刺激與反應之間的一系列心理過程有精確的認識，并且要求兩個相減的任務中共有的心理過程要嚴格匹配，這一般是很難辦到的。

（2）經典研究舉例

減數法既可以用來研究信息加工的某個特定階段或操作，也可以用來研究一系列連續的信息加工階段。例如，在感知覺、注意、表象、短時記憶等研究中，常常會應用減數法進行實驗。下面我們就以Posner等人和Cooper等人的經典實驗研究為例，介紹減數法在實際研究中的應用。

Posner等人進行了一系列有關視覺編碼和聽覺編碼的實驗研究，運用反應時間的減數法來證實短時記憶的信息除聽覺編碼之外還存在視覺編碼。實驗向被試并排呈現兩個字母，這兩個字母可能同時呈現給被試，也可能中間插入短暫的時間間隔，要求被試指出這一對字母是否相同并按鍵反應。實驗所選用的字母對有兩種，一種是兩個字母的讀音和書寫都一樣，如AA；另一種是兩個字母的讀音相同但書寫不同，如Aa。在這兩種情況下，被試的正確反應都應該是判斷字母相同并按鍵。當兩個字母相繼呈現時，其時間間隔分為兩種情況：第一種是0.5s和1s，第二種是1s和2s。結果發現，在兩個字母同時呈現時，AA字母對的反應時間明顯小于Aa字母對；在兩個字母相繼呈現的情況下，隨著兩個字母時間間隔的增加，AA字母對的反應時間也隨之急劇增加，但Aa字母對的反應時間則沒有發生大的變化，并且AA字母對和Aa字母對反應時間的差也在逐漸縮小，及至時間間隔為2s的條件下，兩個條件間的差別就變得很小了（如圖4-3所示）。

從實驗所呈現的刺激字母對的特征分析中，我們可以看出被試對AA字母對進行匹配判斷時可立即進行視覺編碼或聽覺編碼，而對Aa字母對的匹配判斷只能在聽覺編碼的基礎上進行，并且必須先由視覺編碼過渡到聽覺編碼。因此，刺激“AA”與“Aa”的反應時間之差反映了被試內部編碼過程的差別。從以上的實驗結果可以看出，Pos-ner等人運用反應時間的減數法證實了在短時記憶的信息加工過程中存在著視覺編碼和聽覺編碼兩種方式（Posner，1990）。

Cooper和Shepard（1973）用減數法的實驗證實了心理旋轉的存在。心理旋轉（mental rotation）是指單憑心理運作的方式，將所知覺的客體進行旋轉，從而獲得正確知覺經驗的心理歷程。研究采用非對稱性的字母（例如R）為實驗材料，根據“正”“反”以及不同的傾斜角度構成了12種情況（圖4-4（a））。由于字母R在垂直和水平方向均不對稱，所以其正、反也是不同的。要求被試只要判斷字母R是正的還是反的，而忽略其傾斜程度。實驗分為5種條件（圖4-4（b））：①無進一步信息；②僅提示正或反；③僅提示傾斜度；④分別提示正、反和傾斜度；⑤同時提示正、反和傾斜度。實驗結果發現，字母傾斜程度越大，反應時間越長（圖4-5）。因此，研究證實了心理旋轉過程的存在。

心理旋轉的存在符合了反應時間的減數法原理，如果存在兩個任務，它們之間除了需要心理旋轉的角度不同之外無其他差異，那么兩者的反應時間之差即為完成心理旋轉兩者角度之差所需的時間。例如，傾斜度0°和60°的兩種任務中，除了傾斜角度存在差異外別無差異。如果存在心理旋轉的話，那么應該是一個任務比另一個任務只多了從60°旋轉至0°的心理過程。

減數法能夠測量辨別和選擇等心理過程所需要的時間。雖然值得肯定，但也存在一些弱點。例如，這種方法未必能夠較容易地將各個加工階段區分開，一個參數可能涉及兩個或者更多的加工階段。此外，這類實驗籠統地假定，在復雜的信息加工過程中，增加或減少某些加工階段并不會影響其余的加工階段，有研究者則認為這種假定不一定總能夠成立。因此在運用反應時的減數法時，需要結合實際情況具體分析、考慮。

2.加因素法

（1）基本原理

Sternberg發展了Donders的減數法，提出加因素法。這種方法規定，完成一個任務所需要的時間是一系列信息加工階段各自需要時間的總和，如果能夠分離出影響某種任務的一些因素，那么單獨地操作這些因素進行實驗，就可以觀察到這些因素對完成任務的時間的影響。其背后的邏輯是，如果兩個不同的實驗因素，彼此獨立地影響任務完成的時間，其效應具有可以疊加的性質，則這些因素影響的是兩個不同的加工階段。相反，如果兩個不同的實驗因素對完成任務時間的影響不具有可疊加的性質，則這些因素影響的是同一個加工階段。

Sternberg在進行了一系列實驗研究的基礎上，確定了短時記憶信息提取過程中的4個相互獨立的因素：探針項目的質量、識記項目的數量、反應類型（“是”反應或“否”反應）和每種反應類型的相對頻率。并且在實驗研究的基礎上確定了上述的4個因素分別對4個獨立的加工階段起作用，這4個獨立的加工階段為：探針編碼階段（此階段所用時間為e）、順序比較階段（若每一項目的比較耗時為b，則N個項目所需時間為Nb）、決策階段（二擇一）和反應組織階段（這兩個階段共需時間為C）。而探針項目的質量對探針項目編碼階段起作用，識記項目的數量對順序比較起作用，反應類型對決策階段起作用，反應類型的相對頻率對反應組織階段起作用。綜上所述，可將短時記憶的信息提取過程表示為圖4-6。

根據Sternberg的反應時間加因素法的原理，如果完成一項任務所需的時間是一系列信息加工階段分別所需時間的總和，則整個信息加工過程的時間應為：

設

則

RT=a+bN（4.1）

因此，Sternberg的反應時間加因素法的理論認為，信息加工過程的時間可以視為一個以b為斜率、a為截距的直線方程。

（2）經典研究舉例

在Sternberg的記憶掃描實驗中，讓被試識記一些項目（如數字）。每一項的數字長度（識記項目的數量）均不超過短時記憶的容量。識記之后，呈現探針項目。若識記項目中有探針項目，則要求被試按“是”鍵反應，反之，按“否”鍵反應。記錄被試在完成記憶掃描實驗任務的反應時間，根據表4.1提供的反應時間數據，按照上述信息加工過程所需時間的公式（4.1），分別將表4.1中的“是”鍵反應（+）和“否”鍵反應（-）對應的數據帶入公式可配成兩個直線方程：

RT（+）=350+40N

RT（-）=400+40N

表4.1　記憶掃描實驗結果

從公式可以看出，由于N只影響直線方程的斜率，而不影響此方程的截距。因此，識記項目的數量（N）只作用于第二加工階段，即順序比較階段。從這兩個直線方程也可看出，正、負函數的截距不同，即兩者相差50ms，因此也說明不同反應類型的反應時間是不同的，這是由于決策階段的二擇一的決策造成的。因此，反應類型作用于第三階段，即決策階段。

3.“開窗”實驗

（1）基本原理

“開窗”實驗是由Hamilton（1977）以及Hockey等人（1981）提出的一種反應時間測量技術。我們之前提到的減數法和加因素法往往需要間接地通過比較才能得到，并且加工階段的存在也需要通過嚴密的推理才能被確認，也就是說這兩種方法都難以直接測得某個特定加工階段所需要的時間。而“開窗”實驗能夠直接測量每個加工階段的時間，其實驗邏輯是：一個復雜的加工過程往往是由若干個具體的加工階段所組成的，如果能夠直接地測量每個加工階段所需要的時間，那么我們就可以得到整個過程所需要的時間。

“開窗”實驗具有減數法和加因素法不具備的優點，它可以對信息加工過程進行簡化地測量，直接得到每個加工階段所需要的時間。但實際上這種方法也存在著一些問題。例如，在后一個加工階段可能出現對前一個階段的復述，并且它難以在最后與反應組織區分開來（王甦，汪安圣，1992）。

（2）經典研究舉例

比較典型的“開窗”實驗是由Hockey等人（1981）設計的字母轉換實驗。在實驗中，向被試呈現的刺激是1～4個字母，并在字母之后加一個數字，如“F+3”“KENC+4”等；當給被試呈現刺激“F+3”時，被試的任務是要口述三次字母轉換的過程（即G、H、I），并報告最終轉換后的字母（I）。而給被試呈現刺激“KENC+4”時，則要求被試將“K、E、N、C”分別轉換4次，最終正確地說出“OIRG”。具體實驗程序為，通過指導語告訴被試轉換方式后，要求被試按鍵開始，當被試第一次按鍵時可以看到第一個字母“K”，并同時開始計時，被試同時開始出聲地進行字母轉換并報告出結果“LMNO”；然后再按鍵來看第二個字母，再作轉換并報告出結果“FGHI”，如此循環到最后一個字母“C”轉換完畢，并做出回答“OIRG”，同時停止計時。這樣，就可以獲得每個字母的轉換反應時間和整個字母串的轉換反應時間。根據反應時間，可以看出完成每個字母轉換必須具備的3種不同的信息加工階段（如圖4-7所示）。

編碼階段：從被試按鍵看到一個字母到開始出聲轉換所用的時間。在這一階段中，被試對所看到的字母進行編碼并在記憶中找到該字母在字母表中的位置。

轉換階段：轉換過程所用的時間，如看到字母“K”后報告出“LMNO”所需要的時間。

儲存階段：從前一個字母轉換結束到按鍵看下一個字母的時間，在此階段中，被試將轉換結果儲存于記憶中，并需要從第二個字母開始，還需將前面的轉換結果加以歸并和復述，以保證最終能夠正確報告本組轉換后的實驗結果。

通過上述程序可以看到完成字母轉換的整個過程，也可以獲得每個字母編碼階段的時間、轉換階段的時間和儲存階段的時間。將每個字母各個階段的時間累積便可得到總的字母串轉換時間。“開窗”實驗通過對字母轉換作業的分析，可以把每一種認知成分所經歷的時間都比較直接地估計出來。

4.內隱聯想測驗

（1）基本理論

隨著反應時間技術的發展，研究者不僅僅滿足于測量一些基本的認知過程或心理現象的反應時間，而是進一步希望可以利用反應時間探索更高級的社會認知加工過程。在這樣的背景下，內隱聯想測驗應運而生，它是由Greenwald等人（1998）提出來的。內隱聯想測驗以反應時間為指標，通過測量被試對目標概念與屬性詞所形成的聯系緊密度，以數量化的形式表示個體對于特定目標概念的態度或觀念。目標概念可以是一種花的名字或一種昆蟲的名字，也可以是年輕人的照片或老年人的照片。屬性詞則可以是帶有評價性的詞匯，比如愉快的或不愉快的。內隱聯想測驗的程序一般包括七個步驟：①呈現一系列不同的目標概念要求被試進行快速分類，并對分類結果做出反饋，且記錄對目標概念分類的簡單反應時。②呈現一系列不同類別的屬性詞要求被試進行快速分類，對分類結果的反饋和記錄簡單反應時的方式與步驟一相同。③聯合任務一，要求被試對目標概念與屬性詞的聯合做出反應。由于目標概念與屬性詞之間有兩種可能的關系，即相容的和不相容的，所以通常在內隱聯想測驗中會設置兩個聯合任務——相容聯合任務和不相容聯合任務。其中，相容是指二者的聯系與被試內隱的態度一致，反之則為不相容。④對聯合任務一進行正式測試。⑤為了配合聯合任務二的實施，交換左右鍵反應的內容，要求被試再次對目標概念進行反應。⑥聯合任務二，和聯合任務一的反應內容正好相反。⑦對聯合任務二進行正式測試。相容和不相容的聯合測試反應時間的均值相減即為所要求得的內隱聯想測驗效應。

這種方法或范式的邏輯是：在相容任務中，目標概念和屬性詞的關系與被試的內隱態度一致或二者聯系較緊密，此時辨別任務更多依賴于自動化加工，因而反應速度較快；不相容任務中，目標概念和屬性詞的關系與被試的內隱態度不一致或二者缺乏緊密聯系，進而導致被試的認知沖突，此時辨別任務更多依賴復雜的意識加工，因而反應速度慢。所以，兩種聯合任務的反應時間之差就可以作為目標概念和屬性詞的關系與被試的內隱態度相對一致性的指標。

（2）經典研究舉例

Greenwald等人（1998）開展了一項經典的花—昆蟲內隱聯想實驗。首先，呈現目標概念：讓被試對花的名字和昆蟲的名字歸類并做出一定的反應（看到花的名字按F鍵，看到昆蟲的名字按J鍵）；第二步，呈現屬性詞：讓被試對積極的詞匯（例如，可愛的）和消極的詞匯（例如，丑陋的）做出反應（積極詞匯按F鍵，消極詞匯按J鍵）；第三步，聯合任務一：聯合呈現目標概念和屬性詞，讓被試做出反應（花的名字或積極詞匯按F鍵，昆蟲的名字和消極詞匯按J鍵），花和積極詞的聯系為相容，昆蟲和消極詞的聯系為相容；第四步，聯合任務一的正式測試；第五步，讓被試對目標概念做出相反的判斷，交換左右鍵反映的內容（花的名字按J鍵，昆蟲的名字按F鍵）；第六步，聯合任務二：再次聯合呈現目標概念詞和屬性詞，讓被試做出反應，與聯合任務一內容正好相反（昆蟲的名字或積極詞匯按F鍵，花的名字或消極詞匯按J鍵）；第七步，聯合任務二的正式測試。

實驗發現兩種聯合任務的反應時間有顯著差異，即內隱聯想測驗效應顯著——被試對“花+積極詞”的聯合反應明顯快于“蟲+積極詞”的聯合，這表明“花+積極詞”的聯合與被試的內隱態度更一致，即被試對花的態度更為正向。實質上內隱聯想測驗是減數法的一種延伸，研究者通過巧妙的設計利用反應時間測量出了個體內在的態度與觀念。

（二）反應時間的數據分析

我們在前面提到，反應時間也被稱為反應潛伏期，是完成一種任務所需要的時間，在心理學研究中通常是將它作為一種因變量來進行測量的。在對反應時間的數據進行分析時，研究者多傾向對平均反應時間進行方差分析（van Zandt，2002）。但是，由于反應時間數據本身的特性，導致了這種分析方法可能并不是非常有效。從統計上來講，反應時間的分布并不是高斯（正態）分布（圖4-8），在形態上可以看出，左側迅速增長，而右側有著一個較慢的負向增長，因此對平均反應時進行方差分析并不總是有效的。實際上，反應時間的分布與指數高斯分布相似（Luce，1986），而指數高斯分布是高斯分布的一種卷積形式，這種指數的分布被認為是擬合了經驗作用的反應時間分布（Balota&Spieler，1999）。指數高斯分布的平均數和標準差分別采用mu（μ）和sigma（δ）來描述（左側峰值），而tau（τ）則描述了指數成分的平均數和標準差（右側尾巴）。指數高斯分布的平均數就是mu（μ）和tau（τ）的和。

此外，一些研究所觀測到的反應時間并不是研究者所感興趣的加工過程的結果。例如，Luce（1986）認為，真實的反應時間應至少為100ms，因為在這個過程中需要對刺激屬性進行知覺以及需要相應的運動反應等生理過程的參與。如果反應時間低于這一數值，那么這個數據在很大程度上是依賴于快速猜測而不代表真實的反應時間。更為重要的是，一些位于反應時間分布中段的不真實數據因其混淆在真實的反應時間數據中而更加難以進行辨認。因此，這種不真實的反應時間數據只能通過在實驗過程中進行嚴格地控制來減小其發生的概率。此外，由于被試的不認真或不專心等因素所導致的較長的反應時間也是較為常見的，這樣的反應時間也勢必會對實驗結果產生影響。接下來我們將介紹一些技術來處理這些不真實的反應時間數據。

1.集中趨勢的方法

最為常見的反應時間分析方法就是分析數據的集中趨勢（平均數）和離散程度（標準差），比較不同條件間反應時間的平均差異可采用方差分析的方法。然而，使用方差分析這種假設檢驗的數據因其可能存在異常值或是方差不齊，會導致檢驗的統計力降低，并且導致不能準確檢測出條件間的真實差異（Wilcox，1998）。如Ratcliff（1993）認為，當條件間的差異處于mu（分布轉向右側部分），并且數據包含異常值，那么采用方差分析對數據進行分析來檢測條件間差異的能力則會降低。假定條件間的差異集中在反應時間分布中段的85%～95%，在對平均反應時間進行方差分析前可以考慮采用以下方法對平均反應時間進行優化。

（1）截點（cutoffs）：通過將一些位于平均反應時間部分標準差之外的反應時間去掉以排除一些相對較長或較短的反應時間。這樣便可以排除因被試快速猜測所導致的較短的反應時間以及由于被試的不認真或不專心等因素所導致的較長的反應時間。根據Ratcliff（1993）的研究，當不同條件間的差異位于mu時，則排除了一些處于截點之外的反應時間，同時保持了最高的統計檢驗力。當不同條件間的差異發生在tau，并且存在極端值時，那么采用截點的方法會潛在地增加統計檢驗力。截點通常是基于標準差而定，例如，剔除離平均數三個標準差以外的數據，或者是基于極端值而定，例如，剔除大于1000ms以及小于100ms的數據。

Chi等人（2014）采用跨通道的語義啟動范式，通過操縱啟動項與目標項的關系，考察了在跨通道信息的加工中，對于一個物體的表征是基于其通道特性還是基于其本身的物體屬性。在實驗結果的數據分析中，采用了基于標準差的方法剔除了平均數正負三個標準差（±3SD）之外的反應時間數據。Gabay等人（2012）采用經典的返回抑制研究的范式，要求被試對線索和靶子均做出反應，考察了線索和靶子的加工水平對返回抑制的影響。在實驗結果的數據分析中，采用了基于極端值的方法剔除了反應時間大于1500ms和小于100ms的數據。

采用這種方法的問題是，并不存在較為可靠的方式選取截點，因為截點是較大程度地依賴所觀測到的數據。此外，因為標準差也會受到實驗因素對較快或者較慢反應的影響，所以基于標準差的截點可能會降低統計檢驗力。

（2）數據轉換（data transformation）：將反應時間的數據轉化為速度（反應時間的倒數）可以在一定程度上標準化反應時間的分布，這樣便可降低較大的極端值的影響，進而保持較高的統計檢驗力（Imam，2006；Spencer&Chase，1996；Greenwald, Nosek&Banaji，2003）。Ratcliff（1993）認為這種方法是僅次于通過截點的方式來降低極端值影響的最有效方式。此外，對每個反應時間數據取對數的方法也可以是一種數據轉換的方法，盡管這種方法對于較長反應時間數據的轉換不如取倒數轉換的統計檢驗力高，但也能夠使得數據的分布更加標準化。

Greenwald等人（2003）對內隱聯想測驗的分數進行了標準化，研究提出了5種方法來檢測內隱聯想測驗中相容組和不相容組之間差異，其中包含將反應時間取倒數和取對數這兩類數據轉換方法。通過這兩種方法進行數據轉換可以提高反應時間分布中尾部的對稱性，從而使得反應時間的分布更趨向標準化。

采用這種方法的問題是，通過轉化后的數據可能會降低統計結果的顯著性。

（3）中數（median）：如果反應時間的分布是偏態的，那么平均數并不能代表典型的反應結果，因為平均數在偏態方向上存在偏差，標準差也會因為存在一些少量的較慢反應的影響而增大。而中數因不易受到標準化偏離的影響，所以也可以作為表達反應時間分布的集中趨勢的參數。此外，當被試間存在較大的變異時，中數比其他集中趨勢參數具有更高的統計檢驗力。雖然當總體呈偏態分布時，樣本中數是總體中數的一個偏向性的指標，不能代表真實的總體中數，但是當所比較的條件具有相同數量的試次時，這種偏向性在條件間是可以得到平衡的。

Psotta（2014）采用視覺反應測驗考察了反應時間的分布是否依賴于信息加工的數量以及平均數和中數哪種集中趨勢參數更能代表反應時間的分布。結果分析中，同時對反應時間數據進行了平均數的檢驗（參數檢驗）分析和中數的檢驗（非參數檢驗）分析。結果發現，相對于傳統的參數檢驗分析，非參數檢驗的分析更適合用來代表反應時間的分布。

采用中數作為集中趨勢參數的問題是，當數據分布集中于mu或tau，無論是否存在極端值，相對于截點或者數據轉換，使用中數在一定程度上會降低統計檢驗力。

2.整體分布的方法

盡管集中趨勢的分析方法是分析反應時間數據最為普遍的方法，但是這種方法也存在著不足。例如，盡管兩組數據的總體反應時間分布不同，但平均數卻可能是相同的。此外，如果僅考察平均數則可能會丟失一些有意義的細節，例如，有的實驗條件總體反應較快，有的實驗條件總體反應較慢，將其平均后，不同實驗條件間一些較快或較慢的反應就會被忽略。為了彌補這種不足，一種越來越受歡迎的方法是分析數據本身的整體反應時間分布，通過這種分析可能會發現一些容易被忽視的效應。

Hervey等人（2006）采用一項反應/不反應（Go/No go）任務來測量注意力缺陷綜合征兒童和正常兒童在神經生理學表現上的差異，反應時間的分析中剔除了反應時間小于100ms的數據。傳統的反應時間測量方法（樣本平均數和標準差）表明，相對于正常兒童，注意力缺陷綜合征兒童反應時間更長、數據更離散。然而，當采用指數高斯分布衡量反應時間數據時，結果卻不同：相對于正常兒童，注意力缺陷綜合征兒童在正態的指數高斯分布的反應時間指標上的平均反應要更快（319ms vs.296ms）。然而，不同組間的差異在分布曲線的指數部分最大（tau），這表明相對于正常兒童，注意力缺陷綜合征兒童超出平均反應的反應時間數量更大一些。

整體反應時間分布分析方法的一個不足是把每個被試和每個條件的數據都納入進了統計分析，這就難以排除受到諸如被試的練習效應、疲勞效應等因素影響的數據。

三、影響反應時間的因素

在心理學的實驗研究中，常常會用到各種實驗設備，將刺激變量或被試的機體變量作為自變量來觀測被試的反應時間和正確率。因此，反應時間常常會受到刺激、被試、速度與準確率權衡以及實驗設備的時間精度等因素的影響。

（一）刺激因素

反應時間與刺激的強度、時空特征和作用的感覺通道有關。而且，被試接受的刺激的類型是單一刺激還是復合刺激，也會對其反應時間產生影響。

1.刺激強度

刺激的強度會影響反應時間。Hull（1949）考察了被試對不同強度的光的反應時間，結果如圖4-9所示，當刺激強度較小時，反應時間較長；隨刺激強度增大，反應時間會逐漸縮短；而當刺激強度增強到一定程度時，反應時間的縮短速度會逐漸減小，最終保持在一定的水平上。

2.時間特征

影響反應時間的刺激時間特征主要有兩個：第一，刺激呈現的時間；第二，從一個刺激出現到另一個刺激出現的時間（stimulus onset asynchronies, SOA）。

Froeberg（1907）探討了光刺激的持續時間對被試反應時間的影響。從表4.2的實驗結果中可以看出，光刺激持續的時間越長，對其反應的時間就越短。而當光刺激呈現時間達到24ms和48ms時，被試的反應時間并無顯著差異，說明刺激持續的時間達到一定程度時，反應時間就不再發生變化。

表4.2　光刺激的持續時間與反應時間之間的關系

Woods等人（2015）考察了SOA如何影響被試的反應時間，如圖4-10所示，目標是圓環，可能出現在屏幕的左側或右側，被試需要盡快地對目標進行按鍵反應。如圖4-11所示，結果發現SOA越長，反應越快。但是SOA太長，被試的反應又會變慢（Pos-ner, Klein, Summers&Buggie，1973）。

3.空間特征

空間特征是指刺激物理面積的大小以及呈現的空間位置。增加刺激的表面積，會使感受器的神經興奮在空間維度上進行累積，被試的反應時間因此會受到影響。1907年Froeberg用在不同面積的正方形白紙上反射的日光作為刺激進行研究，結果發現所測得的反應時間隨正方形白紙的面積增加而縮短。此外，刺激的空間累積作用還體現在雙眼視覺和雙耳聽覺方面，Poffenberger于1912年發現被試用雙眼觀察一個光刺激時，其反應時間小于使用單眼觀察時的反應時間。與此相似，Bliss早在1893年發現雙耳的聽覺反應也會快于單耳的聽覺反應。

刺激呈現的空間位置也會影響反應時間。在視知覺的研究中，一般被試對呈現在外周視野的刺激比呈現在中央視野的刺激反應更慢；刺激呈現在反應手的對側視野時，被試的反應要比呈現在同側視野更快。這是因為對側視野呈現的刺激，并不需要通過胼胝體，就直接的誘發了運動反應（Clarke&Zaidel，1989；Bisiacchi et al.，1994；Brizzolara et al.，1994；Chaumillon et al.，2014）。以上這些實驗結果都說明，刺激的空間特征會對被試反應時間產生影響。

4.感覺通道

個體對作用于不同感覺通道的刺激的反應時間也會存在差異。表4.3的數據綜合了許多實驗結果。

表4.3　不同感覺道的反應時間

視覺、聽覺和觸覺這三種感覺接受的都是來自單一通道的刺激，但是對于冷覺、溫覺、嗅覺、痛覺和味覺接受的卻是來自多個通道的刺激。例如，一個光點只能引起我們的視覺，但是對于痛覺來說，我們要通過觸覺感受到刺激，然后才會對這個刺激產生痛覺，因此對冷覺、溫覺、痛覺和味覺的反應時間通常要長于視覺、聽覺和觸覺這三個單一通道的感覺。

5.刺激類型

如果刺激是來自于不同感覺通道的復合刺激，其反應會快于來自于單一感覺通道的單一刺激。Todd（1912）比較了不同感覺通道對單一刺激和復合刺激的反應時間，如表4.4所示，當聲音和電擊聯合呈現時，所測得的反應時間比單獨呈現聲音或電擊時測得的反應時間更短，而當光、聲和電擊聯合呈現時，所測得的反應時間最短。

表4.4　單一刺激與復合刺激所測得的反應時間

以上部分介紹了刺激的強度、時間特征、空間特征、感覺通道和刺激類型這些因素會反應時間的影響。事實上，個體往往是將這些刺激特征作為一個整體進行加工的，刺激的這些物理屬性的變化會影響到個體所知覺到刺激的強度進而對其反應時間產生影響。

（二）被試

在反應時間的實驗中，被試本身往往是一個很難控制的因素。被試的適應水平、準備狀態、覺醒水平、態度、情緒、動機及疲勞等眾多生理和心理因素都會影響到反應時間，并且不同年齡和性別的被試群體間差異很大，個體反應時間的變動性也很大。

1.適應水平

在心理學實驗中，被試完成任務的反應時間與自身的適應水平有關。在刺激物的持續作用下，感受器會發生變化，進而影響反應時間。Hovland（1936）的實驗就清晰地表明適應會對反應時間產生影響：在250lx的光照度下，被試對距離被試眼睛30.48cm處的一個直徑為30mm的白色圖紙片進行反應。結果如表4.5所示，實驗前被試眼睛對光照度的適應水平不同，所測得的反應時間也不同。

表4.5　反應時間與對不同光的適應水平的關系

2.準備狀態

被試的準備狀態也會影響其反應時間。準備時間太長、太短都會對反應時間有不利的影響。通常情況下，為了避免被試形成預備期待，在實驗中需要將準備信號和刺激出現的時間間隔隨機，這樣在每個試次中，被試沒有辦法準確估計到刺激信號的出現的時間，進而可以有效地避免被試的預備期待。

3.動機

通常被試會由于對心理學實驗感興趣或是希望得到實驗報酬等因素前來參加實驗、完成任務。因此，被試的動機在一定程度上可能會影響其完成任務時的表現，但這里的動機不僅僅指被試參與心理實驗所持有的動機，還包括由于實驗設計所增加的額外動機。

在反應時間的實驗中，被試都希望盡快地做出反應。根據被試的這種心理狀態，主試可及時地對被試的反應給予“賞”與“罰”，以此給被試形成反應的額外動機。Small等（2005）的空間注意實驗中，要求被試對目標反應，對干擾刺激不反應。實驗分為獎勵組、懲罰組和無獎懲組：首先，每名被試完成無獎懲組，以該組的反應時間為被試的基線反應時間；然后被試完成獎勵組和懲罰組的實驗，在獎勵組中，若反應時間短于基線反應時間，則給予18美分，在懲罰組中，若反應時間長于基線反應時間，則沒收18美分。結果發現被試在無獎懲組的反應慢于懲罰組，在獎勵組和懲罰組中的反應時間相近，這一實驗結果說明被試的額外動機會影響反應時間。

4.練習

練習也會影響到被試的反應時間。一般而言，練習可以提高熟練程度進而加快反應。例如，對運動員進行訓練，五周后運動員對“go to start”“ready”等信號詞的反應速度有了很大的提高（Harvey, Beauchamp&Beauchamp，2011）。需要注意的是練習對反應時間的影響是逐漸變化的，最后達到反應時間不再減少的程度。但如果實驗任務十分復雜，即使經過一段時間的練習，反應時間的變化幅度也并不會很大。

5.年齡和性別

不同年齡段的個體之間，反應時間是存在差異的：在個體25歲以前，對于刺激的反應時間會隨著年齡的增長逐漸縮短；在成年階段，對刺激的反應時間變化很??；及至60歲以后，對于刺激的反應時間開始逐漸拉長。為什么老年人的反應更慢呢？研究表明老年人和年輕人在加工信息時的速度其實并不存在顯著差異，但是老年人動作執行更慢，因而才導致了反應時間的增長（Era et al.，2011）。

被試的性別也會影響到反應時間：男性普遍比女性的反應更快。Bellis（1933）的研究發現男性對光刺激的平均反應時間是220ms，而女性的平均反應時間為260ms；這種性別差異不僅存在于在視覺通道，也存在于聽覺通道：男性對聲音刺激的平均反應時間為190ms，而女性為200ms。Botwinck和Tompson（1966）發現男女被試的肌肉的收縮時間是相同的，但是在刺激呈現后到肌肉收縮前的這段時間是不同的，這才是反應時間性別差異的主要來源。

6.個體差異

個體差異是很難控制的因素，每個人的反應時間都各不相同。有研究者訓練被試對聲音進行簡單反應，未練習時簡單反應時間的平均值分布如圖4-12所示：分布范圍從125ms到215ms。在練習后，雖然一些被試會比另外一些被試反應加快很多，他們在分布圖中的位置有所變動，但是個體差異卻仍然存在。

所以在一個實驗研究中，我們通常需要招募多個被試進行多次測量，以滿足統計檢驗樣本量的要求，在分析過程中也需要剔除一些反應過快或者過慢的極端數據。

心理學實驗通常都是通過被試完成實驗任務時的表現，來推測個體信息加工過程的規律和特點，而被試自身的一些身心特點、狀態都會對他們的認知活動產生影響，這些因素都是需要研究者予以關注的。

（三）速度與準確率權衡

反應速度和準確率是反映被試信息加工的最基本的指標。在完成任務的過程中，被試有時會犧牲準確率以提高反應速度，有時也會以犧牲反應速度以提高準確率，也就是說被試會主觀的權衡反應速度與準確率的標準來完成實驗任務，這就是反應速度與準確率的權衡現象。在實驗中，當被試權衡的標準發生變化時，反應時間也會相應變化。

Theios（1975）對“刺激出現的概率和反應時間的關系”進行了研究。實驗中，向被試呈現連續的數字流，要求僅對某一個目標數字做出反應，而對其他數字不反應。實驗操作的自變量是這個目標數字出現的概率。結果發現隨著刺激出現的概率增大，反應時間基本不變，而錯誤率卻隨刺激呈現概率的提高而降低。這說明被試為了在各種概率條件均保持相同的反應速度而犧牲了正確率。如果在指導語中要求被試要盡可能準確地完成任務，反應時間會有何變化呢？被試可能會以犧牲反應速度為代價去換取反應準確率。因此，反應時間與速度與準確率權衡有關。

研究者嘗試去分離反應時間和準確率，采用了不同于傳統反應時間實驗的新的實驗范式——速度與準確率權衡范式（SAT范式）。這種范式操控了被試的反應時間，并將其作為自變量，測定不同時間下的準確率。這樣就可以得到橫軸為反應時間，縱軸為準確率的權衡曲線，該曲線可以反映刺激出現后關于速度和準確率的各種不同的結果。Meyer等人（1988）在該范式的基礎上，發展出速度準確率權衡分離技術，包括滴定反應時間程序和平行精細的猜測模型。滴定程序需要測得兩部分的數據：第一，在預備信號出現后呈現測試刺激，此時要求被試保證準確率的前提下盡快地反應；第二，在測試刺激出現后呈現反應信號，要求被試在該信號出現時就立即反應。刺激和反應信號二者出現的時間間隔長短不同：當時間間隔很短時，被試來不及充分加工該刺激，就需要猜測；而當時間間隔很長時，對刺激的加工就會更好。這樣，就可得到隨時間間隔增加被試反應時間和正確率的分布曲線。再通過平行精細的猜測模型對滴定程序獲得的兩部分數據進行定量分析，以此分離加工速度和準確率。

鑒于速度與準確率權衡是影響反應時間的因素之一，在實驗中主試應根據實驗設計的要求在指導語上對被試的速度與準確率權衡問題進行引導：在更關注反應速度對實驗結果影響的實驗中，可告知被試在盡可能快的進行反應；在更關注反應準確性對實驗結果影響的實驗中，可告知被試盡可能準確地進行反應；而對于反應速度和準確率都為主要因變量的實驗中，可告知被試在完成實驗的過程中需要“既快又準”地進行按鍵反應。

（四）實驗設備的時間精度

隨著科學技術的不斷進步，實驗儀器和設備也在不斷更新。當今的研究者可以使用計算機方便地制作實驗材料、隨機呈現刺激、批量采集數據（記錄被試的反應時間和正確率等信息）、分析實驗數據。然而，計算機測量反應時間也有其自身的限制，它的準確性依賴于：①合適的操作系統以及能夠精確控制刺激呈現的實驗軟件；②高時間精度的外接反應設備。

1.操作系統

操作系統是評估計算機能否在實驗過程中準確可靠運行的重要因素。通常來說，目前流行的大多數操作系統如Windows、Linux、Unix和Mac OS都能較好地滿足心理學實驗的需求，但值得注意的是系統也會出現特別短暫的延遲，這些誤差對于效應量僅有幾十毫秒的反應時實驗還是很關鍵的。在實驗過程中，操作系統不僅控制了實驗相關的程序，還會將系統資源分配給外接設備的驅動、檢索存儲數據的硬件以及防護病毒的軟件等。這些不僅僅會影響操作系統計時，還會給刺激呈現和采集反應的整個過程中都引入誤差，重要的是這些誤差并不穩定，會在不同試次間有很大的變化。所以，我們進行實驗時，應盡量確保計算機執行的命令間不存在沖突（Cernich et al.，2007）。

2.外接反應設備

鍵盤、鼠標和游戲手柄都是采集被試反應時間的常用設備，值得注意的是這些設備也都會給記錄到的反應時間引入誤差變異。當被試按下鼠標或者鍵盤，編譯器會記錄電信號，但是在按鍵反應轉換為電信號的過程中需要消耗一些時間，這就帶來了一部分延遲，這部分延遲并不能完全消除。而且，一次按鍵會使電信號產生多次閉合，編譯器為了消除電路的抖動，也會帶來時間誤差。一些研究者對反應設備的時間精度進行了測量（劉祖祥，朱瀅，2004；張陽，張明，2010）。表4.6顯示了用不同的方法測得的不同反應設備存在的誤差，我們可以看到這三種反應設備都存在2ms到5ms的誤差。近期，也有研究者設計了有四個按鍵的反應盒，該裝置的時間精度高于鼠標和鍵盤，使用這種反應盒可以縮短反應設備引入的誤差，通過搭配同步的晶體管測得該設備的時間精度可達0.1ms（Li et al.，2012）。

表4.6　三種反應設備在不同測試方法下的時間精度（單位：ms）

除了操作系統和反應設備外，影響反應時間的還有研究者所選用的實驗軟件。研究者需要知道這些軟件的詳細信息和功能特點，選擇適宜的心理學編程軟件，按照軟件的使用規則以及特定的計算機語言編制實驗程序，選擇穩定的操作系統和高精度的反應設備，以最優化地呈現刺激，并最精準地采集反應時間。

總的來說，在反應時間相關的實驗中，刺激、被試、速度與準確率權衡以及實驗設備等都會影響反應時間。研究者需根據實驗的目的，控制好影響反應時間的因素，這樣實驗結果才能反映信息加工過程的普遍規律。

問題

1.什么是反應時間？

2.如何運用減數法、加因素法、“開窗”實驗、內隱聯想測驗來測量反應時間？

3.數據分析的過程中應該如何處理不真實的反應時間數據？

4.哪些因素會對反應時間產生影響？

5.如何才能在實驗中準確測得反應時間？

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