現代心理實驗技術的發展與應用

摘要：本文回顧了心理實驗研究技術手段的發展歷程，介紹了心理實驗技術的簡要分類，并對當今心理學界廣泛使用的各種實驗研究技術從原理和應用概況方面作了詳細的探討，包括認知實驗心理范式、認知神經科學范式和生物電技術范式三大類實驗研究技術，最后對心理實驗技術的發展態勢作了展望。

關鍵詞：心理技術；實驗技術；認知心理學；認知神經科學；綜述

一、心理實驗技術的發展概述

1879 年，馮特在德國萊比錫大學創建了世界上第一個心理學實驗室，標志著心理學從此成為一門獨立的實驗科學[1]。為了與過去的心理學有所區別，人們將這時開始的心理學稱之為科學心理學，它作為一門學科的發展歷史至今僅一百多年。從心理學的歷史發端我們可以看出，實驗研究方法在其中起到了舉足輕重的作用。從19世紀末到20世紀20年代，在科學心理學誕生后的最初幾十年里，心理學的研究方法和技術主要是傳統的心理物理法。儀器設備還處于樸素的機械裝置水平，對心理和行為的研究主要是通過表面上看得見、摸得著的現象推斷內在的心理過程。在行為主義心理學的鼎盛時期（從20世紀20到60年代），研究方法與技術手段主要是圍繞著行為主義的思想和研究思路，即采用測量刺激—反應的過程的技術路線來推斷心理和行為的內部機制。如巴甫洛夫研究狗的條件反射活動的條件反射裝置；桑代克的用來研究貓的行為習得的迷籠裝置；斯金納進行操作性條件反射研究的“斯金納箱”。從20世紀60年代到現在，認知心理學的興起逐漸取代了行為主義的研究思路，心理學家開始采用新的方法和技術手段來研究心理與行為活動背后的心理機制。如認知心理學研究最常用的實驗技術就是反應時測量技術。20世紀90年代以來，醫學研究的技術手段在心理學中得到廣泛的應用，并產生了新的學科——認知神經科學，如常用的實驗儀器有功能磁共振成像技術（fMRI）、正電子掃描技術（PET）、腦電技術（EEG/ERP）等，這些認知神經科學技術的應用把腦機制的研究推動到一個嶄新的階段[2]。

當代心理學跟古代心理學的本質差異主要表現在研究方法和手段上[3]。19 世紀以前，哲學家多采用“思辨”的方法去探討心理現象。他們運用臆測、內省、推理和直覺，或基于個人的主觀經驗來推測心理的本質。他們常被心理史學家們稱為“安樂椅上的心理學家”。現代心理學家則特別注重采用觀察、調查、訪談和實驗等方法來研究各種心理現象。心理學的發展歷史表明，研究方法和各種技術手段對心理科學的產生和發展軌跡有著關鍵性影響。

二、心理實驗技術的分類

莫雷等人對傳統的心理學研究方法體系重新進行了建構[3-4]，提出雙層次的研究方法與技術體系，其中對第二層次的研究技術的分類如圖1所示。他們將變量數據的獲得方法（即主要指心理學的實驗研究技術）總體上概括成三類：第一類是測評法，就是通過測評技術來獲得變量數據，主要包括測量法、問卷法、評定法等。第二類是實驗心理范式，即在實驗中對各種心理特質或行為的特定的作業測定方式，這些實驗范式的形成，都是由某項研究首先創立，由于其準確有效而為后來的研究所沿用，從而成為進行某種特質研究時取得量化數據的典型方式（范式） 。實驗心理范式可以分為傳統的實驗心理范式與現代認知實驗心理范式，采用新的實驗儀器如眼動儀等而形成的獲得變量數據的手段也列為這類范式。第三類是認知神經科學范式，這種研究范式從20世紀后期開始出現，現在正逐步成為心理學研究的主流取向，它運用功能性核磁共振技術、事件相關電位技術、腦磁圖、單細胞記錄技術等手段，從神經機制的水平來獲得數據材料，以證明有關心理現象與心理規律的觀點。

其中，第二類和第三類方法區別于第一類的“測評法”，是同屬于實驗法的技術范式。實驗法是目前心理科學乃至現代自然科學最主要的研究方法，在科學方法中，實驗法是公認的最嚴謹的方法，自然科學之所以進步，主要是依靠實驗方法上的一再突破[5]。因此，本文著重討論實驗法下的各種心理實驗技術。

從國內外現行的各種實驗研究技術的應用看，圖1虛線框內的“認知實驗心理范式”和“認知神經科學范式”兩類實驗技術范式最為流行、應用最為廣泛，為區別于傳統實驗心理范式，我們將認知實驗心理范式和認知神經科學范式統稱為現代心理實驗技術范式。認知實驗心理范式主要是指當代認知心理學各研究領域所采用的實驗技術，其研究的核心是揭示認知過程的內部心理機制，即信息是如何獲得、貯存、加工和使用的[6]。認知心理學家是用信息論、控制論及計算機的概念理解和解釋心理現象并構建心理過程的模型，他們將大腦視為一個黑匣子，很少考慮其理論的神經基礎或者心理現象的腦機制[7]。日常生活、臨床經驗和科學研究都表明：腦是心理的器官，心理是腦的機能[8-9]。著名的認知神經科學家加扎尼加指出，如果不研究大腦，我們根本無法真正揭示心理活動到底是怎樣進行的[10]。認知神經科學范式恰恰彌補了認知實驗心理范式研究中的缺陷和諸多不足。認知神經科學把心理與大腦的統一理解作為自己的目標，強調心理活動是大腦的功能這個簡單的真理[11]，并以心理的物質基礎——大腦，為研究本源，探討心理和行為的腦機制。

三、現代心理實驗技術與應用

（一）認知實驗心理范式

認知實驗心理范式主要指建立在現代信息加工觀點之上的實驗技術范式。其主要特點是借助于復雜的實驗設計，通過反應時和正確率等較簡單的指標，實現對人類心理與行為內部機制的研究。目前，國內外各實驗室應用比較廣泛的認知實驗技術主要包括行為實驗技術、眼動實驗技術和虛擬現實技術三大類。

1. 行為實驗技術

信息加工心理學主張用信息加工的術語和計算機工作原理對人類行為進行準確的描述，通過計算機模擬驗證有關認知過程的心理學理論。但在實際的研究中，信息加工心理學中應用最廣泛的方法并不是計算機模擬法，而是以信息加工思想為指導的認知行為實驗法，我們常稱之為認知行為實驗技術或行為實驗技術。目前，此類技術主要是通過計算機來實現心理實驗材料的編輯與制作、實驗參數控制、實驗過程與實驗設計控制、被試信息與實驗數據的采集與初步處理等的全過程，既可以使心理實驗標準化，同時也盡可能避免各種可能影響實驗結果的額外因素對實驗結果造成的不利影響。除計算機硬件本身的技術外，全球通用的標準化心理實驗生成系統也越來越多地面諸于世，如E-Prime、Inquist、D-Master、SuperLab、Presentation，等等。這些標準化的軟件，使心理實驗的誤差最小化，也使心理學實驗重復驗證的差異最小化[4，12]。

2. 眼動實驗技術

眼睛是心靈的窗口，透過這個窗口我們可以探究人的許多心理活動的規律。因此對于“人是如何看事物”的科學研究一直沒有間斷過。關于這一點，對于眼睛的運動（即眼動）的研究被認為是視覺信息加工研究中最有效的手段。由此，眼動研究技術應運而生，精密地測量眼動規律的各種儀器即眼動儀也相繼問世，為心理學的實驗研究提供了新的有效工具。

眼動研究是通過眼動儀記錄被試在完成心理任務時眼球運動的信息來研究相關的心理活動及規律。如通過記錄被試的注視時間與頻率、眼跳次數與角度、回掃次數、興趣區（AOI）、眼球運動軌跡等客觀指標，探索人的心理現象和活動規律。眼動在心理學研究方面的應用主要集中在閱讀心理、圖形認知、廣告心理和交通心理等方面。眼動在應用領域的研究也很成熟，如工效學、廣告學、航空、醫學和體育等都有諸多的應用研究[13，14]。

3. 虛擬現實技術

虛擬現實是指用計算機生成一種特殊環境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個環境中，并操作、控制環境，實現特殊的目的，即人是這種環境的主宰。從本質上來說，虛擬現實是一種先進的計算機用戶接口，它通過給用戶同時提供視覺、聽覺、觸覺等各種直觀而又自然的實時感知交互手段，最大程度地方便用戶操作。一般來說，一個完整的虛擬現實系統由虛擬環境，以高性能計算機為核心的虛擬環境處理器，以頭盔顯示器為核心的視覺系統，以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統，以方位跟蹤器、數據手套和數據衣為主體的身體方位姿態跟蹤設備，以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統等功能單元構成。其主要設備有BOOM可移動式顯示器、數據手套、TELETACT手套、數據衣等。

虛擬現實技術在心理學研究方面也有廣泛的應用。如美國心理學家利用虛擬現實技術成功治療恐高癥和恐物癥；英國科學家目前也正利用此項技術研究一種普遍的心理疾病——妄想癥。在軍事訓練方面，運用虛擬現實技術創造出部隊訓練所需的“人工合成作戰環境”，使參訓者能體會到視覺、聽覺、觸覺等人體全部感覺的作用。運用戰爭“預實踐”開展心理訓練，具有傳統理論教育、心理疏導、實裝模擬、實兵演習等心理訓練模式所不具有的獨特優勢。

（二）認知神經科學范式

認知神經科學被視為21世紀的領頭學科，同時也是代表當前科學心理學最先進研究理念和最高研究水平的一種研究范式。認知神經科學是一門研究人腦高級功能的學科，其研究目的在于闡明認知活動的腦機制，它采用自下而上的研究策略，從大腦的工作方式入手來研究認知，并通過各種無創傷的研究技術手段，直接觀察大腦及其加工過程[15]。

目前，認知神經科學常用的研究技術主要可分成腦成像技術和腦損傷技術兩大類。腦成像技術中以fMRI、ERP、MEG、PET、NIRS五大技術最受歡迎和重視。腦損傷技術主要是通過虛擬腦損傷的方法來實現，但這種腦損傷是暫時的、可逆的，目前主要通過TMS技術來實現。

1. 功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI ）

功能磁共振成像（fMRI ）技術是通過一定的刺激使大腦皮層各功能區在磁共振設備上成像的方法，它結合了功能、影像和解剖三方面的因素，是一種在活體人腦定位各功能區的有效方法。fMRI的成像原理是腦的神經活動中血紅蛋白的動力學反應。當神經活動增加時局部的血流量增加，引起局部的脫氧血紅蛋白濃度下降。脫氧血紅蛋白是順磁性物質，產生局部梯度磁場，使腦激活區信號相對升高，通過磁共振成像系統采集到的圖像上可見到激活腦區的信號強度增加，從而獲得激活腦區的功能成像圖。fMRI具有諸多優勢，如無創傷性、無放射性、較高的空間分辨率、可重復操作等，因此，fMRI作為腦功能成像的首選方法已被較廣泛地應用。fMRI在視覺、聽覺、嗅覺、語言及認知功能、情緒活動、軀體運動功能、軀體感覺功能等方面都有諸多的研究和應用[16]。

2. 正電子發射計算機斷層顯像（positron emission computed tomography，PET）

PET的依據是一些放射性同位素標記的分子（如含18F的脫氧葡萄糖FDG）能正常地參加腦細胞的新陳代謝。這些同位素發射正電子，正電子不穩定，易與負電子撞擊而湮滅，所生能量以雙向γ射線方式釋放。測量這兩束γ射線的量，即可知該標記同位素分子的含量，從而作為該部位功能活動是否增強的標記。PET主要是反映腦內的生化代謝以及生理功能的變化，能進行動態的定量觀測，具有其他腦成像技術難以取代的優點。其缺陷是需要注射放射性同位素，但基本上無創傷性，另外PET的測量時間也較長。PET可用于細胞活性與功能的研究、腫瘤的早期診斷以及神經、精神疾病和腦功能的研究[17-18]。

3. 光成像（optical imaging，OI）

光成像的依據是，神經元活動會引起某些有關物質（如水、離子）的改變，導致其光學特性發生變化，在與外加的某些特定波長的光量子相互作用后就得到了相應的光信號。通過成像儀器系統探測到此光信號在某一時間間隔內的空間分布，形成影像。光學成像具有比fMRI更高的空間和時間分辨率，可以更小的體素來測量總脫氧血紅蛋白、總血紅蛋白和血容量的改變。光學成像有多種，其中近紅外光學成像技術（near infrared spectroscopy， NIRS）和光學相干斷層成像技術（optical coherence tomograph，OCT）發展迅速，它們均能提供觀察腦皮質功能柱的高分辨圖像。NIRS可穿過顱骨，已用于動物和兒童的無創性腦功能研究[19]。

4. 事件相關電位（event related brain potentials，ERP）

事件相關腦電位是伴隨感覺、運動或認知事件所誘發的大腦電位集合的總稱。從電生理角度看，ERP是以作業某種事件的時間為基礎，將其前后一定時間段的腦電（EEG）進行多次累加平均而得出的一系列腦電位活動。從心理角度看，ERP是一種有心理因素參與的長潛時內源性誘發電位。其著重檢測人類的認知功能和大腦的關系問題，或從電生理角度探討大腦思維行進的軌跡。

ERP是刺激事件引起的實時腦電波，在時間精度上可達到微秒級。極高的時間分辨率是ERP的主要優勢，ERP也可以和行為數據，特別是反應時（RT）很好地配合，以研究認知加工過程的規律。所以，ERP目前是心理學工作者進行認知神經科學研究的最得力的方法。ERP的主要弱點在于低的空間分辨率。另外，ERP只能采用數學推導來實現腦電的源定位，比如偶極子，這種方法的可靠性也是有限的[20]。

5. 腦磁圖（magnetoencephalography，MEG）

根據電磁感應的原理，大腦工作時產生的感應電流能夠在頭顱外表產生感應磁場。腦磁圖（MEG）裝置便是通過捕捉這種極微弱的磁信號（相對應于地磁場的百萬分之一）來反映大腦內部的神經活動。

腦電圖（EEG）只能反映腦表面的生物電活動，而MEG則可反映大腦深部電向量的位置和活動方向，是無數腦電向量的綜合。因此，相比于EEG，MEG突出的優點是對神經興奮源的定位更為直接和準確，而且時間分辨率也可與腦電相媲美。不過，腦磁圖的總造價很高，數百萬美元的成本極大地限制了它的普及。同時，它只對某些流向（如垂直于顱骨）的興奮源敏感，而對另一些流向的興奮源則可能無法探測到[21]。

綜上所述，fMRI，OCT/NIRS所顯示的主要是解剖學信息，即結構圖像，PET所顯示的主要是功能和代謝成像，都具有較高的空間分辨率；而ERP，MEG等所顯示的主要是生理功能成像，具有較高的時間分辨率。綜合利用這幾種研究技術觀察認知活動中腦功能的時空動態變化規律，已成為心理學研究的趨勢。

6. 經顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）

TMS技術是根據電磁感應原理，將電流通過一個靠近頭皮的線圈，經電磁轉換后，線圈的周圍產生一個與線圈中電流方向相互垂直的磁場。該感應磁場能穿過頭皮、顱骨進入大腦，并在大腦皮層產生感應電場。繼而對大腦的生物電活動產生干擾或調節。這一技術最大的優勢在于能夠通過對大腦活動進行短暫干擾，從而建立“虛擬的腦損傷”條件來幫助研究者考察大腦功能與行為反應之間的因果聯系。

TMS的一個重要應用領域是認知神經科學研究。例如，通過TMS干預運動控制區域發現個體的運動控制能力受到抑制。同樣，通過TMS干預前額葉皮質后，發現個體的決策能力受到影響。這樣一些結果對于建立新的認知神經科學理論具有重要價值。TMS在臨床研究中也具有不可替代的價值。例如對成癮者的研究表明，TMS刺激能夠增強多巴胺系統的GABA受體釋放，從而恢復已被毒品破壞的多巴胺系統的調節功能。2008年10月，美國FDA認證通過了TMS用于治療藥物抵抗型抑郁癥，有效率約為80%。近幾年，用TMS治療干預成癮的研究日漸增多，TMS有望在不久的將來成為一種潛力巨大的、獨特的精神障礙治療手段。

（三）生物電技術

生物電技術記錄的肌電、心率、皮溫等指標既不屬于認知心理實驗范式所使用的反應時、正確率等行為指標范疇，又不屬于認知神經科學范式所采用的腦電、腦區為典型代表的生理指標范疇，盡管生物電技術也記錄腦電，但此腦電指標與認知神經科學范式下的腦電指標屬于不同的數量級，不宜相提并論，因此，我們把生理多導儀和生物反饋儀為代表的生物電技術單獨歸為一類。

生物電技術是利用相關的電子儀器設備記錄我們身體內部的生理過程、生物電活動等信息信號并加以放大，放大后的機體電活動信息以視覺（如儀表讀數，圖像）或聽覺（加蜂鳴音，音樂）形式呈現出來，通過這些客觀信息指標來探索和研究人的心理現象和活動規律。這些肌體電活動的信息主要包括有如下種類：腦電、肌電、心率、血壓、皮膚電、皮溫、眼電等。記錄這些信號的電子設備主要有生物反饋儀和生理多導儀兩種。

生物反饋是運用學習來自我調節自主神經系統以促進健康的一個治療手段。通過生物反饋儀主體能夠了解自身的機體狀態，并學會在一定程度上隨意地控制和矯正不正常的生理變化。生物反饋儀可以反饋給人的信息包括肌肉的緊張度、皮膚表面的溫度、腦電波活動、皮膚導電量、血壓和心率等。生物反饋儀主要應用在如下幾個方面：（1）心理診斷。通過使用這些指標，可以對心理遲鈍、學習困難等心理問題進行診斷。（2）心理治療。通過這個儀器的配合，可以對身心疾病以及有關的心理問題進行治療。（3）心理訓練。使用該儀器，可以對身心疾病、自卑等心理問題進行訓練。生理多導儀是用來記錄生理活動的各項指標的醫學和心理學實驗儀器，能動態記錄腦電圖、心電圖、肌電圖、皮膚電、血壓、指端容積、心輸出量、心電、呼吸、血壓、誘發電位、動作電位、神經元活動等信號，在醫學診斷與治療、心理與行為研究中得到了廣泛的應用。

四、未來實驗技術的發展趨勢

盡管心理學與腦科學結合而產生的認知神經科學，正取代認知心理學成為心理學發展的新階段[22]，但是我們應該看到，當前認知神經科學技術并不是研究所有心理問題的萬能法寶，因為這些技術只能告訴我們某一種意識活動是發生在腦的某一個區域或某一些區域，并不能回答為什么這個或這些腦結構的活動會導致相應心理或行為的發生[15]。此外，這些技術目前所達到的水平也不能滿足腦與意識研究的要求。例如，為了能夠看到與不同意識過程相關的腦細胞的功能結構，要求這些設備必須達到微米級的空間分辨率；要觀察到與知覺、注意、思維、決策等意識活動相關的大腦動態過程，必須將這些技術的時間分辨率提高到毫秒級。縱觀上述各種認知神經科學研究技術，能實現高時空分辨率很好結合的設備目前還沒有，如，fMRI有較好的空間分辨率，其時間分辨率卻低下；腦磁圖可以實現毫秒級的時間分辨率，然而其空間分辨率卻只有厘米級。這些技術上的缺陷已經成為制約當前腦與意識研究的瓶頸。當然，這些缺陷也正是未來新技術革新和發展的方向。

[1] 郭秀艷.實驗心理學[M].北京：人民教育出版社，2007.

[2] 張學民，舒華.實驗心理學綱要[M].北京：北京師范大學出版社，2004.

[3] 莫雷，王瑞明，陳彩琦等.心理學研究方法的系統分析與體系重構[J].心理科學，2006， 29（5）：1026-1030.

[4] 莫雷，溫忠麟，陳彩琦.心理學研究方法[M].廣州：廣東高等教育出版社，2007.

[5] 張春興.現代心理學[M].上海：上海人民出版社，2000.

[6] 王甦，汪安圣.認知心理學[M].北京：北京大學出版社，2008.

[7] 魏景漢，閻克樂等.認知神經科學基礎[M].北京：人民教育出版社，2008.

[8] 程正方，高玉祥，鄭日昌.心理學[M].北京：北京師范大學出版社，2011.

[9] 彭聃齡.普通心理學[M].北京：北京師范大學出版社，2012.

[10] Gazzaniga， M.S.， Ivry， R.B.， Mangun， G.R..Cognitive neuroscience： The biology of the mind.New York： Norton， 2000.

[11] 朱瀅.實驗心理學[M].北京：北京大學出版社，2010.

[12] 張學民.實驗心理學[M].北京：北京師范大學出版社，2009.

[13] 閏國利.眼動分析法在心理學研究中的應用[M].天津：天津教育出版社，1998.

[14] 韓玉昌.眼動儀和眼動實驗法的發展歷程[J].心理科學，2000，23（4）：454-457.

[15] 羅躍嘉.認知神經科學教程[M].北京：北京大學出版社，2006.

[16] 何立巖，伍建林.磁共振腦功能成像的原理及研究進展[J].中國臨床醫學影像雜志， 2002，13（3）：210-212.

[17] 楊裕華，楊貞振.功能性影像技術應用概況[J].醫學影像學雜志，2004，14（1）：71-73.

[18] 徐俊卿，龐志平，呂巖.腦成像技術在神經科學中的應用[J].神經解剖學雜志，1998，14（1）：38.

[19] 劉樹偉.腦功能成像研究進展[J].中國臨床解剖學雜志，2002，20（6）：484-485.

[20] 趙侖.ERP實驗教程[M].天津：天津社會科學院出版社，2004.

[21] 曹起龍.腦電生理的心進展何腦血管病的臨床應用[J].醫學理論與實踐，1999，12（1）：1-4.

[22] 羅伯特·索拉.21世紀的心理科學與腦科學[M].朱瀅，陳烜之，等，譯.北京：北京大學出版社，2001.