神經電生理實驗在心理學教學中的應用

應榮華

(南京師范大學心理學實驗教學示范中心，江蘇 南京 210097)

0 引言

1879年，德國學者馮特在萊比錫大學建立了世界上第一個心理學實驗室。該實驗室的出現，可以說是心理學史上的一個里程碑，標志著新心理科學的誕生。在一百多年的發展歷程中，不管心理學流派如何分裂，實驗法始終是該學科方法學中的核心，與測驗法、觀察法、案例分析法等相互結合、相互驗證，共同推動學科發展。

今天的心理學早已不再是某些人所誤解的“玄學”，而是一門真正的科學，它有一系列的方法和技術幫助研究者獲取客觀數據，然后依靠數據分析得到較為可靠的結論。不管人的意識或靈魂多么奇特和神秘，也不管人們對于尚未查明的心理現象的發生機制做何種猜測，都不能忽略一個基本的事實——人的心理現象是人腦派生出來的，它必然存在一定的自然屬性和物質運動的基本因果規律，而它的許多內部規律和發生機制都能夠通過實驗方法逐漸揭示出來;另外，人的心理現象也會受到更多自然和人文因素的交互影響，而表現出隨機性和模糊性。基于以上兩點，心理學工作者在研究方法上探索出了相應的兩種應對策略，即:由于人的生物性，醫學與生物工程技術成為重要的心理實驗技術;由于心理的內隱性，行為觀察及各種間接測量方法(比如:電生理實驗法等)成為心理學實驗研究的必要補充。

1 神經電生理實驗法概述

1.1 電生理實驗法概述

電生理學(Electrophysiology)是以作用于生物體的電作用和生物體所發生的電現象為主要研究對象的生理學的一個分支領域，它的基本任務就是要研究生物電的發生機制、調節機制以及機體的內外環境中各種變化對這些生物電的影響[1]。近代電生理學的發展多借助于細胞內電極和電子管、晶體管等放大技術的發展，電生理記錄技術(Electrophysiological Recording Techniques)由此應運而生，也給心理學研究帶來了新的契機。以皮膚電為例，1888年研究者費雷把兩個電極接到人的前臂上，并且把它與弱電源和一個電流計串聯，發現當被試者被音叉、氣味刺激時，電流計就迅速偏轉。當初費雷以為這是因為干燥的皮膚受到摩擦后產生的電現象，但后來研究表明這是隨汗腺活動而出現的一種電現象，且和心理活動密切相關，是研究認知神經科學的一項客觀生理指標[2]。

1.2 心理學實驗教學現狀

實驗教學的初期還主要是開設一系列模仿性的實驗，即通過重復前人完成的經典實驗，驗證前人實驗的結果和體驗前人實驗的過程，以幫助理解心理學實驗研究的基本方法和基本邏輯[3]。所以心理學的實驗教學內容，在很長一段時間內主要包括了傳統和現代心理物理法實驗、反應時實驗、感知覺實驗和經典的學習與記憶實驗等等，這些實驗對扎實學生的心理學專業基礎是非常有幫助的[4]。而作為心理學的專業人才，要對心理問題進行探討，就必須運用心理學專業研究獨有的視角及特有的思維方式，這種獨有的方式就是運用量化的方式來探討人的心理與行為。因此，心理學專業的本科生掌握用量化的方法研究人的心理與行為的技能，也具有非常重要的意義[5]。以南師大心理學實驗教學示范中心為例，在“心理學實驗”這門課程中長期開設了諸如:簡單反應時間測定實驗、表象的心理旋轉實驗、知覺恒常性實驗、場獨立/依存性等眾多基礎性的實驗項目，但是只有這些實驗還遠遠不能滿足理論教學和實驗教學的要求。隨著心理學各領域實驗研究的迅速發展，新的實驗方法、技術和手段對學生了解心理學、開拓視野都有很大的幫助與啟發。比如:“心理學實驗”的課程中還安排了諸如:情緒激活與生理參數變化、ERP實驗原理等眾多具有前沿性的量化研究實驗項目，只是目前由于硬件條件不足和場地的限制，這些實驗多半僅為介紹性或演示性的，無法讓學生親自去操作。總而言之，當今學科和實驗技術的飛速發展也對心理學實驗教學人員開發新的實驗課程或項目提出了更高的要求。本文將以“生理心理學”的課程教學為例來重點探討這個問題。

1.3 電生理實驗技術應用于心理學教學的可行性

目前在我國已設立了心理學院(系)和心理學專業的高等院校中，對于心理學本科專業學生幾乎都設有“生理心理學”(或“心理生理學”、“生物心理學”、“心理的生物學基礎”)等類似課程，而且是作為一門必修類基礎性課程所設置的。該課程著重于介紹人類神經系統的基本結構與功能以及在心身關系中的作用，且長期以來都是以理論授課形式為主。據普遍反映，在此課程的教與學過程中存在著較大的困難，相比“普通心理學”、“心理學史”等這些純理論性課程，該課程中涉及了較多的生理學、生物學或醫學術語，比如:中樞神經系統、外周神經系統、腦電波、心率、血壓、呼吸、皮膚電、激素等等，所以一般情況下，授課老師只能原封不動地做“刻板”性講解，學生聽得“云里霧里”也無法將課程體系融會貫通，更不能理解學習該門課程的意義所在，只限于強制記憶一些相對生僻的術語以應付考試。而事實上，擁有一些基本的生理心理學知識是進一步學習和研究心理學所不可或缺的重要前提和堅實基礎。這時候我們不得不思考:該采取怎么樣的方式來擺脫生理心理學的教學“窘境”呢?

心理學“天生”的實驗屬性和電生理記錄技術的快速發展為我們提供了全新的思路。以心理行為活動為自變量，以腦電、皮膚電等電生理記錄指標為因變量，觀察施加不同形式的心理負荷時的生理變化規律[6]，這不正是研究心身關系的好方法嗎?將其引入“生理心理學”的實驗教學應當可以作為理論教學的有益補充。

2 引入電生理實驗的嘗試

南師大心理學實驗中心在2007～2009年度“江蘇省高校基礎課實驗教學示范中心”的建設項目中購進了兩臺荷蘭產10導生物反饋儀(型號為:Nexus-10)，并自2010年起利用該設備開設了“中樞與外周電生理實驗”課程，起初是作為生理心理學課程中理論授課之外的補充考察項目，在2011年新一輪本科教學方案調整后作為一項重要的實踐環節并記入學分。

2.1 實驗設備選取依據

中心之所以選用10導生物反饋儀作為“中樞與外周電生理實驗”課程的核心設備，主要是基于以下兩點考慮:

(1)該設備的性價比高。適合普通高校的心理學實驗教學。在當今認知神經科學的研究領域中，影像學設備和神經電生理設備都占據了較為重要的地位。計算機軸斷層掃描(CAT)、正電子放射層描(PET)、核磁共振顯影(MRI)等影像學技術大多用于醫療系統，造價總體都偏高(甚至達到上千萬)。在電生理記錄設備中，事件相關電位(ERP)記錄儀、多導生理記錄儀是很多高校或科研院所爭相購買的產品，適合做腦功能相關課題的專項研究，價格基本在幾十萬至百萬左右。相對于以上所述的各種設備來說，10導生物反饋儀不僅適應了高等院校心理學專業實驗教學計算機化[7](即:由計算機對相關實驗儀器進行聯機控制，并通過各種實驗軟件進行數據采集)的發展趨勢，而且購置價格上要低得多，所以更適合于普通高校的心理學及相關專業開展教學活動。

(2)該設備的功能更適合心理學實驗教學。生物反饋技術最早是根據巴甫洛夫的經典條件反射理論而發展起來的。研究發現，由中樞神經系統調節的經典條件反射的建立，不僅僅是對隨意肌有效，對自主神經系統所控制的內臟功能如:血管、呼吸、皮膚電，以至腦電形態和節律同樣有效[8]。生物反饋儀正是在這種技術背景下應運而生的，該設備以監測記錄人體的中樞和外周生理指標為基礎，把人體內生理機能變化用現代電子儀器予以描記，并轉換為聲、光甚至動畫等易于被人所識別的反饋信號，令其根據反饋信號，不斷學習并調節自身體內不隨意的內臟機能及其他軀體機能，達到防治身心疾病的目的。近些年內，很多高校心理學科或心理咨詢中心也陸續購進該設備，但真正用于實驗教學的幾乎沒有。

諸如上文所提及的CAT、PET、MRI等技術需要采集以下一些生理指標:葡萄糖代謝量、氧消耗量……這些名詞對于非醫學或非生物學專業學生來說都過于生僻且難以理解。而ERP記錄儀等對腦電活動的記錄及分析確實比較精確，一般情況下受測者和實驗者分處兩室并且“各司其職”，在受測者執行某項特定任務(如:識別面孔、記憶數字等)時，由實驗者來全程記錄對應的生理數據(主要是腦電活動)并進行一系列精細化的處理分析，這對實驗者的專業水平有著較高要求。生物反饋儀的獨到之處在于:不僅能給受測者呈現出各種生理指標(包括中樞神經和外周神經)的測量和描記過程，還可以讓受測者親身體驗到身心一致的境界以及通過學習或練習而達到身心和諧的喜悅，實驗者的操作相對簡捷得多且具有一定的趣味性，容易讓初次接觸電生理實驗的學生很快接受。

2.2 實驗項目設置

2.2.1 實驗原理及實驗設備介紹

“生理心理學”或類似課程是心理學專業的基礎性課程，一般都安排在本科階段的1-2年級內進行授課。這個階段的學生剛剛接觸到一些學科基礎課程(比如:“普通心理學”等)，對心理學知識尚處于一知半解的狀態，對電生理實驗更是知之甚少。所以在進行“中樞與外周電生理實驗”課程伊始，實驗教師需對實驗中所涉及的原理、操作及專用指標加以較為詳細的解釋說明，為此實驗中心特地自編了《中樞與外周電生理實驗指導》手冊(手冊第一章的提綱見圖1)。

圖1 “實驗原理及實驗設備介紹”指導手冊提綱

2.2.2 驗證性實驗

電生理實驗的核心及基礎性操作是對中樞及外周生理指標進行測量并記錄，盡管這些指標所代表的含義(比如:“皮電”就是產生在皮膚上、隨汗腺活動而出現的一種電現象。)在理論課的講述中也會提及，但學生的記憶膚淺容易遺忘。“中樞與外周電生理實驗”課程給學生提供了一個良好的平臺，可以親身體驗測量和記錄生理指標的過程(見圖2)，并通過完成實驗報告(見圖3)加深了對這些生理指標的理解，由此便輕而易舉地加深了記憶。

2.2.3 研究性實驗

經過前兩個階段的學習與實踐，學生已基本掌握了電生理實驗的基本原理和操作流程。為了進一步給學生加深印象、激發他們的積極性和主動性，課程中特地安排了兩個帶有探索研究性的實驗內容即:中樞與外周的反饋訓練實驗。既往的眾多研究表明，生物反饋技術對矯正注意力不集中、緩解緊張情緒都有較好的效果，所以在這個階段我們特地選取了中樞神經系統的SMR波反饋訓練和外周神經系統的皮電反饋訓練作為實驗內容，完全放手讓學生自己操作，他們有時體驗作主試 (實驗者)，有時體驗做被試 (受測者)，主試和被試進行通力配合，才能最終完成實驗過程和實驗報告。這種方式讓學生得到了充分的空間去實踐和思考。

圖2 腦電、肌電、呼吸生理指標的測量實驗

圖3 中樞、外周生理指標的記錄實驗報告

如圖4所示，這一部分的實驗界面色彩鮮艷，實驗程序以游戲的方式開展。學生的新鮮感帶動了積極性，在實驗報告(見圖5)中充分展現出個人特色，比如:“事后評價”一欄內容中就存在著較大的個體差異。部分學生在最后一欄“初步印象與結論”中還能夠運用心理學知識進行解釋分析，雖然略顯膚淺，但已經能體現出一定的“科學”姿態。

圖4 反饋訓練實驗屏幕

2.3 實驗成績評定

中心開設的“中樞與外周電生理實驗”課程成績來自于實驗操作和實驗報告兩部分:實驗操作部分主要是通過實驗教師的觀察與課堂抽查來評估;實驗報告部分主要是基于完成的認真程度、實驗數據的可靠性以及在研究性報告撰寫中的客觀性(比如:被試感受、主試印象與結論)。實驗課成績和理論課閉卷考試成績按照一定比例進行折算，作為學生最終的《生理心理學》課程成績。

2.4 對課程的改進方案

圖5 中樞、外周反饋訓練實驗的信息采集表

在中心新開設“中樞與外周電生理實驗”課程的近3年內，學生普遍反映效果較好，認為實驗內容有趣而實用，最難得的是克服了以往一上“生理心理學”就畏難的不良情緒。對于未來該課程的設計，初步有以下四個改進的設想:① 目前實驗項目的第三部分(研究性實驗)內容暫時還是由實驗教師提前選定的，而實際上該實驗設備所配套的軟件兼具了自編設計的整套功能，如條件許可、實驗課時大幅增加的情況下，可以考慮給學生自行選擇或自行考慮研究項目，在教師的指導下進行實驗設計并具體實現。② 在中心現有的設備基礎上，將電生理實驗技術與其他前沿技術結合進行實驗教學，比如:結合眼動技術、虛擬現實技術等，令學生在實驗技術和研究能力上得到更大的提升。③進一步引導學生利用電生理實驗的方法來完成一些相關的創新實驗設計，或是鼓勵學生利用該實驗技術去實現畢業論文的實驗設計操作，開發電生理實驗室的應用功能等等。④逐步完善評價方式，在已有基礎上將學生對實驗課的預習情況、實驗表現、實驗報告等納入平時成績評定的重要依據[9]，同時加大平時實驗課成績在總成績中所占比重，引導學生重視實驗課學習，而不是應付“差事”。

3 擴大心理學實驗教學的前景展望

近年來心理學成為我國高等教育中發展最快的專業之一，但在心理學人才培養的規模發展中具有較大的盲目性，與教學資源發展規模和水平的脫節造成了人才培養質量的下降，尤其是心理學人才的實驗能力、實踐能力不足成為影響學科發展的重要因素。心理學作為一門實驗科學，其許多理論來源于實驗。掌握心理實驗的基本知識和技能，是對心理學專業學生的起碼要求，而培養學生獨立從事心理實驗的能力，又是提高學生質量的重要內容[10]。隨著現代科技的快速發展，高等院校對實驗室建設及實驗教學的重視程度日益加深，心理學的實驗教學既面臨著巨大的機遇也充滿著挑戰。

從硬件上看，近10年來，心理學實驗教學儀器基本改變了以往技術含量低、計量標準不準確的狀況，這其中既有賴于國外先進設備的大量引進，也得益于國內自主研發能力的大力提升。這期間心理學實驗的計算機化尤其發展迅猛，相當部分的實驗教學內容均可以通過計算機程序設計和多媒體投影技術來實現，比如:傳統心理物理法、信號檢測論、反應時實驗、學習和記憶實驗等。另外，目前在認知神經科學研究中常用的fMRI、EEG/ERP，多導生理記錄儀、生物反饋儀等都是由計算機對相關實驗儀器進行聯機控制，并通過各種實驗軟件采集數據，運用各種數據處理軟件對實驗結果進行分析與處理，操作起來簡便而快捷。總而言之，現有實驗技術和設備的性能指標已完全達到了心理學實驗教學的要求。目前最大的問題就是部分實驗設備的造價還是偏高的，少則十幾萬，動則上百萬。我校是國家“211工程”重點建設的江蘇省屬重點大學，在心理學設備購買經費上尚且感覺比較吃力，更別說一般的本科院校了。所以有必要多渠道籌措資金，加大心理學實驗建設的投資力度，使實驗室建設趨于規模化，不僅要有基礎層面的實驗室，還要有技術層面的實驗室以及研究層面的實驗室[11]。

相對于硬件的日趨完善來說，加大心理學實驗教學力度的最大阻礙還在于教學內容的調整，其中包括:實驗教材、課程設計、課程安排、設備選擇等諸方面的問題。心理學實驗課的結構體系可分為基礎實驗、驗證性實驗、綜合性實驗和應用性實驗四個部分，在大多數院校的教學計劃中，心理實驗課一般在大學本科的二年級開設，主要是重復經典的心理實驗，所有的實驗內容、實驗步驟、實驗條件都由老師事先講解并設定好，學生只要按部就班操作并完成實驗報告即可，這對于鞏固基本知識、掌握基本技能是足夠的，但想在較高層次上培養學生的動手能力和創新能力、拓寬知識面又是遠遠不夠的。因此，應該充分利用實驗室資源、利用已有的先進設備加大綜合性實驗和應用性實驗的比例，不僅可以充分調動學生主動實驗的熱情，而且對于培養學生在實驗中發現問題、分析問題和解決問題的能力、提高學生研究性學習的水平特別重要，也往往給學生的進一步深造提供更多的訓練[12]。

以南師大為例，2008年之前的本科人才培養方案中，應用心理學專業課程中幾乎沒有單列的實驗(或實踐)課時及學分要求(畢業論文和畢業實習除外);2009年的方案中，單列出的實驗(或實踐)類課程共計8學分;2011年的方案中，已經增加到了13學分(約140學時)的實驗(或實踐)類課程。近3年內，有近20項心理學本科畢業設計或省、校級“大學生實踐創新訓練項目”是運用實驗法來完成的，比如:“面孔記憶的差異研究——表情特征對面孔再認的影響”、大學生語詞與圖片分類加工比較的眼動研究“等，這些項目的選題在當今心理學科領域具有一定前沿性，使用的實驗設備也是較為先進的。現實表明，心理學專業本科學生的學習中如能夠進行一定的創新實驗設計，既有利于培養學生學習的興趣，也增強學生實踐演練的機會，使學生在解決實際問題中理解實驗原理和方法，真正有利于心理學專業本科學生能力的發展[13]。在2013年即將開始的南師大新一輪本科教學方案調整中，心理學專業還將進一步加大實驗(或實踐)教學的力度。

當前在一般的本科院校心理學實驗教學中，大多數的演示性和驗證性實驗基本都能順利開展，最大的困難仍來自于綜合性、設計性實驗[14]，這就需要充分調動一線教師的主動性和創造性，其次還倚賴于實驗教學隊伍的進一步優化。必須將一些有深厚理論基礎及實驗專長的博士生或者優秀碩士生充實進來，在不斷的嘗試和實踐中開發出更新、更有意義的實驗課程，徹底改變以往重理論輕實驗(或實踐)的教學模式，確保心理學專業學生在實驗課教學中既扎實了基本功、又拓寬了視野，同時也有機會了解并掌握較為前沿和先進的研究技術與研究手段。

4 結語

作為心理學專業的學生，應當掌握一系列心理學技術。在心理學實驗教學的實踐中，了解并掌握各種常用研究技術和前沿技術進行心理學研究是對學生提出的一項基本要求，這些技術中包括了:行為認知實驗技術、ERP技術、生物反饋與心理訓練技術等等[15]。南師大心理學實驗教學示范中心通過使用生物反饋儀，將神經電生理實驗貫穿入生理心理學的課程教學中，并取得了較好的效果。未來我們將不斷地探索、不斷地研究，努力開發更多切實可行的心理學實驗課程或實驗項目，進一步提高教學水平和教學質量。

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