Предмет и задачи психофизики
Психофизическая проблематика традиционно является составной частью курса «Ощущения и восприятия», поскольку непосредственно связана с измерением ощущений человека. Как область научного знания психофизика была основана немецким ученым Густавом Фехнером (С.Т.Гескпег, 1801 — 1887), который в своем фундаментальном труде «Элементы психофизики» не только поставил задачу измерения психических явлений, но и, решая ее, разработал используемые до сих пор психофизические методы
![]() |
и сформулировал основной психофизический закон. Г.Т.Фехнер определил психофизику как точную науку о функциональных отношениях души и тела, или, в самом общем виде, физического и психологического миров [150].
Понимаемая в узком смысле, психофизика изучает соотношение между величинами физических раздражителей (стимулов) и интенсивностью вызываемых ими ощущений. Традиционно выделяются два раздела психофизики: проблемы, связанные с измерением сенсорной чувствительности (Психофизика I), и проблемы построения психофизических шкал, или психологическое шкалирование (Психофизика II). Фактически традиционные психофизические исследования укладываются в известную формулу: К =Д8), где К обозначает ответную реакцию наблюдателя, как правило, словесную (частота ответа) или моторную (скорость ответа), а 5 — физическую величину стимула. В более широком смысле современная психофизика занимается методологией психологических измерений в целом. Такой выход за пределы классической психофизической проблематики обусловлен двумя причинами. Во-первых, в современной психологии используются преимущественно не простые (физически одномерные) стимулы, описываемые каким-либо одним физическим параметром (например, для ощущения тяжести — это вес поднимаемого предмета), а сложные (многомерные) стимулы, качества которых невозможно описать через набор определенных физических параметров (например, задача оценки предпочтения формы предмета в принципе не предполагает выделение какого-либо физического параметра стимула). Во-вторых, для психофизической оценки воздействия стимулов используются не только произвольные вербальные ответы человека, характеризующие его осознанный опыт, но также моторные реакции и разнообразные произвольно неконтролируемые физиологические реакции. В отличие от психофизиологии психофизика, как правило, абстрагируется от тех физиологических механизмов, которые обеспечивают порождение наших ощущений и суждений.
В исторической перспективе можно выделить классическую (фехнеровскую) и современную (начиная с 1940-х гг.) психофизику. Общий предмет психофизических исследований менялся незначительно — это пороговые и надпороговые измерения интенсивности ощущений, а также процедуры психологического шкалирования. Предметом современной психофизики является широкий круг психологических измерений, а ее задачами явля-
ются разработка и применение методов психологических измерений, отнюдь не ограниченных спецификой сенсорных процессов. Проблемы классической сенсорной психофизики все больше соприкасаются с проблемами психофизиологии, поскольку появляются новые методы исследования, приходящие из нейронауки, которые позволяют, перефразируя Г. Фехнера, соотносить «внешнюю» и «внутреннюю» психофизику, или физические, физиологические и психологические миры.
Психофизика I: измерение сенсорной чувствительности и пороговые проблемы
Пороги и пороговая проблема
Одна из важных психофизических задач — изучение предельных сенсорных способностей человека, или чувствительности его органов чувств. В классической психофизике абсолютный порог {КЬХ) — это та минимальная величина раздражителя, которая вызывает едва заметное ощущение. Например, минимальное давление на кожу руки, которое ощущается как прикосновение. Величина абсолютного порога является мерой нижнего предела сенсорной чувствительности и характеризует способность человека ощущать сигналы очень низкой интенсивности. Таким образом, понятие сенсорной чувствительности определяется как величина, обратная абсолютному порогу: чем выше порог, тем ниже чувствительность, и наоборот. Наши органы чувств обладают очень высокой чувствительностью, сравнимой с чувствительностью самых современных измерительных приборов. Например, абсолютную световую чувствительность характеризует следующий показатель: в ясную и темную ночь мы способны увидеть пламя свечи на расстоянии более 40 км. Мы начинаем ощущать горечь хинина, если всего несколько сотых миллиграмма этого вещества растворить в литре воды.
Разностный, или дифференциальный, порог (йЬ2)— это минимальное различие между двумя раздражителями в интенсивности некоторого физического параметра, которое вызывает едва заметное различие ощущений. Разностный порог характеризует предельную различительную способность человека, или его различительную чувствительность. Она различна для разных сенсорных модальностей, изменяясь от 1 — 2 % — для зрения до 10 —20 % — для обоняния. В современной психофизике чаще говорят не об абсолютном или разностном порогах, а о решении пороговых задач по обнаружению или различению сенсорных сигналов.
1 Сокращение КЬ от нем. Аек Ытеп — порог раздражения.
2 Сокращение йЬ от нем. й^егет Ытеп — порог различения.
Диапазон ощущаемых стимулов имеет и свой верхний предел — верхний, или терминальный абсолютный, порог. Это максимально допустимая величина раздражителя, при которой он еще ощущается как стимул определенной модальности, при ее превышении ощущение данной модальности переходит в ощущение другой модальности — тактильное, болевое. Например, воздействие короткого звука высокой интенсивности (120—125 дБ) ощущается не как звук, а как болезненный укол в барабанную перепонку, вспышка слепящей яркости воспринимается как боль в глазах. При предельно высоких интенсивностях раздражителя происходит разрушение рецепторного аппарата органов чувств. Для слуха — это звук свыше 125—130 дБ (УЗД)1. Диапазон нормальной чувствительности наших органов чувств огромен, например самый тихий и самый громкий звук, воспринимаемый человеком, отличается по уровню звукового давления на барабанную перепонку более чем в 10 миллионов раз.
Подходы к измерению сенсорной чувствительности, разработанные как в рамках классической, так и современной психофизики, связаны с разными представлениями о том, что такое сенсорный порог. Классическое представление о пороге, идущее от Иоганна ГербартаЦ.СегЬаПк, 1776—1841) и Г.Фехнера, как границе, разделяющей ощущаемые и неощущаемые раздражители, отражает фундаментальный принцип работы органов чувств. Абсолютный порог — это нулевая точка, точка разрыва на сенсорной шкале. В ряде современных психофизических подходов пороговый принцип работы сенсорных систем отрицается, а формулируется иной, вероятностный, принцип. Эти идеи, восходящие к критическим замечаниям в адрес Г.Фехнера со стороны современника и оппонента Г. Мюллера, сводятся к следующей мысли: наши ощущения — непрерывны, на сенсорном континууме нет разрыва в виде пороговой точки, поэтому любой, даже очень слабый, стимул может с некоторой вероятностью вызвать осознанное ощущение. В современных психофизических теориях представлены оба этих подхода [10; 72]. Из этих двух подходов следуют различные теоретические представления о дискретности — непрерывности сенсорного ряда (разрываются ли наши ощущения пороговой точкой на осознаваемые и неосознаваемые или нет?) и их воплощение в разработанных в рамках каждого подхода психофизических методах. Мы рассмотрим классические фехнеровские методы измерения порога (они основаны на идее дискретности) и методы современной психофизики, разработанные в рамках психофизической теории обнаружения сигнала (они основаны на идее непрерывности).
1 Интенсивность звука измеряется в уровнях звукового давления (УЗД) по логарифмической шкале децибел (дБ), где нулевому уровню соответствует среднее значение абсолютного порога для звука частотой 1 000 Гц.
В упомянутом выше труде Г.Фехнера были предложены три метода измерения абсолютного и разностного порогов, которые получили название классических психофизических методов. Измерение порогов не было самоцелью, а служило средством решения более глобальной задачи — построения конкретной психофизической зависимости, или шкалы, отражающей соотношение души и тела. Согласно Г. Фехнеру, через абсолютный порог на этой шкале задается начальная или нулевая точка, а через разностный порог вводится единица измерения на ней.
Характерной чертой трех классических пороговых методов, отличающих их от методов современной психофизики, является то, что в них особое внимание уделяется стимульным переменным и недостаточно учитываются влияния самого субъекта или так называемые несенсорные факторы, которые практически всегда включены в процедуру психологических измерений. Те статистические показатели, которые приняты в этих методах в качестве пороговых мер, на самом деле являются, строго говоря, мерами исполнения сенсорной задачи, так как определяются не только уровнем чувствительности испытуемого, но и теми несенсорными факторами, которые управляют выбором его ответа (например: ожидание появления стимула, предрасположенность к определенному типу ответа и др.). Несмотря на это, такие качества пороговых методов, как простота, меньшие затраты времени на измерение, а также удобство выражения пороговых мер в физических единицах, обеспечивают этим методам широкое применение в современной исследовательской практике.
Метод минимальных изменений
Данный метод выражает собой прямой, непосредственный подход к психологическим измерениям, поскольку дает знание величины порога в ходе самого измерения. В процедуре этого метода наиболее ярко отразилось понимание порога как барьера, разделяющего стимульный ряд на два класса ощущаемых и не-ощущаемых стимулов, или их разностей.
Процедура определения абсолютного порога (КЬ) следующая. Каждая проба начинается сигналом «Внимание», после которого с небольшим интервалом предъявляется стимул, например: пятно света при определении абсолютной световой чувствительности в полной темноте или очень слабый звук при определении абсолютной слуховой чувствительности. Как правило, испытуемому разрешается только две категории ответов («да», «нет», «вижу», «не вижу», «слышу», «не слышу»). Испытуемый отвечает — его ответ регистрируется. Предъявление стимулов осуществляется нисходящими и восходящими рядами — это принципиальное отличие данного метода от других. В первом случае степень выраженности
определенного параметра стимула, чувствительность к которому измеряется, постепенно уменьшается от максимума до минимума, во втором — наоборот. Обычно измерение абсолютного порога начинается с нисходящего ряда стимулов, т.е. с отчетливо воспринимаемого стимула, изменяемый параметр которого с каждым шагом последовательно уменьшается. За порог в этом ряду принимается значение стимула, находящегося в середине меж-стимульного интервала, между тем стимулом, который еще воспринимается, и тем, который впервые не воспринимается, т.е. середина того интервала, в котором произошла первая смена категории ответа испытуемого. В нисходящем ряду определяется порог исчезновения ощущения — Ь1, в восходящем — порог появления — ХТ. Надежность определения абсолютного порога обеспечивается предъявлением нескольких восходящих и нисходящих рядов, обычно от 10 до 50. Из этого следует, что мера порога рассчитывается как величина статистическая. За абсолютный порог принимается среднее арифметическое всех найденных в течение опыта порогов появления и исчезновения:
1 ^
КЬ = —УЦ, (1)
где КЬ — средний абсолютный порог; Ц — значение единичного порога в каждом стимульном ряду, как в восходящем, так и в нисходящем; ТУ — общее число рядов.
Процедура измерения разностного порога (йЬ) мало отличается от процедуры определения абсолютного порога. Единственное изменение состоит в том, что одновременно с переменным стимулом испытуемому предъявляется эталон, или стандартный стимул, — 55„ который задает ту величину исходного раздражителя, относительно которого определяется величина разностного порога. Поскольку ощущения разности различия стимулов у испытуемого могут быть различны, испытуемому, как правило, разрешают давать три категории ответов («больше», «меньше», «равно» или «сомневаюсь»). За порог принимается значение стимула, соответствующее середине межстимульного интервала, где впервые произошла смена категории ответа: от «больше» к «равно» и от «равно» к «меньше» в нисходящем ряду, а в восходящем ряду от ответа «меньше» к ответу «равно» и от ответа «равно» к ответу «больше». Таким образом, при измерении разностного порога определяются четыре значения порога (по два в каждом ряду). Это верхний порог Ьи в восходящем и нисходящем рядах (2,Д и Ьн1) и нижний порог Ь{ в восходящем и нисходящем рядах (Х/Г и Ь^). Таким образом, в каждом ряду мы находим две пороговые точки: верхний и нижний разностные пороги. На рис. 25 они помечены точками в каждом ряду. Этот рисунок иллюстрирует правило уста-
+
+ = | ^ | |||
Ьы + = | ш | |||
II II ' II II | $-Р5Е | |||
.V, ^ - - - | 1*—СЕ | |||
•— | Ц | В1 |
Ьц —
Рис. 25. Нахождение пороговых показателей методом минимальных изменений. Ситуация измерения разностного порога
новления пороговой точки в нисходящих и восходящих рядах на основании ответов испытуемого.
При обработке полученных данных сначала находят значения верхнего разностного порога путем усреднения всех верхних порогов (Ьи), в каком бы ряду они не стояли, и аналогичным образом — нижнего разностного порога (Ц). Верхний и нижний пороги ограничивают интервал неопределенности — Я/(от англ. 1п1егуа1 о/ШсеПтп1у)9 т.е. ту зону стимульного ряда, где преобладают ответы равенства. Иначе говоря, интервал неопределенности — это та зона стимулов, которая сверху ограничена стимулом, который в среднем едва заметно отличается от эталонного как больший, а снизу — тем стимулом, который в среднем едва заметно отличается от эталонного как меньший. Понятно поэтому, что Шсодержит два едва заметных различия, т.е. равен двум ЬЬ\
т^ц-ц,
(2)
2 2
(3)
Стимул, находящийся в средней точке интервала неопределенности, всегда оценивается как равный эталону, т.е. является субъективным эквивалентом эталона и потому получил название тонки субъективного равенства Р5Е (от англ. «Рот! оГ ЗиЪдес!: ЕяиаШу»):
р8Е=Ьи±]±
(4)
Ш, как правило, несимметричен, поэтому довольно часто Р8Е не совпадает со значением эталона. Степень несовпадения эталона Р8Е характеризуется так называемой константной ошибкой СЕ (от
англ. «Соп81ап1: Еггог»), которая определяется следующим равенством:
СЕ = Р8Е-85Г (5)
Если константная ошибка больше нуля, то эталон переоценивается, если она меньше нуля, то эталон недооценивается. Таким образом, СЕ характеризует величину и направление смещения зоны субъективного равенства относительно объективного равенства. Соотношение этих основных психофизических понятий, которые используются и в других методах, также иллюстрируется на рис. 25.
Современный вариант этого порогового метода, предложенный Т. Корнсвитом, получил название метода «лестницы». Он предполагает использование двух вариантов ответов. Суть его состоит в том, что как только происходит смена категории ответа, допустим смена ответа «слышу» на ответ «не слышу», так сразу же происходит смена направления изменения стимула, т.е. переход от нисходящего ряда к восходящему до следующей смены категории ответа. Этот вариант метода относится к так называемым адаптивным методам пороговых измерений и, как правило, реализуется с помощью компьютера, который отслеживает ответы испытуемого и соответствующим образом регулирует изменение сти-
Стимул | |||||||||||||||||||
+ | |||||||||||||||||||
+ | |||||||||||||||||||
+ | |||||||||||||||||||
+ | |||||||||||||||||||
+ | + | ||||||||||||||||||
+ | |||||||||||||||||||
+ | + | + | - | + | + | ||||||||||||||
- | |||||||||||||||||||
- | - | + | |||||||||||||||||
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Номер пробы
Рис. 26. Запись ответов испытуемого при изменении интенсивности стимуляции в опыте по измерению абсолютного порога методом «лестница». При ответах <+> («да») интенсивность стимула уменьшается, при ответах <-> («нет») — увеличивается. В итоге значение абсолютного порога соответствует стимулу 4
муляции. В таких методах процедура тестирования строится таким образом, что предъявление стимулов подстраивается (адаптируется) под ответы испытуемого, и изменение стимуляции происходит в достаточно узком околопороговом диапазоне (рис. 26). Достоинством подобных процедур является их экономичность.
Метод «лестницы» очень похож на метод «слежения Бекеши», реализованный в так называемом аудиометре Бекеши и используемый во многих странах для клинических измерений абсолютной слуховой чувствительности. Метод «слежения» нередко используют для исследования сенсорной чувствительности у животных, обучая их нажимать на специальную клавишу или педаль, когда они начинают чувствовать целевой стимул.
Метод средней ошибки
Метод средней ошибки (это его оригинальное название, данное самим Г. Фехнером) также имеет название метода установки, или метода подравнивания. Этот метод отличается от других пороговых методов важной процедурной особенностью — испытуемый сам регулирует величину изменяемого параметра стимула. Он часто применяется в исследованиях восприятия, поскольку эта довольно естественная процедура позволяет определить субъективный эквивалент некого эталонного стимула непосредственно в ходе процедуры измерения. Общепризнанно, что метод средней ошибки дает наиболее низкие значения порога по сравнению с другими методами. Это объясняется, по-видимому, возможностью регулировки самим испытуемым стимуляции и связанным с этим привлечением других источников информации (кинестезии) для решения стоящей перед ним сенсорной задачи, а также большим, как правило, временем действия стимула, а следовательно, возможностью более полного извлечения информации из стимуляции.
Г. Фехнером этот метод предназначался преимущественно для измерения дифференциальной чувствительности. Для этого испытуемому предъявляется одновременно два стимула, эталон — 55, и переменный 81Ш, величину которого может плавно изменять сам испытуемый. Задача испытуемого состоит в подравнивании величины переменного стимула к эталону (то от большего, чем эталон, значения, то от меньшего, чем эталон), никаких ограничений на свободу движений при регулировке стимула в процессе подравнивания не вводится.
В качестве статистической меры для оценки работы испытуемого в методе средней ошибки чаще всего используется среднее арифметическое нескольких подравниваний. По смыслу введенных выше понятий этот показатель является точкой субъективного равенства (Р8Е) или субъективным эквивалентом эталона. Для
оценки разностного порога используется величина отстояния Р8Е от эталона, или, что то же самое, величина константной ошибки:
В1 = 55, - Р8Е. (6)
Многие авторы указывают на то, что величина стандартного отклонения произведенных подравниваний (а) также может служить надежной мерой различительной чувствительности испытуемого.
При измерении абсолютного порога^ испытуемый регулирует величину стимула, первоначально вызвавшего отчетливое ощущение, до тех пор, пока не установит такое его значение, при котором он впервые утрачивает ощущение воздействия стимула. Как правило, экспериментатор предлагает испытуемому попеременно осуществлять подравнивания, начиная то со стимула явно подпорогового уровня, то надпорогового. Если установка начинается с явно неощущаемой величины стимула, то испытуемый должен найти его значение, при котором ощущение впервые появляется. При подравнивании от надпорогового стимула испытуемый воспроизводит величину стимула, при котором ощущение впервые исчезает. Итоговая величина абсолютного порога оценивается путем усреднения всех установок, выполненных испытуемым. Обычно для этого используется среднее арифметическое.