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 {КЬ^Х) — 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 Ь_и в восходящем и нисходящем рядах (2,Д и Ь_н1) 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 (Ь_и), 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-8_5Г (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 8_1Ш, 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.