2023年7月29日发(作者：)

刺激与反应相容性对刺激识别速度的影响

段苏桓

（北京师范大学心理学院 北京 100875）

刺激与反应相容性对刺激识别速度的影响

段苏桓

（北京师范大学心理学院 北京 100875）

摘要

本实验主要是运用实验室实验中记录反应时和错误率的方法，运用前置线索实验范式，考察刺激-反应的相容性及线索的空间与非空间特征对刺激的反应激活作用的影响两个问题。线索与刺激特征完全相同时才存在刺激——反应相容性效应。线索与刺激特征部分相同不存在相容性效应。颜色和形状特征对刺激反应速率没有激活作用，即都不存在线索效应。

关键词

刺激－反应相容性 空间线索 非空间线索 反应时

1 问题提出：

刺激－反应相容性的概念最初是由Fitts[1] 在1953年提出的 。针对刺激与反应的匹配关系而言的 ，如果刺激－反应的匹配关系能导致较好的反应结果（较短的反应时，较低的错误率），那么这样的刺激－反应匹配关系就被称为具有了相容性。众多实验证实了存在刺激－反应的相容性。[2]对相继呈现的刺激编码的实验表明：被试对先后呈现的两个相同的刺激做“相同”判断的反应时比对两个不同的刺激做“不同”判断的反应时要长。国内刘艳芳、张侃[6]等关于前置线索与刺激相容性的实验研究表明，当线索与刺激特征完全一致时，反应速度最快；部分一致时，反应速度最慢；完全不一致时，反应速度居中。后来也有人发现做“相同”判断比做“不同”判断的反应时短。总之，不少研究表明：刺激和反应之间的相容性影响人们对刺激-反应的信息加工，既决定了学习或建立刺激和反应的对应关系的时间，同时也影响了对刺激作出反应的正确性和反应时。

本实验首先考察的即是刺激－反应相容性问题。前人的研究中已形成了各种理论假设来解释这种相容性。其中最具代表性的是1990年和1995年Kornblum [3]提出的维度重叠理论模型（Diemension Overlap Model，简称DO模型），Kornblum等用行为实验检验了该理论，并且 1995年Eimer[3]的ERP研究也支持了它。该理论认为当刺激集与反应集之间来自相同的集合（或他们之间又维度重合）且一致，那么刺激的出现将自动激活相应的反应，减少产生任务的反应的加工过程，提高反应速度，降低错误率，从而产生刺激——反应的相容性。反应速度取决于刺激与反应的一致性程度，一致性程度高，反应速度加快，一致性程度低，反应速度减慢。即无论何种任务，只要线索与刺激间存在维度上的一致，就会自动激活相应的反应，加快反应速度。当刺激-反应维度完全一致时，反应速度应该最快；当刺激-反应维度部分一致时，反应速度应该居中；当刺激-反应维度完全不一致时，反应速度应该最慢。Komblum[4]还认为这种相容性效应是信息加工过程的一个基本特征，只要两个集合的信息在特征上存在一定程度的相似性，其中一个集合刺激的加工就会引起另一个集合刺激的自动激活，从而加快对后呈现刺激的反应速度。DO模型强调相同集合且一致性是相容性产生的根源，极大的拓宽了相容性的研究领域。即相同集合不仅存在于刺激与反应之间，也存在与不同的刺激维度之间，如Stroop效应，甚至线索与刺激之间或线索与反应之间。

在其他学者的研究中，也形成了诸多理论假设用于解释相容性现象。在编码理论中，Fitts[1]等用编码理论对刺激-反应相容性对反应速度的影响进行了解释，他们认为刺激-反应的空间位置或特征的一致性，有助于操作者对刺激-反应的编码和识别，从而缩短反应时。 Wallace[3]1971年提出的编码假设则认为，当人接受一个刺激后将它编码成一系列坐标，并与反应的空间坐标相比较，如果刺激和反应有相同的空间编码方式，反应就快。1990年

Umilta[3]等人设计的实验也支持了编码假设。在注意方面的理论中，1990年Simmon[1]提出的注意假设认为，人有自动向刺激源方向作出反应的倾向，当刺激位置与反应位置不一致时，人必须先抑制不符合反应要求的这种倾向，然后才能作出正确反应，因而反应时长；

Verfalllie[3]认为注意仍然是影响刺激的指向和反应的输出的一个因素。此外，在短时记忆编码的研究中，有学者认为做“相同”和“不同”判断反应时的差异可能是大脑信息加工（编码和提取）过程不同导致的，反应时的长短与两个或多个刺激的编码有关。如果刺激的相似程度高，被试编码与识别所需时间相对要短；如果刺激的相似程度低，被试的加工时间就要长一些。

另外，本实验还拟探讨线索的空间特性（形状）和非空间特性（颜色）对刺激识别的激活作用的影响。关于这方面的研究前人也各持不同的观点，Martin[4]关于线索效应的研究发现，空间线索存在线索效应，而非空间线索（颜色）无线索效应。他用生理指标研究线索效应时发现，使用非空间线索（颜色）时，线索效应消失。而Winand[7]等认为，线索的不确定性影响刺激识别速度，和线索的空间或非空间性关系不大。还有研究与Martin的结论相反，如Gehring发现了非空间线索（字母）对反应的促进作用。

鉴于前人关于刺激－反应相容性以及空间和非空间线索对刺激的激活作用研究都存在不一致之处，于是将这两个问题作为本实验考察的对象。目前测量相容性程度的方法主要有两种:一种是主观评价法,让人们从几种刺激——反应组合中,选择他们认为是最合适、最可行的,也就是最相容的组合;另一种方法是设计实验,记录下不同刺激——反应组合的反应时和错误率,把其中反应最快、错误最少的组合计为相容性最好的组合。本实验采取的是后一种方法。

综上，本实验主要是运用实验室实验中记录反应时和错误率的方法，运用前置线索实验范式，考察刺激-反应的相容性及线索的空间与非空间特征对刺激的反应激活作用的影响两个问题。

2 实验方法

2.1 被试 北京师范大学二年级本科生53人，男生16人，女生37人 。被试年龄18-21岁，视觉或矫正视觉正常，无颜色知觉缺陷。

2.2 仪器 实验仪器为奔Ⅲ800计算机（15寸显示器，windows2000操作系统）。实验采用刺激-反应相容性实验程序，通过键盘进行反应，整个实验从实验开始、记录被试反应和被试信息均由实验程序控制，实验记录的指标为反应时和正确率。在实验过程中，清除计算机内存中的无关驻留程序，排除其对反应速度的影响。

2.3 实验材料 本研究的实验材料为平面和立体图形。自变量为线索和刺激的特征，包括两个维度：线索与刺激的形状和颜色特征。其中，形状特征包括：（1）平面图形：三角形、正方形和菱形；（2）立体图形：三角锥体、立方体和菱体。每种图形包括红、绿、蓝三种颜色。

线索与刺激的对应关系有如下三种情况：（1）线索与刺激特征完全不同；（2）线索与刺激特征相似，其中包括两种情况：一种是颜色相同形状不同(空间线索)，另一种是颜色不同形状相同(非空间线索)；（3）线索与刺激的形状与颜色完全相同。每种情况呈现刺激72次，其中特征相似的两情况分别为36次。实验总次数为216次，本研究为被试内实验设计，即所有被试接受全部实验处理。

2.4 实验过程 每个线索与刺激呈现的时间间隔为1000ms，线索呈现前有视标和声音提示。线索呈现时间为1000ms。线索-刺激组合间的时间间隔为2s，按完全随机化的顺序呈现实验 材料，实验总共需要进行40分钟。

实验任务是要求被试对刺激进行反应，如果前后图形特征完全不同，按数字键“1”做反应；若部分相同，按数字键“2” 做反应（对颜色系统和形状相同的材料分别记录反应时）；若完全相同，按“3”键做反应。实验分为练习和正式实验两个部分，被试完全正确地通过练习实验后，才能进行正式实验。每做完72次试验闭目休息2分钟。

最后收集数据，先剔除反应时大于2000毫秒的极端数据，再按照（PC1+PC2+PC3）/3>=90%（pc1,pc2,pc3为正确率）的标准剔除不符标准被试，最后有效被试为男生10人，女生31人，共41人。用SPSS12 .0对所得数据进行描述统计以及运用重复测量的方法进行方差分析。

3 结果分析与讨论

3.1 结果分析

从表1可以看出，五种组合情况下被试的错误率基本上都在5%左右或以下，所以可以排除速度—准确性权衡问题。运用SPSS12.0对数据进行描述统计和重复测量的方差分析。在描述统计中，平均正确反应时与正确率见表1，线索-刺激特征完全相同、完全不同与颜色或形状相同、颜色相同、形状相同的曲线图见图1。推论统计见表2到表

表 1 不同线索-刺激组合的平均反应时(正确率)

平均数 正确率% 标准差 样本数

完全不同 812.722 95.898 24.489 41

部分相同 813.458 95.356 23.707 41

颜色相同 843.868 94.170 25.551 41

形状相同 783.824 96.542 25.014 41

完全相同 658.504 95.760 21.793 41

900800反应时700600完全不同颜色或形状相同部分相同颜色相同完全相同形状相同

图1 线索与刺激特征的相容性对反应速度的影响

表 2 不同线索-刺激组合材料的多重比较（平均反应时之差的绝对值）

完全不同

部分相同

颜色相同

形状相同

完全相同

完全不同

部分相同

-0.736

颜色相同

-31.146

-30.409*

形状相同

28.898

29.635*

-60.044*

完全相同

154.218***

154.955***

185.364***

125.320***

表3 不同线索-刺激组合材料（完全不同，部分相同，完全相同）的多重比较

完全不同

部分相同

完全相同

表4 不同线索-刺激组合材料（完全不同，颜色相同，完全相同）的多重比较

完全不同

颜色相同

完全相同

表5 不同线索-刺激组合材料（完全不同，形状相同，完全相同）的多重比较

完全不同

形状相同

完全相同

表6 相似与形状、颜色分别相同的t检验

相似和颜色

相似和形状

T值

－3.410

3．454

P值

0．001

0．001

完全不同

形状相同

28.898

完全不同

部分相同

-0.736

完全相同

154.218***

154.955***

完全不同

颜色相同

-31.146

完全相同

154.218***

185.364***

完全相同

154.218***

125.320***

3.1.1 由表1描述统计看出，特征完全相同的反应时最短，相似的反应时居中，完全不同的反应时最长。对完全相同、部分相同（颜色相同或形状相同）和完全不同的平均反应时进行方差分析，结果也达到了显著水平（F（2,80）=54.607 , P<.001）。表明存在相容性效应。具体根据表3多重比较的结果得出，完全相同和完全不同对主效应的贡献显著（p<.001）；部分相同和完全不同对主效应的贡献不显著(p>.5)。即线索-刺激组合材料完全相同存在线索效应，部分相同不存在线索效应。

3.1.2 由表1描述统计看出，特征完全相同的反应时最短，特征完全不同的反应时居中,

颜色相同的反应时最长。对完全相同、颜色相同和完全不同的正确反应时的方差分析结果表明，线索-刺激相容性的主效应显著（F（2，80）=71.969

P<.001）。具体根据表4多重比较结果得出，完全相同和完全不同对主效应贡献显著；而颜色相同与完全不同对主效应贡献不显著(p>.5)，说明颜色不存在线索效应。

3.1.3 由表1描述统计看出，当线索与刺激特征完全相同时，反应时最短，形状相同时，反应时居中，完全不同时，反应时最长。对完全相同、形状相同和完全不同的反应时的方差分析结果表明，线索-刺激相容性的主效应显著（F（2，80）=32.922

P<.001），具体根据表5多重比较结果得出，完全相同和完全不同对主效应贡献显著；形状相同时，线 索对刺激的激活作用也不显著。

3.1.4 对相似与形状、颜色分别相同做t检验，都达到了显著性水平。提示颜色和形状分别对相似这一维度的贡献差不多，两者之间的相互影响才导致了相似与形状、颜色都有差异。该结论预示线索的空间（形状）与非空间特征（颜色）对刺激的反应激活作用的影响可能差不多，即要么形状和颜色都对反应有激活作用，要么都无激活作用。正好与上述结论中形状和颜色都无线索效应吻合。

3.2 讨论

根据表1的描述统计可以得出，线索与刺激特征完全相同的反应时最短；形状相同，完全不同，形状或颜色相似的反应时居中，且时间依次增长；颜色相同的反应时最长。即仅由此描述统计可以得出，形状、颜色完全相同或形状相同可能存在相容性效应，使反应速度加快；而特征的形状颜色部分相同或仅颜色相同不仅不存在相容性效应，反而对反应时有抑制作用。进一步进行方差分析和多重比较可以看出，虽然三组方差分析的主效应都显著，但表3中只有完全相同组对主效应贡献达到了显著性水平，并且完全不同组反应时与该组反应时的差值为正，表明形状、颜色完全相同组存在相容性效应（p<.001）。而部分相同和完全不同对主效应的贡献不显著，说明部分相同组也不存在抑制作用(p>.5)，即特征的形状颜色部分相同组对是否产生相容性影响不大。而从表4的多重比较所得结论与表3所得结论类似，即形状、颜色完全相同组存在相容性效应（p<.001）。颜色相同组对是否产生相容性影响不大(p>.5)，对反应速率不促进也不抑制。从表5的多重比较可以看出 ，仍然是完全相同组对主效应贡献显著（p<.001），而形状相同组对相容性效应虽然从描述统计角度来说是有贡献的，但在此多重比较中贡献未达显著水平(p>.5)，即形状相同对是否产生相容性影响也不大。综上，只有线索与刺激特征完全相同时才存在刺激——反应相容性效应；空间（形状）与非空间（颜色）特征对刺激的反应激活作用均无影响。

本实验结论有许多与前人实验有许多相悖之处。首先，在刺激反应相容性效应实验中，根据经典的维度重叠理论模型（Diemension Overlap Model，简称DO模型）理论，应该为线索与刺激特征完全一致时，反应时最短；线索与刺激特征部分一致时，反应时居中；线索与刺激特征完全不一致时，反应时最长。即线索与刺激视觉特征的相容性对刺激识别速度是有影响的，反应速度取决于刺激与反应的一致性程度，一致性程度高，反应速度加快，一致性程度低，反应速度减慢。根据该假设，被试在集合间维度重合且一致条件下所做的反应最好，是由于前置线索与刺激的相容性高，激活了大脑中对刺激进行加工的机制，因此反应最快；在重合但不一致的情况下，由于前置线索与刺激特征的部分相容激活对刺激反应的速度，因此，反应速度较完全相同时慢；当线索-刺激间无维度重合时，线索激活作用最差，没有线索效应，因此反应时会最长。但本实验在部分相似这一维度上，除了形状相同组反应时较完全不同组反应时短之外，部分相同组和颜色相同组的反应时甚至还超过了完全不同组。即只有形状颜色都完全相同时相容性效应才存在。产生不一致结论的原因可能时因为相容性效应还受到线索与刺激呈现时时间间距（简称SOA）和线索有效概率的影响。表现为相容性强度随SOA的延长呈先增强后减弱的倒“U”形变化，且高的线索有效概率将产生较强的相容性效应。因此，结论的不一致很有可能是SOA的不一致所致。另外，本实验也为相容性的理论研究提出了一种新的构想，即相容性效应只有当空间和非空间线索重合时才能真正意义上的产生，要得出该结论还需进一步的验证。

在考察线索的空间与非空间特征对刺激的反应激活作用的影响问题上，根据表4，表5多重比较结果得出颜色和形状都无线索效应（p>.5）。颜色无线索效应的结论与Martin关于线索效应的非空间线索（颜色）无线索效应的结论相同。但并不能由此推广得出非空间线索 都无线索效应。因为Gehring发现了非空间线索（字母）对反应的促进作用。因此本研究倾向于认为非空间线索本身的特性也是影响反应时的一个关键因素，它可能还会对反应产生抑制作用，如在本实验结果中颜色的反应时甚至高于了完全不同时的反应时（虽然多重比较中没有显著性差异），当然这种与DO模型完全相反的结果也有可能是因为SOA选取不同或被试反应方面的问题，这里就不作深究了。另外，根据统计结果还得出形状也无线索效应，该结论也与前人结论相悖。如张学民、高薇关于线索与刺激特征相容性对刺激识别速度的影响的实验得出而空间线索（形状）的线索效应显著。但参考表1的统计数据，也可以只从描述统计的角度概述性的得出与前人研究一致的结果。从表中看出形状相同的平均反应时明显低于颜色相同的平均反应时，也低于完全不同的反应时（虽然未达显著水平），预示空间特征（形状）至少相对于非空间特征（颜色）线索效应更明显。而只是在本实验中未达到显著性水平，因此和前人的结论不吻合。另外，未得出形状有线索效应的结论还和被试的选取及刺激呈现时间不同有关，这里也不再赘述。关于实验结论与前人的不一致之处，可一并通过后续的实验进一步研究。

4 结论

4．1 线索与刺激特征完全相同时才存在刺激——反应相容性效应。线索与刺激特征部分相同不存在相容性效应。

4．2

颜色和形状特征对刺激反应速率没有激活作用，即都不存在线索效应。但关于非空间线索及空间线索是否存在线索效应还需运用其它实验材料进行进一步验证。

4．3 空间线索（形状）比非空间线索（颜色）更易产生线索效应。

5 主要参考文献

[1] 刘艳芳，S-R相容性的最新理论研究，《心理科学》，1998，Vol21(2)，562。

[2] Bindra.D,etal, Decision latencies of “same” and “different” judgements. Perception and

Psychophysics, 1968,3,121-130

[3] 庄建程 刘艳芳 张侃， 汉字部件与英文字母相容性的 数学模型——一种群体模板相容性的数学表达.，《心理学报》，1998，Vol30(2)。

[4] 刘艳芳 张侃，两类线索相容性的比较研究， 《心理学报》，2001， Vol33(2),132-136。

[5] 刘艳芳 张侃，刺激－反应相容性的度量与运用，《心理学报》，1997，Vol29(1)

[6] 刘艳芳、张侃，前置线索与刺激语义相容性的实验研究，《心理学报》，1997，Vol.31(3)，299-304。

[7] Winand.H.D, & Henderson.L,Preparing to react in the absence of uncertainty II: Stimulus

uncertainty and response compatibility in tactile reaction time, British Journal of Psychology,

1999,Vol 90(3), 349-372.

[8] us-Response Compatibility and Automatic Response Activation: Evidence

From Psychological Studies. Journal of Experimental Psychology: Human Perception and

Performance, 1995,21(4):837-854

[9] 牟炜民 刘艳芳 张侃，基于相容性的汉字和弦编码的设计及实验研究，《心理学报》，1998， Vol30(1)。