心理与教育科学研究的仪器设备

心理与教育科学研究涉及个体众多的心理功能，研究不同的心理功能需要不同的仪器设备。本节将着重介绍计算机、诱发电位仪、眼动记录仪、速示仪等常用仪器的结构、功能及在实际研究中的应用实例。

一、计算机

（一）有关基本概念

计算机（或电脑）（computer）诞生于20世纪40年代。时至今日，计算机经过第一代电子管计算机、第二代晶体管计算机、第三代集成电路（积体电路）计算机、第四代大规模集成电路计算机的发展，已进入第五代计算机发展阶段。有人认为第五代计算机是超大规模集成电路计算机，也是高度智能化的计算机。

今天计算机不仅用于计算数学题目，而且广泛应用于各行各业的各个领域，如计算机辅助教学（CAI）、计算机辅助设计（CAD）、自动化控制等。计算机之所以具有自动性和智能性特点，是因为它不仅是一台电器设备，而且是一个复杂的系统，它由硬件和软件两部分所组成。硬件（或硬体）（hardware）是指计算机的实际部件装置，包括由电子、电气、机械、磁和光学等元件构成的计算机部分，一般指中央处理器和外围设备。图15-1为微型计算机的基本结构。随着硬件技术的发展，计算机的集成化（积体化）程度越来越高。

计算机的另一部分叫软件（或软体）（software），是指使用计算机的技术。具体来讲，就是计算机运行时所需的各种程序及有关资料。软件包括系统软件和应用软件。前者用于计算机本身的管理、维护、控制和运行方面的程序，如操作系统；后者是为了某种应用或解决某类问题所需的各种程序，如统计软件。

随着计算机技术的快速发展，其功能日益扩展。表现之一就是多媒体计算机的出现。多媒体计算机（multimedia computer）是一种新型的微型计算机，不仅能处理数据、文字信息，而且能处理声音、图像信息。与一般计算机相比，多媒体计算机的构成还包括三个部分：

第一部分，声音和音效处理。器件为声霸卡或声效卡，主要功能是实现计算机处理声音信息和产生声音效果。

第二部分，光盘信息处理。主要器件是光盘驱动器（光碟机），用途是使用光盘介质，如普通的音乐光盘、计算机专用的数据光盘和VCD影碟等，在这些光盘上放置的数据需要通过光盘驱动器把数据输入到计算机中才能够处理。

图15-1　微型计算机的基本结构

（采自　王添地，1994，524页）

第三部分，远程信息传输。器件为传真或调制解调器（modem），用途是利用普通的电话线路进行数据的远程传输和通讯。现在国际上非常流行的国际信息互联网（internet），就是利用这一技术使得个人能够进入信息高速公路。

多媒体计算机的上述三个组成部分体现出其基本技术，例如，多媒体操作系统、屏幕的不同窗口管理系统、写作工具、图像与声音的数字化及压缩技术、光盘技术等。因此，在多媒体计算机中，就可以呈现如下的主要媒体：

1.文字　计算机显示文字（text）的技术由来已久。在国内，由于科技工作者的努力，已经成功地解决了计算机显示汉字的问题。

2.图形　指的是利用绘画软件，用点、线、面所绘制构成的，诸如图案、表格、漫画等图形（graphic）。

3.影像　利用计算机外部设备摄取的或利用二维、三维软件所制作的画面，称为影像（image）。

4.声音　利用声波震动变化的原理将起伏的波形记录下来而形成的声音（audio）。

5.动画　利用人眼“视觉暂留”特性而快速播放的连续画面（frame）称为动画（animation）。

6.视讯　视讯（video）是电视讯号中之视觉成分，其原理同动画是一样的。

多媒体计算机的开发和利用，为心理与教育科学研究提供了非常强有力的工具。

（二）在心理与教育科学研究中的功用

自从20世纪60年代起，计算机就被应用于心理与教育科学研究之中。随着计算机技术的发展、功能的增强，计算机越来越显示出其在心理与教育科学研究中的功用。概括起来讲，计算机在心理与教育科学研究中的功用表现如下：

1.呈现刺激　在心理与教育科学研究中，利用多媒体计算机来呈现刺激，可使研究过程自动化、精确化。其呈现刺激的独特功能表现在：（1）既可单独呈现文字、声音、图形图像刺激材料，也可以同时呈现两种或三种刺激材料；（2）既可呈现平面刺激图形，也可以呈现立体刺激图形；（3）呈现刺激的顺序既可以是事先规定的次序，也可以是完全随机呈现；（4）呈现的时间可长可短。

2.记录被试反应，储存研究材料　根据程序设计，计算机可以准确及时地自动记录被试的反应并储存下来，以便分析之用。记录的信息既可以是被试键盘（或鼠标）操作的结果，也可以是被试的声音。此外，计算机有“过目不忘”之功能，它可以分类储存各类研究资料，诸如研究文献、研究工具、被试反应、统计分析结果等，以备日后调用。

3.处理分析研究数据　计算机在心理与教育科学研究中应用最广泛的是对研究数据的处理分析。主要表现在两方面：一方面是数据管理，如储存、提取、复制、进行各种变换、与其他数据连接等；另一方面是统计分析，运用专用统计软件计算所需各种统计量。计算机可以快速准确地完成非常复杂的、人力所不及的统计运算，不仅节省了大量人力，而且使许多统计运算成为可能，极大地提高了心理与教育科学研究的量化分析水平。

4.模拟心理过程　在心理与教育科学研究中，了解个体心理活动的内在过程是学科追求的重要目标。然而，研究者是无法直接观察心理活动过程的，只能通过一定的手段间接地去认识和了解。在此过程中计算机无疑是一种强有力的工具，因为可以把计算机和人脑都视为自动信息处理系统，用计算机模拟无法直接观察的心理过程。电脑类比心理过程从形式上可以分为结构类比（对人脑结构的类比）和功能模拟（对人脑机能的类比），从内容上可分为类比人的感知觉过程、模拟记忆过程和模拟思维过程。在实际中运用较多的是功能模拟和思维模拟。

5.作为训练工具　在心理与教育科学研究中，计算机还可作为训练工具。例如，计算机辅助教学、计算机辅助学习等都对儿童青少年掌握知识和技能发挥了重要作用。

尽管计算机在心理与教育科学研究中可以发挥重要的作用，表现出许多优点，如精确地产生和呈现刺激、准确方便地记录被试的反应、有效地控制实验过程、减少无关变量的影响、节省大量人力和时间、使研究更加标准化等。但是，也必须认识到它的局限性，如控制研究过程缺乏灵活性、统计分析时不能主动判断数据的质量和运算结果等。从发展的趋势看，计算机在心理与教育科学研究中的应用在以下几方面有待进一步加强：（1）大批应用软件的推出和二次开发，包括统计分析软件、诊断与治疗的软件、测量与评价的软件、心理过程的模拟软件等，这样，心理与教育科学研究会变得简便易行。（2）计算机接口技术（或计算机界面技术）（technology of computer interface）指的是沟通计算机与外置设备和周围通道的技术，通过接口电路的协调，可以实现信息和命令的传送。目前计算机接口技术虽然发展很快，但能运用于心理与教育科学研究的仍然不多，而且大多颇为复杂，非计算机专业人员难以完成。计算机接口技术的多样化和简便化是计算机应用的发展方向之一。（3）软件的适时求助功能要进一步简便、清晰、增强可选择性，为不熟悉计算机的研究者提供有效的帮助。（4）要配合理论的新发展改进软件。例如，根据统计分析理论的新发展编制一些功能强的软件。

（三）应用举例

如前所述，计算机已广泛应用于心理与教育各个研究领域，在研究中发挥了巨大作用。其中，计算机化心理测验、诊断和解释系统的发展，是计算机在心理与教育科学研究中应用的一个重要方面。

目前，国外在计算机化心理与教育诊断方面的发展很快，研究者和一些公司相继推出软件，其中麦可德莫特儿童多维评估（McDermott Multidimensional Assessment of Children，简称MMAC）是儿童青少年心理学研究者常用的且功能比较完善的诊断系统，适用于2～18岁儿童青少年心理与教育功能的评估和诊断。其结构图如图15-2所示。

图15-2　麦可德莫特儿童多维评估系统结构示意图

（采自　申继亮等，1993）

从图15-2中可以了解麦可德莫特儿童多维评估系统进行诊断并提出教育方案的过程。首先进入系统，然后对被试进行识别。若需要对被试分类，则进入分类水平。在这一水平上，系统对被试的智力功能、学业成就、适应性行为、社会-情绪调节进行判断，并分类记录保存。分类过程可根据研究者需要按三种方式进行：标准方式、特殊方式和研究方式。如果需要为被试设计教育程序，则进入程序设计水平。在这一水平中，可按监督方式或普通方式为被试的阅读技能、数学技能、学习技能、适应性技能设计个别化的教育程序。实际上，麦可德莫特儿童多维评估系统进行诊断并提出教育方案的过程是十分复杂的，它涉及被试的许多心理过程和状态，包括了一系列必须进行的测量步骤。例如，要诊断某被试的智力状况，就要经过如图15-3的一系列步骤。

图15-3　麦可德莫特儿童多维评估系统诊断智力障碍示意图

（采自　申继亮等，1993）

麦可德莫特儿童多维评估系统在儿童青少年心理发展各方面的障碍或异常的诊断以及干预、治疗方案的发展等方面的功能很强，效果十分显著，受到许多用户和研究者的好评。

二、诱发电位仪

近年来，认知心理学的发展十分迅速。随着对个体认知特点研究的逐渐深入，研究者试图从神经生理学角度揭示认知心理的内在机制，由此产生了一门新兴的学科——神经认知心理学（neurocognitive psychology）。诱发电位仪成为这一新学科的重要研究工具。

（一）有关基本概念

诱发电位（evoked potential，简称EP）是中枢神经系统在感受外在或内在刺激过程中产生的生物电活动。“诱发”一词是对“自发”而言的。中枢神经系统的自发电活动，如脑电图（electroencephalogram，简称EEG），反映的是大脑皮层在无外界刺激时产生的电活动，这种电活动多具有连续性和节律性。诱发电位代表的是中枢神经系统（central nervous system，简称CNS），特定功能状态下的生物电活动的变化。

若把人在安静状态下脑部自发的节律性电活动分类为自发电位（spontaneous potential），而其他与机体内外刺激有关的神经系统电活动，则可统称为诱发电位。这样，诱发电位的含义就不只是包括由外界刺激诱发出的神经系统的电位变化，也要包括伴随各种生理活动，如认知和运动等神经系统的电位变化，这些电位变化由脑发出，并和内在刺激有关。这种广义的诱发电位多称为事件相关电位（event-related potential，简称ERP）。心理学研究中应用的刺激只限于躯体感觉、听觉和视觉三种感觉形式，由这三种刺激诱发出的生理电反应分别称为躯体感觉诱发电位（somatosensory evoked potential，简称SEP）、听觉诱发电位（auditory evoked potential，简称AEP）和视觉诱发电位（visual evoked potential，简称VEP）。

由于躯体感觉诱发电位、听觉诱发电位和视觉诱发电位等事件相关电位的波幅较小，脑电图无法清晰记录它们。研究者采用一种平均技术，即在反复给予同样刺激的过程中，使与刺激有固定时间关系（即锁时，timelocked）的电位活动相对地逐渐增大，而与刺激无固定时间关系的背景电活动（如自发性脑电，各种伪迹和干扰）在多次刺激过程中相互消减，逐渐变小，使诱发电位从背景活动中显现出来。由平均技术得到的诱发电位又称平均诱发电位（average evoked potential，简称AEP）。通常诱发电位、事件相关电位和平均诱发电位是通用的，可以互相替换指代。在心理学研究中更常使用事件相关电位这一概念。

（二）诱发电位实验室与仪器

1.诱发电位实验室　由于静电、磁场、电磁场辐射都会影响诱发电位的记录与识别。因而，产生和测量诱发电位对实验室内外环境的要求较高。

（1）实验室应保持安静，必要时可以用隔声设备，如隔声板、重门、双层玻璃窗、橡皮地板等。测听觉诱发电位时，应建立隔声室或消声室，达到几乎完全隔声。

（2）实验室应有良好的照明条件。在记录不同的诱发电位时，需要不同强度的光线，如测SEP（躯体感觉诱发电位）需要较弱的光线，以利于被试放松。

（3）良好的通风设备和适宜的温度。为了避免被试在测试的过程中产生焦虑、出汗、寒颤等不利于实验的因素，室内必须有良好的通风和适宜的温度。不过在使用空调时要注意消除噪音的干扰。

（4）足够的空间。适宜的空间有利于被试适应测试环境。反之，则会影响实验结果。为减少不必要的干扰，最好在一间房里进行刺激记录，在另一间房里对数据进行分析。

2.诱发电位仪　不同公司生产的诱发电位仪在构件及其物理特性等方面是有差别的，但总的来说，诱发电位仪主要由四个部分构成，即刺激器、放大器、平均器和记录器。操作时，诱发电位仪的工作流程一般是这样的：

（1）刺激器：包括两部分，即刺激器程序设计装置（又称脉冲发生器，impulse generator）和刺激发生器。刺激器的主要作用有两个：一是刺激器程序设计装置决定刺激的重复率和间隔；二是刺激发生器用“换能器”（transducer）将电能转换为光、声和矩形直流脉冲以产生相应的视、听和躯体感觉刺激。同时，刺激发生器还要控制刺激的强度和持续时间。

（2）放大器：被试接受到刺激器发出的刺激，其大脑活动的电信号由安放在头皮上的电极记录下来并通过导线传到放大器。放大器的功能是记录脑电活动信号。在很多研究中常用的是差分放大器（differential amplifier）。

（3）平均器：其功能是对来自放大器的脑电信号采用平均技术从而消除背景电信号使诱发电位清晰地显示出来。

（4）记录器：把平均器产生的诱发电位记录下来，以供研究者分析使用。常用的记录器有磁带。

3.电极的放置除了诱发电位仪各部件是否有良好的物理性能外，电极在头皮的放置部位也是影响诱发电位仪记录效果的重要因素。电极在头皮放置的原则是要保证所记录的反应清晰，易被识别。在研究中一般采用国际脑电图学会建议使用的标准电极放置法，习惯上称为10～20系统电极放置法。此方法是因为头颅有大小和形状的不同，采用百分数表示距离（10% 与20%）来计算电极的放置位置。具体方法可参阅有关资料。

（三）应用举例

平均诱发电位是一组复合脑电波，刺激以后10毫秒之内出现的一组波称为早成分，代表接受刺激感觉器官发出的神经冲动，沿通路传导的过程；10～15毫秒的一组称中成分；50～500毫秒的一组称晚成分。可以根据每种成分出现的潜伏期和电变化的方向性对晚成分进行命名，如400毫秒左右出现的负波可命名为N400；也可以根据每种成分出现的顺序和极性方向对成分进行命名，如第一个出现的正波为P1波，第一个出现的负波为N1波等，并以此类推。

研究者对个体认知特点的研究已逐渐深入到神经、脑功能领域，越来越多的研究致力于探讨认知的神经活动机制。诱发电位，尤其是P300作为反映个体大脑认知功能的重要指标已经被许多研究者认可，诱发电位仪也为许多研究所采用。下面简单介绍一项使用诱发电位仪的研究，是天津师大梁福成做的《不同个性特点儿童的听觉认知事件相关电位的实验研究》。

该研究采用的是美国NICOLET公司生产的COMPACT FOUR脑诱发电位仪，对29名11～12岁儿童的听觉事件相关电位进行测定，并考察了儿童智力水平与听觉事件相关电位的关系。研究结果表明：儿童智力水平与听觉事件相关电位的各潜伏期呈负相关，与反映听觉认知功能的主要指标P3的负相关达到显著水平，与听觉认知时间相关电位的振幅呈正相关。也就是说，儿童智力水平越高，其P3波的潜伏期越短，振幅越大。该研究的研究者认为，潜伏期缩短说明了听觉认知加工时间在减少，振幅增大说明了注意力集中性的提高。这些都反映了高级神经系统活动的机能在随着儿童年龄的增长而不断完善着。

三、眼动记录仪

（一）有关基本概念

眼睛是人体最活跃的感官。不像耳朵只是被动地接受传来的信号，眼睛可以选择想看的事物。眼动则在视知觉过程中扮演了很重要的角色。我们知道人眼是通过视网膜看到事物的，而视网膜上的中央凹是使物体成像最清晰的位置。当人对物体某部分感兴趣时，就想看清它，就要转动眼睛以使其成像于中央凹。人的眼动服务于人脑对所观察事物的加工过程，对眼动的分析有助于研究者揭开人的认知加工过程的奥秘。

当人眼持续地看物体的某一部位时，这一部位就被称为注视点，这一过程称为注视（fixation）。人在一段时间里会多次注视不同的位置，从一个注视点转到另一个注视点的过程称为眼跳（saccade）。眼跳是快速眼动过程，眼跳的速度极快，其发生的频率一般在2～3次/秒。在一段时间里，注视点还会多次注视同一部位，这种现象称为回视（regression）。眼动过程主要包括了注视、眼跳和回视等几种活动。对注视时间、注视频率、眼跳距离、回视频率等诸多指标的分析构成了眼动分析的基本框架。眼动记录仪能精确记录人在视知觉过程中的眼动轨迹，提供上述指标，是视知觉尤其是阅读研究的重要工具。图15-4所示即为常用的眼动记录仪。