Элементы психофизики. Психология сенсорных процессов. Психофизика Элементы психофизики

3.1.1. Введение

Психология сенсорных процессов (от лат. sensus - ощущение) изучает началь­ный момент психических процессов, и в этом ее особая важность для психологи­ческой науки в целом.

Первичный контакт человека с окру­жающим миром и собственным организ­мом, дающий ему исходную информацию о свойствах и состояниях внешней и внут­ренней среды, происходит посредством ощущений (в классической терминологии) или сенсорных процессов (в современной терминологии). Это непосредственно чув­ственное отражение отдельных свойств воспринимаемого объекта или явления.

Согласно концепции происхождения психики А.Н. Леонтьева (1981), одной из наиболее проработанных, ощущение - филогенетически исходная форма психики. Обосновано, что критерии возникновения психического - это появление у простей­ших животных (в связи с возникновением подвижного образа жизни) чувствитель­ности как способности отвечать не только на непосредственно биологически значи­мые объекты (в отличие от раздражимости растений), но и на раздражители, несущие о них лишь сигнальную информацию (на­пример, на химические вещества, вызы­вающие запах пищи, а не на саму пищу).

Место ощущения в ряду познавательных

процессов

Впервые Фома Аквинский в XIII в. вы­делил в психике и поведении человека когнитивную сферу (познание мира) и аффективную (эмоциональные состоя­ния). В современных руководствах такое разделение остается распространенным .

Принято проводить его уже не только по одному основанию (функционально­му, как это заложено у Фомы Аквинско-го), но по двум критериям: а) вновь по функции - познавательной для первой сферы (когнитивной), а регулирующей поведение и само познание- для второй, в которую кроме всех видов аффективных процессов включаются также процессы волевые, психические состояния и свой­ства личности; б) по продуктивности: ког­нитивные процессы - продуктивные, так как на выходе их формируются специфи­ческие когнитивные образования (про­дукты этих процессов) - образы ощуще­ния, восприятия, следы памяти, решения задач, мысли, рефлексивные образы. Процессы же, свойства и состояния, вхо­дящие во вторую группу, не приводят к образованию специфических продуктов. Общность познавательной функции, объединяющей собой всю когнитивную сферу (хотя есть и другие точки зрения), представляется и в триадических концеп­циях структуры психики. А именно: в классической триаде «ум, чувство, воля», восходящей к Аристотелю (где воля вы­делена из аффективной сферы в самосто­ятельную), а также в современной теории системного строения психики, включаю­щего когнитивную подсистему, регуля­тивную (объединяющую по функцио­нальному принципу чувство и волю) и коммуникативную [Ломов, 1999].

В современных учебниках психоло­гии и университетских курсах во всем мире изучение когнитивных процессов следует учению В. Вундта (1890) об их иерархическом строении. По принципу возрастающей сложности и качествен­ной специфики Вундт выделил основ­ные структурно-функциональные уров­ни организации когнитивных процессов: ощущение, восприятие, память, мыш­ление, речь, сознание. Таким образом, ощущения (сами сенсорные процессы и их продукты) - это исходный, базовый уровень когнитивной сферы психики.

Необходимо сказать, что с середины XX в. сложились также иные традиции в понимании ее структуры, а именно: 1) от­носить ощущение и восприятие к сенсор­но-перцептивному уровню, а остальные, более сложноорганизованные, процессы (от памяти до сознания) - к уровню ког­нитивному; либо 2) рассматривать все по­знавательные процессы (от ощущения до сознания) как стадии достаточно общего по своему психологическому содержанию процесса приема и переработки информа­ции (парадигма когнитивной психологии), а весь этот процесс представлять как ис­ходный блок целостного поведенческого акта, куда входит сравнение воспринятой информации с извлеченной из памяти, включающей цель субъекта, принятие ре­шения, исполнение.

Специфика сенсорных процессов

На протяжении всей истории психологии не прекращаются дискуссии о соотно­шении сенсорных и перцептивных процес­сов - и как о самостоятельной проблеме, и в рамках проблемы о структуре когни­тивной сферы в целом. Разграничение ощущения и восприятия предложил Т.

Рейд (1785). В современной психологии сенсорных и перцептивных процессов оно остается распространенным - по крите­риям целостности и предметности образа . Восприятие-отраже­ние целостного объекта или явления, включающее его предметное значение (например, восприятие луны, удара коло­кола, вкуса дыни и т. п.), в отличие от ощущения - отражения отдельных сто­рон воспринимаемой действительности, не отнесенного к конкретному объекту с его предметным значением (ощущение светового пятна, громкого звука, сладко­го вкуса и т. п.). При этом под ощущени­ем понимается и сам процесс сенсорного отражения, и его продукт- сенсорный образ. Ассоцианистская психология XIX в. представляла целостный образ восприятия как ассоциацию отдельных ощущений признаков объекта друг с другом и его предметным значением.

В начале XX в. эти представления зас­луженно критиковали гештальтисты, но при этом они впали в другую крайность: совершенно игнорировали существование в феноменальном опыте ощущений и при­знавали лишь целостные перцепты, зави­сящие не только от объекта, но и в значи­тельной степени от врожденных свойств восприятия. Вместе с тем еще ранее (Фех-нер, 1860) возникновение психофизики по­казало возможности экспериментально и количественно изучать ощущения как функцию стимуляции. Во второй полови­не XX столетия в зарубежной психологии точку зрения о единстве сенсорно-перцеп­тивных процессов последовательно отста­ивает Дж. Гибсон (1990). Тем не менее в на­стоящее время сохраняются представле­ния о специфике сенсорных процессов по отношению к перцептивным. Они разви­ты А.Н. Леонтьевым (1959-1975) в концеп­ции о природе чувственного отражения. В ней классическая двойственность перцеп­тивного образа предстает как единство его чувственной ткани, экспериментально ис­следованной учениками Леонтьева (Сто-лин, 1976; Логвиненко, 1976; и др.), т. е. сен­сорной основы образа, что и соответству­ет традиционному понятию «ощущение», и предметного значения. В созерцательно-сенсуалистической психологии XIX в. (Э. Титченер и др.) ощущения предлага­лось вычленять из субъективного опыта методом аналитической интроспекции, которая представляла их сознанию как да­лее неразложимые элементы этого опыта. Вместе с тем в образах ощущений выде­лялись четыре их атрибута: качество (мо­дальность или субмодальность), интенсив­ность, пространственная и временная структура, что, в отличие от аналитичес­кой интроспекции, не потеряло своего значения (Boring, 1963; Hensel, 1966; Ана­ньев, 1977). О. Кюльпе в конце XIX в. и за­тем С. Стивене (1934) обосновывали, что отдельные атрибуты ощущений можно разграничить, если они изменяются неза­висимо друг от друга или остаются посто­янными при изменении других свойств (например, при изменении субъективной яркости светового пятна его видимый цвет, площадь, длительность сохраняются пре­жними). Стивене экспериментально пост­роил функции постоянства громкости зву­ка при изменении его высоты и противо­положные функции (с небольшими откло­нениями на концах шкалы). В действи­тельности нет полной независимости из­менения одних сенсорных признаков от других, но все же есть относительная. По­этому в психологических исследованиях сенсорных процессов вычленились и со­храняются отдельные направления, изуча­ющие субъективное отражение различных признаков объекта в рамках четырех ас­пектов ощущения (в зрении - цвета, яр­кости, размера, глубины, формы, движе­ния, скорости и т. д.; в слухе - громкости, высоты, тембра звука; в кожной чувстви­тельности - прикосновения, давления, температуры, боли; во всех случаях- для разных величин ощущения, его простран­ственных и временных характеристик) .-Че­ловек способен, если требуется, выделить в своем субъективном опыте эти отдель­ные аспекты сенсорного образа, которые также называются ощущениями (напри­мер, в сенсорном образе звука человек мо­жет сосредоточиться только на громкос­ти, либо высоте, либо тембре, либо дли-

тельности, либо локализации в простран­стве). Таким образом, специфика сенсор­ных процессов по отношению к перцеп­тивным имеет место прежде всего в рам­ках конкретной задачи, поставленной пе­ред наблюдателем и выполняемой им. А именно: задачи, требующей выделить за­данный признак объекта (и при этом от­влечься от остальных) и произвести с ним требуемые действия (например, обнару­жить на фоне шумов более громкий звук, различить два световых сигнала по ярко­сти, оценить, насколько кислыми являют­ся растворы разной концентрации). В раз­личных видах практической деятельности человека широко распространены подоб­ные задачи (см. подразд. 3.1.5). Поэтому изучение сенсорных процессов имеет важнейшее значение не только теорети­ческое (как исследование исходной фор­мы психического отражения), но и при­кладное. Отметим, что в отечественных исследованиях наряду с термином «сен­сорный» используется также термин «сен­сорно-перцептивный», в зарубежных же работах, как правило, употребляется пер­вое понятие («sensory»).

Психофизический, психофизиологический

и психосемантический методы изучения

сенсорных процессов

Исследования сенсорных процессов ве­дутся в рамках трех основных дисцип­лин - психофизики, психофизиологии и психосемантики с использованием их специфических методов.

Психофизиологические методы по­зволяют выявить механизмы сенсорных процессов, связанные с функционирова­нием нервной системы человека. Это ре­гистрация и анализ вегетативных прояв­лений сенсорных процессов (чаще все­го - КГР), реакций рецепторов (микро­фонного эффекта улитки, электрорети-нограммы), адаптационных перифери­ческих реакций (сужение зрачка на свет и кровеносных сосудов на холод), показа­телей типологических свойств нервной системы. Такие характеристики исполь­зуются при изучении дифференциально-

психологических механизмов межинди­видуальной вариативности сенсорных процессов и их индивидуальной динами­ки, связанной с изменением уровня пси­хофизиологической активированности; в исследованиях субсенсорной чувстви­тельности (к подпороговой стимуляции, которая недостаточна для осознанных ощущений и вызывает ответ лишь на уровне непроизвольных физиологичес­ких реакций), а также в тех случаях, ког­да произвольный ответ затруднен (у лиц с патологией речи и маленьких детей). Психофизиологические методы включа­ют также регистрацию и анализ биоэлек­трической активности мозга, что позво­ляет выявить объективный порог обна­ружения сигнала и наиболее развито в исследованиях цветового зрения и меха­низмов кодирования сенсорной инфор­мации в нервной системе. Все же психо­физиологические механизмы сенсорных процессов - предмет данной самостоя­тельной области знания, поэтому они будут рассматриваться (в подразд. 3.1.3, 3.1.4) лишь в связи с материалами психо­физики - основного среди направлений в изучении сенсорных процессов, исполь­зующих психологические методы.

Другое такое направление (которое становится все более распространен­ным) - психосемантика - изучение индивидуальных систем значений и ка­тегорий, представлений, эмоционально-эстетических ассоциаций, опосредующих восприятие сенсорных признаков объек­тов. В этих исследованиях (подразд. 3.1.3) на основе методов семантического диф­ференциала Осгуда, личностных конст­руктов Келли, многомерного шкалиро­вания, специализированных интервью испытуемых, в частности, выявлено, что такое опосредование повышает соб­ственно сенсорную чувствительность человека; кроме того, построены психо­логические модели сенсорных про­странств, помогающие понять, как представлены сенсорные признаки в субъективном мире человека.

Итак, магистральным направлением в изучении сенсорных процессов психологическими методами (т. е. регистрацией и анализом произвольных ответов челове­ка на воспринимаемую сенсорную ин­формацию) является психофизика. Это исторически первая экспериментальная область психологии. Официальное рожде­ние психологии относят к 1879 г. - от­крытию первой в мире эксперименталь­ной лаборатории В. Вундта, однако еще в 1860 г. вышел в свет капитальный труд Г.Т. Фехнера «Элементы психофизики». В нем была представлена разработанная автором новая наука: пороговая теория психофизики, ее экспериментальные ме­тоды и полученные (в ходе многих тысяч измерений) фундаментальные результаты по оценке порогов чувствительности. И теория, и методы, и результаты стали классическими. Важнейшее значение ра­боты Фехнера - обоснование принципи­альной измеримости субъективных пси­хических феноменов (на материале ощу­щений) и возможности их изучения стро­гими экспериментальными методами. Та­ким образом, Фехнер изначально зало­жил естественнонаучный фундамент психологии - изучение психических про­цессов по их объективным поведенчес­ким проявлениям, позволяющим опи­сать субъективные феномены. Благодаря этому, психология из чисто описательно­го раздела философии превратилась в са­мостоятельную экспериментальную на­уку. Фехнер разработал методологию ко­личественного исследования психических процессов, значение которой является непреходящим для психологии и исполь­зуется поныне (как и его пороговые ме­тоды). Принципы и методы психоло­гических измерений, развитые в психо­физике (конечно, и после Фехнера), при­меняются во всех областях психоло­гического знания.

Цели настоящего изложения - преж­де всего осветить современные исследо­вания сенсорных процессов. Ранние же концепции и те разделы, которые под­робно представлены в имеющихся руко­водствах, лишь кратко перечислим, ото­слав читателя к рекомендованной лите­ратуре. Это историческое развитие пред-

ставлений об органах чувств и их функ­циях: закон специфических энергий ор­ганов чувств, понятие об анализаторах, рецепторная и рефлекторная теории ощущений, виды классификаций ощу­щений, адаптация и сенсибилизация [Величковский и др., 1973;Лурия, 1975; Хрестоматия по ощущению и восприя­тию, 2002], взаимодействие анализато­ров, синестезии, системная организация сенсорики [Величковский и др., 1973; Гибсон, 1990; Лурия, 1975; Познаватель­ные процессы, 1982], многомерные модели сенсорного пространства, пост­роенные в середине XX в. для цветово­го зрения [Соколов, Измайлов, 1986], сенсорно-тоническая теория восприя­тия [Скотникова, 2002].

При изложении материалов психо­физики внимание вновь прежде всего уделено систематизации современных концепций и направлений исследова­ний, которые представлены лишь в англоязычной литературе либо разбро­саны по разным отечественным источ­никам, а также наиболее принципиаль­ным обобщающим теориям. Сведения же, подробно освещенные в доступных руководствах, даны кратко либо опуще­ны. Это классические и большинство современных теорий дискретности-не­прерывности работы сенсорной систе­мы и методы измерения чувствитель­ности [Бардин, 1976; Гусев и др., 1997; Проблемы и методы психофизики, 1974; Свете и др., 1964], концепция сенсорно­го рассеяния и различения Л. Терстона [Гусев и др., 1997; Проблемы и методы психофизики, 1974], субъективное шка­лирование С. Стивенса и два класса сен­сорных континуумов - протетические и метатетические [Гусев и др., 1997; Лу-пандин, 1989; Стивене, 1960], модели принятия решения в обнаружении и различении с внешним научением [Ат-кинсон, 1980], концепция субсенсорной зоны и объективная сенсометрия, тео­рия уровней адаптации [Хрестоматия по ощущению и восприятию, 2002].

3.1.2. Наиболее крупные концепции

психофизики и ведущие направления

исследований, сформировавшиеся

до середины 70-х гг. XX века

Психофизика - психологическая дис­циплина, изучающая измерение челове­ческих ощущений, т. е. определение ко­личественных отношений между величи­нами физических раздражителей и ощу­щений. В настоящее время к области пси­хофизики относят не только собственно ощущение, но и другие психические яв­ления, взаимодействующие в процессе построения чувственного образа или ока­зывающие влияние на него: восприятие и память, принятие решения, внимание и др. Таким образом, психофизика понима­ется как разветвленная область психоло­гии, изучающая законы чувственного от­ражения, а также поведение и деятель­ность человека при восприятии и оценке сигналов внешней и внутренней среды [Забродин, Лебедев, 1977].

Поставив проблему измерения ощу­щений, Г. Фехнер предполагал, что че­ловек не способен непосредственно количественно оценивать их величины. Поэтому он предложил косвенный спо­соб измерения - в единицах физической величины стимула. Величина ощущения представлялась как сумма едва заметных его приращений над исходной точкой. Для ее обозначения Фехнер ввел поня­тие порога ощущения, измеряемого в единицах стимула. Абсолютный порог и различительный (дифференциальный, или едва заметное различие - езр) - это та минимальная величина стимула (или соответственно различия двух стиму­лов), превышение которой вызывает осознанное ощущение этого стимула (или различия стимулов), а снижение не вызывает. Для измерения абсолютного и дифференциального порогов Фехнер разработал три метода: минимальных изменений, средней ошибки и констан­тных стимулов. Просуммировав изме­ренные величины езр над абсолютным порогом до данного ощущения, полу­чим его величину. Понятие порога Фехнера и его пороговые методы сохрани­лись и широко используются поныне. В прикладных работах применяется также определение величины ощущения числом езр. Исходя из закона Вебера о постоян­стве едва заметного приращения величи­ны стимула к его исходной величине и приняв априорный постулат о равенстве субъективных величин езр во всем диапа­зоне стимулов, Фехнер математически вы­вел логарифмическую функцию зависимо­сти величины ощущения от величины сти­мула. Это основной психофизический за­кон Фехнера: R = k (InS - lnS 0), где R - величина ощущения, S - величина дей­ствующего стимула, S o - абсолютный порог. Таким образом, измерив абсо­лютный порог, можно вычислить вели­чину ощущения для действующего сти­мула. Постулат Фехнера критикуется за безосновательность (заслуженно), а те­ория - за то, что игнорирует феномен ложной тревоги, которому современная психофизика уделяет большое внимание. В целом же психофизика Фехнера была и остается классической [Бардин, 1976]. Спустя почти столетие после появле­ния психофизики Фехнера параллельно ей утвердилась другая парадигма, осно­ванная на допущении о возможности непосредственной количественной оцен­ки человеком величины своих ощущений. С. Стивене в 1940-60-е гг. (вслед за свои­ми предшественниками - Плато, Брен-тано, Терстоном) разработал прямые ме­тоды измерения ощущений и построения субъективных сенсорных шкал (основан­ных на определении человеком порядка своих ощущений по возрастанию, либо расстояний или отношений между ними, либо на присвоении им числовых значе­ний). Субъективные величины ощущений, определяемые прямыми методами, оказа­лись связанными с объективными вели­чинами стимулов степенной зависимо­стью. Стивене получил ее также и мате­матическим путем: R = k (S - S 0) n (ос­новной психофизический закон Стивен-са), введя априорный постулат (вызы­вающий как критику, так и согласие) о постоянстве отношения едва заметного

прироста ощущения к его исходной ве­личине во всем ряду ощущений.

Позднее разработаны законы, выра­жаемые другими математическими урав­нениями: экспоненциальной функцией (Putter, 1918), тангенциальной (Zinner, 1930-1931), арктангенциальной (Beneze, 1929), интегральной фи-гамма функцией (Houston, 1932) и др., которые не претен­дуют на универсальность и имеют доста­точно узкие области применения. Различ­ные выражения психофизического закона в большинстве случаев не противоречат друг другу, поскольку описывают разные стороны сенсорно-перцептивных процес­сов. Предложены варианты обобщенно­го психофизического закона, описываю­щие и логарифмическую, и степенную функции (Ekman, 1956; Baird, 1975), а так­же эти и любые математические функции, промежуточные между ними [Забродин, Лебедев 1977]. Этот закон как наиболее обобщенный будет рассмотрен ниже.

В некоторых зарубежных работах психофизика Фехнера называется объек­тивной, а психофизика Стивенса - субъек­тивной (по методологическому принципу [Пьерон, 1966]).

Принято также выделять в психофизи­ке два основных раздела: так называемую «Психофизику-I» (учение о чувствитель­ности сенсорных систем) и «Психофизику-II» (учение о сенсорных шкалах для измерения вышепороговых ощущений). У Фехнера такого разделения не сущест­вовало, так как измерение и чувствитель­ности, и величин ощущений базировалось на одном основании - понятии порога. Однако в дальнейшем в обоих разделах психофизики были созданы беспороговые методы измерений, и эти разделы превра­тились в самостоятельные направления исследования со своей методологией, фе­номенологией и понятийным аппаратом. Промежуточное положение между ними занимает проблематика, связанная с ос­новным психофизическим законом.

Различают также классическую и так называемую современную психофизику. В области психофизики-I различие между ними в том, что современная психофизика допускает собственные шумы в сенсор­ной системе и рассматривает обнаруже­ние раздражителей малой интенсивности как выделение слабого сигнала из флук­туирующего шума. В классической же психофизике сенсорный шум не сопоста­вим с уровнем даже слабого сигнала. По­этому для современной психофизики ре­акция ложной тревоги - закономерный ответ сенсорной системы, а для классичес­кой - поведенческая реакция, вызванная несенсорными факторами. В области пси-хофизики-И классическая психофизика - это построение шкал накопленных езр, а современная - шкалирование субъектив­ных оценок стимула. Разделяют также психофизику сенсорных и психофизику перцептивных процессов, изучающих, со­ответственно, количественные законо­мерности отражения отдельных свойств объекта (традиционная дисциплина) и це­лостного объекта.

Проблема дискретности - непрерывности сенсорного ряда в классической психофизике

Пороговая концепция Фехнера посту­лировала реальность существования сен­сорного порога, делящего все стимулы на ощущаемые и неощущаемые. Таким об­разом, ряд ощущений представлялся дис­кретным: с ростом величины стимула последующее ощущение возникает после предыдущего только тогда, когда прирост стимула превысит пороговую величину (езр). Это была первая концепция дис­кретности работы сенсорной системы. Пороговые методы Фехнера дают описа­ние процесса перехода от неощущения к ощущению в виде психометрической фун­кции - зависимости частоты правильных ответов испытуемого от величины стиму­ла. Теоретически функция имеет вид плав­ной S-образной кривой, пороговая точка на которой находится расчетным путем (рис. 3.1). Фехнер объяснял плавный ха­рактер кривой тем, что порог флуктуирует во времени, а его оппоненты (Г. Мюллер, Дж. Ястров, Г. Урбан) - отсутствием по­рога в сенсорной системе.

На основе плавного характера психо-

Рис. 3.1. Теоретический вид психометричес­кой функции.

S - ось стимулов; Р - ось вероятностей (ча­стот) ответов; S O 25 , S_, 5 - величины стиму­лов, дающие 25 и 75% правильных ответов; S s [ - значение эталонного стимула (в задаче различения); Md - среднее значение функ­ции, соответствующее абсолютному порогу (в задаче его измерения) либо точке субъек­тивного равенства (субъективному эквива­ленту эталона) - в задаче различения.

метрической кривой была развита класси­ческая теория непрерывности сенсорного ряда. Он представлялся как непрерывный ряд промежуточных степеней ясности - поэтому на психометрической кривой нет какой-либо точки, отличающейся по сво­им свойствам от остальных. Источником вариабельности результатов эксперимента считалось действие случайных внесенсор-ных переменных, а не флуктуации порога во времени (как в пороговой теории Фех­нера). Баланс благоприятных и неблаго­приятных случайных факторов распределя­ется по нормальному закону Гаусса. Таким образом, развернулась дискуссия по про­блеме дискретности - непрерывности сенсорного ряда, которая до настоящего времени остается одной из основных про­блем психофизики [Бардин, 1976].

Психофизическая теория обнаружения

сигнала - современная концепция непрерывности

работы сенсорной системы

Двумя основными экспериментально-теоретическими парадигмами, существо­вавшими в психофизике до середины двадцатого столетия, были пороговая

Рис. 3.2. Плотности вероятностей распределения мгновенных значений сенсорного эф­фекта шума (N) и сигнала (S).

Xs - ось значений сенсорного эффекта; С - положение критерия принятия решения. Вертикальная штриховка - плотности вероятностей правильных ответов «да» («попаданий»), косая штриховка - плотности вероятностей неправильных ответов «да» («ложных тревог»). а - симметричный критерий: P(S) = P(N) = 0,5; б - «либеральный» критерий: P(S) = 0,8; P(N) = 0,2; в - «строгий» критерий: P(S) = 0,2; P(N) = 0,8.

психофизика Фехнера и психофизика субъективных оценок Стивенса. Третья парадигма связана с появлением психофи­зической теории обнаружения сигнала (sig­nal detection theory - SDT) (Tanner, Swets, Birdsall, Green, 1954-1972), базирующей­ся на статистической теории принятия ре­шения, разработанной в радиотехнике. Это пересмотр прежней психофизики и принципиальный шаг в понимании при­роды ответов человека в сенсорных зада­чах. Теория разработана для задачи обна­ружения звукового сигнала на фоне шума и применена далее к различению сигна­лов и остальным модальностям. В клас­сической психофизике ответ испытуемо­го понимался как прямое отражение его сенсорных впечатлений, поэтому на ос­нове этих ответов оценивалась чувстви­тельность (как величина, обратная поро­гу). SDT выделила в ответе две составля­ющие - собственно сенсорную чувст­вительность наблюдателя и принятие им решения о характере сенсорного впечат­ления. Разработана теоретическая мо­дель, описывающая оба компонента по­ведения наблюдателя, методы их изуче­ния и раздельные меры оценки. Стало ясно, что показатели порога - это ха­рактеристики не «чистой» чувствитель­ности, но суммарные меры исполнения, зависящие от особенностей принятия решения. (Тем не менее пороговые ме­тоды остались в арсенале психофизики и широко используются, особенно в ряде прикладных областей, для приблизитель­ной экспресс-оценки чувствительности, где они обнаружили преимущества перед методами SDT - подразд. 3.1.4.)

Основная экспериментальная пара­дигма SDT- обнаружение сигнала на фоне случайного шума - либо внешнего (предъявляемого наблюдателю), либо внутреннего шума сенсорной системы. Плотности вероятностей распределения мгновенных значений шума описывают­ся нормальным законом. Таким же рас­пределением (лишь смещенным вправо по оси интенсивности сигнала и шума) характеризуется сигнал, добавленный к шуму. Сенсорные эффекты сигнала и шума представляются точным отображе­нием этих двух распределений. Предпола­гается, что испытуемый знает эти распре­деления и решает, какое из них вызвало сенсорный эффект, оценивая отношение их правдоподобия на основе выбранного им критерия принятия решения (рис. 3.2). Критерий может соответствовать любому значению сигнала и шума, поскольку оп­ределяется несенсорной информацией об априорных вероятностях предъявления сигнала и шума и стоимостях ответов - об этом наблюдатель узнает из инструк­ции. Таким образом, классическое поня­тие порога как реальной границы между ощущаемыми и неощущаемыми стимула­ми на сенсорной оси заменено понятием

Рис. 3.3. Теоретический вид рабочей харак­теристики наблюдателя (РХ) р(Н) - вероятности попаданий; p(FA) - ве­роятности ложных тревог. Дуга РХ строится по точкам, характеризующим различные положе­ния критерия наблюдателя в эксперименте.

критерия, который наблюдатель может произвольно помещать в любую точку этой оси. Тем самым сенсорная ось ока­зывается непрерывной.

Ответы наблюдателя бывают четырех типов: попадание (правильное обнаруже­ние сигнала), покой (правильное отрица­ние сигнала), ложная тревога (ответ «да - был сигнал» - при предъявлении только шума) и пропуск сигнала. SDT переносит фокус психофизического исследования на анализ процесса принятия решения. С этой целью в разных сериях эксперимента наблюдателю дается несенсорная инфор­мация, побуждающая смещать критерий решения (в методе «да» - «нет»), либо он должен в каждой пробе по нескольким ка­тегориям (4-6) оценить вероятность того, что был сигнал (т. е. использовать соответствующее число критериев реше­ния - в методе оценки). В обоих методах для каждого значения критерия результа­ты обнаружения характеризуются двумя эмпирическими частотами - попаданий и ложных тревог (что достаточно, так как частоты покоя и пропусков лишь допол­няют их до единицы).

Анализ результатов обнаружения про­водится путем построения рабочей ха­рактеристики наблюдателя (РХ) - зависи­мости вероятности попадания (Hit - Н) от вероятности ложной тревоги (False

Рис. 3.4. Рабочие характеристики наблюдате­ля, соответствующие различным величинам чувствительности, т.е. возрастанию индекса <Х начиная от 0 (случайного угадывания).

alarm - FA) (рис. 3.3). РХ описывает пове­дение человека в экспериментах SDT, где стимуляция стационарна: предъявляется лишь одна пара стимулов - шум и сигнал. (В различении, которое описывается так же, как обнаружение, и изучается теми же методами, в качестве сигнала обычно за­дается пара разных стимулов, а в качестве шума - пара одинаковых, но может быть и наоборот.) Иное описание поведения на­блюдателя дает психометрическая функ­ция, так как пороговые задачи строятся противоположным образом: стимул в раз­ных пробах может иметь гораздо больше значений (5-7 в методе констант и прак­тически неограниченное число значений в двух других методах), процесс же реше­ния полагается стационарным. (В действи­тельности во многих современных рабо­тах зафиксировано непостоянство крите­рия в пороговых экспериментах - но это результат влияния «переменных субъек­та», а не специально заданной несенсор­ной информации, как в парадигме SDT.) Точки РХ идеального наблюдателя соот­ветствуют одной и той же величине чув­ствительности. При снижении чувстви­тельности РХ смещается к диагонали (где верные ответы и ошибки равновероятны) единичного квадрата, образующие кото­рого - вероятности попаданий и ложных тревог, а при повышении - к левому верх­нему его углу (где попадания часты, а лож­ные тревоги редки - рис. 3.4).

Каждое значение критерия принятия решения соответствует крутизне кривой РХ в данной точке и определяется тангенсом угла наклона касательной к кривой в этой точке (см. рис. 3.3) (что соответствует про­изводной в этой точке). Теоретическое зна­чение критерия (($) рассчитывается на ос­нове априорных вероятностей сигнала и шума и стоимостей всех четырех типов от­ветов. Для оценки эмпирических значений критерия существует ряд показателей (см. ниже и в подразд. 3.1.4). Сенсорная чувстви­тельность наблюдателя - d" («detectabi-lity» - обнаружимость) соответствует рас­стоянию между средними распределений шума и сигнала в единицах стандартного отклонения (оно принимается равным для обоих распределений) [Бардин, 1976; Гусев и др., 1997; Проблемы и методы психофи­зики, 1974; Свете и др., 1964].

На основе экспериментальных данных d" вычисляется как z s - z n - разность нормированных отклонений (найденных по таблицам нормального распределения плотностей вероятностей) частот и попа­даний ложных тревог. Используются и дру­гие меры чувствительности (см. [Бардин, 1976] и подразд. 3.1.4 этой главы). Соглас­но SDT, для оценки чувствительности без оценки динамики критерия рекомендует­ся третий метод, также разработанный на основе этой теории, - «вынужденный вы­бор» (выбор испытуемым одного из двух (или более) интервалов наблюдения, где, по его мнению, был сигнал). Принимает­ся, что критерий в этой процедуре стаби­лен, поэтому чувствительность оценивает­ся точнее [Бардин, 1976]. (Однако позднее получены данные о нестабильности кри­терия в вынужденном выборе и более ус­тойчивых индексах чувствительности в ме­тоде «да-нет» (Войтенко, 1989; Дубровс­кий, Лови, 1995,1996).

Современные концепции дискретности сенсорного ряда

Эти концепции подробно охарактери­зованы в литературе [Бардин, 1976; 1993; Забродин, Лебедев, 1977], поэтому пред­ставим их кратко. Крупнейшей после

Фехнера пороговой концепцией явилась нейроквантовая теория (von Bekesy, 1930-1936; Stevens etal., 1941). В ней сен­сорный эффект связан с работой гипоте­тических функциональных единиц в сен­сорной системе - нейроквантов, или NQ. Каждый NQ срабатывает, как только раз­дражение достигает его порогового уров­ня. В зависимости от силы раздражителя активируется различное число NQ в еди­ницу времени, чем и определяется разная интенсивность ощущений. В результате теория предполагает прямолинейную форму психометрической функции, в от­личие от обычной S-образной. Линейные функции были получены авторами в экспериментах, но впоследствии обнару­живались крайне редко, так как они тре­буют подавления всех шумов.

Развитие теории обнаружения сигна­ла привело к появлению новых пороговых концепций, использующих предложенную метрику сенсорного пространства (в виде стандартного отклонения нормального распределения шумовых сенсорных эф­фектов) и признающих ложные тревоги закономерными ответами наблюдателя (в отличие от классической психофизики). В высокопороговой теории (Blackwell, 1953) предполагается, что ощущение может вызвать только сигнал, но не шум, т. е. порог располагается выше среднего значе­ния шума, сенсорный эффект от которо­го не может превзойти порог. В результа­те ложные тревоги на сенсорной основе невозможны, поэтому они считаются следствием угадывания. РХ имеет вид пря­мой линии. В теориях же низкого порога, напротив, допускается сенсорная приро­да ложных тревог. Это теории: низкопоро­говая, двух и трех состояний.

Низкопороговая теория (Swets et al., 1961) предполагает существование одно­го порога, ниже которого сенсорные события неразличимы, а выше - сенсор­ный континуум непрерывен. Механизм принятия решения функционирует лишь тогда, когда сенсорный эффект превос­ходит порог. Для сенсорных событий ниже порога вводится такой же механизм угадывания, как в теории высокого поро-

га. РХ представляет собой часть дуги для низких частот ложных тревог, а для вы­соких - отрезок прямой, как предсказы­вает высокопороговая теория.

В теории двух состояний (Luce, 1963) предполагаются два возможных состоя­ния сенсорной системы при действии сигнала - обнаружение и необнаруже­ние и порог между ними. Правило реше­ния - угадывание на сенсорной основе, если оба состояния равновероятны. Со­ответственно РХ имеет вид не плавной дуги, как в SDT, а состоит из двух пря­молинейных отрезков (более крутой со­ответствует низким частотам ложных тревог, а более пологий - высоким).

В теории трех состояний (Atkinson, 1963) два из трех возможных состояний сенсорной системы: обнаружение и не­обнаружение - своим характером де­терминируют ответы наблюдателя, тре­тье же состояние (неопределенность) он вынужден преодолевать, выбирая на ос­нове несенсорной информации опреде­ленную стратегию ответа. Три состояния системы разделены двумя порогами, по­этому РХ включает уже три прямолиней­ных отрезка и все более приближается к дугообразной кривой SDT. Более того, предполагается, что РХ может менять форму, т. е. описывается механизм рабо­ты сенсорной системы с переменной чувствительностью. Эта идея оказалась наиболее плодотворной и в разных вари­антах появлялась впоследствии в других ко

Возникновение психофизики было обусловлено обычным человеческим желанием – знать, «как оно устроено», понимать, «как оно работает». Психология как наука не давала ответов на эти вопросы, а лишь констатировала работу психики человека, взаимосвязь физического и психического начал. При этом появление психофизики было лишь вопросом времени и технических возможностей.

Измерить то, что не видно

В первой половине 19 века были осуществлены первые попытки при помощи опытов и математических расчетов изучить психические явления. Немецкий физиолог и физик Г. Фехнер был одним из первых, кто с упорством размышлял о неразрывности материального и психического и об их взаимосвязи.

Он хотел доказать, что психические процессы могут иметь точную оценку и свою шкалу единиц. В результате его многолетней работы было выведено такое соотношение ощущения и раздражителя, которое определялось логарифмической зависимостью. Его программный труд «Элементы психофизики» описывает схему построения психического образа, впоследствии полностью повторенную схемой .

Еще один важный вопрос, который изучала психофизика, – вопрос о порогах ощущений человека. Фехнером выделялись:

• Абсолютный порог, который представлял собой ту минимальную силу, действуя с которой раздражитель вызывает ощущения.
• Максимальный порог – наибольшую силу, вызывающую ощущения.
• Дифференциальный порог – такое наименьшее изменение силы раздражителя, которое вызывает изменение ощущений.

Задачи психофизики, сформулированные ее основателем, стали актуальными на многие десятилетия вперед:

• Открыть законы, регулирующие отношения физического и психического миров.
• Облечь законы и закономерности этих отношений в математические формулы.
• Разработать новые единицы измерения для психофизических процессов.

Эксперименты другого физиолога – Вебера, в которых психофизика ощущений была подвергнута изучению для выявления закономерностей между психическими реакциями и раздражителями, были также высоко оценены научной общественностью. Свое развитие психофизика получила в трудах таких ученых, как И. Мюллер, Гельмгольц, Ф. Дондерс и другие.

Однако физиологические опыты на определенной стадии зашли в тупик. Причиной тому стало недостаточное знание о нервных и иных физиологических процессах, а также ограниченные методы и инструменты для проведения экспериментов.

Однако психофизика значительно обогатила знания и методы, используемые в психологии. Психология получила новый виток развития, поскольку на пост-психофизическом пространстве она уже не была, подобно философии, лишь умозрительной наукой.

Здесь психофизика тесно переплетается с – наукой, изучающей непонятные и неисследованные явления психики. Ученые уже изобрели приборы, измеряющие ауру человека. При помощи новых методик и таких приборов можно определить не только уровень энергетики индивида, но и отклонения его здоровья от физической или психологической нормы.

Некоторые базовые знания психофизики применяют современные науки – маркетинг, дизайн, информационные технологии. Применение на практике данных о порогах ощущений помогает выявить дифференциальный порог для установления таких цен на товары, чтобы их увеличение не привело к оттоку покупателей.

Или наоборот – возможно создание такой ценовой политики, которая привлечет потребителей при сохранении максимальной прибыли. При этом используется то самое наименьшее изменение раздражающего фактора – суммы, указанной на ценнике, – которое вызовет либо не вызовет изменение ощущений.

Дизайнеры, используя знания психофизики, не только берут за основу цветовые предпочтения, но и работают с оптико-геометрическими иллюзиями, учитывая особенности зрительного восприятия человека и взаимосвязь цветовых и оптических факторов с психикой. Автор: Руслана Капланова

Другим важнейшим источником, на базе которого формировалась экспериментальная психология, явилась психофизика. Густав Фехнер (1801 -- 1887) в работе «Элементы психофизики» сформулировал основную задачу психофизики: разработать точную теорию соотношения между физическим и психическим мирами, а также между душой и телом. Соответственно он различал две психофизики: внутреннюю (она должна разрешить вопрос о соотношении между душой и телом, между психическим и физиологическим) и внешнюю (ее задача - соотношение между психическим и физическим). Фехнер разработал только внешнюю психофизику.

Для работы в этой области Фехнер создал экспериментальные методы . Он сформулировал основной психофизический закон. Все это составило новую самостоятельную область знания - психофизику. Целью Фехнера было измерение ощущений. Поскольку раздражитель, который вызывает ощущения, может быть измерен, Фехнер предположил, что средством измерения ощущения может быть измерение интенсивности физического раздражителя. Точкой отсчета при этом выступала та минимальная величина раздражителя, при которой возникает первое, едва заметное ощущение. Это нижний абсолютный порог. Фехнер принял допущение, что все едва заметные разницы в ощущениях равны между собой, если равны приросты между раздражителями, которые происходят в геометрической прогрессии. Разностный порог Фехнер избрал в качестве меры измерения ощущения. Таким образом, интенсивность ощущения равна сумме разностных порогов. Эти рассуждения и конкретные математические вычисления привели Фехнера к известному уравнению, в соответствии с которым интенсивность ощущения пропорциональна логарифму раздражителя.

Для психофизических измерений Фехнер разработал три метода : метод едва заметных различий, метод средних ошибок и метод постоянных раздражителей, или метод истинных и ложных случаев. Эти классические методы измерения используются до настоящего времени.

Фехнер впервые осуществил приложение математики к психологии. Это возбудило огромный интерес и, конечно, критику.

Было замечено, что закон верен лишь в известных пределах, т. е. если интенсивность раздражителя возрастает, то в конце концов наступает такая величина этого раздражителя, после которой любое его увеличение уже не приводит к увеличению ощущения. Это и ряд других критических замечаний не поколебали уверенности Фехнера в своем законе. Соглашаясь с критиками в деталях, он говорил: «Вавилонская башня не была достроена потому, что работники не могли столковаться относительно способа ее постройки; мой психофизический монумент уцелеет, потому что работники не могут столковаться относительно способа его разрушения» .

Третьей областью, на базе которой выросла экспериментальная психология, явилась психометрия. Ее предметом является измерение скорости протекания психических процессов: ощущений и восприятий, простейших ассоциаций. Эта новая линия в психологии началась в астрономии. Астрономами было замечено, что реакция на воздействие никогда не происходит немедленно, всегда есть некоторое запаздывание ответа на сигнал. Был установлен факт индивидуальных различий в скорости восприятия.

Разница в показаниях между отдельными наблюдателями была названа Бесселем «личным уравнением».

Началось измерение времени личного уравнения. Оказалось, что даже у одного человека оно может быть различным. Выяснилось, что одним из условий, существенно влияющим на это время, является то обстоятельство, ожидается или не ожидается сигнал. Большой толчок для исследований в этой области был дан изобретением тоже астрономами специального аппарата для измерения времени реакции - хроноскопа.

Настоящее развитие психометрия получила в исследованиях голландского физиолога Ф. Дондерса.

Дондерс (1818 -- 1889) изобрел методику исследования времени сложных психических процессов (1869). Сначала измерялось время простой реакции, т. е. время, протекающее с момента появления какого-нибудь простого слухового или зрительного раздражителя до момента ответного на него движения. Потом задание усложнялось и получало форму реакций выбора, реакций различения.

Измерялось время этих более сложных реакций. Затем из времени сложных реакций вычиталось время, затрачиваемое на простую реакцию, остаток приписывался тому психическому процессу, который требуется для операции выбора, различения или решения других задач.

Большой вклад в психометрию внес австрийский физиолог З. Экснер . Ему принадлежит термин «время реакции» . Немецкий физиолог Л. Ланге произвел различение сенсорной и моторной реакций и показал, что в зависимости от того, настроен ли испытуемый на сенсорную сторону процесса или он имеет установку на его моторный аспект, время реакции существенно менялось. С этого времени начинается исследование установки.

Исследования количественных аспектов психических процессов открывали возможность объективного подхода к психическим явлениям. В этом заключается принципиальное значение работ в области психофизики и психометрии. Их результаты способствовали материалистическому пониманию психики. Сама постановка вопроса о протекании психических процессов во времени встретила резкую критику со стороны идеалистов.

В то же время в физиологических лабораториях, где объектом служили функции органов чувств, логика самих исследований побуждала признать за этими функциями самостоятельное значение, увидеть в них действие особых закономерностей, не совпадающих с физико-химическими или биологическими.

Переход к экспериментальному изучению органов чувств был обусловлен открытием различий между сенсорными и двигательными нервами. Это открытие придало естественнонаучную прочность представлению о том, что субъективный чувственный образ возникает как продукт раздражения определенного нервного субстрата. Сам субстрат мыслился - соответственно достигнутому уровню сведений о нервной системе - в морфологических терминах, и это, как мы видели, способствовало зарождению физиологического идеализма, отрицавшего возможность какого-либо иного реального, материального основания для ощущений, кроме свойств нервной ткани. Зависимость же ощущений от внешних раздражителей и их соотношений утратила в этой концепции определяющее значение. Поскольку, однако, эта зависимость существует реально, она неизбежно должна была с прогрессом опытного исследования выступить на передний план.

Ее закономерный характер одним из первых обнаружил немецкий физиолог и анатом Вебер (см. выше), установивший, что и в этой области явлений достижимо точное знание - не только выводимое из опыта и проверяемое им, но и допускающее математическое выражение.

Как уже говорилось, в свое время потерпела неудачу попытка Гербарта подвести под математические формулы закономерный ход психической жизни. Эта попытка не удалась из-за фиктивности самого материала вычислений, а не из-за слабости математического аппарата. Веберу же, экспериментально изучавшему кожную и мышечную чувствительность, удалось обнаружить определенное, математически формулируемое соотношение между физическими стимулами и сенсорными реакциями.

Заметим, что принцип «специфической энергии» лишал смысла любое высказывание о закономерных отношениях ощущений к внешним раздражителям (поскольку, согласно указанному принципу, эти раздражители не выполняют никакой функции, кроме актуализации заложенного в нерве сенсорного качества).

Вебер - в отличие от И. Мюллера и других физиологов, придававших главное значение зависимости ощущений от нейроанатомических элементов и их структурных отношений, - сделал объектом исследований зависимость тактильных и мышечных ощущений от внешних раздражителей.

Проверяя, как варьируют ощущения давления при изменении интенсивности раздражителей, он установил капитальный факт: дифференцировка зависит не от абсолютной разницы между величинами, а от отношения данного веса к первоначальному.

Сходную методику Вебер применил к ощущениям других модальностей - мышечным (при взвешивании предметов рукой), зрительным (при определении длины линий) и др. И всюду получался сходный результат, приведший к понятию об «едва заметном различии» (между предыдущим и последующим сенсорным эффектом) как величине, постоянной для каждой модальности. «Едва заметное различие» при возрастании (или уменьшении) каждого рода ощущений является чем-то постоянным. Но для того чтобы это различие ощущалось, прирост раздражения должен, в свою очередь, достигнуть известной величины, тем большей, чем сильнее наличное раздражение, к которому оно прибавляется.

Значение установленного правила, которое в дальнейшем Фехнер назвал законом Вебера (добавочный раздражитель должен находиться в постоянном для каждой модальности отношении к данному, чтобы возникло едва заметное различие в ощущениях), было огромно. Оно не только показало упорядоченный характер зависимости ощущений от внешних воздействий, но и содержало (имплицитно) методологически важный для будущего психологии вывод о подчиненности числу и мере всей области психических явлений в их обусловленности физическими.

Первая работа Вебера о закономерном соотношении между интенсивностью раздражении и динамикой ощущений увидала свет в 1834 году. Но тогда она не привлекла внимания. И, конечно, не потому, что была написана на латинском языке. Ведь и последующие публикации Вебера, в частности его прекрасная (уже на немецком языке) обзорная статья для четырехтомного «Физиологического словаря» Руд. Вагнера, где воспроизводились прежние опыты по определению порогов, также не привлекли внимания к идее математической зависимости между ощущениями и раздражителями.

В то время эксперименты Вебера ставились физиологами высоко не из-за открытия указанной зависимости, а в силу утверждения опытного подхода к кожной чувствительности, в частности, изучения ее порогов, варьирующих по величине на различных участках поверхности тела. Это различие Вебер объясняя степенью насыщенности соответствующего участка иннервируемыми волокнами.

Веберова гипотеза о «кругах ощущений» (поверхность тела представлялась разбитой на участки-круги, каждый из которых снабжен одним нервным волокном; причем предполагалось, что системе периферических кругов соответствует их мозговая проекция) приобрела в те годы исключительную популярность. Не потому ли, что она была созвучна доминировавшему тогда «анатомическому подходу»?

Между тем намеченная Вебером новая линия в исследовании психического: исчисление количественной зависимости между сенсорными и физическими явлениями - оставалась неприметной, пока ее не выделил и не превратил в исходный пункт психофизики Фехнер.

Мотивы, которые привели Фехнера в новую область, были существенно иными, чем у естественнонаучного материалиста Вебера. Фехнер вспоминал, что сентябрьским утром 1850 года, размышляя о том, как опровергнуть господствовавшее среди физиологов материалистическое мировоззрение, он пришел к выводу, что если у Вселенной - от планет до молекул - есть две стороны - «светлая», или духовная, и «теневая», или материальная, то должно существовать функциональное отношение между ними, выразимое в математических уравнениях. Если бы Фехнер был только религиозным человеком и мечтателем-метафизиком, его замысел остался бы в коллекции философских курьезов. Но он в свое время занимал кафедру физики и изучал психофизиологию зрения. Для обоснования же своей мистико-философской конструкции он избрал экспериментальные и количественные методы. Формулы Фехнера не могли не произвести на современников глубокого впечатления.

Фехнера вдохновляли философские мотивы: доказать в противовес материалистам, что душевные явления реальны и их реальные величины могут быть определены с такой же точностью, как и величины физических явлений.

Разработанные Фехнером методы едва заметных различий, средних ошибок, постоянных раздражении вошли в экспериментальную психологию и определили на первых порах одно из главных ее направлений. «Элементы психофизики» Фехнера, вышедшие в 1860 году, оказали глубокое воздействие на все последующие труды в области измерения и вычисления психических явлений - вплоть до наших дней. После Фехнера стала очевидной правомерность и плодотворность использования в психологии математических приемов обработки опытных данных. Психология заговорила математическим языком - сперва об ощущениях, затем о времени реакции, об ассоциациях и о других факторах душевной деятельности.

Выведенная Фехнером всеобщая формула, согласно которой интенсивность ощущения пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя, стала образцом введения в психологию строгих математических мер. В дальнейшем обнаружилось, что указанная формула не может претендовать на универсальность. Опыт показал границы ее приложимости. Выяснилось, в частности, что ее применение ограничено раздражителями средней интенсивности и к тому же она действительна не для всех модальностей ощущений.

Разгорелись дискуссии о смысле этой формулы, об ее реальных основаниях. Вундт придал ей чисто психологическое, а Эббингауз - чисто физиологическое значение. Но безотносительно к возможным интерпретациям Фехнерова формула (и предполагаемый ею опытно-математический подход к явлениям душевной жизни) стала одним из краеугольных камней новой психологии.

Направление, зачинателем которого являлся Вебер, а теоретиком и прославленным лидером - Фехнер, развивалось вне общего русла физиологии органов чувств, хотя на первый взгляд оно как будто относилось именно к этому ответвлению физиологической науки. Объясняется это тем, что закономерности, открытые Вебером и Фехнером, реально охватывали соотношение психических и физических (а не физиологических) явлений. Хотя и предпринималась попытка вывести эти закономерности из свойств нервно-мозгового аппарата, но она носила сугубо гипотетический, умозрительный характер и свидетельствовала не столько о действительном, содержательном знании, сколько о потребности в нем.

Сам Фехнер делил психофизику на внешнюю и внутреннюю, понимая под первой закономерные соответствия между физическим и психическим, под второй - между психическим и физиологическим. Однако зависимость второго плана (внутренняя психофизика) осталась в контексте трактовки установленного им закона за пределами опытного и математического обоснования.

Мы видим, таким образом, что своеобразное направление в изучении деятельности органов чувств, известное под именем психофизики и ставшее одной из основ и составных частей нарождавшейся в качестве самостоятельной науки психологии, представляло область, отличную от физиологии. Объектом изучения психофизики являлась система отношений между психологическими фактами и доступными экспериментальному контролю, варьированию, измерению и вычислению внешними раздражителями. Этим психофизика принципиально отличалась от психофизиологии органов чувств, хотя исходную психофизическую формулу Вебер и получил, экспериментируя над кожной и мышечной рецепцией. В психофизике деятельность нервной системы подразумевалась, но не изучалась. Знание об этой деятельности не входило в состав исходных понятий. Корреляции психических явлений с внешними, физическими, а не с внутренними, физиологическими агентами оказались при существовавшем тогда уровне знаний о телесном субстрате наиболее доступной сферой экспериментальной разработки фактов и их математического обобщения.

1.Введение
2.Информация. Основные понятия
теории информации. Количество
информации.
3.Единицы измерения количества
информации
4.Информационная энтропия. Формула
Хартли. Формула Шеннона

5.Общая схема съема, передачи и
регистрации информации
6. Применение теории информации в
медицине
1.Психофизика. Основные понятия.
2. Законы психофизики. Закон Вебера
3. Закон Вебера-Фехнера
4. Закон Стивенса
5. Сенсорные системы.
6. Слуховая сенсорная система

Основные понятия теории информации

Информация – совокупность сведений о
всевозможных
явлениях,
объектах
и
предметах, приносящих новые знания о них
Информационная
энтропия
–
мера
неопределенности, зависящая от числа
состояний в
которых может находиться
система.
Количество информации – величина
численно равная уменьшению энтропии в
результате наступления какого-либо события
(сообщения)

Формула Хартли.

Формула Хартли:
I = k logn = - k logP = - k log1/n
Если мы возьмем в качестве основания
логарифма 2, то k=1, а единица
информации
и
информационной
энтропии будет называться БИТ.
I = log2n= - log2P= - log21/n

Формула Шеннона

Формула Шеннона:
H = -∑Pi∙log2Pi
Формула Шеннона для
равновероятных событий:
H = -∑(1/n)∙log2(1/n) = - log2(1/n) =
log2n

Общая схема съема, передачи и регистрации информации.

Пропускная способность канала связи

C = H/t,
Где С – пропускная способность - Бит/с;
Н
–
максимальное
количество
информации, которое может быть
передано по каналу связи - Бит;
t – время, в течение которого
передавалась информация – с.

Единица информации

I = log2n;
Откуда: 1 = log22, т.е.
Один бит – количество информации
о том, что произошло одно из двух
равновероятных событий

ЗАДАЧА 1

Какое количество информации получит
экспериментатор при однократном
изъятии шарика из корзинки, в которой
находится по 73 черных, зеленых, белых
и красных шаров, если:
А) он воспринимает все цвета;
В) он воспринимает красный и зеленый
цвета как серый.

РЕШЕНИЕ (А)

А)Так как экспериментатор воспринимает все
цвета, а количество шариков каждого из
цветов одинаково, то с равной вероятностью:
Р(А) = m/4m = ¼
будут извлекаться шарики любого из цветов,
следовательно для решения задачи можно
применить формулу Хартли:
І = log24 = 2 бита
Ответ: І = 2 бита

РЕШЕНИЕ (В)

В)Так как экспериментатор воспринимает не все
цвета, а количество шариков каждого из цветов
одинаково, то с равной вероятностью:
Р(А) = m/4m = ¼ будут извлекаться шарики
белого и черного цвета и с вероятностью
Р(А) = 2m/4m = ½
шарики серого цвета, следовательно для
решения задачи нужно применить формулу
Шеннона:
H = -∑Pi∙log2Pi

РЕШЕНИЕ (В)

(1/2) = 2-1; (1/4) = 4-1
Н= +(1/2)∙ log22 +2 (1/4)∙ log24
=1/2+1=1,5 бита.
ВЫВОД?

ЗАДАЧА 2

Чему равна информационная
энтропия системы, которая
может находиться в 6-ти
состояниях с вероятностями:
Р1= 0,25; Р2=0,25
и Р3=Р4=Р5=Р6 = 0,125?

РЕШЕНИЕ

Задача 3

Из какого количества символов
состоит алфавит,
использованный для передачи
сообщения, состоящего из 5
символов, если это сообщение
содержит 25 бит информации?

РЕШЕНИЕ

Для решения данной задачи
необходимо применить формулу
Хартли: I = 5∙log2n.
25= 5∙log2n.
5= log2n. Таким образом:N =25=32
Ответ: N =32

Задача 4

Какое количество информации
содержит зернышко, из
которого может вырасти
растение, принимающее один
из 4-х видов цветов и один из
восьми видов листьев?

Решение

I = I1 + I2
I1 = log2N1
I2 = log2N2
I = log2N1+ log2N2 =
log24+log28 =2 бита + 3 бита
= 5 бит

Применение теории информации в медицине

Внедрение - информационных технологий для
управления
медицинскими
учреждениями
различного уровня, в том числе технологий
связанных
с
диагностикой,
лечением,
реабилитацией и профилактикой здоровья
пациентов,
автоматизированных
систем
обработки
инструментальных и лабораторных данных,
включающих автоматизированное рабочее место
(АРМ) врача.

Элементы психофизики. Сенсорные системы.

Психофизика- наука,
изучающая взаимосвязь
между ощущениями и
свойствами, вызвавших
их раздражителей.

Основные понятия психофизики

- Абсолютный порог – наименьшая сила
раздражителя (стимула) вызывающая
ощущение;
- Абсолютный
максимальный
порогнаибольшая
сила
раздражителя,
вызывающая ощущение;
Дифференциальный порог – наименьшее
изменение
силы
раздражителя,
вызывающее изменение ощущений;

Дифференциальный пространственный и временной пороги

Дифференциальный пространственный порог
–
наименьшее
расстояние
между
раздражителями
при
котором
они
воспринимаются раздельно.
Дифференциальный временной порог
наименьший промежуток времени между
раздражителями
при
котором
они
воспринимаются раздельно.

ЗАКОН ВЕБЕРА

S/S = const
Отношение едва
ощутимого изменения
силы стимула к его
исходному значению есть
величина постоянная

ЗАКОН ВЕБЕРА-ФЕХНЕРА

dE = const; (С1)
dR/R = const; (С2); С1 =k С2
dE=k dR/R
E= k dR/R
E = k ln(R/R0)

ЗАКОН СТИВЕНСА

dE/E = const; dR/R = const;
dE/E=k dR/R dE/E= k dR/R
lnE +C1 = k lnR +C2
k
lnE = lnR + lnC lnE =
lnC Rk
E = C (R - R0) k

СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ

Сенсорными
(чувствительными)
называют системы,
способные улавливать,
передавать и анализировать
информацию

СЛУХОВАЯ СЕНСОРНАЯ СИСТЕМА

СЛУХОВАЯ СЕНСОРНАЯ СИСТЕМА

Орган слуха человека представляет собой
сложную систему, состоящую из следующих
элементов:
1 - ушная раковина; 2 - наружный слуховой
проход; 3 - барабанная перепонка; 4 молоточек; 5 - наковальня; 6 - стремечко; 7 овальное окно; 8 - вестибулярная лестница; 9
- круглое окно; 10 - барабанная лестница; 11
- улитковый канал; 12 - основная
(базилярная) мембрана.

Схематическое представление слуховой системы

Роль наружного уха

Наружное ухо состоит из ушной
раковины, слухового прохода (в виде
узкой трубки), барабанной перепонки.
Ушная
раковина
играет
роль
звукоулавливателя,
концентрирующего
звуковые волны на слуховом проходе, в
результате чего звуковое давление на
барабанную перепонку увеличивается по
сравнению со звуковым давлением в
падающей волне примерно в 3 раза.

Роль наружного слухового прохода

Звук поступает в систему через наружный
слуховой канал, который является закрытой с
одной стороны акустической трубой длиной L
= 2,5 см. Звуковая волна проходит через
слуховой проход и частично отражается от
барабанной перепонки. В слуховом канале, как
в трубе, будет резонировать волна длиной λ =
4L = 4 0,025 = 0,1 м. Частота, на которой
возникает акустический резонанс,
определяется так: ν = v/λ = 340/(40 0,25) = 3,4
кГц.

Роль среднего уха

Среднее ухо является устройством,
предназначенным
для
передачи
звуковых колебаний из воздушной
среды наружного уха в жидкую среду
внутреннего уха. Среднее ухо содержит
барабанную перепонку, овальное и
круглое окна, а также слуховые
косточки
(молоточек,
наковальню,
стремечко).

Роль среднего уха

При прохождении звука через среднее ухо происходит
увеличение уровня его интенсивности на 28 дБ, чем
достигается снижение потерь уровня интенсивности
звука при переходе из воздушной среды в жидкую,
составляющее 29 дБ. Среднее ухо также обеспечивает
ослабление передачи колебаний в случае звука
большой интенсивности путем рефлекторного
ослабления связи между косточками. Для защиты
барабанной перепонки от перепадов давления служит
небольшая евстахиева труба, которая соединяет
полость среднего уха с верхней частью глотки (с
атмосферой).

Роль внутреннего уха

Звуковоспринимающей системой слухового аппарата
являются внутреннее ухо и входящая в него улитка.
Внутреннее ухо представляет собой замкнутую
полость. Эта полость, называемая лабиринтом, имеет
сложную форму и заполнена жидкостью перилимфой. Она состоит из двух основных частей:
улитки, преобразующей механические колебания в
электрический сигнал, и полукружия вестибулярного
аппарата, обеспечивающего равновесие тела в поле
силы тяжести.

Частотно-избирательные свойства основной мембраны

В настоящее время считается, что восприятие
высоты
тона
определяется
положением
максимума колебаний основной мембраны.
Колебания основной мембраны стимулируют
рецепторные
клетки,
расположенные
в
кортиевом органе, в результате чего возникают
потенциалы действия, передаваемые слуховым
нервом в кору головного мозга.

Бинауральный эффект

Бинауральный эффект -способность
устанавливать направление на
источник звука в горизонтальной
плоскости вследствие разности фаз и
неодинаковой интенсивностей
звуковых волн, попадающих в разные
уши.

Звук

Звук – продольные механические
волны, распространяющиеся в
любой среде, кроме вакуума с
частотой от 16 Гц до 20000 Гц.
Звук является адекватным
раздражителем для слуховой
сенсорной системы

Субъективные характеристики звука

Субъективными характеристиками звука
являются:
Высота тона, которой соответствует
физическая характеристика звука- частота.
Громкость, которой соответствует физическая
характеристика звука- интенсивность.
Тембр, которой соответствует физическая
характеристика звука- акустический спектр

Шкала громкости

E = k lg(I/I0)
Единицу измерения
громкости звука
называют фоном.

Звуковые методы исследований

Звук может быть источником информации о
состоянии органов человека.
Аускультация - непосредственное
выслушивание звуков, возникающих внутри
организма.
Перкуссия - исследование внутренних органов
посредством постукивания по поверхности тела
и анализа возникающих при этом звуков.
Постукивание осуществляется либо с помощью
специальных молоточков, либо при помощи
пальцев.

ФОНОКАРДИОГРАФИЯ

Фонокардиография - графическая
регистрация тонов и шумов сердца и их
диагностическая интерпретация.
Запись осуществляется с помощью
фонокардиографа, который состоит из
микрофона, усилителя, частотных
фильтров, регистрирующего устройства.

Шкала интенсивности

Уровнем интенсивности называют
десятичный логарифм отношения
интенсивности звука к порогу слышимости:
L = lg(I/I0)
Единицей измерения уровня интенсивности
является бел (Б). Обычно используют более
мелкую единицу уровня интенсивности децибел (дБ): 1 дБ = 0,1 Б. Уровень
интенсивности в децибелах вычисляется по
следующим формулам:

Шкала интенсивности

L = 10 lg(I/I0) = 20 lg(P/ P0)
Если человек слышит звуки,
приходящие с одного направления
от нескольких некогерентных
источников, то их интенсивности
складываются:
I = I1 + I2 + I3 + …

ЗАДАЧА 1

Какое значение интенсивности
звука в Вт/м2 необходимо для
того, чтобы человек услышал
его, если при оценке его слуха
при помощи аудиометра было
получено значение его остроты
слуха на частоте 1 кГц – 40 дБ.

РЕШЕНИЕ

В данном случае для решения задачи
необходимо применять формулу:
L = 10 lg(I/I0)
Тогда: 40 = 10 lg(I/I0), откуда:
4 = lg(I/I0), т.о.:
4
I/I0=10
4
-12+4
-8
2
I = I0 10 =10
=10 Вт/м.

ЗАДАЧА 2

Звук, которому на улице соответствует
уровень интенсивности L1 = 50 дБ,
слышен в комнате так, как звук с
уровнем интенсивности L2 = 30 дБ.
Найти отношение интенсивностей
звука на улице и в комнате.

РЕШЕНИЕ

Для решения данной задачи применим
формулу для шкалы интенсивностей:
L1 – L2 = 10 lg(I1/I2), откуда:
2= lg(I1/I2),
Следовательно: I1/I2 = 100.
Ответ: I1/I2 = 100.

ЗАДАЧА 3

Вентилятор создает звук, уровень
интенсивности которого L = 60 дБ.
Найти уровень интенсивности
звука при работе двух рядом
стоящих вентиляторов.