反應時間的概念及其在認知歷程研究上的應用

                   

                                  溫卓謀/臺東師範學院

 

壹、    前言

 

運動領域中的許多快速技能，具備有兩項重要的特性，其一在

於「時間的緊迫性」；其二為「刺激的複雜性」。這種刺激與反應之間所引起的變化，導致比賽的過程充滿弔詭和未知，並形成了比賽的可看性與不確定性。所以「反應時間」和「決策的效果」就成為競技比賽中變化莫測之戰略戰術應用的主要來源(林清和，民85)。換言之，「如何在最短的時間內做出最正確的判斷」，此乃是追求優異技能表現時相當值得關切的一個課題。

   反應時間係指外界刺激出現到動作反應開始之前所經歷的時間(Drowatzky,1975)，從訊息處理理論(information processing theory)的觀點，可解釋為感官接收刺激線索，經辨認、過濾、分析和組織動作方案的處理過程中所需要的時間。在工業心理學、認知心理學及運動心理學等心理學分支科學中，都曾利用反應時間作為評量的指標，進行了許多研究來探討人類的心理過程(馬啟偉、張力為，1996)。鑑於反應時間在心理學研究的重要性，本文的目的乃希望藉由人類訊息處理的認知歷程來說明反應時間的概念，並進一步探討反應時間的實驗設計在人類認知歷程相關研究上的應用。

 

貳、      從訊息處理的認知歷程談反應時間的概念

 

很多研究者，將快速的肢體活動經時間的測量之後，便冠以「反

應時間」之稱謂，如此的觀念實有待釐清。圖一為訊息處理與反應時間的對照圖。Schmidt(1991)以運動控制的觀點指出，個體在刺激與反應之間，訊息的處理和控制動作的過程基本上是由兩大系統所組成，即高層次的決策管理系統(executive system)與低層次的動作器系統(effector system)。人類訊息處理的過程開始於刺激的輸入，隨後刺激被傳送至決策機制(高層次管理系統)，經由刺激的確認(stimulus identification)、反應選擇(response selection)與反應編序(response programming)等階段，組織一個運動程式。該程式就會產生系列式的動作控制，引導相關的肌群(動作器)做有順序的適當收縮，進而以最佳的時宜和力量完成技能表現。

 

    從人類訊息的處理的觀點，可以很清楚的解釋「為什麼反應需要時間？」。如圖一所示，反應過程在時間上雖然是一個短暫的過程，但在心理結構上仍可分為前期(foreperiod)、反應時間(reaction time)和動作時間(movement time)。前期是從預備訊號到刺激出現之間的一段時間。反應時間則是從刺激出現到動作開始的一段時間，此時，運動員雖然處於不動狀態，但它在反應過程心理結構中扮演著重大的作用。這期間包括刺激確認、反應選擇、反應編序三個階段。動作時間是從動作開始至動作結束的這段期間，此時所執行的動作是由反應期的心理活動所準備出來的。

   有關反應時間各時期的區分上，又可以再進一步細分為以下五個階段(圖二、表一)1.感覺器官接受刺激並轉換為神經衝動；2.神經衝動經由向心神經傳達至大腦皮質；3.中樞神經對於刺激的處理；4.神經衝動經由離心神經傳達至肌肉系統；5.肌肉產生反應的延遲時間(Sage,1995)。以視覺訊息處理為例，當一束光線射入眼睛時，視神經接受刺激並轉換為神經衝動只耗費很短的時間(約1-2ms)，神經衝動傳達至視覺皮質區(visual cortex) 需要20-24毫秒，從大腦至手指肌肉神經傳導的時間約為10-15毫秒，肌肉產生反應的延遲時間約30-40ms。如果我們從視覺反應時間(150ms)中減去感覺和運動神經傳達所需時間，以及肌肉反應之延遲時間，大約還剩70-90 ms，這就是中樞處理訊息所需要的時間(赫保源、張厚燦、陳舒永，1983)。經由以上之分析，我們可以了解到，反應時間的半數是消耗於中樞對於訊息的處理過程。反應時間各階段的區分越來越精細，不但在反應動作形成的原因能提出較清晰的說明，對於腦部內在「黑箱」或認知的歷程，亦能提出進一步探討的方向。

 

肌 群

中 樞 神 經

感 覺 器 官

                              

   刺 激         向心神經          離心神經         輸出

                      

 

 

圖二 反應時間之細步分解圖

                   (本圖修改自Sage,1995,p.43)

 

 

表一 反應時間各細步階段所耗費之時間

反 應 時 間 的 組 成	作業時間(msec)
1. 感覺器官接受刺激並轉換為神經衝動 2. 神經衝動經由向心神經傳達至大腦皮質 3. 中樞神經對於刺激的處理 4. 神經衝動經由離心神經傳達至肌肉系統 5. 肌肉產生反應的延遲時間            Total RT	1-38 ms   2-100 ms   70-300 ms   10-20 ms   30-70 ms 大約100-500 ms

 資料來源：Chang, Chien-Cheng,1995,P.181

 

 

參、從反應時間的測量談認知過程的分解

 

反應時間測量的過程包含有反應前期、反應時間、動作時間以及整體反應時間四個要素(圖四)。其實驗方式通常要求受試者在實驗一開始時就按住某一電子開關控制器[A]，隨後出現預備訊號，來提醒受試者準備反應，在預備訊號出現後的一段時距(前期)，會出現反應訊號，當反應訊號出現時，受試者以最快的速度離開控制器[A]去按另一個控制器[B]。從反應訊號出現到受試者手指離開控制器[A]所耗費之時間，即為反應時間；從受試者離開控制器[A]至按下控制器[B]之瞬間所耗費之時間為動作時間；而所謂整體反應時間即是從反應訊號出現到受試者按下控制器[B]之瞬間所耗費之時間。換言之，從外在刺激出現到個體完成動作所需要的時間即為「整體反應時間」(Total response time;TRT)，其包含「反應時間」(reaction time，簡稱RT)和「動作時間」(movement time，簡稱MT) (Drowatzky,1975;Schmidt,1988;Oxen-

dine,1984)。

 

圖四 反應時間測量的過程

 

   在反應時間的測驗模式下，藉由刺激的操弄，又可以將反應時間區分為單純(simple)、區辨( discrimination)及選擇(choice)反應時間三大類型。Donders假設，根據心理過程所需的反應時間可用來測量心理運作的認知過程。為此，他最早使用三種反應時間作業(黃慧真，民83)。第一個(察覺)作業中，受試者對任何出現的刺激儘速做反應。第二個(區辨)作業呈現給受試者若干不同的刺激，要他們只對其中某個刺激做反應。第三個(選擇)作業中，受試者不僅得區辨不同的刺激，還得從中選擇，並對每個刺激做不同的反應。Donders從完成作業2所需的時間減去完成作業1所需的時間，以估計區辨的認知過程所需的時間；從作業3的時間減去作業2的時間，以估計做選擇所花的時間(Magill,1993)。

 

 

 

 

一、單純反應時間(simple reaction time )：

(一)    作業型態(如圖5-A)：受試以食指壓住反應鍵，在整個

實過程中刺激型態只有一種(紅燈)，當受試者偵察到紅燈亮時立即放開按鍵，由此所獲得之反應時間稱之為單純反應時間。

(二)訊息處理過程之分解(圖6)：SRT的作業中，個體針對單一的刺激來做單一的反應，也因此在訊息處理的過程中，只需在刺激受納的第一階段，經過加工處理，便能夠產生正確的反應，也因此單純反應時間被視之為複雜反應時間的基準線(baseline)(Kantowitz & Sorkin,1982;Chang,1995)。

 

二、區辨反應作業(Discrimination)：

(一)    作業型態(如圖5-B)：受試者食指壓住反應鍵，刺激源

以隨機的方式出現紅、藍、綠等不同顏色之刺激。當藍燈或黃燈出現時，必須加以抑制要求受試者只針對紅色刺激來做反應。

    (二)訊息處理過程之分解(圖6)：呈現給受試者若干不同的刺激，要求受試者只針對某一特定的刺激做單一的反應。換言之，在此一作業中，由於呈現的刺激不只一種，受試者在接受到刺激之後，在型態辨識的階段還必須在進一步對訊息進行加工處理，也因此型態辨識階段對訊息處理所耗費的時間將長於單純的反應時作業。由於此一作業只有單一反應，故在反應選擇的階段不需要再對訊息進行加工處理。換言之，在DRT作業中的訊息處理，將只要求刺激的辨識而不需要進行反應的選擇。也因此，從完成區辨作業的反應時間減去完成單純作業時間，便能估計個體訊息處理過程中「刺激區辨」(discriminating the stimulus)所延遲的時間。

 

三、選擇反應作業(choice)：

   (一)作業型態(如圖5-C)：受試者分別以食指、中指及無名指壓住其相對應之反應鍵，以隨機方式呈現紅、藍、綠三種顏色之燈光，當紅色燈光出現時，立即鬆開中指，藍燈出現鬆開食指，綠燈出現鬆開無名指。

   (二)訊息處理過程之分解(圖6)：此一作業型態，受試者必須對不同的刺激，執行不同的反應，換言之，受試者不僅得區辨不同的刺激，還得從中選擇以便對每個刺激做不同的反應。因此，訊息處理的加工時間，除了要接收及區辨刺激之外，還包括了反應的選擇歷程。因此，從完成選擇作業的反應時間減去完成區辨作業時間，便能估計個體訊息處理過程中「反應選擇」所延遲的時間。

   透過或「加」或「減」，複雜化或簡單化對受試者的認知要求，便能成功地估計出不同心理操作過程所需要的時間，這對研究人類訊息處理的內在歷程提供了有利的手段(Wickens,1990)。

 

肆、    反應時間在認知歷程研究之應用

   圖七為人類訊息處理的模式圖，從圖中可以清楚的了解到，選擇性注意、短期記憶(工作記憶)以及長期記憶在人類訊息處理的認知歷程中扮演著重要的角色，以下擬針對反應時間在這三部分認知功能研究上的應用來加以說明。

 

一、      選擇性注意力的研究

    從認知歷程的角度來分析，注意力反應的成份可以將之分割為(1)刺激輸入、(2)掃瞄(scanning)、(3)比對(single comparison)、與(4)動作(motor)等四個主要成份，每一成份可加以分割測量其反應時間或予以估計(張素凰、柯永河，民82)。受試者所要接受的作業材料，可以分成如下三種程序分別呈現：(1)測量程序一，電腦螢幕上以隨機的方式連續出現「是」字或「否」字，要求受試者對出現的刺激儘速做反應，在每次刺激出現之前，會出現提示訊號來提醒受試者刺激即將出現，受試者看到「是」字便按代表「是」的鍵，看到「否」字便按代表「否」鍵，藉由計算受試者在此階段所得之反應時間平均值，可估計受試者注意力反應動作成份的反應時間；(2)在測量程序二，呈現一對型態結構相似之圖形或符號給受試者，由於這兩個刺激結構上很相似，受試者必須將注意力投注在整個刺激上加以處理比對，以便加以區辨。受試者要去判斷所呈現之兩個刺激是否相同，「是」則按「是」的鍵，若「否」則按「否」的鍵。藉由計算受試者在程序作業二之整體反應時間扣除該受試者在測量程序一所得之反應時間，便可以估計受試者的平均「比對」時間；(3)在測量程序三，在螢幕上每次隨機呈現一個目標刺激，隨後呈現一串的刺激(如6個刺激同時出現)，要求受試者偵察在此一目標刺激有無出現在此一串的刺激中，有則按「是」的鍵，無則按「否」的鍵。主試者操弄目標出現與不出現的概率各為0.5，以避免受試者反應心向而做出偏向機率較高的猜測反應。藉由計算平均總反應時間扣除動作反應時間及比對反應時間，即可估計每一受試者平均掃瞄速度。

 

二、工作記憶控制過程缺陷的研究

   呈現一至五個目標字母，在螢幕上一次呈現一個，每個字母呈現之後，螢幕上會出現一個探測字母。要求受試者在探測字母與目標字母相同時按「是」，不同則按「否」鍵，此一作業之用意乃在要求受試者把目標字母放進STM中保存，再把探測字母放進STM，對兩者作一心理比較，然後執行某種反應以表示字母是否相同。如果在探測字母出現前，螢幕上呈現的是一次呈現兩個目標字母，那麼此一作業會複雜的多，也更費時間，因為受試者得做兩個比較。當一次出現三個目標字母時，作業的複雜度隨之增加，依此類推。我們透過複雜比較所需的時間減去簡單比較所需時間，決定每一個多出的心理比較所需的時間。如此便能探討受試者在STM執行控制過程中的效率和速度(Mann & Sabatino,1985)。

 

三、LTM的研究

    要求受試者執行「形體配對」與「名稱配對」兩項作業，在形體配對上，學生必須在螢幕上出現的兩個字母形體相同時按「是」，反之則按「否」；在名稱配對上，學生在字母稱呼相同(無論形體是否相同)，按「是」，反之則按「否」。(Mann & Sabatino,1985)。從訊息處理觀點而言，在執行形體配對作業時，學生必須把字母從STSS移入STM，使用STM中的控制過程，以決定它倆是否形體一致，並提出執行某反應的命令─按「是」或「否」。名稱配對訊息運作的過程則與形體配對有很大的差異。受試者必須使字母進入STM，並從LTM取出每一個字母的名稱，決定這些字母是否符合視覺呈現上的字母，最後再決定按「是」或「否」。由名稱配對所需時間減去形體配對的時間，便能決定在第二個作業中，查看LTM字母名稱的過程所多出的時間。

 

伍、結語

   運動技能學習有關之學說與理論，近年來已由行為主義所主導的制約學習研究轉而走向認知心理學所主張的認知歷程研究。在探討個體認知能力的諸多研究中，反應時間不但是心理學中最常用的詞彙，也是心理學家十分鐘愛的研究方法。國內學者在探討反應時間之影響因素及其與運動訓練關係的相關研究已累積了相當的成果，在此研究成果之下，未來研究上我們可以進一步藉由操控不同刺激型態所獲得之反應時間作為量化指標，透過Donders原始減去法，來探討並測量個體訊息處理認知活動的反應歷程及成份分析。

 

 

參考文獻

 

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馬啟偉、張力為(1996)：體育運動心理學。台北市：東華書局。

 

張素凰、柯永河(民82)：台大注意力測驗的心理計量特性及其電 

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赫保源、張厚粲、陳永舒(1983)：實驗心理學。北京市：北京大學

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