神经电生理实验在心理学教学中的应用

应荣华

(南京师范大学心理学实验教学示范中心，江苏 南京 210097)

0 引言

1879年，德国学者冯特在莱比锡大学建立了世界上第一个心理学实验室。该实验室的出现，可以说是心理学史上的一个里程碑，标志着新心理科学的诞生。在一百多年的发展历程中，不管心理学流派如何分裂，实验法始终是该学科方法学中的核心，与测验法、观察法、案例分析法等相互结合、相互验证，共同推动学科发展。

今天的心理学早已不再是某些人所误解的“玄学”，而是一门真正的科学，它有一系列的方法和技术帮助研究者获取客观数据，然后依靠数据分析得到较为可靠的结论。不管人的意识或灵魂多么奇特和神秘，也不管人们对于尚未查明的心理现象的发生机制做何种猜测，都不能忽略一个基本的事实——人的心理现象是人脑派生出来的，它必然存在一定的自然属性和物质运动的基本因果规律，而它的许多内部规律和发生机制都能够通过实验方法逐渐揭示出来;另外，人的心理现象也会受到更多自然和人文因素的交互影响，而表现出随机性和模糊性。基于以上两点，心理学工作者在研究方法上探索出了相应的两种应对策略，即:由于人的生物性，医学与生物工程技术成为重要的心理实验技术;由于心理的内隐性，行为观察及各种间接测量方法(比如:电生理实验法等)成为心理学实验研究的必要补充。

1 神经电生理实验法概述

1.1 电生理实验法概述

电生理学(Electrophysiology)是以作用于生物体的电作用和生物体所发生的电现象为主要研究对象的生理学的一个分支领域，它的基本任务就是要研究生物电的发生机制、调节机制以及机体的内外环境中各种变化对这些生物电的影响[1]。近代电生理学的发展多借助于细胞内电极和电子管、晶体管等放大技术的发展，电生理记录技术(Electrophysiological Recording Techniques)由此应运而生，也给心理学研究带来了新的契机。以皮肤电为例，1888年研究者费雷把两个电极接到人的前臂上，并且把它与弱电源和一个电流计串联，发现当被试者被音叉、气味刺激时，电流计就迅速偏转。当初费雷以为这是因为干燥的皮肤受到摩擦后产生的电现象，但后来研究表明这是随汗腺活动而出现的一种电现象，且和心理活动密切相关，是研究认知神经科学的一项客观生理指标[2]。

1.2 心理学实验教学现状

实验教学的初期还主要是开设一系列模仿性的实验，即通过重复前人完成的经典实验，验证前人实验的结果和体验前人实验的过程，以帮助理解心理学实验研究的基本方法和基本逻辑[3]。所以心理学的实验教学内容，在很长一段时间内主要包括了传统和现代心理物理法实验、反应时实验、感知觉实验和经典的学习与记忆实验等等，这些实验对扎实学生的心理学专业基础是非常有帮助的[4]。而作为心理学的专业人才，要对心理问题进行探讨，就必须运用心理学专业研究独有的视角及特有的思维方式，这种独有的方式就是运用量化的方式来探讨人的心理与行为。因此，心理学专业的本科生掌握用量化的方法研究人的心理与行为的技能，也具有非常重要的意义[5]。以南师大心理学实验教学示范中心为例，在“心理学实验”这门课程中长期开设了诸如:简单反应时间测定实验、表象的心理旋转实验、知觉恒常性实验、场独立/依存性等众多基础性的实验项目，但是只有这些实验还远远不能满足理论教学和实验教学的要求。随着心理学各领域实验研究的迅速发展，新的实验方法、技术和手段对学生了解心理学、开拓视野都有很大的帮助与启发。比如:“心理学实验”的课程中还安排了诸如:情绪激活与生理参数变化、ERP实验原理等众多具有前沿性的量化研究实验项目，只是目前由于硬件条件不足和场地的限制，这些实验多半仅为介绍性或演示性的，无法让学生亲自去操作。总而言之，当今学科和实验技术的飞速发展也对心理学实验教学人员开发新的实验课程或项目提出了更高的要求。本文将以“生理心理学”的课程教学为例来重点探讨这个问题。

1.3 电生理实验技术应用于心理学教学的可行性

目前在我国已设立了心理学院(系)和心理学专业的高等院校中，对于心理学本科专业学生几乎都设有“生理心理学”(或“心理生理学”、“生物心理学”、“心理的生物学基础”)等类似课程，而且是作为一门必修类基础性课程所设置的。该课程着重于介绍人类神经系统的基本结构与功能以及在心身关系中的作用，且长期以来都是以理论授课形式为主。据普遍反映，在此课程的教与学过程中存在着较大的困难，相比“普通心理学”、“心理学史”等这些纯理论性课程，该课程中涉及了较多的生理学、生物学或医学术语，比如:中枢神经系统、外周神经系统、脑电波、心率、血压、呼吸、皮肤电、激素等等，所以一般情况下，授课老师只能原封不动地做“刻板”性讲解，学生听得“云里雾里”也无法将课程体系融会贯通，更不能理解学习该门课程的意义所在，只限于强制记忆一些相对生僻的术语以应付考试。而事实上，拥有一些基本的生理心理学知识是进一步学习和研究心理学所不可或缺的重要前提和坚实基础。这时候我们不得不思考:该采取怎么样的方式来摆脱生理心理学的教学“窘境”呢?

心理学“天生”的实验属性和电生理记录技术的快速发展为我们提供了全新的思路。以心理行为活动为自变量，以脑电、皮肤电等电生理记录指标为因变量，观察施加不同形式的心理负荷时的生理变化规律[6]，这不正是研究心身关系的好方法吗?将其引入“生理心理学”的实验教学应当可以作为理论教学的有益补充。

2 引入电生理实验的尝试

南师大心理学实验中心在2007～2009年度“江苏省高校基础课实验教学示范中心”的建设项目中购进了两台荷兰产10导生物反馈仪(型号为:Nexus-10)，并自2010年起利用该设备开设了“中枢与外周电生理实验”课程，起初是作为生理心理学课程中理论授课之外的补充考察项目，在2011年新一轮本科教学方案调整后作为一项重要的实践环节并记入学分。

2.1 实验设备选取依据

中心之所以选用10导生物反馈仪作为“中枢与外周电生理实验”课程的核心设备，主要是基于以下两点考虑:

(1)该设备的性价比高。适合普通高校的心理学实验教学。在当今认知神经科学的研究领域中，影像学设备和神经电生理设备都占据了较为重要的地位。计算机轴断层扫描(CAT)、正电子放射层描(PET)、核磁共振显影(MRI)等影像学技术大多用于医疗系统，造价总体都偏高(甚至达到上千万)。在电生理记录设备中，事件相关电位(ERP)记录仪、多导生理记录仪是很多高校或科研院所争相购买的产品，适合做脑功能相关课题的专项研究，价格基本在几十万至百万左右。相对于以上所述的各种设备来说，10导生物反馈仪不仅适应了高等院校心理学专业实验教学计算机化[7](即:由计算机对相关实验仪器进行联机控制，并通过各种实验软件进行数据采集)的发展趋势，而且购置价格上要低得多，所以更适合于普通高校的心理学及相关专业开展教学活动。

(2)该设备的功能更适合心理学实验教学。生物反馈技术最早是根据巴甫洛夫的经典条件反射理论而发展起来的。研究发现，由中枢神经系统调节的经典条件反射的建立，不仅仅是对随意肌有效，对自主神经系统所控制的内脏功能如:血管、呼吸、皮肤电，以至脑电形态和节律同样有效[8]。生物反馈仪正是在这种技术背景下应运而生的，该设备以监测记录人体的中枢和外周生理指标为基础，把人体内生理机能变化用现代电子仪器予以描记，并转换为声、光甚至动画等易于被人所识别的反馈信号，令其根据反馈信号，不断学习并调节自身体内不随意的内脏机能及其他躯体机能，达到防治身心疾病的目的。近些年内，很多高校心理学科或心理咨询中心也陆续购进该设备，但真正用于实验教学的几乎没有。

诸如上文所提及的CAT、PET、MRI等技术需要采集以下一些生理指标:葡萄糖代谢量、氧消耗量……这些名词对于非医学或非生物学专业学生来说都过于生僻且难以理解。而ERP记录仪等对脑电活动的记录及分析确实比较精确，一般情况下受测者和实验者分处两室并且“各司其职”，在受测者执行某项特定任务(如:识别面孔、记忆数字等)时，由实验者来全程记录对应的生理数据(主要是脑电活动)并进行一系列精细化的处理分析，这对实验者的专业水平有着较高要求。生物反馈仪的独到之处在于:不仅能给受测者呈现出各种生理指标(包括中枢神经和外周神经)的测量和描记过程，还可以让受测者亲身体验到身心一致的境界以及通过学习或练习而达到身心和谐的喜悦，实验者的操作相对简捷得多且具有一定的趣味性，容易让初次接触电生理实验的学生很快接受。

2.2 实验项目设置

2.2.1 实验原理及实验设备介绍

“生理心理学”或类似课程是心理学专业的基础性课程，一般都安排在本科阶段的1-2年级内进行授课。这个阶段的学生刚刚接触到一些学科基础课程(比如:“普通心理学”等)，对心理学知识尚处于一知半解的状态，对电生理实验更是知之甚少。所以在进行“中枢与外周电生理实验”课程伊始，实验教师需对实验中所涉及的原理、操作及专用指标加以较为详细的解释说明，为此实验中心特地自编了《中枢与外周电生理实验指导》手册(手册第一章的提纲见图1)。

图1 “实验原理及实验设备介绍”指导手册提纲

2.2.2 验证性实验

电生理实验的核心及基础性操作是对中枢及外周生理指标进行测量并记录，尽管这些指标所代表的含义(比如:“皮电”就是产生在皮肤上、随汗腺活动而出现的一种电现象。)在理论课的讲述中也会提及，但学生的记忆肤浅容易遗忘。“中枢与外周电生理实验”课程给学生提供了一个良好的平台，可以亲身体验测量和记录生理指标的过程(见图2)，并通过完成实验报告(见图3)加深了对这些生理指标的理解，由此便轻而易举地加深了记忆。

2.2.3 研究性实验

经过前两个阶段的学习与实践，学生已基本掌握了电生理实验的基本原理和操作流程。为了进一步给学生加深印象、激发他们的积极性和主动性，课程中特地安排了两个带有探索研究性的实验内容即:中枢与外周的反馈训练实验。既往的众多研究表明，生物反馈技术对矫正注意力不集中、缓解紧张情绪都有较好的效果，所以在这个阶段我们特地选取了中枢神经系统的SMR波反馈训练和外周神经系统的皮电反馈训练作为实验内容，完全放手让学生自己操作，他们有时体验作主试 (实验者)，有时体验做被试 (受测者)，主试和被试进行通力配合，才能最终完成实验过程和实验报告。这种方式让学生得到了充分的空间去实践和思考。

图2 脑电、肌电、呼吸生理指标的测量实验

图3 中枢、外周生理指标的记录实验报告

如图4所示，这一部分的实验界面色彩鲜艳，实验程序以游戏的方式开展。学生的新鲜感带动了积极性，在实验报告(见图5)中充分展现出个人特色，比如:“事后评价”一栏内容中就存在着较大的个体差异。部分学生在最后一栏“初步印象与结论”中还能够运用心理学知识进行解释分析，虽然略显肤浅，但已经能体现出一定的“科学”姿态。

图4 反馈训练实验屏幕

2.3 实验成绩评定

中心开设的“中枢与外周电生理实验”课程成绩来自于实验操作和实验报告两部分:实验操作部分主要是通过实验教师的观察与课堂抽查来评估;实验报告部分主要是基于完成的认真程度、实验数据的可靠性以及在研究性报告撰写中的客观性(比如:被试感受、主试印象与结论)。实验课成绩和理论课闭卷考试成绩按照一定比例进行折算，作为学生最终的《生理心理学》课程成绩。

2.4 对课程的改进方案

图5 中枢、外周反馈训练实验的信息采集表

在中心新开设“中枢与外周电生理实验”课程的近3年内，学生普遍反映效果较好，认为实验内容有趣而实用，最难得的是克服了以往一上“生理心理学”就畏难的不良情绪。对于未来该课程的设计，初步有以下四个改进的设想:① 目前实验项目的第三部分(研究性实验)内容暂时还是由实验教师提前选定的，而实际上该实验设备所配套的软件兼具了自编设计的整套功能，如条件许可、实验课时大幅增加的情况下，可以考虑给学生自行选择或自行考虑研究项目，在教师的指导下进行实验设计并具体实现。② 在中心现有的设备基础上，将电生理实验技术与其他前沿技术结合进行实验教学，比如:结合眼动技术、虚拟现实技术等，令学生在实验技术和研究能力上得到更大的提升。③进一步引导学生利用电生理实验的方法来完成一些相关的创新实验设计，或是鼓励学生利用该实验技术去实现毕业论文的实验设计操作，开发电生理实验室的应用功能等等。④逐步完善评价方式，在已有基础上将学生对实验课的预习情况、实验表现、实验报告等纳入平时成绩评定的重要依据[9]，同时加大平时实验课成绩在总成绩中所占比重，引导学生重视实验课学习，而不是应付“差事”。

3 扩大心理学实验教学的前景展望

近年来心理学成为我国高等教育中发展最快的专业之一，但在心理学人才培养的规模发展中具有较大的盲目性，与教学资源发展规模和水平的脱节造成了人才培养质量的下降，尤其是心理学人才的实验能力、实践能力不足成为影响学科发展的重要因素。心理学作为一门实验科学，其许多理论来源于实验。掌握心理实验的基本知识和技能，是对心理学专业学生的起码要求，而培养学生独立从事心理实验的能力，又是提高学生质量的重要内容[10]。随着现代科技的快速发展，高等院校对实验室建设及实验教学的重视程度日益加深，心理学的实验教学既面临着巨大的机遇也充满着挑战。

从硬件上看，近10年来，心理学实验教学仪器基本改变了以往技术含量低、计量标准不准确的状况，这其中既有赖于国外先进设备的大量引进，也得益于国内自主研发能力的大力提升。这期间心理学实验的计算机化尤其发展迅猛，相当部分的实验教学内容均可以通过计算机程序设计和多媒体投影技术来实现，比如:传统心理物理法、信号检测论、反应时实验、学习和记忆实验等。另外，目前在认知神经科学研究中常用的fMRI、EEG/ERP，多导生理记录仪、生物反馈仪等都是由计算机对相关实验仪器进行联机控制，并通过各种实验软件采集数据，运用各种数据处理软件对实验结果进行分析与处理，操作起来简便而快捷。总而言之，现有实验技术和设备的性能指标已完全达到了心理学实验教学的要求。目前最大的问题就是部分实验设备的造价还是偏高的，少则十几万，动则上百万。我校是国家“211工程”重点建设的江苏省属重点大学，在心理学设备购买经费上尚且感觉比较吃力，更别说一般的本科院校了。所以有必要多渠道筹措资金，加大心理学实验建设的投资力度，使实验室建设趋于规模化，不仅要有基础层面的实验室，还要有技术层面的实验室以及研究层面的实验室[11]。

相对于硬件的日趋完善来说，加大心理学实验教学力度的最大阻碍还在于教学内容的调整，其中包括:实验教材、课程设计、课程安排、设备选择等诸方面的问题。心理学实验课的结构体系可分为基础实验、验证性实验、综合性实验和应用性实验四个部分，在大多数院校的教学计划中，心理实验课一般在大学本科的二年级开设，主要是重复经典的心理实验，所有的实验内容、实验步骤、实验条件都由老师事先讲解并设定好，学生只要按部就班操作并完成实验报告即可，这对于巩固基本知识、掌握基本技能是足够的，但想在较高层次上培养学生的动手能力和创新能力、拓宽知识面又是远远不够的。因此，应该充分利用实验室资源、利用已有的先进设备加大综合性实验和应用性实验的比例，不仅可以充分调动学生主动实验的热情，而且对于培养学生在实验中发现问题、分析问题和解决问题的能力、提高学生研究性学习的水平特别重要，也往往给学生的进一步深造提供更多的训练[12]。

以南师大为例，2008年之前的本科人才培养方案中，应用心理学专业课程中几乎没有单列的实验(或实践)课时及学分要求(毕业论文和毕业实习除外);2009年的方案中，单列出的实验(或实践)类课程共计8学分;2011年的方案中，已经增加到了13学分(约140学时)的实验(或实践)类课程。近3年内，有近20项心理学本科毕业设计或省、校级“大学生实践创新训练项目”是运用实验法来完成的，比如:“面孔记忆的差异研究——表情特征对面孔再认的影响”、大学生语词与图片分类加工比较的眼动研究“等，这些项目的选题在当今心理学科领域具有一定前沿性，使用的实验设备也是较为先进的。现实表明，心理学专业本科学生的学习中如能够进行一定的创新实验设计，既有利于培养学生学习的兴趣，也增强学生实践演练的机会，使学生在解决实际问题中理解实验原理和方法，真正有利于心理学专业本科学生能力的发展[13]。在2013年即将开始的南师大新一轮本科教学方案调整中，心理学专业还将进一步加大实验(或实践)教学的力度。

当前在一般的本科院校心理学实验教学中，大多数的演示性和验证性实验基本都能顺利开展，最大的困难仍来自于综合性、设计性实验[14]，这就需要充分调动一线教师的主动性和创造性，其次还倚赖于实验教学队伍的进一步优化。必须将一些有深厚理论基础及实验专长的博士生或者优秀硕士生充实进来，在不断的尝试和实践中开发出更新、更有意义的实验课程，彻底改变以往重理论轻实验(或实践)的教学模式，确保心理学专业学生在实验课教学中既扎实了基本功、又拓宽了视野，同时也有机会了解并掌握较为前沿和先进的研究技术与研究手段。

4 结语

作为心理学专业的学生，应当掌握一系列心理学技术。在心理学实验教学的实践中，了解并掌握各种常用研究技术和前沿技术进行心理学研究是对学生提出的一项基本要求，这些技术中包括了:行为认知实验技术、ERP技术、生物反馈与心理训练技术等等[15]。南师大心理学实验教学示范中心通过使用生物反馈仪，将神经电生理实验贯穿入生理心理学的课程教学中，并取得了较好的效果。未来我们将不断地探索、不断地研究，努力开发更多切实可行的心理学实验课程或实验项目，进一步提高教学水平和教学质量。

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