键盘时间精度的一个图示法研究，本文主要内容关键词为：图示论文,精度论文,键盘论文,时间论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
分类号 B842.2
1 引言
在心理学实验研究中，反应时是一个经常使用的指标。在使用常规仪器的阶段，这个指标的精度在实验控制良好的情况下，是由使用的具体仪器的精度确定的[1]。
现在，计算机已经广泛的应用于心理学实验。例如，在《心理学报》2000年第3期的文章中，一半的研究使用了计算机作为工具。其中有关涉及反应时的研究全部使用了计算机作为实验仪器。这种情况下，反应时这个指标的精度，就是由微机系统，包括硬件和软件的精度确定的。但是，微型计算机系统作为一个比较新型的实验仪器，作为一个软件运行的平台，在精度的问题上，比传统的实验仪器需要考虑的问题更多，这已经有相当多的研究说明了这个问题，其中包括程序设计、硬件选择及操作系统选择[2-6]。
在新近Myors的文章中[2]，给出了一种简单的图示方法，可以在反应时间比较重要的实验中，确定实验的时间精度；该文还用这个方法演示了在心理学实验中，必须使用毫秒级的高精度记时器，而不能使用DOS的系统时钟。在Myors的研究报告中，得到了用键盘作反应的时间精度为9毫秒左右的结果。
具体的方法是这样的。主试以一定的时间间隔，例如1秒作按键反应，以程序记录反应的时间，最后就可以得到反应的间隔。在主试有外部时间源，如一个秒表的情况下，反应的间隔，在排除极端数据后，应该分布在1秒附近。然后在Excel之类的应用程序中，把这些数据排序，并作图，就会是一条比较均匀的斜线。但是当实验仪器（包括硬件，软件）的时间精度不够高时，则图形呈现为台阶型，实际获得的数据是很有限的几个数据点，尽管真实反应时间应该是分布在其周围，但是都被记录为相同的值。参见图1。而这个台阶的高度，就是仪器的时间精度。
在相当多的心理实验研究中，反应方式依然是键盘按键反应。因此我们认为有必要对键盘的时间精度进行分析，并和特殊的反应键进行比较。本研究中，先对键盘、独立小键盘和PES心理实验系统的反应键（注：PES心理实验系统，北京大学心理学系，实验心理实验室，1993。）三种反应条件作了比较；进一步的实验表明，不同类型的键盘，有完全不同的时间精度，并且小口(PS2)键盘的时间精度尤其差。更进一步的实验，排除了小口到大口转接器产生影响的可能，证明了键盘的时间精度不受转接器的影响。我们认为在具体实验中，需要对时间精度作分析，而图示法就是一种简单而实用的方法。
2 实验
2.1 实验一——键盘，小键盘和PES心理实验系统反应键的比较
2.1.1 被试 由于本研究考察的是实验仪器，考察的对象分别是一个键盘（型号GREATWALL KBD5），一个独立小键盘（型号KAIPU，这个小键盘不是指大键盘上的PAD，而是一个独立的小键盘）和PES心理实验系统反应键。操作者就是作者。
2.1.2 实验材料和仪器 实验在一台P120的微机上完成(Great WallS500 5120PI)。作者编制的实验程序KBTST.EXE。一台文曲星CC300作为秒时间源。
2.1.3 实验设计 参照Myors的实验模式，本研究分别考察了键盘以回车键、键盘以右SHIFT键，小键盘回车键和PES反应键的右键四个方式作反应的情况。每种情况下，分别以高精度毫秒记时器记时和以DOS系统时钟，clock（）函数记时[3]。则一共得到8组实验数据。
图1 键盘回车键条件下毫秒记时器与DOS系统时钟记时的比较
2.1.4 实验过程
数据记录：给定结果文件名，分别以1-8的参数进入实验程序KBTST，根据实验程序的提示，按相应键开始；然后根据文曲星CC300的显示，以1秒左右的间隔按下相应键，程序给出当前按键次数的反馈，并记录当前的时间；当按键次数达到50，程序自动退出，并把当前调用参数存盘，计算出每次按键间的时间间隔，作为结果保存在结果文件中。
数据处理：把数据结果分别从结果文件中拷贝出来成为8个文本文件，并各自读入Excel中，排序，删除最小的10%和最大的10%，这样每个条件有排序后的数据40个；然后把8个条件的数据合并到同一个Excel文件中，便于作图。
2.1.5 实验结果
图1比较了使用键盘回车键条件下，分别使用高精度毫秒记时器和DOS系统时钟的差别。可以看出，用DOS系统时钟记时有明显的台阶效果，间隔为55毫秒左右，这与我们对DOS系统的了解是完全一致的。这种情况下，仪器无法区分差异在55毫秒下的反应。而高精度毫秒记时器则没有明显的台阶效果。这个结果与Myors的结果完全一致[3]。
另外3个条件下高精度毫秒记时器和DOS系统时钟的差异与图1类似，就不再列出。
图2 比较了在高精度毫秒记时条件下，键盘回车键，键盘右SHIFT键，小键盘回车键和PES心理实验系统反应键的差别。
从图2中可以看出4种条件都没有很明显的台阶效益。这表明这4种反应条件下，仪器的精度大致相同。由于没有台阶效益，我们不能通过台阶的高度比较时间精度。对排序后时间点之间的差异的统计表明，4个条件下，占最大比例的差异分别为3,2,2,1，这可以在一定程度上视为键盘时间精度。这说明，在使用了高精度的毫秒记时器后，仪器的时间精度跟我们选择的这4种反应方式没有什么关系，尽管还是PES反应键表现为最好，用键盘作反应记录也是可以接受的。这个结果中，PES心理实验系统反应键有良好的时间精度，是在预期中的，因为这是一个硬件实现的电路，直接把当前按键状况反映在计算机端口的电位上的。因此是一种比较保险的实验反应方式。
图2 高精度毫秒记时下四种反应条件的比较
但是键盘的时间精度却明显的跟Myors的结果冲突。在Myors的结果中，键盘的时间精度应该是9毫秒左右。在分析了可能的影响因素后，我们进行了下一步实验，使用多个键盘作对比。
2.2 实验二——不同型号键盘的比较
2.2.1 被试 考察的对象分别是7种键盘，型号分别为Chicony KB-5311,Dell SK-1000REW(PS2),LEO DFK191AF160B VER 1,ANGELCG107A(PS2)，ACER 6511-VA(PS2),GREATWALL KBD5,PHILIPSEPHS2107KB(PS2)。其中标明PS2的是接口为小口的PS2键盘，其余是一般的大口键盘。操作者就是作者。
2.2.2 实验材料和仪器 实验在一台P120的微机上完成(Great WallS500 5120PI)。作者编制的实验程序KBTST.EXE。一台文曲星CC300作为秒时间源。一个小口转大口的转接器，因为此实验用微机只有一般键盘接口。
2.2.3 实验设计 与实验一类似，但是只做了高精度毫秒记时器的部分。这样，共有7个键盘的7组数据。
2.2.4 实验过程
数据记录：给定不同结果文件名，以参数为1进入实验程序KBTST，根据实验程序的提示，按空格键开始；然后根据文曲星CC300的显示，以1秒左右的间隔按下回车键，程序给出当前按键次数的反馈，并记录当前的时间；当按键次数达到50，程序自动退出，并把当前调用参数存盘，计算出每次按键间的时间间隔，作为结果保存在结果文件中。
数据处理：把数据结果从各自的结果文件中拷贝出来成为7个文本文件，分别并读入Excel中，排序，删除最小的10%和最大的10%，这样每个条件有排序后的数据40个；然后把7个条件的数据合并到同一个Excel文件中，便于作图。
2.2.5 实验结果
图3比较了这7种不同键盘的差异。
从图3可以看出，键盘的个体差异非常明显，很多出现了明显的台阶效益。对于没有明显台阶效益的，对时间精度的分析同实验一；有台阶效益的，直接比较台阶的高度。得到7个键盘的时间精度分别为：1,7,3,42,39,4,3。这也就是在实验一中，键盘反应的精度与小键盘和PES反应键之间没有很大差异，而与Myors的结果不吻合的原因。因为实验一中使用的那个键盘有较好的时间精度。在Myors的研究中，没有考虑不同键盘的差异，就把9毫秒认定为键盘固有的时间精度，这是不完善的。实验二的结果，则显示了不同键盘的差异。
图3 高精度毫秒记时器条件下7种不同键盘的差异比较
注：为了比较，对曲线作了相应的上下移动处理。我们关心的是台阶效果，这个处理对结果没有影响。
我们注意到，在参与测试的7个键盘中，有4个是小口的PS2键盘，数据和图显示其中有3个的时间精度都很差。由于现在PS2的小口键盘是市面上微机的趋势，而实验二中使用了小口转大口的转接器，有必要分析转接器的影响，以确定这种差异的来源。从电路原理上讲，小口转大口的转接器是一个简单的直接线路连接，应该对时间精度没有影响。但是为了确定我们的假设，进行了第三部分实验。
2.3 实验三——对转接器的可能影响的分析
2.3.1 被试 考察的对象是2种实验二中用到的键盘，型号分别为ACER6511-VA(PS2)和GREATWALL KBD5。其中标明PS2的是小口的PS2键盘，另一个是一般的大口键盘。操作者就是作者。
2.3.2 实验材料和仪器 实验在一台SOYA566MHz的兼容微机上完成。作者编制的实验程序KBTST.EXT。一台文曲星CC300作为秒时间源。一个大口转小口的转接器，因为此实验用微机只有PS2键盘接口。
2.3.3 实验设计 与实验二类似。这样，共有2个键盘的2组数据。
2.3.4 实验过程
数据记录：给定不同结果文件名，以参数为1进入实验程序KBTST，根据实验程序的提示，按空格键开始；然后根据文曲星CC300的显示，以1秒左右的间隔按下回车键，程序给出当前按键次数的反馈，并记录当前的时间；当按键次数达到50，程序自动退出，并把当前调用参数存盘，计算出每次按键间的时间间隔，作为结果保存在结果文件中。
数据处理：把数据结果从各自的结果文件中拷贝出来成为2个文本文件，分别并读入Excel中，排序，删除最小的10%和最大的10%，这样每个条件有排序后的数据40个；然后把2个条件的数据合并到同一个Excel文件中，便于作图。
2.3.5 实验结果
图4比较了这2种不同键盘的在这种条件下的差异。
从图4可以看出，即使是在PS2键盘不使用转接器，而是大口键盘使用转接器的情况下，依然是PS2的这个键盘的时间精度差。
然后把实验三中的大口键盘的数据与其在实验二中的相应数据进行比较。图5显示大口键盘在转接（在SOYA机器上）和不转接（在P120机器上）情况下的差异比较。
再把实验三中的小口键盘的数据与其在实验二中的相应数据进行比较。图6显示小口键盘在转接（在P120机器上）和不转接（在SOYA机器上）情况下的差异比较。
综合图4，图5，图6的结果，我们可以确定，有无转接器对键盘的时间精度基本没有什么影响。而且，尽管实验三中使用的微机比实验二中的快很多，但是图中反映出对实验时间没有什么影响，说明在使用高精度毫秒记时器时，键盘的反应精度是与微机的主频无关的。当然，这是在本实验中只分析键盘时间精度的情况下。具体的实验中，程序编制的考虑是否正确，操作系统的选择是否恰当，都是会带来影响的[4,6]。
2.4 实验四——对主试可能的主观期待影响的分析
2.4.1 被试 除主试LZX也作为被试外，另外两名被试分别为RHY和ZK。实验中使用了前面实验三中用到的键盘，型号分别为ACER 6511-VA(PS2)和GREATWALL KBD5。其中标明PS2的是小口的PS2键盘，另一个是一般的大口键盘。操作者分别是3个被试。
2.4.2 实验材料和仪器 实验在一台P120的微机上完成(GreatWall S500 5120PI)。作者编制的实验程序KBTST.EXT。一台文曲星CC300作为秒时间源。一个小口转大口的转接器，因为此实验用微机只有普通大口键盘接口。
2.4.3 实验设计 与实验三类似。这样，共有3个被试2个键盘的6组数据。依次的实验顺序是LZX NORMAL,LZX PS2,RHY PS2,PHY NORMAL,ZKNORMAL,ZK PS2，即对3名被试使用2个键盘的顺序也大致配平。
图6 一个小口键盘在有无转接器条件下的比较
2.4.4 实验过程
数据记录：给定不同结果文件名，以参数为1进入实验程序KBTST，根据实验程序的提示，按空格键开始；然后根据文曲星CC300的显示，以1秒左右的间隔按下回车键，程序给出当前按键次数的反馈，并记录当前的时间；当按键次数达到50，程序自动退出，并把当前调用参数存盘，计算出每次按键间的时间间隔，作为结果保存在结果文件中。
图7 3名被试使用2种键盘的比较
注：为了比较，对曲线作了相应的上下移动处理。这个处理对结果没有影响。
数据处理：把数据结果从各自的结果文件中拷贝出来成为6个文本文件，分别并读入Excel中，排序，删除最小的10%和最大的10%，这样每个条件有排序后的数据40个；然后把6个条件的数据合并到同一个Excel文件中，便于作图。
2.4.5 实验结果
图7比较了3名被试使用2种不同时间精度键盘时，被试间的差异和键盘间的差异。
从图7可以看出，这个实验中的PS2的键盘有明显的台阶效益，而普通的大口键盘没有明显的台阶效益。对时间精度的分析同实验一；得到3名被试使用普通大口键盘时间精度分别为18,18,17;3名被试使用PS2键盘，时间精度都为4。实验四的结果，则再次表明图示法能够很简单地通过数据的台阶效应识别出时间精度差的键盘，而且，这种方法不存在操作者的主观期待影响，反映的是硬件的性能。
3 讨论
通过4个实验，反映出Myors介绍的这种图示法是一种比较简单，易于实现的判断实验仪器时间精度的方法。
实验一的设想是根据Myors的实验，键盘应该有9毫秒左右的时间精度。独立小键盘是经常使用的实验反应方法，需要对其做这种分析，以确定其时间精度。PES心理实验系统反应键是我们常用的反应方式之一，从电路原理上说，应该是最精确的，不过也需要做同样的验证。但是实验的结果却一半在预料中：PES心理实验系统的反应键有良好的时间精度。这也是专门的实验仪器采用的方式，如NeuroScan脑电系统中刺激部分STIM就是同样的方式。这种方式的缺点是需要特制的反应键，并且一般需要一块特殊的接口卡安装在实验的计算机中。而另一半的结果却是完全出乎意料：键盘，小键盘与PES心理实验系统反应键没有什么差别，时间精度也远远好于预期的9毫秒。这至少表明Myors对键盘的时间精度的分析是不完善的。
实验二在分析了实验一的结果后，对不同的键盘作了比较，确认了不同的键盘，时间精度有很大的个体差异。这就表明，在用计算机为实验仪器，反应时作为指标的心理实验中，需要对具体的仪器做时间精度的测试，而不能认为确定用某种反应方式就一定能够保证实验的精度要求。
实验三排除了接口转接器的影响，进一步确认了键盘不同的差异基本不受实验机器的主频和转接器的影响。实验三的意义在于，目前大部分新的计算机都是PS2接口，一般配备的也是PS2小口键盘，而从实验二中我们可以看到，被测的4个小口键盘中，有3个的时间精度都很差。这可能是键盘设计者出于用户键盘输入效果的考虑，但是对于要求时间精度的心理学实验，这却是非常大的影响。通过排除转接器和机器主频的影响，我们可以在确定键盘的时间精度不合适的时候，换用精度合适的大口键盘，通过大口转小口的转接器，同样可以进行实验，而且保证实验精度。
实验四排除了操作者主观期待的影响，确认了这种方法能够体现硬件的性能。实验员可以很方便地使用这种方法自己测试实验系统的时间精度，而不需要很多的测试人员。
综合4个实验的结果，我们可以看到计算机作为新的广泛使用的实验仪器，其时间精度是需要根据具体情况仔细分析的；不同的键盘会带来很大的差异，更值得我们在实验中仔细分析误差来源并加以控制。对实验可能产生的影响的逻辑是这样的。如果两个实验条件的差异小于系统的时间精度，则很难在数据上得到显著性的差异；如果两个实验条件没有表现出差异，则需要排除系统时间精度不够的可能性，才能判断确实是这两个条件没有差异。我们认为，可能的影响方式有两种。一种是实验中的时间数据来自两次按键的间隔，即与我们目前这种测试方式一致，例如在时间知觉的复制中，采用两次按键之间的时间作为被试对一个标准时间的复制，或者要求被试以按住键盘的时间来复制，会得到与这个实验完全相同的数据，就是数据点以系统时间精度为单位离散分布。如果两个条件的时间复制的差异小于系统的时间精度，这些差异将表现为台阶上的同高度的点，实验结果就不会有差异。即使是考虑了被试的多次反应带来的数据正态分布，也不能解决这个问题，因为这种理想条件下的分布的两个峰之间的间隔小于系统精度，导致两个分布的绝大多部分数据将被采集为相同，而导致得不到差异。另一种情况是时间数据来自实验控制的刺激呈现到被试的反应之间的间隔。这是最通常的情况。根据我们对键盘电路原理的分析，键盘的这种差异应该来自键盘电路中与主机通讯的频率。即键盘以固定的间隔把前面发生的按键反应传送出去。这样对于实验的影响是，如果键盘时间精度为30ms，一个真实的按键反应，可能会被随机的延迟0ms至29ms才发送到主机为实验程序所处理。这种情况下，采集的数据可能并不表现出台阶状分布。但是这将导致数据的分布范围加大30ms，而使方差变大；平均值比实际数据平均值大15ms。对于具体的实验条件，这样的影响会产生多大的影响，就是需要考虑的。根据我们的理解，在两个实验条件的差异很小的时候，这种方差的增加，可能导致统计上显著性的丧失。例如，在Latimer等人[6]关于几何图形知觉的注意偏差的研究中，发现旋转的图形中从右下向左上旋转时比较快，差异为14.97毫秒，但是不显著，p=0.05。这种条件下，如果他们的实验中键盘的影响没有考虑进去，则这个差异不显著很有可能是时间精度的原因带来的。另外在Egly等人[7]的研究中，被试对脑损伤同侧的刺激的反应中，对出现在非线索化物体中的靶子的反应比对出现在线索化物体中的靶子的反应快12毫秒。在他们的实验中，使用了特殊的反应键。如果同样的实验，使用键盘，而时间精度不够，远远大于12毫秒，就有可能得不到这个结果。因此我们建议在以反应时为指标的实验中，都应该对具体的实验仪器进行这样的测试。
使用图示法的一个优点是，能够通过台阶效应很简便地识别出时间精度差的实验系统。而使用的数据处理软件，又是一般计算机使用者熟悉的Microsoft Excel，很容易处理。如果不使用图示法，而是使用数值计算的方法，一个是直观性不是很好，另一个是可能需要比较复杂的程序。例如，用对数据点聚类的方法，也应该能够得到与图示法类似的结果，但是这就需要使用SPSS之类的专业数据处理软件了。因此我们认为本研究中使用的方法，能够很方便地实施于实验前对实验系统的时间精度的检验，尤其是使用键盘作为反应方式的实验条件。
4 小结
(1)图示法分析计算机实验仪器的时间精度是一种简单而实用的方法。
(2)PES心理实验系统反应键具有较高的时间精度。
(3)不同的键盘有不同的时间精度，本研究中范围是从1毫秒到40多毫秒。
(4)实验中PS2键盘大部分时间精度很不理想。
(5)键盘时间精度基本不受机器主频，转接器和操作者个体差异的影响。