巴甫洛夫的经典条件反射和斯金纳的操作条件反射有什么区别和联系?

巴甫洛夫的经典条件反射和斯金纳的操作条件反射有什么区别和联系?

下文提及书稿已出版,详见

==

以下为答主待刊书稿的一个相关章节,既有干货又不乏八卦,还带一点不知道是瞎说还是大实话的私货。可能略有偏离问题原意。欢迎私信评论指正。

==

1976年,意大利心理学家 Gaetano Kanizsa 在《科学美国人》杂志发表了一组视觉错觉实验素材[1]。此后几乎所有的心理学导论教科书都引用了其中的基本范例(第一图),称之为「Kanizsa 三角形」。第二图是原著中稍微复杂的一个变体。第三图转自moillusions.com

相信所有读者都看到左图有一个与背景同色的直边三角形挡在前面。右图显示,即使是弧边,也有同样效果。实际上,你的视网膜在物理上只看到这两个三角形包括六个角在内的若干局部。然而,这个视觉效果是如此强烈,以至于可以感受到前景的三角形边缘内外像素亮度差别,似乎内部 (A处) 要更亮一些,同样也是白色的背景像素点 (B处) 略暗一些。如果读者用手机对着感受到的白色前景三角形边缘线放大,让所有黑色像素点跑到取景框外,拍下照片再看,可以确证其实内外像素点在物理上完全一样。

读者看到这幅图的瞬间,在毫秒级的时间尺度立即识别前景的白色三角形,这个识别过程不涉及借助语言符号的有意识推理。这个实验并不需要作统计分析就已说服读者,不过其中仍有一个常识的盲点值得阐明:假如熟悉模式识别问题的神经网络算法[2],而且确信自己的脑神经系统算法原理与之类似,这样的读者对于 Kanizsa 三角形的视觉感受不应有任何惊奇;反之,如果读者将自己的脑解读为符号系统的计算机,Kanizsa 三角形的视觉感受就成为一个需要解答的悬疑。

巴甫洛夫的条件反射实验最初是生理学层面的研究。巴甫洛夫本人是纯粹的生理学家,1904年获得诺贝尔生理与医学奖,不是因为发现条件反射,而是因为对狗消化过程的研究。条件反射的发现与获得诺奖确实有因果关系,只是因果方向要反过来——正因为他研究狗的消化得了诺贝尔奖,才有机会发现狗唾液分泌的条件反射。在获得诺奖之后,他与他的研究团队仍然经历了多年的动乱坎坷,一战、革命、内战、…。在最困难的时候,实验室种了胡萝卜和土豆接济生活,研究团队甚至被迫到城市社区偷狗。到巴甫洛夫实验室吃狗粮对这些「被试」并不是什么好事,至少要外科手术开上一刀,唾液腺接入导管测量口水的分泌。要测胃液的话,动的手术就更不人道,平均每条狗能在实验中存活十天左右,其间收集的狗胃液不仅提供数据,还售作胃药原料赚取研究经费[3]——整一个狗被试的奥斯维辛。

研究团队偶然发现,新来的狗看到食物才流口水,没几天后,不用看到食物只要看到实验员就流口水了。作为一个生理学实验室,研究团队本来只想搞清楚,怎么让狗在各种与食物完全无关的刺激下也能流口水(以及生产胃液)。1927年,巴甫洛夫的专著在欧美首次出版[4],「条件反射」这四个字的英文是 Conditioned Reflex。在实验设计文献中,「设置实验条件」就是操控,这个词很容易被误读为字面意思:操控实验条件促成的生理反应,然而这个误读恰好是巴甫洛夫纯生理学的研究团队最初本意。当然,随着研究出乎意料的进展,研究团队的关注重点逐渐从「反射」转到了「条件」。Conditioned 作为(被动时态或者完成时态的)动词有了全新的内涵:「中性(音叉)刺激与无条件刺激(食物)二者联结的习得」。中性刺激之后紧跟无条件刺激,或者两者同时呈现(但不可以时序调转)。实验动物多次重复这种连贯整体处境,把其中的中性刺激识别为整体模式重要的局部。通常,狗完成十次左右的联结刺激训练,就能对单独的音叉刺激产生流口水的生理反应。这种「联结习得」被叫作(动名词的)「经典条件作用 (Classical Conditioning)」,原先的中性刺激在联结习得之后就能单独引发生理反应,所以称之为「被条件作用训练好的」刺激 (Conditioned Stimulus),简译为「条件刺激」。这也就是「条件反射」的新内涵:单独条件刺激引发的生理反应。简体中文文献经常把 Conditioning 这个动名词本身不恰当地翻译成「条件反射」,如果理解 Conditioning 的宾语已经不再是巴甫洛夫最初关注的「流口水的生理反应」,可能会避免这种误译。在经典条件作用模型中,这个动词的意思就是「习得」,宾语是「中性刺激与无条件刺激的联结」。

从神经网络模式识别的视角,狗的经典条件作用过程相当于 Kanizsa 三角形补上那些缺掉的边线后对神经网络作完整图形的识别训练。训练完成之后,单独呈现条件刺激就相当于单独呈现(缺掉边线的)局部关键特征,仍然可以唤起整体模式呈现的刺激结果(看到完整的前景三角形)[5]。联结习得并不需要特别高级的脑结构,即使非常低等的动物比如蟑螂[6],也能胜任经典条件作用。

晚年的巴甫洛夫在斯大林时代学术声望达到顶点。1926年,他领导的研究院已经被公认为全世界规模最大的心理学研究机构[7]。巴甫洛夫的研究工作一直持续到1936年去世前夕。他特别要求研究助手密切记录他在临终状态的持续口述报告,作为人类临终过程研究的第一手数据。巴甫洛夫传记有这样一句名言,其实是临终现场助手代接电话时的答复:「巴甫洛夫很忙,巴甫洛夫正在死亡。」[8]

1927年,斯金纳还是一位二十三岁的英语文学专业大学生。当时的文坛巨擘威尔斯读到巴甫洛夫新译为英文的专著[4],激动地写了篇不惜溢美之词的书评。虽然威尔斯也承认自己不懂生理学实验,但是在书评中,他甚至自问自答了一个「巴甫洛夫和萧伯纳同时落水先救谁」的问题。斯金纳后来写到,威尔斯「让萧伯纳淹死算了」的决定,促使他痛下决心放弃心爱的文艺,从此投身行为科学。两年后,巴甫洛夫到访哈佛为国际生理学年会作大会演讲,斯金纳专程跑去,搞到一张配有签名的偶像照片。终其一生,这张珍贵的照片一直随着斯金纳换办公室,最后挂在他去世前的家中书房[9]。

斯金纳在实证研究「术」的层面很大程度继承发展自桑代克的研究设计,在学术思想「道」的层面,最终超越巴甫洛夫,取而代之成为行为主义学术史(甚至整个二十世纪心理学史)影响最深远的学者[10]。他曾经在一次媒体访谈中说漏嘴,留下一句特扎心的名言——

在美国社会,这似乎非常政治不正确。斯金纳之所以相信控制而非自由,是因为发现包括人在内的各种动物都很容易通过强化、惩罚习得特定的复杂行为。比如下图的视频链接,一对鸽子竟然能通过简单的投食强化学会「打乒乓球」。

在简体中文、俄文公众传媒,巴甫洛夫知名度远高于斯金纳。只适用于巴甫洛夫学说的「条件反射」一词,几乎成为「经典条件作用」和「操作条件作用」共同的代名词。这解释了斯金纳的「操作条件作用」为什么经常被不恰当地中译为「操作条件反射」。「反射」对应的英文 Reflex,显然是指本能生理层面的、非随意的反应。然而斯金纳的操作 (Operant)几乎就是 Reflexive 的反义词,特指主动、随意发起的行为。在谷歌学术搜索带引号严格匹配的 Operant Conditioned Reflex,竟然还有103个结果,其中多数是母语中文、俄文的作者。如果在谷歌(而非「谷歌学术」)搜索,有2070个结果,相比之下 Operant Conditioning 是162万个结果,大体服从通常英文错误表达和主流表达之间的比例。

初学者很难吃透斯金纳的术语 Operant,因为这个词存在两层彼此紧张冲突的意象。第一层就是与 Reflexive(反射)相对的意思:斯金纳的鸽子主动去啄球;巴甫洛夫的狗流口水不能说是主动的,它只是被呈现了一盘狗粮或者听到音叉,流口水是反射性生理行为,所以巴甫洛夫的学说可以叫条件反射,斯金纳的学说如果非要构造一个对应的名词,也许适合叫强化操作,或者强化行为。

斯金纳学术思想真正激进的地方在 Operant 的第二层意思。斯金纳指出,鸽子并不是以意识驱动行为去啄球,是鸽子先做了这件事,它的行为反过来驱动了意识——假如鸽子确实有意识。所以斯金纳避免用英语里带有「想法驱动行为」意象的 Initiative,也不用 Active。与这两个词对比,Operant 的主动性限制于客观行为,避免牵涉主观意识是否主动。如果将斯金纳的学说与桑代克的「效果律」对比,这第二层意思会更明显。斯金纳学说强调,强化与惩罚的宾语是行为的频率(成功啄球与失败啄球的频率),而不是行为的个体(鸽子),完全规避对个体主观层面感受好坏的讨论。强化与惩罚是因,行动频率是果。桑代克与之相反,其学说涉及个体主观层面的「满意效果」与「困扰效果」。为了自别于实验设计层面极其相似的桑代克「效果律」[11],斯金纳特别用术语「强化 (Reinforce)」,不用更通俗易懂的「奖励 (Reward)」。

「积极心理学」、「积极情感」中的「积极 (Positive)」更准确的翻译是「正向」,与之对应,「消极(Negative)」更准确的翻译是「负向」。在翻译斯金纳学说的时候,这一组形容词搭配上「强化-惩罚」,非常容易产生误读,即使英文母语的研究者也常常搞错。「负向强化」并不是惩罚。比如大鼠处在持续施加的噪音环境,如果做对了一个动作(连续压杠杆两次),噪音随之暂停五秒钟。这一种撤除刺激带来的强化,文献称之「负向强化」。习得无助的研究就用到「负向强化」。持续电击狗,如果狗挣扎反抗头顶到开关,电击暂停。反过来,也有「负向惩罚」。在管理学中,最常见的例子是扣奖金。员工每个月都有所谓的全勤奖,若出现迟到一次,当月的全勤奖就没有了,解读为奖励刺激的撤消,就叫作「负向惩罚」。

最后,读者可以自测一下,下图视频[12]中被试的行为是条件反射还是操作条件作用?

视频中,按铃似乎使猫流口水。然而在斯金纳的学说中,是投掷的猫粮强化了猫按铃行为的发生频率。这里还藏着第三位被试:其实视频中投掷猫粮的那只手才是条件反射,他听到了铃声就会投猫粮,这件事情越做越自动化,听到本来中性的铃声刺激手臂肌肉就会生理反射投出猫粮。当然,这只是一个内涵大于严谨的段子。

心理学教科书比较强调两类条件作用的区别,主流心理学教科书较少见到对两类条件作用以神经网络模式识别作统一解读[5]。不确定性在两类条件作用的联结习得过程起到非常不同的作用,这可能是两类条件作用最鲜明的差别。在条件反射的习得过程,(中性刺激与无条件刺激)联结呈现的绝对次数是最主要的因素,联结的不确定性只会阻碍条件反射的习得。然而,在强化操作的习得中,强化物在操作行为之后的呈现模式起着更重要的作用,在同样的平均呈现几率或者平均时间间隔下,不确定性甚至有更好的效果。比如,平均每三次操作行为获得一次强化,完全随机1/3概率呈现的情形优于严格的每三次呈现一次,呈现滞后时间随机变化的情形优于呈现滞后时间不变的情形。

两类条件作用基本的差别是生理层面的被动反射和行为层面的主动操作,或可追溯演化历史,比如求生存与求繁衍之间的差异。可能很多读者还会想到六十年代著名的「爬行动物脑-古哺乳动物脑-新哺乳动物脑」三层学说[13] 。然而,即使低等如蟑螂、蜜蜂的昆虫,不仅可以习得经典条件反射[6],甚至其触须的特定主动行为频次也可以被强化[14]。两类条件作用更深一层的一致性表现在,都可以与已经习得的另一个经典条件反射作二阶的联结。经典条件作用文献中的例子即二阶条件作用 (Second-order Conditioning) ,指条件刺激(音叉发声)习得之后,可以作为新一轮经典条件作用的无条件刺激。比如音叉发声与笼子震动刺激同时呈现若干次,但没有呈现食物,笼子震动仍可习得为二阶的条件刺激。单独震动笼子而不敲音叉,狗也会流口水。操作条件作用文献中的例子即次级强化 (Secondary Reinforcement),指条件刺激(抚摸猫头)习得之后,替代无条件刺激(投掷猫粮)作为新一轮操作条件作用的强化物。不少文献也将次级强化物称为「条件强化物 (Conditioned Reinforcer)」,意思是条件刺激用于强化。

两类条件作用的一致性还表现在,二者都具有「生物准备性 (Biological Preparedness)」——不同的物种,更为敏感的感官刺激比不敏感的感官刺激更容易习得联结。巴甫洛夫的狗习得音叉鸣声与食物刺激的联结,大约需要十次左右训练,如果要习得某种气味与食物刺激的联结,只需要一次或者两次。狗对嗅觉最敏感。鸟类与狗不同,如果训练斯金纳的鸽子和巴甫洛夫的狗习得蓝色麝香食物与(引发呕吐的)无条件刺激物联结,结果鸽子习得蓝色色彩的条件反射,未习得麝香气味的条件反射;狗相反,习得麝香气味的条件反射,未习得蓝色色彩的条件反射。生物准备性的例子主要见于经典条件作用,但是强化物与惩罚物的刺激有同样的原理。食物适合作几乎所有动物被试的强化物,噪音就只适合部分动物作为惩罚物。不知读者们是否了解深海的鱼类对什么刺激敏感?估计大家都想不到——居然是电场。Jared Diamond 在《昨日世界》中写到一个有趣的例子:研究者发现他研究的鱼每周末那一天总是特别兴奋活跃,莫非鱼也过周末?结果是他的助手习惯在那天对镜梳发,镜子邻近鱼缸,静电导致电场变化。深海鱼类通过电场的变化感知周边生物的临近,极个别物种比如电鳐甚至演化出释放高压电攻击猎物的绝技。我们生活在声与光的世界,它们生活在貌似更高科技的电场世界。

==

最后附带一个教科书里问「区别」时的应试参考答案,比较无趣。难回答的是「联系」——它们都是时序事件的神经网络模式识别。习得联结的训练阶段,前后事件整合呈现。习得之后,呈现事件组合的先发局部,唤起前后事件整合呈现的效果。事件可以是各种刺激(强化惩罚),也可以是操作行为。