基于JsPsych的在線心理學實驗平臺開發

姚凱，許晨晨，梁振

安徽醫科大學 生物醫學工程學院，安徽 合肥 230032

引言

心理學作為一門實驗科學，許多理論和成果從實驗中得出，大量的心理學現象通過實驗也可以得到揭示和佐證。目前心理學實驗的開展主要依托于高校和研究機構，但是不同高校和研究機構間的心理學實驗室建設并不均衡，導致實驗質量和水平參差不齊，從而影響實驗的順利開展[1]。究其建設不均衡的原因要素，除人員因素外，實驗軟件自身存在的問題也制約著心理學的發展，主要問題有：① 目前實驗軟件多為本地客戶端或客戶端/服務器（Client/Server，C/S）架構，絕大部分功能集成在客戶端，因此對系統資源的占用量也較高，這些要求還隨著實驗軟件的迭代更新持續增加，配置不高的計算機被淘汰的風險較大，而高配置的計算機往往伴隨著高額的購置費用，這對經費支出不充足的研究機構來說有一定挑戰；② 部分軟件將編程作為實驗的主要設計方式，實驗人員在設計實驗前需要先學習對應的編程語言，這給沒有編程經驗的實驗人員增加了額外的學習成本；③ 大多數實驗軟件不直接提供在線實驗的功能，需要實驗人員自己搭建服務器來開展線上實驗。一方面，本地實驗需要實驗人員和被試約定好實驗的時間和地點，這使得時間規劃不一致或地理位置相距較遠的人員間的協調難以開展；另一方面，自行搭建服務器也對沒有學習過運維知識的實驗人員增加了新的門檻。

JsPsych是基于JavaScript編寫的一種用于在線實驗的函數庫，該庫通過瀏覽器來模擬實驗刺激，模塊化程度高，可拓展性強，支持音頻、視頻、圖片和文字等多種形式的實驗刺激[2-3]。但是，使用JsPsych需要實驗人員掌握JavaScript基礎并會使用開發工具進行編程，同時該庫也不提供在線部署實驗和數據持久化的服務，需要實驗人員自行搭建服務器或者交由Amazon Mechanical Turk等平臺托管實驗[4]，在一定程度上增加了沒有編程和運維經驗的實驗人員開展實驗的難度。

因此，本文設計和開發一款基于JsPsych的在線心理學實驗平臺（下文簡稱：在線實驗平臺），將JsPsych的功能封裝成實驗人員更容易接受的圖形化頁面（Graphical User Interface，GUI），同時將平臺部署于云服務器以提供部署線上實驗和數據云存儲的功能，實驗人員和被試在聯網狀態下通過瀏覽器接入平臺即可完成相關操作。

1 原理與方法

1.1 功能架構

在線實驗平臺將用戶分為3類：管理員、實驗人員和被試。實驗人員通過GUI在線設計和調試實驗，調試完成后上傳倫理審查表和知情同意書等必要材料，待管理員審核通過后獲得線上實驗鏈接。被試通過實驗鏈接即可進入在線實驗平臺，簽署知情同意書后進入實驗并按照要求完成實驗，實驗結束后一鍵上傳實驗數據。實驗人員可隨時通過平臺查看或導出實驗數據以做進一步分析，功能架構如圖1所示。

圖1 功能架構圖

1.2 技術架構

在線實驗平臺采用前后端分離技術開發，結合B/S架構將系統分成瀏覽器、前端服務器與后端服務器3部分，技術架構如圖2所示。前后端分離架構通過RESTful接口規范進行數據交互，有效解決了傳統軟件開發模式中的前后端代碼高度耦合問題，提升了開發效率并且降低了開發成本[5-6]。平臺以瀏覽器為運行載體，支持Chrome、Edge、Firefox和Safari等主流瀏覽器。前端使用Vue作為基礎框架，采用Element UI來加速頁面構建，引入JsPsych、Vue I18n、ECharts、XLSX和SignaturePad等組件來分別實現在線實驗、國際化、數據可視化與導出和電子簽名等功能[7]。后端將Springboot作為基礎框架，引入Spring Security和Json Web Token技術來保證數據接入的安全性，使用關系型數據庫MySQL實現數據持久化存儲，將鍵值對型數據庫Redis作為緩存數據庫來提升數據查詢效率[8-12]。前后端服務器部署于騰訊云，使用Docker和Jenkins實現持續集成與部署[13]。

圖2 技術架構圖

1.3 核心功能原理

平臺以在線設計和運行實驗作為核心功能，將Vue、Element UI和JsPsych結合來構建GUI，原理如圖3所示。將樣式結構與實驗結構分離，在Vuex中使用2個對象來分別存儲。當用戶通過GUI修改了實驗參數后，觸發樣式控制模塊獲取Vuex中的Operation對象并調用函數進行處理，將更新后的Operation對象一方面重新存入Vuex，另一方面傳遞給實驗控制模塊進行解析，實驗控制模塊根據傳入的對象調用解析函數，將Operation對象轉換為JsPsych能夠識別的JavaScript對象并存入Vuex。借助Vue的數據綁定特性，GUI的參數設置區和實驗展示區也會相應地動態變化。

圖3 核心功能原理圖

2 結果與測試

在線實驗平臺初步實現后，為驗證平臺可以有效開展實驗并且占用更少的系統資源，依托我校智慧醫學實驗室，實驗人員分別使用在線實驗平臺和本領域常用的實驗軟件Psychtoolbox、PsychoPy與OpenSesame設計心理學實驗[14]，實驗選型為關聯性錯誤記憶實驗。在占用系統資源較高的實驗運行階段，使用性能監視器Perfmon對4款軟件的CPU占用率和內存使用量進行監測，每組抽取5個樣本。隨后，將OpenSesame的實驗文件導入實驗人員自行搭建的托管服務器并部署線上實驗，招募15名被試，分別通過在線實驗平臺和托管服務器提供的網絡鏈接進行在線實驗。

2.1 實驗范式

關聯性錯誤記憶實驗，基于Deese-Roediger-McDermott（DRM）范式[15]，實驗范式如圖4所示。在學習階段，屏幕上依次出現10組詞表，每組10個詞，每個詞的持續時間為2 s，間隔0 s，被試被告知盡可能記住每個詞。隨后進入測驗階段，屏幕上依次出現10組詞表，每組6個詞，第1個為學習階段各詞組的關鍵誘餌詞（不在學習階段出現），第2、3、4個為出現過的詞，第5和第6個為未學習過的無關詞。被試如果認為自己在學習階段見過屏幕上的詞，按下F鍵，否則按下J鍵。選取錯誤再認率和關鍵誘餌詞占比作為實驗主要指標，前者計算方式為錯誤再認例數（應該按下J的時候按下了F）除以無關詞數（本實驗為30例），后者為關鍵誘餌詞在錯誤再認例數中的占比。

圖4 關聯性錯誤記憶實驗范式圖

2.2 實驗材料與方法

實驗開始前，實驗人員在計算機上分別安裝好4款軟件及各自的運行環境，計算機和軟件的主要配置信息如表1所示。實驗設計完成后（圖5a），向平臺提交審核，管理員審核通過并批準上線（圖5b）。實驗人員將實驗的網絡鏈接發送給被試（圖5c），被試在確認邀請信息無誤并對知情同意書無異議后電子簽名（圖5d），點擊“開始實驗”按鈕進行線上實驗（圖5e），結束后一鍵上傳實驗數據。實驗人員可隨時通過平臺查看實驗數據，或導出實驗數據做進一步分析（圖5f）。

圖5 平臺效果圖

表1 計算機及實驗軟件的主要配置信息

2.3 實驗結果

4款軟件的資源占用情況以堆積面積圖的形式展示如圖6所示。子圖中的綠色區域為內存使用量，單位為byte，紅色區域為CPU占用率，單位為%，橫坐標為監測時間，縱坐標為各指標的計數值，單位與對應指標的單位一致。為方便展示，CPU占用率的展示比例（縱坐標/實際值）為10，內存使用量的展示比例為0.0000001。

圖6 4款軟件在實驗運行階段的CPU占用率和內存使用量情況

采用SPSS 26.0對實驗數據和性能數據的主要指標進行統計學分析，計量資料采用±s描述，將在線實驗平臺與另外3款軟件的性能數據和OpenSesame的實驗數據分別進行對比，對不滿足正態分布的錯誤再認率使用Mann-Whitney U檢驗，對滿足正態分布的CPU占用率、內存使用量和關鍵誘餌詞占比使用獨立樣本的t檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。結果如表2所示，在線實驗平臺與OpenSesame的錯誤再認率和關鍵誘餌詞占比比較，差異無統計學意義（P＞0.05），在線實驗平臺CPU占用率和內存使用量顯著低于OpenSesame，差異有統計學意義（P＜0.05）。在線實驗平臺較其他3款軟件對CPU和內存資源的消耗顯著減少，與OpenSesame收集的實驗數據無顯著差異。

表2 在線實驗平臺與其他3款軟件的數據比較

使用JMeter對在線實驗平臺的主要接口進行壓力測試，線程數為100，以在線創建和運行實驗為測試基線，接口包括保存實驗、查詢實驗、提交實驗數據和刪除實驗，響應時間如圖7所示。結果表明，測試開始后，100名模擬用戶相互獨立地進行這4項操作，除少部分保存實驗的響應時間在2.5 s左右，其他操作的響應時間均在2 s以內。依據響應時間的2-5-8評判原則，當響應時間小于2 s時，用戶會認為響應速度快且體驗感好[16]?？梢缘贸?，系統的關鍵接口響應速度快，能夠滿足百人以內規模的同時在線實驗。

圖7 在線實驗平臺主要接口響應時間圖

3 討論

為了給心理學實驗的開展提供便利，本研究基于JsPsych開發了在線實驗平臺。依據研究人員將CPU占用率和內存使用量作為軟件對系統資源占用情況的主要指標，將響應時間作為軟件性能評估的重要指標[17-18]，使用Perfmon對在線實驗平臺和本領域常用軟件在實驗運行階段的CPU占用率和內存使用量進行監測，使用JMeter對在線實驗平臺的主要接口進行壓力測試。結果表明，在線實驗平臺對系統資源的消耗顯著降低，響應時間滿足百人以內規模的同時在線實驗。最后，將在線實驗平臺和OpenSesame就開展關聯性錯誤記憶實驗進行對比，結果表明，兩個軟件的實驗數據無顯著差異，且關鍵誘餌詞占比均較高，與研究人員提出的關鍵誘餌詞更容易引發虛假記憶的結論一致[15]。

為了規范心理學實驗的開展，研究人員開始用計算機軟件來模擬實驗刺激，Brainard[19]基于Matlab開發出了 Psychtoolbox，Forster等[20]基 于 DirectX 開 發 出 了DMDX，實驗人員通過編寫代碼來設計實驗。為了進一步降低實驗設計和開展的門檻，研究人員用GUI取代代碼編程為主的實驗設計方式，同時支持在線實驗的開展模式。Math?t等[21]和Peirce等[22]基于Python分別開發出了客戶端軟件OpenSesame和PsychoPy，兩者均提供GUI以降低設計實驗所需的編程門檻，但是不直接提供后端支持，實驗人員需要將實驗文件導出并交由第三方平臺托管和開展實驗。Peirce等[22]同時指出軟件具有迭代更新的特點，不同版本間可能存在不兼容的問題，需要實驗人員自行保證版本的一致性。此外還有一些商業軟件如E-Prime和Experiment Builder也提供類似的功能，但是訂購產生的費用也相對較高。

相較于上述方案，本文開發的在線實驗平臺具有操作方便和低成本的特點，主要體現在以下3個方面：① 平臺采用B/S架構，相較于C/S架構具有維護方便和成本更低的優勢[23]。瀏覽器相較客戶端對硬件的配置要求更低，且適用范圍更廣，如DMDX只支持Windows操作系統，但是在線實驗平臺可運行在Windows、MacOS和Linux等不同系列的操作系統上。同時，由于在線實驗平臺通過網絡向服務器請求資源，軟件的迭代更新由平臺運維人員在服務器上完成，因此用戶不必考慮軟件迭代更新造成的版本不一致等問題。② 平臺整合Vue、JsPsych和Element UI來構建GUI，Element UI基于Vue開發而成，Vue和JsPsych均遵循ECMAScript標準，整合后的GUI具有穩定、簡潔和美觀的特點，既降低了非編程專業人員設計實驗的門檻，也便于后續的功能拓展。③ 平臺提供后端支持，為用戶提供線上部署實驗和數據云存儲等服務。用戶在平臺上可以完成從設計實驗、開展實驗到數據收集的一整套流程，省去了自行搭建服務器或導出文件再上傳至第三方托管平臺的額外步驟。

雖然在線實驗平臺為心理學實驗的開展提供了便利，但是對于一些反應時精度要求很高的實驗來說要謹慎使用。研究人員測得JsPsych的時序精度在100 ms量級[24]，de Leeuw[2]也提到盡管在JsPsych中測量響應時間較為精確，但是對于精度要求很高的實驗來說仍然存在局限性。

4 結論

本文開發的在線實驗平臺基于JsPsych函數庫，以前后端分離的開發思想和B/S模式為指導，根據實際需求設計功能和技術架構。通過與同類實驗軟件進行實驗設計對比，證明該平臺能夠達到相似的實驗開展效果，同時占用更少的系統資源并提供云服務支持，進一步降低了開展心理學實驗的門檻。后續研究團隊還會在時序精度、數據加密、高并發等方面繼續深入研究，不斷挖掘在線實驗的優點，為心理學實驗的開展提供更多的便利。