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巴甫洛夫早先致力于研究狗的消化系统。他发现，当把食物置入狗的胃里时，胃壁会分泌胃液以促进消化。一系列研究表明，胃液分泌的数量和持续的时间，是随放入胃里的食物的种类和数量而变化的。为了清楚地测定胃里发生的变化，巴甫洛夫以其精湛的外科手术，使狗的胃一部份外露出来。他把狗胃的一部分组织切开，接着在躯体一边切开一个洞口，外面再连接一个囊袋。这样，狗实际上就有了两个胃：一个是原来的胃，其绝大部分组织都仍在起着它的基本功能；另一个是通过手术连接在外面的小胃（或称为“巴甫洛夫囊袋（Pavlovian Pouch）”），这个囊袋的内部是可以观察到的。巴甫洛夫发现，囊袋分泌的情况与胃的分泌活动完全一样。完成了这些准备工作后，巴甫洛夫就能了解消化过程的细节。他也由此获得了诺贝尔医学奖。
巴甫洛夫根据实验研究得出的基本结论是：动物有一种固有的生理反射，它以一种非常精确的方式随胃里食物的种类和数最进行胃液分泌。这一结论也适用于唾液分泌，因为狗唾液分泌的情况，是与嘴里食物的种类和数量完全吻合的。例如，当嘴里有食物时会分泌一种稠的唾液以开始消化过程，而当在嘴里滴一点酸液时，就会分泌大量淡的唾液以稀释酸液。 巴甫洛夫在实验过程中遇到了一种新的情况。如果把狗的食管切开，从颈部移到外部，这样，食物可以咀、可以咽，但不会到胃里去，而是从颈部流了出去。巴甫洛夫发现，狗的胃液分泌几乎仍然像食物进入胃一样多。这就使他得出结论：引起反射性分泌的刺激，不仅可以是胃里的食物（即适当的刺激（appropriate stimulus）），而且还可以是嘴里的食物（即信号刺激（signaling stimulus））。 巴甫洛夫后来又发现，引起狗胃液分泌活动的，可以是狗原先吃过食物的盘子，甚至只要看到以前喂过食物的人，也会引起胃液分泌活动。这种情况完全不同于属于生理反射的那种分泌活动。巴甫洛夫由此认为，存在着两种反射：一种是生理反射（physiological reflex），这是一种内在的、任何动物的所有成员都会表现出来的反射，它们是神经系统固有组织的一部分；另一种是心理反射（psychic reflex），后来他改称为条件反射（conditioned reflex），这种反射是特定动物作为特定经验的结果而产生的。例如，所有狗在胃里有食物时都会分泌胃液，但只有那些具有某种经验的狗才会在听到铃声时产生胃液分泌活动。
现在我们来看看经典条件作用的实验，他把狗用一副套具固定住，唾液是用联结在狗颚外侧的管道收集的，管道连结到一个既可以测量以立方厘米计的总量、也可以记录分泌的滴数的装置。如前所述，当狗嘴里有食物时，会产生分泌唾液的反应。这种反应是本能固有的，巴甫洛夫把这种食物称为无条件刺激，简称“UCS”，把反射性唾液分泌称为无条件反射，简称“UCR”。为了使狗对某一种刺激（如铃声）形成条件作用，把这种原来只会引起探索性反射的中性刺激（即铃声）与无条件刺激（即肉）配对。经过一系列配对尝试后，单是发出铃声，不提供肉，也能引起狗产生唾液分泌。在这种情况下，铃声就成了条件刺激，简称“CS”，铃声引起的唾液分泌就是条件反射，简名“CR”。由此可见，条件反射仅仅是由于条件刺激与无条件刺激配对呈现的结果。
需要指出的是，在巴甫洛夫看来，重要的是引起反射的刺激，反射之后的结果是没有任何理论上的意义的。这样，尽管巴甫洛夫和桑代克都在分析刺激与反应之间的联系，但他俩对形成这种联系的程序以及对学习过程的解释是完全不同的，我们可以用下列程式来比较巴甫洛夫与桑代克的实验程序：
由于巴甫洛夫的无条件刺激（UCS）与桑代克强化刺激（S’）呈现的时间和所起的作用不同，前者可以说是一种刺激辨别学习，后者则是通过强化刺激加强刺激一反应的联结，因此，如果我们把巴甫洛夫的无条件刺激称为强化物，容易引起某种混淆。
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