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尽管他不太情愿进行这方面的研究，可是，巴甫洛夫最终还是决定去了解一下，因为，在他的观点来看，这完全是个生理学的现象——因为受到看见或者听见经常喂食的人这种刺激而在大脑里面产生的一种反射，该反射引起了“精神性分泌”。1902年，他开始研究这种并非与腺体反应有固有联系的刺激是在什么时候和以怎样的方式引起这种反应。这种现象，他一直研究了一辈子。
巴甫洛夫虽然是位外科专家，却并没有为这项研究花费精力去做一只胃囊。由于狗看到喂食的人时既产生胃液，也产生唾液，在唾液腺体上做一只简单的囊，并把它挂在高处，导入一个收集和记录装置就可以了。狗接受培训后站在桌子上不动，而且因此得到奖赏、抚弄和喂食。由于急于逗人高兴，它往往不需要人告诉它而自己跳到桌上，而且极有耐心地站在上面不动，带着不太紧的套圈，再与一些设备相连。需要用套圈来防止损坏设备。这套设备由一只橡皮管把腺囊与收集容器和记录筒连着。狗面对着一扇带窗户的墙，面对它们的地方，在实验室的里面，有一只喂食桶，可以通过机械装置把食物倒进这只桶里。
食物一到狗嘴里面后，其唾液即开始溢出。由于这是一种不需要培训的反射，巴甫洛夫把食物叫做“非条件刺激”，把这种唾液反应叫做“非条件反射”。可是，要研究的事情是中性的刺激与同样的反射之间的联系。最典型的模式是，实验者在不被狗看到的地方发出一个响声，这样的话，就不会对狗形成信号作用。这样的响声可以通过摇铃，按蜂鸣器制造出来，而且会引起食物向喂食桶倒食，倾倒的时间间隔为5－30秒之后。起先，铃档的声音或者蜂鸣器的声音只会引起一般的反射——狗竖起耳朵来——但不会出现唾液反射。可是，经过几轮试验之后，仅是这个声音就会使狗的唾液开始溢出。按巴甫洛夫的说法，声音已经变成引起唾液反应的“条件刺激”，而唾液反应则已经成为声音的“条件反射”。
巴甫洛夫及其助手们变换了这个实验的各种形式。他们经常不用声音，而是使灯光闪动，或者在狗可以通过窗户看到的地方转动一个物体，或者操纵某个可以碰触到狗的仪器，或者拉动狗圈某个部位，变换中性刺激与喂食之间的时间间隔等等。在所有的情况下，中性刺激都可以变成条件刺激，可是，其容易程度不太一样。中性的某种气体（不是食物气味）可能需要20多次配对才能成为条件刺激，而一种在狗的视线所及的地方转动一个物体却可能只需要5次配对，一种高声的蜂鸣器只需要一次就可以了。
心理学家可能会把这种条件形成过程称作联想学习，可是，巴甫洛夫是用生理学术语来解释的。他向导师塞基洛夫和第一个提出反射学说的笛卡儿表示了谢意，并提出，非条件的反应，比如将食物放进嘴里时出现的唾液反应，是一种大脑反应：是存在于脊柱或者下脑中枢里的感觉和运动神经之间的一种直接连接。对比而言，条件反射，比如听到一阵铃声或者其它在以前都是中性刺激的声音时出现唾液现象，是由条件形成过程中在大脑皮层里建立起来的新反射通道的结果。
巴甫洛夫以极为详细的细节阐述了他的大脑定位反射理论，以支持他就条件形成所获得的发现。可除了在苏联以外，这个学说在很大程度上为人们所忽略了，而在美国，它被心理学家卡尔·拉什利全盘否定了；拉什利切除了老鼠不同部位和不同量的大脑皮质，再让它们学习迷宫走法，发现老鼠学习能力的缺失与任何某个具体的皮层区的损坏没有关系，而是与切除掉的总量有关系。
然而，巴甫洛夫的生理学理论却丝毫也不影响到人们对他的实验数据和条件形成法则热情的欢迎程度，都认为这是对心理学知识的极大贡献。他的值得注意的发现有如下一些：
时序：
给予刺激的顺序是至关重要的。只有在中性刺激早于非条件反射的时候，它才会成为条件反射，才能够激发反射。在一次实验中，一位助手先喂食，隔5－10秒之后再按响高声的蜂鸣器；试过374次之后，蜂鸣器仍然不能单独地引发唾液分泌。当他在喂食之前按响蜂鸣器时，训练一次就形成了条件反射。
反射消失：
与非条件反射对非条件刺激不一样，条件刺激与反射之间的联系不是永恒的。如果条件刺激重复出现而没有跟上强化手段（食物），则唾液分泌反应会减弱，直至最终消失。
概括：
如果给一只狗发出跟条件刺激类似但多少有些不同的刺激——比如某种比与食物配对的音调稍高或稍低的音调——狗也会分泌唾液，但其分泌的强度比条件刺激要差些。音调间的差别，或者任何条件刺激与相关刺激间的差别越大，反应的强度就越小。因而，狗实际上是从其经验中作出了概括，并期望着类似的经验会得出类似的结果。
区别：
狗在形成条件，听到一个既定的音调，并听到另一个低几个音符的音调时产生唾液后，如果第一个音调总有食物跟上，而第二个音调总没有食物跟上，则狗慢慢会在听到第二种音调时停止分泌唾液。狗已经学会在两种刺激之间进行“differentiate（区别）”了——英美心理学家用的是“discriminate”这个词，意思一样。
实验型神经机能症：
为了确定狗的区别能力的局限，巴甫洛夫无意间促成了狗的某种类似精神病的东西。在一次有历史意义的实验中，一条狗学会了区别屏幕上用灯光打出来的圆形，后面紧跟着食物，还有一个细长的椭圆，后面总没有食物。当狗看到圆的时候产生分泌，而在看到椭圆时不产生分泌的关系确立下来以后，助手们开始改变椭圆的外形，使其越来越像圆形。狗不断地学习在圆和越来越圆的椭圆形之间进行区别，直到椭圆的轴率为7：8。助手接着再试更圆些的椭圆，直到其轴率变成8：9，到这时，巴甫洛夫后来写道：
到目前为止一直很安静的这条狗开始在其站位上尖叫起来，四处扭动，用牙齿咬掉了对皮肤进行机械刺激的仪器，并把连通动物食和观察室的管子咬破了，这种行为是它以前从来没有过的。（后来，）一牵到实验室里，狗就狂吠不止，这与它平常的习惯也正好相反。简单而言，它表现出了急性神经机能症所有的症状。
只有经过长时间休息和小心治疗后，狗才会恢复到足以忍受较容易区别一些的实验的程度。
巴甫洛夫相信，他已经找出动物和人类学习的基本单元。他说，所有学习得来的行为，不管是在学校里面还是外面获得的，“只不过是一长串的条件反射”，其获得、保持和消失是由他和他的助手们已经发现的一些定律来控制的。他的思想深刻地影响了俄国本世纪初期到50年代的心理学，可是，在西方，许多年里一直还不为人知，哪怕巴甫洛夫在1904年的诺贝尔获奖致词上已经提到了条件形成。
罗伯特·耶基斯（他后来主持AAB的开发工作）和他的一位同事从德国杂志得知了巴甫洛夫的工作，与他建立了通信关系，并在《心理学日报》上发表了一篇简短描述其方法和主要发现的文章。他们强调了他的研究方法的有用之处，但没有能够预测到条件反射概念对美国心理学会造成的影响。
可是，1916年，约翰B·沃森——我们稍后会谈到他——开始详细阐述巴甫洛夫条件形成理论如何扩大了心理学中的行为主义理论，几年以后，他把条件反射说成是行为主义学说和方法论的“拱门下的拱心石”。1926年，巴甫洛夫的著作《条件反射讲义》以英文出版了，从那以后，行为主义心理学家们很快吸引了他的思想并借用了他的研究方法。从20年代开始，就巴甫洛夫条件反射所发表的论文以几何级数出现在心理学和医学杂志上，到1943年，其总数已达近1000篇。1951年，哥伦比亚大学的享利·加勒特教授总结了巴甫洛夫思想对在30多年的时间内基本上是行为主义的实验心理学产生的影响：
在实验心理学中，也许没有哪一个课题所花费的时间和精力会超过对条件反射的研究。动物、儿童和成人所获取的条件反射、不同反射的条件形成的相对容易程度、其反射消失和重现、学校教育与条件反射形成的容易程度之间的关系……（已全部）置于实验考验之下……许多心理学家希望——而且严格的客观主义者相信——条件反射会证明是所有习惯形成的单元或者因素。
行为主义先生：约翰B·沃森
没有哪个人比约翰·霍普金斯大学的约翰B·沃森更卖力地在美国心理学家中兜售行为主义了。他是位天才的叫卖者，热情洋溢而且极有手腕地向同事们贩卖他自己和他的思想，他一边发动行为主义者运动，一边很快便升至其职业的顶峰；之后，因为桃色事件而被逐出学术圈，他又在一家大型广告公司充当心理学顾问，获取了第二份收入颇丰的职业。
沃森像小说里写的那种旅行推销员一样，表现出了很强的自信心，用极富煽动性和自信的口吻宣传自己的观点，而且是个终生不渝的采花郎。可在背地里，他却是个没有安全感，害怕黑暗而且情感冷冻的人。他与人相处时可极富社交能力而且十分诱人，可是，如果谈话论及深层感情，他就会离开房间忙些杂事。他对动物深有感情，而对人几乎就无法表达爱心。（他从没有吻过或者抱过自己的孩子，到睡觉的时候，他与孩子们握手说晚安。）他的第二任