为了计量狗在实验期间分泌唾液的量，巴甫洛夫为每一只实验的狗做了一个小手术，即改变了其一条唾腺导管的路线，使它通到体外，以便于接取和计量由导管滴出的唾液。
待狗的手术口愈合后，巴甫洛夫便开始实验，他每次给狗喂肉的时候，一条健康的狗看到肉便会马上流口水。
此后，巴甫洛夫每次给狗喂肉之前总是按蜂鸣器，这样也会使狗流下口水，即使蜂鸣器响过后没有食物，狗也会如此。同时，巴甫洛夫还发现，他不能无休止地连续欺骗这些狗，如果蜂鸣器响过后不给食物，狗对该声音的反应就会愈来愈弱，分泌的唾液一次比一次少。
巴甫洛夫还从试验中得出，几种不同的刺激都能跟蜂鸣器一样引起同样的反应。
例如，打铃或者轻微的点击，只要与食物结合起来，就会使狗“遵命”流口水。
巴甫洛夫把这种非本能的反应称作“条件反射”。
巴甫洛夫的另外一个实验是，给狗喂食的同时吹哨子。重复多次以后，狗一听到哨声就分泌唾液，不过狗对各种哨声——响亮的，微弱的，高音的，低音的，都会产生同样的反应，似乎不同的哨音在他们听起来没有什么区别。
然后，实验员使用几种哨子，但是只吹一个特定的哨子才给肉吃。不久，这些狗就只对给它们带来食物的哨子声有反应了。
巴甫洛夫称食物是无条件刺激，而铃声则是条件刺激。食物引起唾液分泌是无条件反射，是狗天生就有的；而狗听到铃声就分泌唾液乃是条件反射，是经过后天培养才学到的。
条件反射就是：原来不能引起某一反应的刺激，通过一个学习过程，把这个刺激与另一个能引起反应的刺激同时给予，使条件刺激和无条件反应之间建立联系。
在个体生活过程中，如果只有非条件反射是无法在多变的环境中生存的，可以设想，机体不能只依靠食物掉入口中才引起吃食动作，更不能只在身上遭受伤害时才引起防御动作。
实际上，在生命活动中，单纯的非条件反射是不存在的，机体在复杂多变的环境中，不断在非条件反射的基础上建立新的条件反射。
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