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第十四章 实验设计第一节 实验设计概述 1 第二节 实验设计的一般格式与内容 10 第三节 单因素实验设计的类型 13 第四节 双因素实验设计 16 本章小结 18 练习与思考题 18 问题 某教师准备在所任教的班级进行两种教学方法的比较实验，一研究者则欲研究不同的测验方式（如电脑测试与纸笔测试）和不同的测验顺序（如先电脑后纸笔与先纸笔后电脑）对被试测验成绩的影响诸如此类的问题均需要在研究之前进行相应的心理与教育实验设计学习目标1．理解实验设计的意义2．掌握实验设计的一般格式和内容3．掌握单因素实验设计的各种类型4．了解双因素设计的思想和方法描述统计分析与推断统计分析必须在研究数据真实、准确、可靠的基础上，才能获得正确的统计结论实验设计既是实验工作的难点，也是实验工作的关键一切科学实验都讲究设计问题，人们常说“一个良好的实验设计，等于实验成功了一半”而心理与教育实验研究的对象是人，因其变异性、复杂性及众多的影响因素等特点，没有良好的设计，要获得有效、合理、具有代表性的实验结果是不可能的因此作为教育研究工作者，应当懂得实验设计的理论与方法实验设计可单独作为一门课程开设，内容丰富而复杂，本章只对实验设计的初步知识进行介绍。

   第一节 实验设计概述一、实验设计的意义（一）实验设计的定义实验设计（design of experiments）是为了回答研究者的某种问题，根据特定的数学模型，遵循R. A. Fisher提出的实验设计三大原则而设计的实验方案它有着广义与狭义之分广义的实验设计是指包括整个实验程序的设计，即实验程序的全部设计和安排，具体包括确定课题、选择课题、制订实验方案、提出实验方法、实施实验和处理并解释实验结果等狭义的实验设计则是制订关于实验进程的计划，即实验方案这个计划应力求使实验用最少的人力、物力和时间取得最有效的材料、数据，为因果推论提供合理的逻辑基础具体包括实验假设的建立、实验变量的操作与控制、反应变量的观测、无关变量的控制、研究总体的规定与被试的选择与分组、数据处理方法的确定等值得注意的是，实验与实验设计是两个不同的概念实验指具体的实施实验，实验设计则是实验的方案和计划，它是实验的组成部分二）实验与实验设计的作用实验设计是整个科学研究过程的有机组成部分其在科学研究中的作用如图10-1所示           图14-1 研究过程图研究者在原假设Hi的基础上通过演绎获得Hi 的某个推论。

而这种推论是否正确、全面，需要经过实验设计Dj的实验所获得的有效的、新的数据进行归纳，修改Hi为Hi+1而新的、有效的数据是实验设计Dj过滤了实验中的干扰因素后所获得的自然界的真实状况的反映之后，研究者再用新的假设Hi+1代替原假设Hi，进行新的研究过程可见，实验研究是一个“假设—验证—再假设—再验证”的循环往复的过程实验法与调查法、测验法的不同在于探索客观事物之间的因果关系因果关系是事物内部及事实之间相互联系的一种形式，是一种引起与被引起的关系谁是因，谁是果；因在前，果在后”是确定的，不能颠倒二、实验与实验设计的要素与基本原则（一）要素实验设计的要素主要有五个方面一是实验单位（experiments unit），它是实验所抽取的实验对象，即被试（subjects）二是实验因素（experiments factor）或因子，它是对实验结果可能产生影响的自变量因子有定量因素与定性因子之分例如，年龄、智商、工资等均为定量因子；性别、民族、国籍、学校等则为定性因子在实验中，即可以是单独的定量因子或定性因子，也可以将定量与定性因子结合起来三是因子水平，简称水平（level），它是给定的因子取值（定量的）或特定因子的配置（定性的）。

四是处理组合，简称处理（treatment），它是不同因子的相应水平所构成的组合处理可以是为了观察实验情景中的效应所施加的综合训练，也可以是为了比较各效应的大小所应用于的控制条件例如，某教师研究识记方法与年龄的关系，其处理组合则有四种，具体如表10-1所示 表10-1 识记方式与年龄的研究 B因素识记方法A：年龄（单位：岁）6－12（a1） 13－18（a2）机械识记（b1）意义识记（b2） a1b1 a2b2 a1b2 a2b2五是反应或效应（effect），它是因子的某个水平在一个实验单位上所做的测量 （二）实验的原则 心理与教育实验是在一定的哲学思想与科学方法的指导下进行的，就教育对象的特定性而言，进行实验应遵循三个基本原则一是客观性原则，即实事求是的原则它要求研究者在研究中忠于事实，按照事物的本来面目去反映而不应有任何的主观臆造或任意揣测为此，研究者必须对课题及实验对象不抱任何偏见和成见，对观察和搜集的事实材料、数据作如实的记录，按照要求处理材料，作出结论要全面充分地反映材料，不仅要发现和记录与自己期望相符的事实，而且要发现和记录与自己预期不相符的事实。

此外，还要具有复制性，即在相同的实验条件下，使用相同的研究程序和方法，别人能得到与你基本相同的资料或结论当然这种复制性是相对的，这是因为实验现象是随机，实验条件是千差万别的，因此绝对相同的复制是不可能的二是控制性原则，一方面要严密地进行实验因子的操作，避免实验因子各水平之间或各种处理组合之间发生混淆另一方面则要排队无关因子的干扰为了不影响实验因子效应的正确观测和归因，必须保证所观测的反应变量确实是实验变量所引起的，于是必须控制那些对实验结果产生影响的无关因子进行控制例如进行“多媒体教学法”在扩大学生知识面和提高学业成绩的效果时，其实验变量为教学方法，反应变量是学业成绩除教法外，至少还有教师方面（如教师自身的专业水平、工作态度、业务能力、工作时间等）、学生方面（年龄、性别、智力水平、学习时间、原有基础、个性品质等）、教学内容（如教材内容的广度与深度）及教学环境（如教学设施与设备、关怀程度等）等因素对反应变量产生影响，若不控制这些因素，则获得的差异结果就无法断定为教学方法的效果三是教育性原则心理与教育研究与其它研究领域的不同在于我们的研究对象是人，而且是正在发育成长过程中的儿童青少年教育的出发点是教书育人，我们之所以开展研究正是为教好书，育好人，否则研究就失去了意义和价值。

对人的研究不能象其它自然物，在任何情况或条件下都可以拿来作样品、作被试实验研究应当充分考虑到实验的实施是否有利于儿童身心的健康发展，决不允许向儿童呈现有违教育目的、任务的图片、问题及作业等三）实验设计的基本原则上面我们阐述了实验的基本原则作为实验的前秦——实验设计也有其遵循的原则实验设计的基本思想是由英国统计学家R. A. Fisher在进行农业田间实验中提出的后来被种类实验作为设计的基本原则一直延用至今1．重复性原则要求每一因素水平或处理组合的实验次数不得少于2其作用在于使实验者得到实验误差的估计量，减少实验误差2．局部控制原则心理与教育研究讲究控制，但与自然科学的全面控制不同，我们采用的是局部控制一方面由于心理与教育研究的复杂性和可变性，无法做到控制所有影响因素；另一方面若控制了所有影响因素，实验结果与自然情景的会相关甚至远，推广应用受到限制，同时需要花费大量的人力、物力、时间因此，我们力求在同一重复区内，使环境条件、技术措施、实验管理方法等尽可能一致，防止因环境条件等因素的异质性干扰，从而减少实验误差3．随机化原则统计分析的前提是随机样本，凡不符合随机样本的数据是不能够采用这些统计方法来分析的。

因此，实验设计时一定要随时注意随机化的问题实验设计中需要随机化的因素主要有四个方面一是被试抽取的随机性要求被试样本完全是按照随机化的原则从总体中抽取出来的，这样获得的样本才为随机样本当总体相当庞大时，可采用随机化团体取样的方法，先得到一个随机团体样本，然后在此基础上最终获得随机样本例如研究某省中学生考试焦虑的问题，需要抽取1000名学生则先将该省所有城市编号，从中随机抽取10个城市组成随机团体；然后再对这10所城市中的每所中学编号，从中随机抽取10所中学，得到100个中学的随机样本；之后再对这100所中学编号，从中随机抽20学校；最后在这25的学校中，每校随机抽取50名学生，获得一个1000人的随机样本二是被试分组的随机性用随机化得到的随机样本只能说明它具有总体的代表性在实验研究中，往往需要多个组的被试参与实验，那么谁为实验组，谁为对照组等，这时被试的分配也要求按照随机化的原则进行操作被试的随机分配是实验分组随机化的重要条件，这种使用随机化原则和方法产生的被试组称为随机组三是实验顺序的随机性在实验实施过程中，参与实验的被试组都要接受研究者事先安排的某种实验处理条件，被试接受实验处理的方式有二：同组被试同时接受某种处理，或者同组被试按顺序逐个先后接受同一种处理。

在采用后一种方面时，同组被试接受处理的顺序也必须要随机化譬如两组被试（每组5人）做某一实验顺序的随机化安排如表10-2所示随机组 被试接受处理的顺序 接受处理的先后顺序1 2 3 4 5第一组第二组F B H J D每个被试G A I C E 四是自变量呈现的随机性因为一般研究总是多因素或多水平的实验研究，因此还需要考虑各种因素或水平的自变量在呈现时的随机化问题自变量的呈现随机化主要分顺序、空间和时间三个方面因篇幅有限不再详细讨论随机化是实验设计应用统计学原理的集中表现之一它可使实验结果尽量避免受到主客观方面的系统性因素的影响而出现的偏倚性，达到对实验误差作出正确估计的目的，并且使可能出现的无关因素的效应相应抵消遵循三个基本原则在正确估计和减少实验误差中的关系如图10-2所示        图14-2 实验设计原则的作用 三、实验与实验设计的种类实验与实验设计的分类标准很多，在不同的标准下可分出不同的实验或实验设计这些分类结果之间并非独立的，而是相互交叉的，即同一个类别可能出现在不同的分类标准之中常见的分类如下一）实验的分类1．根据实验地点分，有实验室实验和自然实验。

实验室实验顾名思义是在实验室条件下，运用一定的实验仪器设备进行的实验，这是一种控制水平很高的实验，又称为真实验而心理与教育实验更多的是自然实验，即在日常的学习、生活、工作环境中进行的实验，其控制水平不如实验室实验，但其结果更加符合实际情况 2．根据因素联系的进程分，有探索性实验和验证性实验如果研究者对课题还缺乏必要的了解，或者根据现有的知识还不能提出明确的假设，则可以通过探索性实验取得必要的事实数据，探明造成某种现象的原因究竟有哪些，或者操纵某些条件的变化可能会引起什么结果探索性实验的特点是实验时因子较多，常需把许多可能影响实验结果的因子组合在一起，安排在实验中进行比较、筛选、淘汰和更新，这种实验通常要求的规模比较小，重复资料较少，自然实验的精度也较低如果研究者对课题的现状比较明确，能够提出比较具体的假设，实验中是为了验证该假设是否成立，这时的实验则为验证性实验当验证性实验的结果与原假设不一致进，还可以修改原假设，或者提出新的假设，重新设计和开展实验加以验证验证性实验的特点是实。