實驗設(shè)計專題.doc

楊治良書：一 實驗設(shè)計的基本類型：實驗設(shè)計乃是進(jìn)行科學(xué)實驗前做出的具體計劃。它主要是控制實驗條件和安排實驗程序的計劃。它的目的在于找出實驗條件和實驗結(jié)果之間的關(guān)系，做出正確的結(jié)論，來檢驗解決問題的假設(shè)。心理實驗設(shè)計的內(nèi)容包括：刺激變量（或刺激變項）的確定及其呈現(xiàn)方式，反應(yīng)變量（或反應(yīng)變項）的指標(biāo)及其測量方法，對一切有關(guān)變過量（或變項）的控制措施，確定被試者人數(shù)和選擇被試者的方法，擬定主試在實驗開始前對被試者要說的指示語，規(guī)定實驗次數(shù)，安排實驗程序，規(guī)定使用儀器的型號，處理實驗數(shù)據(jù)的方法等等。實驗設(shè)計要對實驗結(jié)果有預(yù)見性，要保證嚴(yán)格按照實驗設(shè)計進(jìn)行才能取得有效的實驗數(shù)據(jù)。每一個實驗設(shè)計都必須回答三個基本問題：實驗采用多少自變量；各自變量內(nèi)又采用多少處理水平；在各自變量和各處理水平中用相同的被試者還使用不同的被試者。根據(jù)以上三個問題的回答，就可以把實驗設(shè)計的類型大體分為三種：被試者內(nèi)設(shè)計，被試者間設(shè)計以及同時包括被試者內(nèi)與被試者間的混合設(shè)計。被試者如果在自變量發(fā)生變化的所有情況下接受實驗，則是被試者內(nèi)設(shè)計。如，自變量是照明強(qiáng)度，假如有強(qiáng)中弱三種照度供操縱；因變量是觀測一個在標(biāo)準(zhǔn)條件下視角為一分的C型視標(biāo)的距離。采用被試者內(nèi)設(shè)計時，同一被試者需要在三種照明條件下都接受測試。如果被試者只接受多個自變量情況中的一個，即不同的被試者接受不同自變量的處理，這類設(shè)計便是被試者間設(shè)計。在上例中，如果各組分被接受某一種照明條件下的測試，這種實驗設(shè)計就是被試者間設(shè)計。所謂混合設(shè)計，是指在一項實驗中，有些自變量是被試者內(nèi)的，而有些自變量是被試者間的。如，一個被試者接受甲變量的每一種情況，但只接受乙變量的一種情況。根據(jù)被試內(nèi)設(shè)計和被試間設(shè)計的特征，這時的甲變量是被試內(nèi)的自變量，乙變量則是被試者間的自變量了。這類實驗設(shè)計即使混合設(shè)計。（一） 被試者內(nèi)設(shè)計 被試者內(nèi)設(shè)計（或受試者內(nèi)設(shè)計，單組實驗設(shè)計）是每一個被試者須接受自變過量所有情況的處理。其基本原則是：每個被試者參與所有的實驗處理，然后比較相同被試者在不同處理下的行為變化。這種實驗設(shè)計下的同一被試者既為實驗提供數(shù)據(jù)，也為控制組提供數(shù)據(jù)。因此，被試者內(nèi)設(shè)計無需另找控制組的被試者。有以下三種自類型：1. 實驗前后設(shè)計：實驗前后設(shè)計是指在實驗條件處理前對被試者進(jìn)行觀測的結(jié)果與實驗條件處理后所做的同樣觀測的結(jié)果加以對比的設(shè)計。也就是說，這種設(shè)計類型是實驗處理前后的比較設(shè)計。設(shè)計模式：組數(shù)前觀測處理后觀測1Y1XY2實驗（處理）前后設(shè)計具有兩個優(yōu)點：a.能較明顯地檢查出實驗處理的效果如何。因為這種實驗中，前后被試者是同一的，如果能夠控制好無關(guān)變量的話，那么實驗處理前后的差異，就是實驗處理的結(jié)果。b.對被試者的需要量較少，一組被試當(dāng)兩組被試用，無需再增設(shè)被試控制組。不僅效率提高了，而且被試者變量也得到了很好的控制。各類被試者內(nèi)設(shè)計的共同缺點是，這類設(shè)計需要每個被試者在實驗中花費很多時間。通常一個被試者被要求執(zhí)行幾項任務(wù)，這勢必會造成疲勞，影響實驗效果。而前后設(shè)計還有兩個不足之處：a.由于前后兩次觀測之間存在時間間隔，這就會帶來外來的影響。一般來說，前后間隔的時間越長，則影響就越大。反之如果前后兩次觀測時間很接近，倒可以認(rèn)為這時實驗處理引起的差異。b.容易產(chǎn)生順序誤差，即前面的觀測影響后面觀測的結(jié)果，從而影響實驗結(jié)果。例如實驗中第一次觀測會產(chǎn)生學(xué)習(xí)，疲勞，情緒等效應(yīng)，從而影響第二次觀測的結(jié)果。2. 定時系列設(shè)計定時系列設(shè)計是指實驗處理前對一組被試作一系列定時重復(fù)觀測，然后實施實驗處理。再對被試者作一系列的定時重復(fù)觀測，分析自變量（實驗處理）對因變量的關(guān)系。定時系列設(shè)計可以看作是前后設(shè)計的擴(kuò)展形式。定時系列設(shè)計，一般先分別求出實驗處理前和實驗處理后的平均數(shù)，也有分別取眾數(shù)和中數(shù)的。設(shè)計模式：組數(shù)前觀測處理后觀測1Y1a,Y1b,Y1cXY2a,Y2b,Y2c這種設(shè)計除了具有上述前后設(shè)計的兩個優(yōu)點之外，還具有以下兩個優(yōu)點：a.降低由于一次觀測而得到的被試者不正常行為的機(jī)率。實驗處理前和實驗處理后分別對每一位被試者作一系列的測定，這就能降低只做一次觀測而得到不正確結(jié)果的幾率。b.提供測量過程中的信息。無論在實驗處理前或是在實驗處理后，均對被試者進(jìn)行一系列的觀測，這樣就可以使我們看出發(fā)展的趨向。但這也加重了前后設(shè)計所存在的弱勢：a.由于更多次的觀測，勢必延長實驗時間，從而會有更多外來影響；b.也正是由于更多次的觀測，更易引起順序誤差，更易導(dǎo)致練習(xí)，疲勞，緊張或厭煩等效應(yīng)，影響實驗結(jié)果。3. 抵消實驗條件的設(shè)計：抵消實驗條件的設(shè)計是指抵消實驗過程中無關(guān)變量的一種設(shè)計。前面講到，有些無關(guān)變量在某些實驗情況下既不能被消除，又不能保持恒定。例如，單組實驗往往由于前一處理影響后一處理的效果，產(chǎn)生順序誤差。為了抵消順序誤差，最簡單的方法就是用ABBA的排列順序來安排實驗順序。其模式可以用下圖表示：處理操作甲操作乙操作乙操作甲結(jié)果實驗一觀測值實驗二觀測值實驗三觀測值實驗四觀測值這種實驗設(shè)計在處理甲的情況下得到兩個數(shù)值，在處理乙的情況下也得到兩個數(shù)值。統(tǒng)計時就通過分別求平均數(shù)后，加以比較。這樣的實驗設(shè)計，既安排了兩種操作方式的程序上的均等，同時有提供了估計隨機(jī)誤差的可能性。抵消實驗條件的設(shè)計具有三個明顯的優(yōu)點：a.能較好的控制被試變量，這是單組實驗設(shè)計的共同優(yōu)點。單組實驗設(shè)計不但比兩組實驗設(shè)計用的被試者數(shù)量少，而且由于兩種實驗條件使用同一被試者，從而較好的控制了實驗變量。b.能較好的控制順序誤差。如一般被試者的順序為ABBA，另一半被試者的實驗順序為BAAB，那就抵消的更徹底了。c.時間上比較經(jīng)濟(jì)。這類實驗一般觀測次數(shù)不多，上面操作方式甲乙的比較，也只要通過四次觀測就能完成某一被試者的實驗。因此，被試者較容易配合，以順理完成實驗，同時也排出了某一些實驗誤差。局限性主要有兩點：a.反應(yīng)變量在時間維度上的關(guān)系是線性時才能使用，抵消實驗設(shè)計的前提條件是反應(yīng)變量在時間維度上的關(guān)系是線性關(guān)系。例如，單純的前影響作用，無論是從實驗一到實驗二，還是從實驗三到實驗四，都是后者受前者影響。但是當(dāng)這些變量的實際效果與行為效果的關(guān)系是非線性時，則采用這類設(shè)計也不能達(dá)到抵消誤差的目的。b.對有些實驗不適用。例如用兩種學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)同一實驗材料。若一定要用這種設(shè)計，就必須改用同一被試用兩種學(xué)習(xí)方法，學(xué)習(xí)兩種難度相等的不同材料，才能消除練習(xí)誤差，同時還應(yīng)用相同的計量單位，否則無法進(jìn)行比較。 單組實驗設(shè)計有其局限性，同時，正如前面所述，雖有些實驗不適用。單組實驗設(shè)計在不能避免某種系統(tǒng)誤差時，就要用被試者間設(shè)計或混合設(shè)計來完善實驗設(shè)計。（二） 被試者間設(shè)計被試者內(nèi)設(shè)計要求每一被試者接受所有自變量處理，關(guān)鍵是如何安排各處理的先后次序。被試者間設(shè)計（或組間法）是要求每個被試者（組）只接受一個自變量處理，對另一個被試者（組）進(jìn)行另一種處理，故又稱這種設(shè)計為獨立組設(shè)計。這種設(shè)計的主要問題是如何決定哪一個被試者（組）接受哪一種實驗處理。若有兩種以上的處理，有多少種處理就采用多少個被試者（組）。被試者見設(shè)計或獨立組設(shè)計有兩類設(shè)計技術(shù)：隨機(jī)組設(shè)計和配對組設(shè)計。 隨機(jī)組設(shè)計：隨機(jī)組設(shè)計（或隨機(jī)分組設(shè)計）是將被試者隨機(jī)地分配在不同的組內(nèi)接受不同的自變量處理。這一假設(shè)是將被試者隨機(jī)分配到不同組，若對各組用一樣的課題，在相同條件下進(jìn)行測量，其結(jié)果就成為相等組（或等組），則它們的成績在統(tǒng)計上應(yīng)是相等的。換句話說，假設(shè)各組在與實驗課題有關(guān)的特性上（如年齡，智力，性格特征等）沒有差別（在統(tǒng)計允許的限度以內(nèi)），而實驗結(jié)果卻出現(xiàn)差別，這差別就是由于處理的不同引起的。從統(tǒng)計理論來講，特別是抽樣理論來說，此設(shè)計的各被試者樣本（隨機(jī)組）在未受不同實驗處理之前，他們的作業(yè)平均數(shù)在統(tǒng)計上是沒有顯著差異的，如果有，也僅僅是抽樣變動。若這些隨機(jī)組經(jīng)受不同的實驗處理后，經(jīng)檢驗和檢驗后發(fā)現(xiàn)作業(yè)的平均數(shù)有顯著性差異，那么這些差別就是實驗處理的不同引起的。怎樣才能得到隨機(jī)分組呢？方法有兩個：同時分配法和次第分配法。（） 同時分配法：同時分配法的條件是，被試者同時等候，而實驗者可以隨意調(diào)派其中任何一個被試者。有三種：抽簽法；筆畫法；報數(shù)法。（） 次第分配法：它的條件是，由于實驗持續(xù)時間較長或其他原因，實驗者知道有一群被試者，但不知道究竟哪位被試什么時間會來，只能根據(jù)預(yù)先擬定好的原則進(jìn)行分派，而且當(dāng)實驗結(jié)束時，各組要符合隨機(jī)組的要求。兩種技術(shù)：簡便法：按被試者出現(xiàn)在實驗的先后順序分派，第一名屬第一組，第二名屬第二組，第三名屬第三組，以此類推。區(qū)組隨機(jī)法：為了避免被試者非隨機(jī)出現(xiàn)的可能性，可按照被試者來到實驗室的先后，使用區(qū)內(nèi)隨機(jī)次序分派被試者歸屬各組。隨機(jī)組設(shè)計有優(yōu)點也有缺點。優(yōu)點：用隨機(jī)分配被試者的方法可控制兩組被試者變量的差異，分組方法簡單可行。由于對每一被試者只做一次觀測，可消除某些實驗誤差。缺點：分成等組的方法仍欠精密；若兩組在不同時期觀測，就有可能插入實驗以外的偶發(fā)事件，影響因變量的觀測結(jié)果。 配對組設(shè)計配對組設(shè)計（或?qū)Φ冉M設(shè)計）是隨機(jī)組設(shè)計的一種邏輯擴(kuò)展。配對組設(shè)計的目的是使各組的特性更加相同。這種設(shè)計可控制組內(nèi)變異和組間變異。在心理學(xué)研究中經(jīng)常會遇到某些變量，特別是機(jī)體內(nèi)部的變量，如智力，態(tài)度等。他們對實驗變量（自變量）來說是額外的，無關(guān)的，而對因變量來說確是有關(guān)的。因此，他們是共變量。共變量如不受到實驗控制，則進(jìn)行F檢驗是作為實驗誤差的組內(nèi)誤差往往會不合理的擴(kuò)大了。配對組設(shè)計就能解決此類問題。這一設(shè)計要求把共變量分成幾個等級，經(jīng)過測量，然后把具有同一等級特征的K個被試加以配對，此時，每一個配對組便是一個層級。配對組的K個被試者每個人接受一種實驗處理，至于誰應(yīng)接受哪一種實驗處理，則用隨機(jī)分派的方式來決定。層 級實 驗 變 量層 級 平 均 數(shù)實 驗 處 理 平 均 數(shù)上表中，每一等級的每一處理只是觀察一個被試的做法，有時所觀察的基本單位不是一個被試者，而是一個團(tuán)體或是一個子集合。配對法經(jīng)常有兩個步驟：第一，令所有被試作“共同作業(yè)”，即接受預(yù)備測驗，獲得作業(yè)分?jǐn)?shù)；第二，根據(jù)作業(yè)分?jǐn)?shù)形成配對組。第一步，共同作業(yè)。也稱為先檢驗或前測。配對組設(shè)計的優(yōu)劣完全依賴實驗作業(yè)是否與共同作業(yè)有高度的相關(guān)。先檢驗與實驗作業(yè)的相關(guān)越高，組間差異越小，則接受不同處理后的實驗結(jié)果越能反映實驗處理的差異。先檢驗作業(yè)有兩種，一種是和實驗作業(yè)有高度相關(guān)的其它作業(yè)；另一種是利用被試實驗作業(yè)的初步表現(xiàn)。通常，統(tǒng)一作業(yè)的兩個階段的行為表現(xiàn)是相關(guān)的。第二步，配對分組，乃是取得先檢驗測試分?jǐn)?shù)后，再用兩種方法形成配對組。方法一：經(jīng)被試按檢驗作業(yè)分?jǐn)?shù)高低排列?，F(xiàn)設(shè)有三種自變量處理（情況），將前三個被試依區(qū)內(nèi)隨機(jī)方法派到A,B,C三組，接著將后三個被試如法分派，直到分配完畢。方法二，取先檢驗分?jǐn)?shù)中相同或非常接近的，以三人為一單位，然后按區(qū)內(nèi)隨機(jī)法分配到A,B,C各組。每三個被試的分?jǐn)?shù)接近程度完全是任意的。兩種方法相比，方法二中各被試的平均值比方法一更接近，但由于有隨機(jī)分配的程序因素參與區(qū)中，只比較平均數(shù)還不能說明問題，應(yīng)再比較所分各組的標(biāo)準(zhǔn)差。若被試在方法二中的標(biāo)準(zhǔn)差比在方法一中更接近，這就有力地說明了方法二的各組較為接近，而根據(jù)方法二的處理，各組的標(biāo)準(zhǔn)差總會小一些。配對組設(shè)計的作用在于控制組內(nèi)變異與組間變異。他的優(yōu)點是在實驗處理之前，就把組間變異縮到最小和要求兩組組內(nèi)變異比單獨的隨機(jī)分配更接近相等。因此，這種設(shè)計能對被試者個別差異給予更多的控制，小型實驗用配對設(shè)計，其效果比用隨機(jī)分組的效果更為顯著。但這種設(shè)計的缺點是，實驗者因分配被試而大大增加其工作量。（三） 混合設(shè)計混合設(shè)計乃是在一個實驗中同時采用兩種基本設(shè)計的實驗設(shè)計。他要求一個自變過量用一種設(shè)計處理，如被試者間設(shè)計處理。 （書上看不太懂，略） 多實驗設(shè)計之拉丁方設(shè)計：拉丁方設(shè)計（或拉丁方格設(shè)計）是多變過量實驗設(shè)計中一種較為常用的設(shè)計方案。心理實驗中采用循環(huán)法平衡實驗順序?qū)嶒烅樞驅(qū)嶒灲Y(jié)果的影響，就使實驗順序，被試者差異都作為一個自變量來處理。只要是實驗中自變量的個數(shù)（因素）與實驗處理水平相同，而且這些自變過量之間沒有交互作用存在時，都可采用拉丁方設(shè)計方案。這里對于這些因素之間沒有交互作用的假設(shè)是很重要的。否則，若按沒有交互作用的統(tǒng)計方法處理實驗結(jié)果，只能是準(zhǔn)實驗設(shè)計。此設(shè)計的基本模式如表：被 試 者實 驗 順 序 B1B2B3C1A1A2A3C2A2A3A1C3A3A1A2A1,A2,A3為實驗處理的三個水平。C1,C2,C3是被試者的三種不同的類型，存在個體差異，被試可以為一人，也可為多人。對于這種拉丁方設(shè)計的實驗結(jié)果，可用獨立樣本拉丁方變異數(shù)分析法，可分析出被試間，實驗順序間，實驗處理間的差異情形。就是說實驗順序，被試者差異對實驗結(jié)果的影響都可分析出來。假如，被試者是隨機(jī)抽取的，且隨機(jī)分派，并保證各組被試相等。這時的結(jié)果分析可用相關(guān)樣本拉丁方分析法來處理?？煞治龀霰辉囌邇?nèi)的順序（B因素），處理（A因素）及部分A*B的交互作用。拉丁方設(shè)計能夠抵消實驗中因?qū)嶒烅樞?，被試者差異等造成的無關(guān)變量效果，因此在實驗設(shè)計中經(jīng)常被應(yīng)用。隨著數(shù)理統(tǒng)計的發(fā)展，多因素設(shè)計的方案越來越多，多因素的實驗設(shè)計執(zhí)行起來很費勁，被試者的數(shù)量要求多，結(jié)果的統(tǒng)計處理也較復(fù)雜，因此，選用哪一種實驗設(shè)計，要因地制宜，以做到恰到好處。朱瑩筆記：一、組間、組內(nèi)設(shè)計 組間設(shè)計就是把數(shù)目相同的被試分配到自變量的不同水平或不同的自變量上； 組內(nèi)設(shè)計就是使每個被試輪流分配到自變量的不同水平或不同的自變量上。 二、組內(nèi)設(shè)計特點： 1 組內(nèi)設(shè)計消除了被試的個別差異對實驗的影