第三章实验设计

第三章实验程序设计 天津师范大学心理与行为研究院2006年10月29日 实验程序设计 目录 1 心理实验设计的常用术语2 单因素实验设计的几种类型3 两因素实验设计4 三因素完全随机实验设计5 三因素重复测量实验设计 1 实验设计的常用术语 1 1心理实验设计的概念1 2心理实验设计的常用术语1 3心理实验设计的基本过程 1 1 1广义实验设计指科学研究的一般过程 它包括问题的提出 假说的形成 变量的选择 结果的分析和论文的写作等一系列内容 1 1 2狭义实验设计特指实施实验处理的一个计划方案以及相关的统计分析 1 1实验设计的概念 1 1实验设计的概念 1 1 3实验设计包括如下活动 1 建立与研究假说有关的统计假说 2 确定实验中使用的实验处理 自变量 和必须控制的多余条件 无关变量 3 确定实验中需要的实验单元 被试 的数量和被试抽样的总体 4 确定将实验条件分配给被试的方法 5 确定实验中每个被试要记载的测量 因变量 和使用的统计分析 1 2 1因素 指研究者在实验中感兴趣的一个变量 研究者通过操纵 改变它 来估价它对因变量的影响 这个变量也叫自变量 自变量即刺激变量 它是由主试选择 控制的变量 它决定着行为或心理的变化 因变量即被试的反应变量 它是由自变量造成的结果 是主试观察或测量的行为变量 1 2心理实验设计的常用术语 1 2 2因素的水平 指实验中所操纵的变量的每个特定的值 即自变量的值 因素的水平可以是数量的 如 光的强度 年龄 可以是分类的 如 性别 家庭背景 因素的水平既可以是有限的选择 如 性别 只能有两个水平 男 女 也可以有大量的选择 如 年龄 在一岁至一百多岁之间有多种选择 1 2心理实验设计的常用术语 1 2 3因素设计 通常指多于一个因素的实验设计 常表达为2 2 2 1 2 4实验处理 是指实验中一个特定的 独特的实验条件 如2 2的一个实验设计 快速呈现条件下的汉字命名 有呈现速度 a 和汉字频率 b 两个因素 其中a有a1 50毫秒 和a2 100毫秒 两个水平 汉字频率 b 有高频 b1 和低频 b2 两个水平 这时 实验中就会有四种实验处理 a1b1 a1b2 a2b1 a2b2 实验处理的数量可以通过因素设计的表达式计算出 如2 2为4个 2 2 2为8个 2 3 4为24个 1 2心理实验设计的常用术语 1 2 5主效应 实验中由一个因素的不同水平引起的变异叫因素的主效应 在一个单因素实验中 由自变量的不同水平所得的因变量数据计算的方差即这个自变量的处理效应 或主效应 在一个多因素实验中 计算一个因素的主效应时应忽略实验中其他因素的不同水平的差异 如一个2 3的设计中 a因素有两个水平 b因素有三个水平 当忽略b因素各水平的差异 只计算a因素a1和a2水平的数据的方差时 可以得出a因素的主效应 同样 当忽略a因素各水平的差异 只计算b因素b1 b2和b3水平的数据的方差时 可以得出b因素的主效应 1 2心理实验设计的常用术语 1 2 6交互作用 在多因素实验中 当一个因素的水平在另一个因素的不同水平上变化趋势不一致时 我们称两个因素之间存在交互作用 图1 图2 1 2心理实验设计的常用术语 1 2 7简单效应 在多因素实验中 一个因素的水平在另一个因素的某个水平上的变异叫简单效应 图1是a因素在b1水平上的简单效应 图2是a在b2水平上的简单效应 同样 b因素在a1水平或a2水平的方差也是简单效应 当方差分析发现一个两次交互作用时 往往需要进一步做简单效应检验 以说明两个因素之间交互作用的实质 图2 1 3心理实验设计的基本过程 1 3 1问题的提出一个实验研究的问题应具有以下特征 1 它应当是可以用客观的方法来检验的问题 2 研究问题旨在探索两个或多个变量之间的关系 3 提出的问题应是可行 提出研究问题的途径 1 通过将感兴趣的研究领域逐步加以收缩的方式确定自己的研究问题 2 更常用的途径是从文献 从前人或自己的研究中确定自己的研究问题 1 3心理实验设计的基本过程 1 3 2研究假说的形成研究假说是研究者对所研究的问题预先做的预测 它具有以下特征 1 假说是从问题转化而来的 假说应当用明确的 毫不含糊的形式陈述出来 2 研究假说是对两个或多个变量之间关系的预测 这种预测是建立在理论分析 前人研究或经验基础之上的 3 研究假说应当是可检验的 即它的真伪是可以通过观察或实验来确定的 1 3心理实验设计的基本过程 1 3 3实验变量的选择与控制一项心理学实验包含三种变量 自变量 因变量和无关变量 心理学实验就是要求无关变量保持恒定 而仅仅操纵自变量去影响因变量 1 3 3 1自变量 1 刺激变量 刺激的不同特性会引起被试的不同反应 这些刺激的特性就是刺激变量 如灯光强度和字体大小对阅读速度的影响 2 环境变量 进行实验时环境的各种特点 如温度 是否有观众在场 是否有噪音 白天或夜晚等 都可以作为自变量 3 被试变量 被试固有的特性 如年龄 性别 职业 文化程度 智力 个性特征等 对被试变量主试只能选择而不能改变它 4 暂时被试变量 由实验操纵的外部刺激引起的 并影响被试的希行为的中介心理变量 如动机 疲劳等 因变量即被试的反应变量 它是自变量造成的结果 是主试观察或测量的行为变量 因变量的重要特征是 它应当是可以通过直接或间接的方式被观察 测量的 并且是可以转化为数据的 从实验设计的角度 选择合适的因变量需要考虑 实验中选取的观测量应对自变量水平的变化最敏感 实验中选取的观测量应可靠 能得出稳定一致的结果 实验中的因变量观测值应是大体正态分布的 在其它条件相同的情况下 应选择在观测和数据转换上最容易 最能节省时间和精力的变量作因变量 1 3 3 2因变量 1 3心理实验设计的基本过程 因变量的类型 1 骨骼肌的运动反应 如反应时 眼动记录 画镜等 2 生理反应 如皮肤电反射 脑电 心率 血压 呼吸频率 体温 腺体分泌等 3 口头及书面报告 这是人的特殊反应 被试的学习成绩 有无的回答 默写识记的词语等 心理实验设计 无关变量实验中除了自变量以外一切可能对因变量产生影响的因素 无关变量又称控制变量 例 文章长度对儿童阅读理解的影响 某种药物对白鼠记忆的影响 词的音节数量对记忆的影响 控制无关变量的方法 1 消除法 即把要控制的变量除去 使实验在单纯的条件下进行 2 恒定法3 平衡法 常用的方法是按一定标准分组 分组的方法主要有三种 随机分组 等组法分组 配对分组 4 抵消法 指将同一被试先后进行两个以上条件的实验 5 无关变量的纳入 1 3 3 3无关变量 2 1单因素完全随机实验设计2 2单因素重复测量实验设计 2 单因素实验设计的几种类型 2 1 1单因素完全随机实验设计的特点研究中有一个自变量 自变量有两个或多于两个水平 把被试随机分配给自变量的各个水平 每个被试只接受一个水平的处理 单因素完全随机实验设计中被试的分配图 2 1单因素完全随机实验设计 单因素实验设计的数据模式 生字密度对学生阅读理解的影响 其假设是 阅读理解随文章生字密度的增加而下降 该实验有一个自变量 生字密度 它有四个水平 1 5 a1 1 10 a2 1 15 a3 1 20 a4 因变量是被试阅读理解测验的分数 实施实验时 研究者在学生总体中随机抽取32名被试 再将这32名被试随机分为四组 每组被试阅读一种生字密度的文章 并回答阅读理解测验中的有关问题 这是一个典型的单因素完全随机实验设计 2 1 2单因素完全随机实验设计例题 例1 单因素完全随机实验设计例题数据 例题1数据表 单因素完全随机实验设计例题结果 22 53 63 3752 813 32831 190 12578 750268 875 组间 生字密度 组内合计 F 均方 自由度 平方和 变异来源 单因素完全随机实验的方差分析表 ANOVA 2 1 3单因素完全随机实验设计的优缺点 优点 1 简单易行 实验设计 实施 实验数据的统计分析和对结果的解释都很简单 2 接受每个处理水平的被试数量可以不相等 3 不需要匹配被试 4 每个被试仅接受一种处理水平 缺点 1 组内变异中包含了被试的个体差异 使实验不敏感 2 当实验中有多个水平时 需要的被试量较大 2 2单因素重复测量实验设计 2 2 1单因素重复测量实验设计的特点重复测量实验设计的基本方法是 实验中每个被试接受所有的处理水平 以最大限度地控制由被试的个体差异带来的误差 这种设计又叫被试内设计 使用重复测量实验设计的前提是研究者必须事先假定 当若干处理水平连续实施给同一被试时 被试接受前面的处理对接受后面的处理没有影响 如学习 记忆效应 就不能使用重复测量实验设计 另外 顺序效应也是重复测量实验设计中应特别注意的问题 如练习 疲劳效应 因此重复测量实验设计需要考虑平衡顺序效应问题 解决的办法是随机安排处理的顺序 或按拉丁方平衡 单因素重复测量实验设计的被试分配 单因素完全随机与重复测量实验设计分配被试的比较 单因素重复测量实验设计的计算 2 2 2单因素重复测量实验设计的计算顺序效应的消除 一是随机安排四种文章的顺序 被试随机选取一种顺序 二是以拉丁方排序 例如 2 2 3单因素重复测量实验设计例题2 单因素重复测量实验设计例题2结果 单因素重复测量实验的方差分析表 31 268 875 合计 000 25 170 63 3752 518 321 190 12552 875 a残差 p F 均方 自由度 平方和 变异来源 单因素重复测量实验设计的优缺点 单因素重复测量实验设计的优点是可以用少量被试进行实验 同时减少了被试差异带来的误差 3 两因素实验设计 3 1两因素完全随机实验设计3 2两因素重复测量实验设计3 3两因素混合实验设计 3 1两因素完全随机实验设计 3 1 1两因素完全随机实验设计的特点研究中有两个自变量 每个自变量有两个或多个水平 如果一个自变量有p个水平 另一个自变量有q个水平 实验中就有p q个处理结合 将被试随机分配给一个处理结合 一个两因素实验设计与单因素实验设计最重要的区别是 它不但可以研究两个因素的主效应 而且还可以分析二者的交互作用 3 1 2两因素完全随机实验设计处理结合和被试分配 2 3完全随机实验设计的被试分配 3 1 3两因素完全随机实验设计例题3 例题 文章主题熟悉性与生字的密度对儿童阅读理解的影响 主题有两种 不熟悉的 a1 如激光技术 熟悉的 a2 如春游 三种生字密度为1 5 b1 1 10 b2 和1 20 b3 研究者选择了24名五年级学生 将他们随机分成6组 接受一种处理结合 数据如下表 a80 666180 66643 34 b81 083240 54221 78 a b56 584228 29215 20 单元内误差33 500181 86 合计251 83323 变异来源平方和自由度均方F 两因素完全随机实验设计方差分析表 注 p 05 p 01 p 001 3 1 4对交互作用的分析 3 1 4 1交互作用的图解分析 12108642 b1b2b3 a2 a1 b1 b2 b3 a1 a2 12108642 3 1 4 2简单效应检验 3 2两因素重复测量实验设计 3 2 1两因素被试内设计的特点 1 研究中有两个自变量 每个自变量有两个或多个水平 如果一个自变量有p个水平 另一自变量有q个水平 实验中就有p q个处理结合 2 研究中的两个自变量都是被试内变量 即每个被试都要接受所有的实验处理的结合 3 为了克服顺序效应 呈现给被试的实验刺激的次序是随机的 或按拉丁方排序 为了克服疲劳效应 实验可以分p q次进行 3 2 2两因素被试内实验设计的被试分配 3 2 3两因素被试内实验设计例题4 还是前例 文章主题熟悉性和生字密度对小学生阅读理解的影响 2 3 被试内设计 数据如下 问题 几名被试 几种处理结合 或者说每个被试要阅读几篇文章 如何克服被试的疲劳和顺序效应 两因素被试内实验设计例题4结果 合计 A 熟悉性 E A B 密度 E B AB 交互作用 E AB 被试间 变异来源平方和自由度均方Fp 两因素被试内实验设计例题方差分析表 3 3两因素混合实验设计 3 3 1两因素混合实验设计的概念当一个实验设计中既包含了重复测量的因素 被试内因素 又包含了非重复测量的因素 被试间因素 时 叫做混合因素设计 混合因素设计是现代心理实验中应用最广泛的一种设计 问题 前面讲过的实验设计哪些是非重复测量的 哪些是重复测量的 什么是两因素混合设计 3 3 2两因素混合实验设计的特点 研究中有两个自变量 每个自变量有两个或多个水平 其中一个自变量是被试内的 要求每个被试要接受它所有的水平的处理 另一个自变量是被试间的 每个被试只接受它的一个水平的处理 或者它本身是一个被试变量 是每个被试独特的 不可能同时兼备的 如年龄 性别 智力等 研究者更感兴趣于被试内因素的处理效应 以及两个因素的交互作用 而对被试间因素的处理效应不是最感兴趣的 3 3 3两因素混合实验设计被试分配表 常识问题 几个被试 几个因素 哪个是被试内 哪个是被试间 几种处理结合 3 3 4什么情况需要选择混合实验设计 1 研究中的两个变量中有一个是被试变量 2 研究中的有一个自变量的处理会对被试产生长期效应 如学习效应 3 有时是出自对实验可行性的考虑 如两个因素的水平数都很多时 3 3 5哪个变量作被试内或被试间变量好 在混合设计中 被试间因素的处理效应与被试的个体差异相混淆 因此结果的精度不够好 但是 实验中被试内因素的处理效应及两个因素的交互作用的结果的精度都是好的 因此 研究者对哪个因素最感兴趣就选哪个作为被试内因素 3 3 6两因素混合实验设计例题5 5 083 6 30 500 E A 23 251 833 合计 007 15 869 80 667 1 80 667 A 熟悉性 205 12 3 000 E B 000 113 176 28 292 2 56 583 A B 交互作用 000 162 167 40 542 2 81 083 B 生字密度 P值 F值 均方 自由度 平方和 来源 两因素混合实验设计例题结果5 两因素混合设计方差分析表 4 三因素完全随机实验设计 4 1三因素完全随机实验设计的基本特点 1 研究中有三个自变量 每个自变量有两个或多个水平 2 如果实验中的一个因素有p个水平 另一个因素有q个水平 第三个因素有r个水平 则研究中共有p q r个处理水平的结合 它的基本方法是 随机分配被试接受不同的实验处理水平的结合 每个被试只接受一个实验处理的结合 三因素完全随机实验设计的图解 问题 设计 几种处理结合 有多少被试 三因素完全随机实验设计的数据模式 4 2三因素完全随机实验设计例题6 研究者想同时探讨文章的生字密度 文章的类型 文章的句子长度对学生阅读理解的影响 他设计了两种生字密度 1 5 a1 和1 20 a2 两种文章类型 说明文 b1 和记叙文 b2 两种句长 均句长20个字 c1 和均句长30个字 c2 这是一个2 2 2随机实验设计 共有8种处理水平的结合 研究者选取了8篇特点不同的文章 将32名学生随机分为8组 每组阅读一篇文章 测验他们的阅读理解 具体数据如下 三