5.实验设计幻灯片

五、体育科研方法

——实验法与实验设计观察法通过感觉器官或借助科学仪器，在自然条件下对研究对象进行有目的、按计划的系统周密的考察，从而获得研究材料。一般指测量法。原则：可观察性、目的性、客观性、全面性、典型性程序与方法：目的任务、对象、内容和类型、指标、方法及要求实验法所谓实验法，就是人们根据研究的目的，利用科学仪器和设备，人为地控制或模拟自然现象的发生发展过程，在特定的观察条件下，探索客观规律的一种方法。实验法的最重要特征就是人工干预和控制。实验研究法的特点1、实验法是通过改变研究对象的性质或状态来进行研究的方法，它要求对研究过程中涉及的各种变量作出分析与控制，没有控制就没有实验。2、实验法是用来揭示变量间的因果关系的有效方法。实验法由于对变量作了控制，就有可能使事物间的因果关系以可观察的形态显现出来。实验是比思辩更具有说服力的研究手段。许多思辨的结论常常在通过实验或实践证实后，才会被多数人承认。3、实验法要求有假设和验证，有严格的操作规则，精确的测量手段和数据处理，以保证研究结果的客观性与准确性，并在相同的条件下有可能重复同一实验。越是经得起重复的实验，其科学性、可靠性越高。实验研究法的作用实验起简化和纯化作用实验有强化和深化作用实验能够再现、延缓和加速作用实验可以对自然现象发生缩小和放大作用实验有重复和检验作用比较实验：为了找出确定两种以上研究对象之间的异同、优劣等，常用比较实验的方法。在比较实验中，可以只进行单因子比较，也可以进行多因子比较。析因实验：对于己知的结果，而未知影响结果的各种因素情况下，可以安排析因实验，以找出引起变化的原因。模拟实验：对某些研究对象，不可能或不允许进行实际实验，如天体、大气环流、截流造坝等，为了取得对研究对象的认识，可以通过模拟的方法做出研究对象的模型，在模型上模拟研究对象的实际情况，这种实验即称之为模拟实验。实验研究法的基本要素1、实验者实验者是指从事设计和操作实验的人。这是实验研究的主体，实验者具有主观能动性。他必须具有理论思维能力和操作实验的活动能力，他是实验的设计者和操作者。实验目的的确定，实验方案的设计，实验仪器的应用，实验结果处理分析等，都是由实验者来完成。2、实验对象(受试者)实验对象是实验过程中将变革的对象，也是实验者要认识的对象，作为实验对象，可以是天然对象，即自然界本身存在的事物现象，动物和矿物等。也可以是人工产品，即对自然物进行加工、改造、重新组合的物质客体，如化合药物、运动饮料等。实验者在实验研究中的目的就是要认识实验对象客观的固有的特性，以便获得经验事实知识。3、实验手段实验手段是由仪器、设备等客观实在的物体组成的。在实验研究的过程中，一方面实验者把自己变革和控制实验对象的主观意图，通过实验手段以物化的形式作用于实验对象；另一方面实验对象在受到变革和控制后表现出来的客观状态的信息，通过实验手段又反作用于实验者，使实验者能够获得有关实验对象的信息。实验手段的水平，决定着科学认识所能达到的水平。4、实验环境：实验环境往往指实验研究过程中的场所。5、施加因素(实验因子)：施加因家常指实验中要研究的因素。实验研究法的实施方式单组实验：单组实验是向一个或一组受试者，施加某个或数个实验因子，然后通过指标反应其对施加因素的效应，并与末施加因子比较，以确定施加因素的效果如何。这种实验往往是不分组，而是采用自身对照。所以，当实验对象少，分组条件无法控制时，最好采用此方法，但是，采用单组实验必须具备下列条件：1、两次实验因子不能相互发生干扰，即后一施加因素对受试者产生的效应，不能受前实验因子的影响。2、必须严格控制实验条件，使非实验因子对受试者的影响，在实验前一段保持一致。3、测验必须准确，并且避免受试者由于逐渐熟悉的原因而在后段测验中取得好的效果。等组实验等组实验是将实验对象组成两个或两个以上条件均等的实验组，分别施加不同的实验因子，并进行比较。等级实验常分实验组和对照组。实验组施加需验证或研究的实验因子，如果需验证多个因素，则可设几个实验组。但各组的条件除施加因素外其余条件必须均等。怎样能使各组的实验条件均等呢?所谓条件均等，是针对实验因子而言。通常在分组之前先进行测量与检查，再根据测量的结果予以合理的分配和选择。例如，研究两种不同的训练方法发展跳高运动员的弹跳高度等，按成绩的顺序排列编号，然后进行分配。为了使各级条件均等更加理想，还可求出各级测验成绩平均数。然后加以比较，若彼此差距较大，应再进行个别调整。另外，等组实验的分组必须考虑受试者的年龄、性别、训练年限等条件也应相等或接近。轮组实验轮组实验是将各种实验因子轮换地施加于各组．然后根据每种实验因子所产生效应的总和，比较其实验结果。如，为了比较阻力跑练习和助力跑练习对发展速度的影响，利用甲、乙两组条件不完全相等的对象进行实验，对甲组先采用阻力跑练习，对乙组先用助力跑练习，经过一段时间训练之后，又将两组的实验因子进行轮换，再经同样时间的训练，然后再用甲组阻力跑练习产生效应加上乙组阻力跑练习所产生的效应之和，与甲组助力跑练习产生的效应加上乙组助力跑练习的效应之和进行比较。采用轮组实验，可以不要求各组之间条件均等，所以可省去均等组别的麻烦。但此实验方法比较复杂，所费时间较长。实验研究法的设计与计划在体育科学研究中进行实验研究法之前，必须进行实验的设计．并制定出实验研究的计划。才能使研究工作有计划、有步骤地开展，以期获得比较满意的结果。实验研究的设计实验设计的基本原则1、对照原则对照原则是实验研究法必须遵循的根本原则，它是指研究的问题可以通过对照途径或方式求得答案。2、随机化原则实验设计中所选择的受试对象，必须遵循随机抽样的原则，这样才能保证所选的研究对象中，都得到同等的实验机会；或在每个人群中每个人都得到受试机会。3、重复原则实验的结果不一定只一次就能解决问题，应多做一些，便于重复实验的观察，有利于更进一步探讨问题的本质，减少偶然性的误差，增加实验结果的可靠性与精确性。同时通过重复实验也可消除或校正误差。实验设计的常用方法单组比较设计：单组比较设计也称自身对照，即在每个人的身上对照，对每次实验进行两次观察，然后作比较其结果反应。单组比较设计常有两种情况：一是实验前后的比较，如实验前某战士100米跑的成绩为13秒，但经某一发展速度素质的训练后，成绩提高至11秒，那么两次成绩之差，即为其实验的效应。二是两次实验效应分别在两个时期进行，并用两种方法进行比较。组间比较设计组间比较设计也称分组对照实验，即实验中同时进行两组或多组的比较。一般应用最多的是实验组和对照组的比较。该方法施加因素单一，目标明确，控制条件清晰，结果有很强的说服力。配对比较设计就是将条件相似的对象组成对子，实验——对照，使观察效果可靠性增大。配对比较设计可分为单个配对和分层群组配对两种。单个配对比较简单，常用于研究某些不同项目运动员之间的差异。如探讨排球运动员与田径运动员的弹跳素质是否相等。群组配对是将每一个单个配对，变为数对，进行群组设计。随机区组设计随机区组设计是将受试者按其具体情况分为若干区组，每一区组的受试者条件比较一致。再将每区组内的处理因素按随机顺序排列。这是多组比较的一种实验设计方法。如对不同学年级学员分别采用ABCD四种不同的教学训练方法，以观察各种训练方法的效果。于是，我们可将受试者随机抽样分别安排在ABCD四个试验组，接受各自不同的教学训练方法，采用相同的指标评价其效应，并进行比较。随机区组设计的优点是能用较小的样本解决较多的问题，而且组间的均衡性更为突出。拉丁方设计这是一种多因素、多水平、多层次的科学研究设计，拉丁方是由拉丁字母所组成的n×n的拉丁的方阵，要求在方阵中的各纵列或各横列中的每个字母均正好出现一次，而又无重复现象。拉丁方设计的特点是可以用最少的研究对象或样本数量，最大限度地获得丰富而又可靠的数据，提高研究效率，节省人力、物力和研究时间。拉丁方例2×23×34×46×6ABABCABCDABCDEFBABCABCDABFDCAECABCDABCDEFBADABCDAFECBECABFDFEBADC统计分析正交设计正交设计是一种常用的多因素设计，是利用一套现成的正交表安排多因素实验的整体设计，并对实验指标的数据进行统计分析的科学方法。它可以分析每个因素对实验指标的单独作用，也可分析每个因素间对实验指标的联合作用(也称交互作用)。正交实验的设计主要是通过一整套合理安排试验和数据分析的工具表进行的。是从析因设计中挑选出一部分有代表性、分散开的条件去做，对任何二因素均有等重复，是正交拉丁方的自然推广的全面实验。优点：正交设计是正交拉丁方的自然推广，均衡搭配，具有均衡、分散、整齐、可比的特点。既保持析因设计的特点，又克服实验次数过多之不足，应用广泛、高效、快速、经济，可确定主要因子及交互作用，确定试验最优方案。缺点：设计有时整个用量(水平)可能选偏，通常需作预初实验。正交表例L4(23)L9(34)统计分析方法类似于拉丁方设计，但可以允许重复实验，分析因素间交互作用。12311112122321242211234111112122231333421335222162312731328321393321实验研究法条件的控制实验研究法是在人工创造的特殊条件下进行的，这一人工创造的特殊条件的过程即是实验的条件控制。从广义上说，它包括的是实验设计时的对象均衡化直到实验结果获取的单盲、双盲法等；从狭义上则仅指实验过程中这一段的条件控制。1、分组条件控制在组间比较设计中，分组是一个重要问题，分组的依据应尽量接近实验目的，或以实验目的为主因素分组。例如，不同手段对提高弹跳力效果的实验，则应以弹跳力的起点水平分组，而以其他能影响弹跳力发展的因素为辅，如身高、腿长、爆发力等等；要研究某种教法对掌握技术的效果，应以该技术的基础水平分组，而以影响该技术速度、力量、灵敏、协调等因素为辅。这是由于实验往往是多因素影响研究结果的特点所决定的。通常在一次实验里要做到主、辅因素完全控制在同一起点水平上是很难的，具体解决办法是首先保证主因素的一致水平，然后依次按辅因素进行调整，每次调整后计算其主、辅因素差异的显著性水平。逐步做到主因素一致的条件下，部分重要辅因素也无显著差异即可。2、均衡化控制所谓均衡化，就是对照组除了缺少一个实验因子之外，其他的条件应当与实验组基本一致。如研究某些体育运动对某种疾病的治疗效果时，应当同时设立一个与试验组的病情一样、人数相同的对照组，并采用一些判断病情进程的客观诊断方法。此外，在试验组按计划从事某些体育运动时，对照组也应是同时从事一套与医疗体育运动的运动量相似的其他练习。只有这样，才能明确地反映出这项医疗体育活动对治疗某种疾病有特异性作用。又如进行药物试验，观察某种药物对运动能力的影响，除同时给予对照组的安慰剂外，最好采用双盲法试验，不让受试者和实验者知道哪组是实验组，哪组是对照组。这样既可避免受试者的心理影响，也可避免实验者的暗示，使所得的结果更为客观。主观因素首先是研究者为达到研究目的容易产生的“先入为主”，期望实验按自己预定方向进行而易产生主观干扰。因此，最恰当的方法是由研究者提交实验方案由他人主持实验。一般是在实验中设置监督人来保证实验按计划进行。在实验操作、观察索取资料方面应固定主持入或助手，保证资料的客观性与标准化。由于教学训练实验一般周期较长，对象为学生或运动员，因此不宜采用不让被试者知道实验目的的“单盲法”，面应向被试者讲清实验意义与方法．取得其积极配合。客观因素客观因素有随机与非随机两种类型，由于教学训练实验中影响结果的因素非常复杂，不易完全控制，一般可以从以下几个方面考虑：①可以暂时消除的客观因素最好消除。如教学实验时停止训练，课外辅导等；②不能消除的因素应尽量做到条件一致。如场地、气候、时间、仪器器材等尽量相同或接近③实验组与对照组的例数尽量相等，使两组间的合并误差最小④实验对象总数量最好多于预期统计样本数，以便有余地剔除因随机因素引起的例数不均等，如意外伤病造成的实验次数不够者。3、实验结果获取时的条件控制获取实验结果是实验法的最后步骤，条件一致与客观公正是获取实验结果的基本要求，但这一点往往容易被人们忽视，由于实验过程中，初步结果与基本倾向逐渐显现出来，很容易使研究者产生主观倾向性而导致获取结果不公正、不客观。要避免出现这种问题，获取实验结果应由他人进行，并采用单盲法或双盲法。单盲法：主试人不知道被试的情况，但被试了解主试人的目的，具体做法是请与实验无关的人当主试人进行技术评定、成绩测量等，被试混合编组。双盲法：在单盲基础上，被试不知主试人是谁，也不知此次活动的目的是什么，从而使实验结果以完全客观的形式反映出来，具体做法是除单盲措施外还要组织多人进行实验结果评定，被试不知其中谁是主试人，也不知该教学、训练课的目的是获取实验结果。实验方案的拟定1．实验的目的和任务2．实验内容3．实性设计4．实验步骤5．实验设施和仪器的选配6．数据的处理方法7．实验精确度分析8．实验人员的调配9．实验的危险性及安全措施10．实验需要的费用及时间的估算11．预备实验方案实验设计常见问题组间均衡性：实验组与对照组条件不一致经验假定：根据一个未经证实的假定设计实验。实验条件控制：实验条件无法严格控制。非实验条件控制：非实验条件控制不严或无法控制。因素隔离：多因素作用未有效隔离，无法区分。举例要进行解剖学新教法实验，以体育教育专业一年级2个班为实验组，运动训练专业一年级2个班为对照组，分别采取新教法和传统教法用相同教学内容进行教学一学期。学期开始进行解剖学知识测试水平无差别，学期结束进行考试，结果差异显著，证明新教法是有效的。组间不均衡举例在进行篮球新考试方法研究中设置组合技术和对抗作业两个考试项目。在制定考核标准的实验中，对抗作业进行了按组合技术成绩配对、单循环配对、随机配对三种分组实验。结果证明分组对考试结果有影响，按成绩配对分组的对抗成绩与组合技术成绩相关。结论：由以上实验结果，对抗作业采用按组合技术成绩分组、分档记分的方法。经验假定举例为研究运动与补钙对增加骨密度的作用，在学生中进行实验。设置空白对照组、运动组、补钙组、运动加补钙组。规定运动量和补钙量，8周后观察骨密度变化。实验条件举例为研究运动对糖尿病的治疗效果，组织一组糖尿病人进行运动实验，观察实验前后的血糖变化。实验条件、非实验条件举例1、为观察电刺激对血流量及组织的改变，设实验组和对照组，实验组分别进行频率为1次/秒及5次/秒的电刺激各5分钟，观察血流量的变化，电镜观察肌纤维形态改变。结果：1次/秒刺激血流量高于正常和5次/秒的刺激；电刺激使肌纤维改变。结论：电刺激引起血流量变化，但非线性。2、为研究表象训练对提高运动员动作质量的效果，对自由式滑雪空中技巧运动员进行表象训练。观察运动员的动作成功率。经一周期表象训练，运动员的动作成功率较上一年度有明显提高。结论：表象训练有效。因素隔离游泳运动对中老年人心肺功能的影响目的意义和国内外概况：随着人民生活水平日益提高，人口的年龄老化程度也越来越高，世界人口正逐渐向老龄化发展。我国将60岁以上者称为老年人。老年人口达到或超过人口总数10％者称人口老年化。我国的一些省市，如北京、上海的大城市，老年人口已占10％左右，并且比例在逐年增加。随着年龄的增长，老年人的身体机能呈衰减趋势，心肺功能明显降低，尤其以心脑血管机能障碍为显著。对中老年人而言，心脑血管疾病已经成为我国老年人三大死因的首位。据资料显示，目前因心脑血管疾病死亡者占总死亡率的34％，在心脑血管死亡人数中，58％死于脑卒中，17％死于冠心病。而两者均与高血压、高血脂密切相关。近年来流行病学调查表明我国高血压患病率已达38．2％-57．0％。高血脂与高血压同为最常见的心血管危险因子，两者密切相关。在合并有多重危险因子的人群中，高血压合并高血脂在西方发达国家占第一位，在中国女性也占第一位，而男性仅次于高血压加吸烟。利用体育锻炼来延缓或减少老年疾病的产生，加速老年疾病的痊愈；延缓老年人身体机能状态的衰退，促进机体各器官系统机能的恢复；提高老年人身心健康水平，改善老年人体质状况，提高和改善老年人生活质量的各种有氧健身运动越来越受到中老年人的关注。而对各种健身运动方式及不同有氧运动对中老年人心肺功能影响方面的研究也越来越受到人们的重视。有关游泳运动及其活动负荷，对中老年人心功能、肺功能以及血脂等方面影响的研究，国外研究开展得较早；在国内，由于游泳运动作为一项群众性健身活动，开展得较晚，其普及程度也较不如其他健身项目广泛，有关上述问题的研究报道，