实验心理学心理实验研究的设计类型.ppt

1、第二章 实验设计与数据统计分析,第二节 心理实验研究的设计类型,一、真实验设计 （一）组间设计（between-group design） 又称被试间设计、独立组设计、完全随机设计,1.、组间设计的界定 要求每个被试者（组）只接受一个自变量处理，对另外一个被试者（组）进行另外一种处理的实验设计。 【实验中每个被试只接受一种自变量水平或自变量水平的结合。】 若有两种以上的处理，有多少种处理就采用多少个被试者（组）。,教材（ A 、 B ）对学生成绩的影响。,组间设计：一组用教材A，另一组用教材B ，或者相反。,2、实验处理 实验中由主试操纵的自变量构成的实验条件。 实验处理的数目由每个自变量各自

2、水平的乘积所得。,（一）组间设计,例：呈现速度对命名汉字的影响（组间实验设计）,22=4 2（呈现速度：50毫秒、100毫秒）；2（汉字频率：高频字、低频字）,3、评价 优点：由于每一个人只接受一种处理方式，因此一种处理方式不可能影响或污染另一种处理方式，即实验处理之间不会污染。,缺点 （1）被试差异与实验条件的混合 由于接受自变量不同水平处理的被试各不相同，我们就很难分辨出因变量的变化是由于被试间的差异所致，还是由于自变量的变化所致。,（2）研究效率比较低 组间设计需要更多的被试，需要花费更多的时间和人力。,（3）对实验处理的效应不敏感 由于实验误差增大，会引起t、F值缩小，影响显著性水平。

3、,（一）组间设计,4、克服缺点的方法,（一）组间设计,（1）随机分配被试，使组间设计被试同质。,随机化设计，就是把被试随机地分配到不同组内接受不同的自变量处理。,随机法的基本假设是：各随机被试组在未经受不同处理前是相等的，即使有差异也是统计允许的限度以内的随机误差。,（一）组间设计,（2）匹配被试, 匹配（matching）设计是指将被试按某一个或几个特征上水平的相同或相似加以配对，然后再把每一对中的每个被试随机分配到各个组别。, 匹配设计的步骤,首先对被试进行前测，让所有被试做“共同作业”，即接收预备测验，获得作业分数；,其次，根据作业分数形成配对组。, 优点：在实验处理之前，就把组间变异缩

4、到最小和要求两组组内变异比单独的随机分配更接近相等。, 缺点：,（3）使用组内实验设计,我们要研究句子类型对理解速度的影响， 自变量是什么？ 因变量是什么？ 额外变量是什么？,复习思考,若用组间设计（句子类型为肯定句和否定句），请问该如何操作？,组间设计的缺点是？如何克服？,研究者在实验前采用随机分配的方法将被试分为两组，并随机选择一组为实验组，另一组为控制组。实验组接受实验处理，而控制组则不给予实验处理。两组都进行前测。,设计模式,前测 后测 R O1 X O2 R O3 O4,O1 、O3 表示在实验前对两组被试进行前测验，得到初始状态的成绩，O2、O4是后测成绩。,（1）随机实验组控制组

5、前测后测设计,5、组间实验设计的设计类型, 数据的统计检验：,A：增值分数比较：aO2O1 b O4O3 ? ab,？ O2O1 ？O4O3 If（O2 O1 and O4 O3 ）Then自变量对因变量有效应。,？ O1O3 ？O2O4 If（O1O3 and O2O4）Then自变量对因变量有效应。,两组增值分数进行显著性检验的方法：t-检验（参数统计）（常用）；曼-惠特尼U-检验或中位数检验（非参数检验）。,两种错误的统计检验方法：,（1）随机实验组控制组前测后测设计,进行了两次统计决策，导致统计误差增大【1-（0.950.95）0.10】,前测 后测 R O1 X O2 R O3 O4

6、, 评价： 优点：基本控制了绝大多数影响内部效度的因素； 缺点：使用了前测，虽然为检查随机分组是否存在偏差提供了充分的依据，但可能对后测产生敏感性，出现测验的反作用效应。,B: 协方差分析, 数据的统计检验：,（1）随机实验组控制组前测后测设计,以前测分数为协变量，对实验实施前的被试的组间差异进行统计控制和调整，以使得两组的后测成绩具有可比性，排除前测成绩的影响。（优先选择的统计方案）, 设计的实例分析,被试：46名8年级学生 自变量： 实验处理： 因变量：,统计分析方法：协方差分析,前测分数为协变量,教学方法（标题阅读教学 vs 常规）,实验组接受标题阅读教学；控制组接受常规阅读教学,阅读成

7、绩（阅读新闻标题，预测新闻内容）, 设计模式 后测 R X O1 R O2,（2）随机实验组控制组后测设计,数据的统计检验：,t-检验：？O1 O2； 曼-惠特尼U-检验或中位数检验（非参数检验）。, 评价： 优点：几乎具有随机实验组前测后测设计所有的优点。,缺点：有些实验需要在对被试施加实验处理之前实行前测，以了解被试在实验阶段的初始状态。,是更为理想的实验设计方案。,（2）随机实验组控制组后测设计,被试： 自变量： 实验处理： 因变量：, 研究实例分析（P23）,卢仲衡 初中一年级数学自学辅导教学协作实验研究,小学刚升入初中的学生,教学方法,自学辅导教学；传统教学,三次单元测验及一次期末考

8、试成绩（分别作为因变量的4个指标）,设计模式 R X1 O1 R X2 O2 R X3 O3,数据的统计检验 单因素方差分析，而不能采用t检验，且实验处理效果有显著差异，需要继续了解究竟是哪些处理之间有显著差异，需进行N-K事后检验。,（3）随机多组后测设计,随机实验组控制组后测设计 后测 R X O1 R O2,知识回顾 ： 方差分析原理,变异的可加性（或变异的可分解性）,83、某研究机构研制出一种能提高5岁幼儿阅读能力的游戏产品，该产品能在使用三个月之后提高幼儿的阅读能力，请设计一个实验验证这种游戏产品的作用。（2007心理学专业基础综合考研试题）,考研试题,（1）实验目的：检验游戏产品是

9、否真能提高幼儿阅读能力。 （2）被试：5岁儿童60名，各方面条件均衡。 （3）实验设计 随机实验组控制组前测后测设计（组间设计） （4）实验程序：将60名儿童随机分成A、B两组。测量两组儿童的阅读起始水平。A组使用该游戏产品，B组不使用。三个月后，再次测量两组儿童的阅读水平。（5）实验结果：假如三个月后进行阅读水平的测量，A组儿童的阅读提高程度显著高于B组，则证明游戏产品有效，反之，若没有明显的差异，则说明这种产品无效。（6）注意：实验过程必须确保测量A、B两组阅读能力的材料的一致性，排除可能的干扰因子。,又称“被试内设计”、 “重复测量设计”,每个被试需要接受自变量所有情况的处理。,（二）组

10、内设计（within-groups design）,例：呈现速度对命名汉字的影响（组内实验设计）,可为： 22=4 2（呈现速度：50毫秒、100毫秒）；2（汉字频率：高频字、低频字）,1、组内设计的定义,基本原理是：每个被试者参与所有的实验处理，然后比较相同被试者在不同处理下的行为变化。,优点： （1）消除了被试个别差异对实验的影响。避免由于不同实验处理组被试不等组对实验结果造成的影响。 组内设计比组间设计更敏感。,（2）心理学的某些领域需要使用组内设计，即组内设计用于研究练习的阶段性。,（3）可节省被试。 组内实验设计需被试：n个 组间实验设计需被试: n实验处理数,2、评价,缺点：,（3

11、）被试接受不同的自变量水平的处理之间总会存在时间间隔，因此实验者需要努力防止在此间隔内偶然发生的事件对实验结果的影响。,（2）由于被试先后接受不同处理，一些和时间顺序有关的误差就可能混淆进来。,（1）不同实验处理之间出现相互“污染”。,平衡：对实验处理顺序的平衡，即让被试在所有顺序下接受处理，各种顺序误差相互抵消。 平衡设计技术：ABBA设计和拉丁方设计。,有可能产生相互干扰或具有记忆效应、练习效应、疲劳效应的实验变量不宜使用组内设计。 被试特点自变量间差异不能用。,不宜使用：,3、克服缺点的方法：平衡技术, 定义,指每一种实验条件都以正反两种顺序呈现给被试。,（1）ABBA设计 （完全平衡法

12、，抵消实验条件的设计）,4、设计类型, 使用的条件,A、如果练习效果不是呈线性增长的，则这种平衡就是无效的。, 数据的统计检验：XA 中的两个值，XB中的两个值，分别求平均数,和,然后运用 t 检验。,ABBA平衡法存在的问题：,正式实验前做些练习、ABBA和BAAB,B、预期作用。即被试对后面实验条件的预期。,（2）拉丁方设计（Latinsquare design）,平衡设计、轮换设计,每个自变量或实验处理能同等的出现在实验顺序的每个位置的一种实验设计。 能保证实验处理所受的实验顺序完全平衡。, 排列方式,标准：首行：1，2，n, 3, （n-1）,4, （n-2）,非标准：随机化行或随机化

13、列（只能变一个）,第二：要构成一个拉丁方，必须使行数等于列数，并且两者都要等于处理种数.,特点： 第一：每种处理在每一行和每一列都出现而且只出现一次；, 前提条件 A、自变量和额外变量不能存在交互作用。,交互作用（interaction）：是指一个实验中有两个或两个以上的自变量，当一个自变量的效果在另一个自变量的每一个水平上不一样时，我们就说存在着自变量的交互作用。,B、每个额外变量的水平数与自变量水平数相等。, 评价,优点：在许多研究情境中，这种设计比完全随机和随机区组实验设计更加有效，它可以使研究者分离2个无关变量的影响，因而减少实验误差，可获得对处理效应的更准确的评估。,缺点： A: 它

14、关于自变量与额外变量之间不存在交互作用的假设其实很难满足，当实验中研究多个自变量时，尤其如此。 B: 拉丁方设计要求额外变量的水平与自变量的水平数量必须相等，这限制了该设计的使用。, 数据统计分析,采用不考虑交互作用的多因素方差分析。, 示例（p46）,被试：16名学生 自变量： 因变量： 额外变量：,测验（4）,问题解决的成绩,班级、实验时间,拉丁方设计的统计模型,拉丁方设计的方差分析,其中，i=1,2,n；j=1,2,p；k=1,2,p；l= 1,2,p,被试i在处理水平j上的分数；,总体平均数或真值；,水平j的处理效应；,水平k的无关变量B的变异；,水平l的无关变量C的变异；,误差变异,

15、SST df=npp-1,SS处理间 df=p-1,SS处理内 df=p（np-1）,SSA df=p-1,SSB (无关变异) df=p-1,SSC (无关变异) df=p-1,SS误 (误差) df=(p-1)(p-2),平方和与自由度分析,虚无假设： A因素（测验）效应等于0，即 无关变量B因素（班级）的效应等于0，即 无关变量C因素（实验时间）的效应等于0，即,备择假设,平方和,自由度,均方,F检验,方差分析表,一个研究者在做4种生字密度对学生阅读理解影响的研究时，从4个班随机选取32名学生，每个班8人，实验在星期三、四、五、六下午分四次进行。请根据上述问题作出一个恰当的实验设计方案。

16、,思考,2010考研真题,采用这种设计可控的主要额外变量是,A. 顺序误差 B. 期望误差 C. 实验者效应 D.动作误差,（A）,指在一个研究中有些自变量按组内设计安排，有些自变量按组间设计安排。,（三）混合实验设计（mixed design）（最常用）,1、混合设计的界定,a. 有可能产生相互干扰或者具有记忆效应、练习效应、疲劳效应的实验变量作为组间变量。 b. a中情况以外的都可用作组内变量。,例1：约翰逊等人（1983）使用混合设计的方法比较抑郁者和非抑郁者的记忆成绩。,假设：抑郁者比非抑郁者对于未完成的记忆任务的记忆效果更好。,程序：实验中，要求抑郁组和非抑郁组完成20项记忆任务，其

17、中，10项记忆任务在完成之前被打断。在全部任务完成后，要求被试回忆记忆任务的名称或尽可能多地描述记忆任务。,被试变量 任务类型,实验设计：,组间设计（抑郁者和非抑郁者），,组内设计（完成任务和未完成任务）。,的设计类型？,2（被试类型：抑郁，非抑郁）2（任务类型：间断，连续）,例2：年龄对再认能力的影响,自变量：年龄（初中生年龄组和大学生年龄组）、 实验材料（具体实物图形组和词组）,因变量：再认能力作指标。,被试类型是组间设计（初中生年龄组和高中生年龄组）， 材料类型是组内设计（具体实物图形组和词组）。,实验设计：2（被试类型：初中组，高中组）2（材料类型：具体实物图形，词）,实验结果：,图2

18、-3两个自变量对再认能力的影响,多变量实验设计：实验中包括两个或两个以上自变量或因变量的实验设计。与混合设计有区别。,多自变量实验的优点：（中科院2002考研试题） （1）效率高 有两个自变量的实验要比分别做两个只有单一自变量的实验效率要高。,（3）得出的结论与实际情况更为接近，结果的推论性也相应提高。,（2）能够研究多个自变量之间的交互作用。,补充,区组的概念 肥沃田 中等田 贫瘠田 随机区组设计的目的 使区组内的被试差异（或环境因素）尽量减小，区组间差异尽量扩大。, 随机区组设计定义 指将实验处理随机地分配到一个区组或重复的实验单位的设计类型。,2、类型,（1）随机区组设计(randomi

19、zed block design),它能够弥补完全随机实验设计的缺陷。,例：,我们要研究文章的生字密度对阅读理解影响的研究 ： 自变量是什么？ 因变量是什么？ 无关变量是什么？ 可以把哪个无关变量作为区组进行设计？,随机区组单因素设计的基本模式,4,3,2,1,3,4,2,（1）随机区组设计(randomized block design),1,一个自变量，一个无关变量,随机化区组设计的原则 是同一区组内的被试尽量“同质”，每一区组都接受全部实验处理，每一种实验处理在不同的区组中重复的次数也相同。,3种分配区组被试的方式： 一名被试作为一个区组 每个区组内被试的人数是实验处理数目的整倍数 区组

20、内的基本单元是一个团体（自然班问题的解决方案）,数据分析,多因素方差分析 实验处理和区组分别作为因素来考虑,实验处理效应研究者关注的重点 区组因素无关变量，应加以控制,优点：考虑到个别差异对实验结果的影响（区组效应），而把实验单元（被试）划分为几个区组，并在统计计算上将这种影响从组内误差中分离出来，进一步反映出实验处理的作用。 缺点：划分区组有一定困难； 自变量与无关变量间没有交互作用。,评价,（2）所罗门四组设计 (Solomon 4-group design), 定义 指通过随机化程序选择同质被试，并且设置了四种不同实验组和对照组的设计类型。即将被试随机取样，并随机分为四组，两组为实验组，

21、两组为控制组，两组中有一组有前测，一组无前测。, 设计模式 R O1 O2 R O3 X O4 R O5 R X O6,垂直方向上相对的字母表示同时发生，即时间要吻合。,数据分析,多因素方差分析，即： 独立样本2（实验处理：有，无）2（测验：有前测，无前测）的方差分析。,优点：研究者可检查前测的可能效果，将事前测定的反作用效果分离出来，对实验处理的效果更加清楚，对无关变量的控制比较完善。 缺点：所选被试较多，实验经费较大。 一般在需要对研究假设作出决定性检验的时候加以使用。,评价,有人要了解手动作的稳定性是否受情绪的影响，他让青年组在兴奋状态测定，平均得10分，让老年组在安静中测定，平均得9分

22、。经过统计检验，两组手稳定性得分差异不显著。因此，他下结论说：手动作稳定性不受情绪得影响。你认为他的结论是否正确？为什么？,思考,是介于非实验设计和真实验设计之间的实验设计，不易对被试进行随机抽样，可以设立控制组。它对额外变量的控制比非实验设计要严格一些，但不如真实验设计控制得充分和广泛。,二、准实验设计（quasi-experiment）,1、定义,（1）、单组准实验设计, 时间系列设计,指一组被试或个体进行一系列周期性测量，并在测量的时间序列中引进实验处理，然后观测实验处理后的一系列测量结果，并与引入实验处理前的一系列测量结果相比较，研究插入实验处理前后测量结果的变化趋势，从而推断实验处理

23、是否产生效果。,A、设计模式 O1 O2 O3 O4 X O5 O6 O7 O8,2、设计类型,18的测量中，引入实验变量X后，时间系列设计的某些可能的结果模型,B、评价：,优点： a.能较好控制“成熟”因素对内部效度的影响； b.可控制测验因素的干扰； c.有时能控制统计回归的因素；,缺点： a.不能控制与实验处理同时发生的偶发事件的影响，不能排除与自变量同时出现的附加变量的影响； b.不易控制测验与实验处理的交互作用； c.多次施测可能降低或增加被试对实验处理的敏感性。,从测量数据的总体上来对处理进行检验。t检验。 检验实验处理前的回归直线与实验处理后的回归直线是否存在显著差异，包括对残差

24、（剩余标准差）、截距和斜率的差异显著性检验。,C、数据的统计检验,、相等时间样本设计,A、设计模式 (只有一组被试时) X1O1 X0O2 X1O3 X0O4,X0：不出现实验变量。 该设计广泛应用研究学生学习中。,B、评价 优点：能较好控制“历史”因素对内部效度的影响。,缺点：在控制影响外部效度的因素方面不够理想，测验的反作用、实验安排的反作用、选择偏差与实验变量的交互作用、重复实验处理的干扰均可能影响相等时间样本设计下的研究的外部效度。,C、数据的统计检验： 两因素方差分析：2（实验处理：有，无）2（实施顺序：前，后）,X1O1 X0O2 X1O3 X0O4,（2）多组准实验设计,不相等实

25、验组控制组前测后测设计,研究者不能按随机化原则和等组法来选择对等组，有时也不能随机安排哪个为实验组、哪个为控制组。,A、设计模式 O1 X O2 （处理组） O3 O4 （对照组） 虚线表示不能随机选择和部署两组，并且两组可能不对等。,为使实验结果少受无关因素的干扰，使实验结果具有较高可靠性。,某公司管理者预制定一套新的工作时间表。每周要求工人工作40小时，工人可以选择周末休息 3天，并且每天上班和下班的时间由工人自己决定。 实验设计如下： 前测 实验处理 后测 A厂作息制度改变之前一个月的平均产量 改变作息制度（6个月） 作息制度改变后第6个月的平均产量 B厂与A厂相同月份的平均产量 未改变

26、作息制度 与海淀区工厂 相同月份的平均产量,B、评价 优点：增添了控制组（严格意义上应称为对照组，因为缺乏随机分配），基本控制历史、成熟、测验等因素的干扰；有前测可以了解初始状态。 缺点：选择与其他因素的交互作用可能会降低该设计的效度。,C、设计显著性检验,t-检验： aO2O1 b O4O3 ? ab 曼-惠特尼U-检验或中位数检验（非参数检验）。,、不相等实验组控制组前测后测时间系列设计,A、设计模式 O1 O2 O3 O4 X O5 O6 O7 O8 O9 O10 O11 O12 O13 O14 O15 O16 虚线表示两组非随机组。,B、评价 影响内部效度的因素基本上得到控制；测验的反

27、作用、选择偏差等因素和实验处理的交互作用可能会影响该设计的外部效度。,C、设计显著性检验,平衡设计（轮换设计、拉丁方设计） 仅有后测验的模式,A、定义,指为了达到对实验控制的目的，使各组被试都接受不同的实验处理，而对实验处理的顺序和实验时间的顺序采用了轮换的方法。,C、设计的评价和显著性检验 见拉丁方实验设计。,B、不同名称的内涵,平衡对抗设计 ：在实验中，往往由于前一个实验处理影响后一个实验处理的效果，因而该实验设计的作用就在于提供对实验处理顺序的控制，使实验条件均衡，抵消由于实验处理先后顺序的影响而产生的顺序误差。,轮换设计：在实验中，由于学习的首因效应和近因效应的存在，因而在实验方法上，

28、使实验内容的先后次序轮换，使情景条件和先后顺序对各个实验组机会均等，从而排除这两种效应的影响。,并没有真正操作自变量，但具有实验设计的某些特点，也可对因果关系进行尝试性探讨的研究设计。,（1） 设计模式 X O,例：数学辅导讲座对学生数学成绩影响,三、非实验设计,1、单组后测设计,（1）设计模式,O1 X O2,例：元认知训练对学生阅读理解的影响,（1）设计模式 X O1 O2,2、单组前测后测设计,3. 固定组比较设计（静态组或整组比较设计）,（1）设计模式,x,4. 事后回溯设计,O,X 表示该设计的自变量或实验处理无法被操作或改变，O则代表研究者观察到的结果。,事后回溯设计的原则是从已经发生并在某方面有差异的组别开始，追溯研究产生这种差异的原因。,（2）设计类型, 相关研究设计,A、设计模式 O1 O2,例：吸烟与肺癌的关系,准则组设计,指以被试已有的一种状态特征为依据设立准则组，以缺乏这种状态特征的被试作为对照组进行比较的设计类型。,设计模式,X,O1,O2,例：对教学效果产生积极影响的因素,数据统计分析,对基本模式，可以采用独立样本的t检验方法；而对析因实验设计模式，则采用多因素方差分析的方法（调节变量的引入）。,准则组设计模式转换为析因实验设计模式： C1 Y1 O1 C2 Y1 O2 C1 Y2 O3 C2 Y2 O4,例：吸烟习