第2章　實驗設計與準實驗設計

2.1　復習筆記

一、實驗設計

實驗設計可以看做是安排實驗各種條件的方法，實驗設計的目的在于消除或減少誤差以便達到實驗的目的，即確定某些變量、找出事件的原因。

（一）實驗設計類型

1．隨機組設計

（1）隨機組設計的程序

隨機組設計（random groups design）屬于組間設計，它把被試分為兩組，隨機組1和隨機組2，其程序如表2-1所示：

表2-1  隨機組設計

（2）隨機組設計的邏輯

①沒有施加處理的隨機組2通常叫做控制組，它代表著一種參考水平來決定實驗處理是否有效。

②這種設計的前提是實驗組與控制組在測驗前各方面都一樣，這樣，如果兩組在測驗上有差別，邏輯上就可以歸結為是實驗處理造成的。

（3）擴展的隨機組設計

在實踐中要隨機挑選兩個等組并不容易，因此，在應用隨機組設計時一方面要盡可能做到隨機挑選被試，另一方面還可以應用如下擴展了的隨機組設計：

隨機組1：無處理→測驗

隨機組2：x數量的處理→測驗

隨機組3：2x數量的處理→測驗

隨機組4：3x數量的處理→測驗

隨機組5：4x數量的處理→測驗

其中的x，2x，3x等代表自變量的不同水平，并不一定是整倍數的關系。

2．組內設計

（1）組內設計的程序

組內設計（within-groups design）又稱重復測量設計，其基本思想是一個被試或一組被試按一種順序完成各實驗條件，而另一個被試或另一組被試在另一種順序中進行實驗，而且，被試必須隨機地分配到不同的順序上。

（2）組內設計的優缺點

①優點

a．組內設計中每一被試都以自己為對照條件。

b．組內設計比隨機組設計對統計檢驗更為敏感。

是由于同一被試在幾種實驗任務中，或在同種任務的重復測量中的結果傾向于高度相關，因此顯著性檢驗的標準差值就減少了，從而易于檢測出較小的效應。

c．組內設計不需要事先對被試進行測驗以在某一特點上平衡被試。

②缺點

一種實驗條件下的操作將會影響另一種實驗條件下的操作。因為組內設計的實驗中每一被試輪流在各種實驗條件下進行實驗，因此會使自變量與“練習”或“疲勞”的因素混淆起來。

（3）消除缺點的方法

①隨機地排出各實驗條件下的順序。

②采用抵消平衡的方法。

抵消平衡被試接受實驗條件（自變量）的順序，使每種實驗條件以各種順序出現的機會相同，以達到平衡由重復測量所產生的無關變量對因變量的混淆作用。

（4）實驗設計對因變量的影響

實驗設計已成為影響因變量的自變量之一。例如，Challis和Brodbeck（1992）認為，實驗設計是影響補筆測驗中加工水平效應的一個重要因素，因而系統地進行了實驗。結果表明，組內設計不存在加工水平效應，但隨機組設計與組內設計存在加工水平效應。

3．隨機區組設計

（1）隨機區組設計的程序

隨機區組設計（randomized-block design）要求首先對被試作測驗，然后按成績分組，再把實驗條件隨機分配給各組中的被試。

（2）隨機區組設計的優缺點

①優點

a．隨機區組設計中的每個被試只在一種實驗條件下進行實驗，因而避免了不同實驗條件順序的影響，因此，它具有組間設計的優點。

b．隨機區組設計要求在一個區組中的被試在某一特點上是類似的，這樣，對各個實驗條件來說，被試基本上是類似的，這一點類似于組內設計，因此它又具有組內設計的優點。

c．隨機區組設計把類似特點的被試安排在一個區組內的做法比混合設計中對被試的選擇更好。

②缺點

a．這種設計的價值依賴于實驗前的預測驗對正式實驗的預測性，預測性愈高價值愈大。

b．這種設計的有效性還取決于實驗條件的多少。3~4種實驗條件采用隨機區組設計比較恰當。

4．拉丁方設計

（1）拉丁方設計的程序

拉丁方設計（Latin Square design）的要求是，每種條件在橫行的順序中只出現一次，在縱列中也只出現一次。

（2）拉丁方設計的優點

①使用了完善的抵消順序效應的措施，因而同時能測量多種變量。

②由于每種實驗條件在橫行縱列中只出現一次，因此保證了實驗中每種實驗條件在順序的各個位置都出現過，這就避免了由于順序不同造成的混淆。

③當n＞3時，采用1，2，n，3，n－1，4，n－2，5，n－3…的拉丁方排列方法，可以有效的避免傳遞效應。

（3）安排拉丁方的方法

①當n＞3時

a．假設自變量有n個水平，那么，實驗的第一種順序就是：1，2，n，3，n－1，4，n－2，5，n－3…

在這里，1代表第一種水平，依此類推。第二種順序是依次在第一種順序上加1，第三種順序是依次在第二種順序上加1，等等。而且，各順序中遇到n時，改為1。

b．例如當n＝4時，拉丁方的安排如下：

表2-2

②當n＝3時

a．采用平衡方塊設計（balanced square design）來排除傳遞效應，需要使用兩個方陣，第二個方陣與第一個方陣正好相反。一般說來，第一個方陣是按偶數個變量水平時構建方陣的方法建起來的。

b．設A，B，C為三種實驗條件，有關的平衡方塊如下：

表2-3

c．平衡方塊設計還可以平衡掉順序效應。

（二）交互作用：多于一個自變量的實驗

1．多因素實驗的優點

（1）做一項有三個自變量的實驗比分別做三個實驗的效率要高。

（2）做一項實驗比分別做三項實驗易于保持控制變量恒定。

（3）多因素實驗能夠得到交互作用，這樣的的實驗結果比從幾個單獨實驗所概括的結果更有價值，更接近生活實際。

2．實驗研究

（1）兩因素實驗

①實驗程序

在某大學校園的咖啡店里，主試看到小桌子或是大桌子旁邊坐著一個學生時，請求坐下并點來一份午飯。不久，主試離開桌子去買杯飲料。這時，假招待員（實驗助手）把午飯掃走。當主試回來時，試圖向這個學生借錢再買一份午飯。有時候，午飯不是由假招待員掃走，而是主試假裝不小心弄掉在地上，然后向學生借錢。

②實驗變量

a．自變量：桌子（大或小）；處理午飯方式（掃走或掉地）。

b．因變量：被試愿意借多少錢給一位陌生人。

③實驗結果

a．坐在大桌子邊上的學生對午飯被掃走或是掉地都只愿意借出少量的錢；

b．坐在小桌子邊上的學生愿意借出較多的錢來幫助午飯被掃走的人。

這個結果表現出了交互作用。

④交互作用（interaction）

一項實驗中有兩個或兩個以上自變量，且自變量有兩種或兩種以上的水平存在，當一個自變量的效果在另外一個自變量的每一水平上不一樣時，我們就說存在著交互作用。

（2）單因素實驗

假設這項實驗是兩項單獨的實驗。

①第一項實驗中，只有桌子的大小是唯一的自變量，而午飯總是被掃走。那么實驗結果將會表明，坐在小桌子邊上的人會借出較多的錢。但是從這個實驗結果，研究者不能發現，要是午飯掉地，桌子的大小就不起什么作用。

②在第三項實驗中，處理午飯的方法是自變量，桌子大小是控制變量。

如果用大桌子做實驗，不管午飯的“遭遇”怎樣，人們只愿意借出大致相同數目的錢。從這個結果，研究者不能發現，如果用小桌子做實驗，借錢數量是有差別的。

由此可見，分別做兩個實驗會喪失許多信息，而在一項實驗中包括兩個或多個自變量，會獲得較多的信息。

（3）從這個社會心理學實驗中補充三點：

①自變量至少是以兩種水平存在的。

②當把實驗結果作圖表示時，只有一個自變量的實驗，自變量用橫坐標表示，因變量用縱坐標表示；

如果實驗包括兩個以上的自變量，那么一個自變量用橫坐標表示，其余自變量畫在圖上，因變量用縱坐標表示。

③交互作用反映在圖中，表現為圖中的線是交叉的。如果圖中的線是平行的，就說明該實驗不存在交互作用。

（三）因素設計及其數據處理

1．因素設計

（1）因素設計的定義

①因素設計（factorial design）是關于兩個或多個變量（因素）的一種實驗設計，它的特點是將實驗中每一變量的各個水平都結合起來進行實驗。

②因素設計的最簡單形式就是實驗中有兩個自變量（因素），每個自變量各有兩種水平，這就是2×2因素設計。

③不同因素按水平形成的各種組合稱為處理。各種處理的總數是各因素所包括的水平數的乘積。

（2）因素設計的因素數量

因素設計一般使用兩個或三個因素，每個因素有2~6種水平，因素過多或水平過多都將使實驗變得十分復雜而難以進行，并且即使進行實驗，其結果也很難解釋。

（3）因素設計的方式

①組間設計

對于2×2因素設計，有4種處理，如果每種處理使用8名被試，則可以采用表2-4這樣的分配方式。

表2-4  2×2因素設計（組間設計）

②組內設計

對于2×2因素設計，每個被試都需要進行四次實驗。設J代表的實驗條件，K代表，L代表，M代表，那么，可用拉丁方的方法排列實驗順序如表2-5：

表2-5  2×2因素設計（組內設計）

可以看到，組內設計大大節省了被試數量。

③混合設計

對于2×2因素設計，設變量A用組內設計安排，變量B用組間設計安排，則可以采取表2-6這樣的分配方式。

表2-6  2×2因素設計（混合設計）

2．因素設計的數據處理

（1）2×2因素設計（組間設計）的方差分析

①互助行為實驗

a．自變量：需要借筆記的原因（缺乏記筆記的能力，沒有用心聽講）；需要借筆記的頻率（經常需要借，偶爾需要借）。

b．因變量：助人行為頻率。

c．實驗按2×2因素設計（組間設計）進行，假設獲得的數據經整理后如表2-7所示：

表2-7  數據的重組

②方差分析的公式

表2-8是進行方差分析計算的有關項目與公式，假設各小組的方差沒有顯著性差異。

表2-8  方差分析的項目與公式（組間設計）

③方差分析的結果

把表2-7中的數據分別代入表2-8中各項目的公式，計算結果如表2-9。

F值的顯著性水平表明：

a．I間差別即頻率的兩種水平對互助行為的影響是有顯著差異的；

b．J間差別即原因的兩種水平對互助行為的影響也是有顯著差異的；

c．在頻率與原因之間不存在交互作用。

表2-9  方差分析組間設計的2×2的因素設計

（2）2×2因素設計（混合設計）的方差分析

①心境對學習影響的實驗

a．自變量：心境（高興，不快）；故事情節（高興，不快）。

b．自變量：對故事情節的回憶效果。

c．實驗按2×2因素設計（混合設計）進行，心境是組間因素，故事情節是組內因素。

假設獲得的數據經整理后如表2-10所示：

表2-10  數據的重組

②方差分析的公式

表2-11  方差分析的項目與公式（混合設計）

③方差分析的結果

把表2-10中的數據分別代入表2-11中各項目的公式，將計算結果如表2-12：

表2-12  方差分析（混合設計的2×2因素設計）

F值的顯著性水平表明：

a．不同心境之間（對高興情節）的回憶差異顯著，說明被試高興時對高興情節的記憶遠遠超過被試不快時對高興情節的回憶。

b．不同心境間（對不快情節）的回憶差異顯著，說明被試不快時對不快情節的記憶遠遠超過被試高興時對不快情節的記憶。

c．不同情節之間（對高興心境）：被試高興時對高興情節的記憶顯著好于對不快情節的記憶。

d．不同事件之間（對不快心境）：被試不快時對不快情節的記憶顯著好于對高興情節的記憶。

e．情節和心境存在交互作用，被試的心境對記憶的影響依賴于要回憶的情節的性質。

（四）被試樣本的大小

在單個實驗中選用的被試樣本大小可參考以下幾種因素作決定。

1．某研究領域傳統上使用多少被試。

2．計劃使用什么樣的統計分析。

3．如果預期在實驗中變異會較大，或者認為將要發現的差別有特別重要的意義，就需要多一些被試。

4．在腦成像（fMRI）研究中，Firstone（1999）認為，7~12個被試的結果，宜用Conjunction analyses方法處理，而12~30個左右被試的結果，宜用Random-effect analyses方法處理。

（五）使用一個被試的實驗

1．只使用一個被試的實驗也是有意義的。有時候罕見的現象出現在一個人身上，對這些個案的詳盡研究會給基本心理過程提供扎實可靠的資料。

2．1996年Klein通過對一名女大學生W.J.的個案研究得出結論：一個人的情景記憶與一個自我的人格表征是分離的。這樣，單個被試的實驗研究得出了關于人類的普遍的結論。

二、準實驗設計和效度

（一）準實驗設計

1．準實驗設計的定義

在現場進行的實驗研究中，被試不可能隨機地分配到實驗條件中，被試以非隨機方式分配到實驗處理上的設計，稱為準實驗設計（quasi-experimental design）。

2．準實驗設計的分類

（1）不等組比較設計

①不等組比較設計（nonequivalent comparison-group design或selection cohort design）對兩個或更多自然形成的被試組進行研究。

②這種設計最簡單的例子是，對一個組經過實驗處理以后測量它的因變量，然后與一個對照組的因變量相比較（黃一寧，1998；董奇，2004）。

（2）間歇時間序列設計

①間歇時間序列設計（interrupted time-eries design）是在實施實驗處理前后的一段時間里對某種效應進行多次重復測驗。

②由于這種設計缺乏控制組，所以無法剔除無關因素的干擾作用。為了克服這一弱點，可采用復合間歇時間系列設計，即在研究設計中增加一個沒有接受實驗處理的比較組，來替代控制組的部分功能（黃一寧，1998）。

這種設計的模式如下：

表2-13

（3）交叉滯后組相關設計

①交叉滯后組相關設計（cross-lagged panel corelational design）要求在時間1對兩個變量的關系作出測定和相關分析，再在時間2作相似測定和分析，求得同步相關和（見圖2-1），和為穩定性相關，它們實際上是重測信度。

圖2-1  交叉滯后組相關設計

②在同步相關穩定的情況下，如果，可以認為，與B引起A相比較A是B的更強的原因；反之，B是A的更強的原因（王重嗚，1990）。

③Eron等人應用交叉滯后組相關設計開展觀看暴力電視節目是否導致犯罪行為的追蹤研究（Eron，et al.，1972）。一個典型結果如圖2-2所示。

圖2-2  觀看暴力電視與犯罪行為的追蹤研究（Eron，et al.，1972）

結果表明：喜歡看電視暴力的9歲男孩與其19歲時的攻擊行為密切相關。

（二）效度問題

1．效度概述

（1）內部效度

在自變量與因變量之間證明有因果關系的聯系，而且對實驗結果的其它可能的解釋均可排除，在這樣的情況下這個實驗被稱為具有內部效度。

（2）外部效度

如果一個實驗的結果可以推廣、概括到其他的被試和其它的場合，那么，我們說它具有外部效度。

2．Anderson對效度的分類

Anderson（2001）認為效度包括過程效度（process validity）與結果效度（outcome validity）的區分，以及這兩種效度的內部水平（internal level）和外部水平（external evel）的相互關系。

（1）過程效度與結果效度

①結果效度是應用研究的目標，關注的是行為變化本身。應用領域的研究者想要把在某一特定情景下獲得的結果推廣到更一般的場合。

②過程效度是基礎研究的目標，關注的是表面結果背后的基本心理過程，通常是研究極為基本的心理過程以便概括為普遍規律。

③結果效度與過程效度各有兩個水平：內部水平與外部水平。內部水平指研究在某具體情景設置下的有效性，外部水平指超出該具體設置的概括化。內部效度是外部效度的必要條件。

④內部結果效度（internal outcome validity）的評估始于統計顯著性檢驗，達到統計顯著性水平意味著特定設置下的研究結果是有效的；但外部結果效度（external outcome validity）的評估要求超越統計的推論。

⑤內部過程效度（internal process validity）與外部過程效度（external process validity）的評估都依賴超越統計的推論，這是因為過程效度本質上不是數據、事實本身，而在概念。

（2）過程效度與結果效度的不一致

①過程效度與結果效度這兩個目標是不一致的，不可能兩者兼得。

②為了追求結果效度，特定的情景設置需要接近真實生活，這樣，得到研究結果才容易推廣，外部結果效度才會好。

③追求過程效度要求使研究情景盡量簡化、明確，以便排除其它心理過程造成的混淆。