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第五章教育实验研究法
第五章教育实验研究法
一、教育实验研究概述
二、教育实验研究的类型
三、教育实验的控制与效度
四、教育实验研究设计
导引：
顾泠沅的“青浦实验”
上海市青浦县“大面积提高数学教学质量”的研究
四个阶段：
三年教学调查（1977年10月——1980年3月）、一年筛选经验（1980年4月——1981年8月）、三年实验研究（1981年9月——1984年9月）、八年推广应用（1984年9月——1992年）。
筛选出4条经验：
①让学生在迫切要求下学习；②组织好课堂教学的层次；③指导学生亲自尝试；④及时提供教学效果的信息，随时调节教学。
提出实验假说：
运用“尝试指导”和“效果回授”等心理效应可以有效地提高教学质量。
自变量是实验班所采用的实现“尝试指导”和“效果回授”等心理效应的教学方法。
它大致可进一步具体化为“诱导——尝试——归纳——变式——回授——调节”等步骤。
实验的因变量是“教学质量”。
从横向上分解为学生三个方面的素质：
考试成绩、阅读能力和思维能力。
从纵向上分为学生在三个学年中的不同时间在这三个方面的表现。
实验的无关变量及其控制措施：
实验所要揭示的是教学方法和教学质量这2个因素之间可能存在的因果关系。
不过，在教学实践中，与教学质量相关的因素肯定不只是教学方法这一种，还涉及许多因素，即无关变量（除自变量以外一切可能影响因变量、因而对实验可能起干扰作用的因素）：
①学生之间的差异，②教师的教学水平，③教材，④教学进度。
一、教育实验研究概述
（一）什么是教育实验研究
教育实验研究是操纵教育过程的某种因素（自变量）以引起教育结果（因变量）的变化，从而确定两种因素间因果关系的研究方法。
（二）教育实验研究的特征
1.实验组与对照组
教育实验中，采用两组被试，其中一组接受实验处理，称为实验组；另一组不接受实验处理，称为对照组或控制组。
2.操纵自变量
自变量是由研究者安排的、被人为操控并引起因变量变化的变量，也称为实验变量、操作变量。
可分为两种：
操作性自变量（研究者可以主动加以操作的变量，如教学方法、教学环境、课堂互动）；非操作性自变量（研究者无法主动加以操作的变量，如被试的年龄、性别、社会经济地位、家庭结构等）。
3.随机化
指被试的随机选择和随机分配。
4.无关变量的控制
除自变量外，其他有可能对因变量产生影响的因素称为无关变量。
研究中，应消除或减少无关变量的影响。
实验法可以揭示事物之间的因果联系。
一般认为，要确认A、B两变量中，A是B的原因（B是由A引起的），必须满足三个条件：
第一，共变关系，即A变B也变。
如果A变B未变，则不能肯定A是B的原因。
第二，时间顺序，即A在B前变，或与B同时变化。
如果B先于A变化，则也不能肯定A是B的原因。
第三，控制原则，必须在排除A之外的一切可能对B发生影响的情况下，才能确定A是B的原因。
观察法、调查法都是对自然发生的现象进行描述、归纳与分析，不能主动操纵、干预研究对象，不能排除原因与结果之外的变量的干扰，难以确认事物间的因果联系。
实验不仅利用实验组与控制组的对比来确定变量的共变关系，用预测与后测来了解实验前后情况，决定变量发生变化的时间顺序，而且采用各种控制方法来改变研究对象的存在状态，排除了无关因素的干扰，从而满足了因果推论的第三个条件，成为揭示变量间的因果联系的有效方法。
（三）教育实验研究的优缺点
1.教育实验研究的优点
能确立因果关系，认识事物的本质和规律；
能重复验证，研究结果客观、准确、可靠；
能对变量进行控制，提高研究的信度；
能将实验变量和其它变量的影响分离开来；
能为理论的构建提供佐证和说明。
2.教育实验研究的缺点
应用范围有限，有些问题难以用实验的方法来解决；
影响实验结果的变数太多，难以控制所有的无关变量；
需要较多的人力、物力、财力；
对参与研究人员要求较高。
（四）教育实验的特殊性
教育实验是实验性的教育实践活动，又是教育性的实验研究活动，是实验性和教育性的统一。
教育实验研究的教育性体现为
1.实验者与教育者合二为一
一个教育实验工作者不仅是实验的设计者、组织者、实施者，而且同时必须是一个教育者，必须在教育人的过程中研究教育。
2.教育实验的被试就是教育对象，是一定群体的学生
学生是参与实验的主体，有自己的自主性、创造性，研究者必须尊重他们的意愿，发挥他们的积极性、创造性。
“与儿童一起实验”，而不能损害儿童的身心健康。
3.教育实验更多地是在真实的社会环境和学校环境里（而不是在专门的实验室）进行
教育实验要受到政治、文化、民俗及其它大量的非科学因素的干扰，其实验控制不如实验室实验那样精确、严密。
4.教育实验既要求真，又要求善
教育实验要确认教育现象之间的因果联系，即旨在求真，又要探索有效的教育内容、方法，有力地促进儿童身心的健康发展，即旨在求善。
它既要有求真作基础和前提条件，又要以至善为出发点和归宿，同时受到真理标准与价值规范的双重制约。
二、教育实验研究的类型
（一）实验室实验与自然实验
按实验场地的不同，可把实验分为实验室实验与自然实验。
实验室实验：
在人为创造的高度控制的环境中进行试验。
实验室实验能严格控制无关变量，有计划地操纵自变量，有效地观测因变量，从而获得精确的结果，但其结果的推广却受到限制。
自然试验：
在实际自然的情景中进行，只能尽可能地控制无关变量，但能较长时间地持续进行。
实验时间较长，其结果便于推广。
（二）探索性实验与验证性实验
按实验的目的和功能可划分为探索性实验与验证性实验。
探索性实验是指为了探索一个前人从未探索过的新的教育理论问题或教育实践中的新问题，从事的一种具有开创性的实验研究。
验证性实验是以验证已取得的实验成果为目标，是对已取得的认识成果用再实践的经验来检验、修订和完善的一种实验。
（三）单因素实验与多因素实验
按实验操纵的自变量的多少可划分单因素实验和多因素实验
单因素实验是在实验中只操纵一个自变量以观测其对因变量影响的实验。
多因素实验是在实验中同时操纵两个或两个以上自变量并观测它们对因变量影响的实验。
（四）前实验、准实验与真实验
按实验变量的控制程度可分为前实验、准实验和真实验
前实验是指不能随机分派被试，可以进行观察和比较，但对无关干扰和混淆因素缺乏控制，误差程度较高的一种实验。
准实验是不能随机分派实验对象，无法像真实验那样完全控制误差来源，只尽可能予以条件控制。
真实验是能随机分派被试，完全控制无关干扰来源，能系统地操作自变量的实验。
相对于前实验和准实验，真实验的实验效度高，误差程度低。
三、教育实验的控制与效度
（一）教育实验的控制
教育实验就是操纵自变量、控制无关变量、观测因变量的过程。
1.自变量的控制
自变量又称实验处理，是指由实验者操纵或选择的、对被试的反应产生影响的变量。
一般分为4种：
刺激特点的自变量（任务复杂程度、学习材料呈现方式、材料的意义性）
环境特点的自变量（温度、是否有人在场、是否有噪音）
被试特点的自变量（性别、年龄、教育水平、性格）
暂时造成的被试差异的自变量（疲劳、焦虑、奖励、饥饿）
如何控制自变量
（1）对自变量下操作性定义
操作性定义是根据可观察、可测量、可操作的特征来界定变量的含义。
智力：
在《韦克斯勒儿童智力量表》上的测量分数。
阅读能力：
用阅读测验表上中等难度的文章进行测验，要求阅读速度达到200字/分以上；辨别达到90%以上；理解达到80%以上；记忆达到70%以上为合格。
旁观：
注视别人的活动达2-3分钟以上，自己未参与。
（2）确定自变量的水平数目、范围和各水平间的间距
所选择的自变量的水平数目，要足以反映自变量和因变量的函数关系。
自变量的水平至少要3个。
确定自变量各水平之间的间距的原则是：
走遍了的两个不同水平要能引起被试的不同反应。
2.因变量的控制
因变量又称反应变量，是指由自变量的变化引起被试的某种特定反应的变量。
如何控制因变量？
（1）对被试反应的控制
在实验中，被试对自变量的反应可以是多种的，实验者必须把被试的反应控制在实验者所期望的特定方面。
对被试反应的控制主要通过指导语。
（2）选择合适的因变量指标
好的因变量指标的要求：
有效性，能有效反映自变量的变化
可靠性，在相同的实验条件下多次测量结果应稳定一致
客观化，能用客观方法进行观测并记录
数量化，可以用数据或等级表示
敏感性，能灵敏反映自变量的影响效果
经济型，观测方法简便，省时省力
3.无关变量的控制
在实验中，除自变量之外，会对因变量产生影响的一切因素称为无关变量。
如何控制无关变量？
（1）随机化
实验中的随机化包括抽取样本的随机化和分组的随机化。
一般适用于被试人数较多的情况。
（2）恒定
使无关变量在所有实验处理条件下都处于相对恒定的水平。
不同的实验场所、时间、实验者等条件都可能对实验结果产生影响，控制它们的有效方法是使它们在实验过程中保持恒定不变。
（3）将变量纳入实验设计
针对某些无关变量影响无法排除的情况，将其作为一种实验变量，纳入实验之中，使之有系统地变化，并分析它的效应及其与因变量的交互作用。
（4）配对法
是通过对被试在某个与因变量有关的无关变量的匹配在控制无关变量。
具体做法是：
首先认定与因变量有明显关系的变量，然后决定所要控制的变量，并据此选择同等分数或相同特质的受试者配对。
配对后，再以随机分派的方式，将其中一个分派到实验组，另一个分派到控制组。
（5）被试内设计
是指每组被试均接受所有自变量水平的实验处理。
（6）对照组平衡法
实验设计中使用对照组，对照组在被试特征方面与实验组尽量同质，从而平衡无关变量的影响。
（7）统计控制法
运用统计方法对实验数据作技术性处理，以消除无关变量在实验结果中的影响。
例如，进行几种有关语文教法的实验，在不同教法处理实施时，学生投入了不等的自修时间，作为无关变量的自修时间便可能对实验结果产生影响。
对此，可以在统计分析时，把它作为一种协变量，通过调整各组均数和F检验的实验误差项，将协变量的影响从实验总效应中分离出来（即协方差分析），从而控制自修时间对实验结果的影响
。
（二）教育实验的效度
实验效度指实验结果的准确性和有效性的程度。
它是评价教育实验是否具有科学性和有效性的重要指标。
实验效度包括内部效度和外部效度。
1.内部效度
又称内在效度，指实验结果是否真实地反映了自变量与因变量之间的关系。
如果因变量的变化确实是由特定的自变量而不是由其他无关变量引起的，那么实验的内部效度就高。
影响实验内部效度的因素
（1）成熟因素
在实验过程中，随着时间推移发生在被试生理或心理上与自变量无关的任何系统变化成为成熟因素。
这些变化与特定的外界条件无关，但可能与自变量的影响混淆，使实验结果难以解释。
对于年龄较小的被试，实验时间越长，自然成熟的影响越大。
（2）历史因素
在实验过程中，除实验处理外，对实验结果产生影响的特定事件称为历史因素，它对实验结果的影响会与自变量的影响相混淆，使实验结果不好解释。
（3）前测效应
被试在经过前测后，熟悉了测验的内容和形式，使被试在后测中表现较好，即使没有实验处理，也可能因前测经验的影响，而导致后测成绩的变化。
（4）分组偏差（差异性选择）
是指在被试分组的过程中导致各组被试特征有明显的差异。
分组偏差使得不同被试组在实验处理前就存在明显差异，会与实验处理的影响相混淆。
（5）被试缺失
是指在实验过程中被试的更换、淘汰或中途退出，或者其他原因造成被试材料丢失，导致被试组的差异，从而造成实验结果的偏差。
（6）测量工具的不稳定性（工具效应）
是指因测量工具不稳定而造成实验结果的误差。
对被试进行前测与后测，后测成绩的提高可能是测量工具不稳定造成的，而非自变量的影响。
（7）态度效应（霍桑效应）
是指实验中如果任何一组被试意识到自己受到了特殊关注，态度就会产生影响，从而会影响实验的结果。
（8）统计回归效应
是指第一次测量获得极端分数者，第二次测量就会出现测验分数向平均数靠近的倾向。
这样，被试在实验处理前后的测验分数的变化可能不是由实验处理引起的，而是由统计回归效应引起的。
提高内部效度的关键是无关变量的控制。
2.外部效度
是指实验结果的可推广程度，即实验结论能够普遍推论到样本来自的总体和实验以外的情景与条件中去的程度。
影响实验外部效度的因素
（1）被试样本缺乏代表性
外部效度的获得取决于被试取样的代表性。
（2）实验情景的人为化
实验情景与现实情景差别越大，实验外部效度就越低。
（3）实验安排的反作用效果
由于实验的安排，被试知道自己正在被观察或正在参加实验，被试所表现出来的行为就有可能与非实验情境中的行为表现有很大不同。
（4）测验的反作用效果
在使用前测的实验中，前测可能会增加或降低被试对实验处理的敏感性。
（5）重复实验处理的干扰
当同一组被试重复接受两种以上实验处理时，由于前面的实验处理和后面的实验处理可能会产生相互干扰作用。
（6）实验操作叙述不清
如果对实验中的自变量操作叙述不清，其他研究者无法重复实验，这种情况下的实验结果在别的情景下就不适用。
提高外部效度的途径
（1）采用科学的抽样方法，减少抽样误差，提高样本代表性
（2）克服实验过分的人工情景化，使实验情景与实际的教育情景尽可能接近
（3）在不同的实验情景、不同的条件、不同的时间或选择不同类型的被试进行重复实验
（4）增加实验中自变量的数量。
内部效度与外部效度的关系
内部效度是外部效度的必要条件，但非充分条件。
对教育研究而言，内部效度和外部效度都很重要。
在实验设计时应综合考虑内部效度和外部效度的平衡，在确保内部效度的基础上，尽可能使试验获得更大的外部效度。
四、教育实验研究设计
教育实验设计
是指进行一项教育实验研究的整体规划。
实验设计是否科学、合理，直接影响实验结论的科学性。
实验设计的内容包括：
选定课题，形成实验假设
选择研究对象，明确研究总体，确定总体中抽取的被试数量和抽样方法
确定实验变量及变量的控制方法
确定实验所用的材料和仪器设备
选择实验设计的类型及处理数据的统计方法
安排实验的具体步骤
实验设计的类型
实验设计的类型多种多样，每一种类型都有其基本的设计模式。
实验设计的类型取决于以下几个因素：
实验中所操纵的自变量的数目；自变量水平的数目；被试接受实验处理的方式（是让每一个被试接受所有的实验处理，还是将不同的被试随机分配或匹配到不同的实验处理中去，让每一个被试只接受一种实验处理）；有没有使用前测等。
实验设计使用的符号及其含义
X表示实验处理或自变量
O表示实验处理前或处理后的一种观测
R表示以随机化的方式选择和分配被试
M表示以匹配的方式分配被试
G表示被试组、实验组或控制组。
字母下标的数字表示次数，如X1表示实验处理1，X2实验处理2。
（一）前实验设计
是指不能随机分组，对无关变量缺乏控制，内外效度较差的实验设计。
单组后测设计
单组前后测设计
非对等组后测设计
1.单组后测设计
只有一组非随机选择的被试，无对照组，只给予一次实验处理，有一个后测，以后测结果作为实验处理结果。
设计模式：
G：
XO
示例：
一位语文教师深感小学生作文言之无物，于是设计了“情景作文”方法（X）在班上试行，经一段时间后发现学生作文质量（O）有较普遍的提高。
2.单组前后侧设计
该设计只有一个实验组，在实验处理前后对实验组进行测量，比较前测和后测的成绩，以确定实验处理的效果。
设计模式：
G：
O1XO2
示例：
范文习作训练对学生写作影响的实验研究
因变量：
学生作文成绩
实验处理X：
范文习作教学
实验设计:
单组前后测G：
O1XO2
O1为学生在无范文条件下作文成绩
O2为学生学习范文后的仿写作文成绩。
结果O2-O1
3.非随机分配对照组后测设计
选择两个现成的团体作为被试组，一组为实验组，一组为对照组，在实验中对实验组施以自变量，对照组则做为比较组存在。
实验结束后对各组进行后测，根据实验组与对照组因变量的差异，得出实验的结论。
设计模式：
G1：
XO1或X1O1
G2：
O2X2O2
示例：
学习方法指导的比较实验
某校2个班，第一班由教师每周上1节学习方法的指导课（X1），第二班不开展任何学习方法指导活动（X2），一学期结束时，比较两个班学生的学业成绩（O1-O2）。
（二）准实验设计
准实验设计是在不能随机分派被试，无法完全控制误差来源时，尽可能加强条件控制的实验设计。
非随机分配对照组前后测设计
轮组实验设计
1.非随机分配对照组前后测设计
选择两个现成的团体作为被试组，随机确定一组为实验组，一组为对照组，先接受前测，然后对实验组实施实验处理，对照组不接受实验处理，再对两组进行后测。
设计模式：
示例：
计数教学的结构—定向教育实验
某小学一年级两个班各41人，实验班按照实验教材和教学指导书进行万以内计数教学，对照班按照全国统一的教材和教学指导书进行万以内计数教学。
因变量：
计数学习成绩；条件控制：
同一教师教学，作业练习时间统一，统一测试入学前数学能力和智力情况。
统计分析：
实验班和对照班因变量增值比较，即O3-O4和（O3-O1）-（O4-O2），对两组增值分数平均差进行t检验以考核其差异的显著性。
2.轮组设计
即固定组循环设计，有不同组和不同的实验处理，每组按照不同顺序循环接受实验处理，比较各种实验处理的平均成绩。
每组既是实验组，又是对照组。
设计模式：
示例：
朗读法与默读法教学效果比较研究
选定二年级两个班作为实验班（G1和G2），实验开始时，先测量两班的语文成绩（O1、O4），然后一班进行朗读训练（X1），另一班进行默读训练（X2）。
经过一学期，进行一次后测（O2、O5），分别与前测进行对比（O2-O1、O5-O4）。
交换实验处理，经过一学期后，再进行一次后测（O3、O6）。
比较（O2-O1）-（O6-O5）与（O5-O4）-（O3-O2），如前者高，说明朗读效果好，反之，默读效果好。
准实验设计因不能随机取样，使各样本之间存在很大差异，不易控制。
但是，准实验设计不打破教学班的原有编制，可以使学校的教学工作按正常教学秩序进行，因此准实验设计是应用最广泛、最经常的一种教育实验设计。
（三）真实验设计
真实验设计：
是指能随机分配被试到实验组和控制组，并对无关变量具有一定控制的实验设计。
随机分配对照组后测设计
随机分配对照组前后测设计
随机化所罗门四组设计
1.随机分配对照组后测设计
随机化选择被试和分组；实验组接受实验处理，两组均只有后测。
设计模式：
RG1：
XO1
RG2：
O2
示例：
电视教学对初一学生英语成绩的影响的实验研究
某校初一的两个班，按照入学成绩随机分成两个等组，随机指派一个为实验班（RG1），在实验班英语教学中使用电视教学（X），而对照班（RG2）按常规进行教学。
其他条件均相同。
一学期后，进行后测，比较电视教学与常规教学的效果。
2.随机分配对照组前后测设计
随机分组；实验组接受实验处理，控制组则不给予实验处理；两组均进行前后测。
设计模式：
RG1：
O1XO3
RG2：
O2O4
示例：
系统进行解题思维策略训练提高学生解应用题的能力的实验研究
随机分配实验组和对照组。
实验组用自编教材，讲解6种应用题解题方法（简化法、图解法、结构训练法、联想法、假设法、对应法），每周3次，每次1节课，共7周21节课。
对照组不讲，只做同样的练习。
严格进行条件控制：
同一教师教学；前后测相同（等值难题，测验时间与要求前后一致）；练习内容相同。
对（O3-O4）-（O1-O2）进行显著性检验，即对实验组和对照组前后测成绩平均分数参数进行t检验
3.随机化所罗门四组设计
是随机后测有控制组设计和随机前后测有控制组设计的综合设计。
这种设计共有四个组；两个控制组、两个实验组，实验组和控制组各有一组接受前测，四组都接受后测。
真实验的效度很高，但是因为教育实验一般不能打乱正常的教学秩序，大多是在确定的班级、确定的学校中进行，随机取样很难做到，况且对无关变量（诸如学生的疲劳、学习兴趣等）也很难完全控制，因此在教学实践中真实验的应用很受限制。
（四）多因素实验设计
是指一个实验中同时研究两个或两个以上的自变量的影响，以及不同自变量之间交互作用效应的实验设计。
在多因素实验设计中，通常用英文大写字母代表因素（自变量），用相应的小写字母代表因素的水平，而用表示因素之间的相互结合关系。
有几个数相乘就代表有几个自变量，而每个乘数值就是每一个自变量的水平数。
乘积就代表实验处理的数目。
如22就代表有2个自变量，每个自变量都有两个水平，有4种实验处理。
多因素实验设计的类型
根据被试选择与接受实验处理情况可分为多因素组间实验设计、多因素组内实验设计和混合设计。
1.多因素组间实验设计
采用随机分组的方式，将被试分成若干同质组，所分的组数与实验处理的个数相等。
每一组被试随机接受一种实验处理水平，然后对实验处理后的各组成绩进行测量，对不同实验处理条件下测量结果进行差异的显著性检验，以确定实验处理的影响。
以22实验设计为例。
有两个自变量A、B，每个自变量有两个水平（a1、a2；b1、b2），把2个自变量的不同水平加以组合，有4种实验处理（Xa1b1、Xa1b2、Xa2b1、Xa2b2）。
研究者用随机分组的方式将被试分成4个同质组，每一组被试随机接受4种实验处理中任意一种。
基本设计模式
被试组
实验处理水平的结合
后测
RG1
Xa1b1
O1
RG2
Xa1b2
O2
RG3
Xa2b1
O3
RG4
Xa2b2
O4
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