中小学教育实验设计的要素

教育实验的设计是指在确定了实验课题的基础上，研究者必须科学地确定和描述教育实验进行过程中的一系列活动，论述它的内容和方法，并对此做出操作程序上的安排。实验设计是进行教育实验的计划、构架和策略，是连接理论假说和实验操作过程的桥梁。实验设计的合理性和完善性都直接影响着研究目标的达成、研究工作的效率以及研究结果的可靠性。因此，要提高教育实验的科学水平，就要研究实验设计并不断提高实验设计的质量。

教育实验设计的主要内容包括：确定实验所要操纵的自变量及其操纵原则和呈现方式；确定因变量的指标及测定方法；控制无关变量的具体措施；确定实验对象的选择原则、方法和实施程序；安排实验的具体步骤，选择适当的统计方法；设想实验结果的推论范围及对象。

一、“好设计”实验的标准

一个好的实验设计应该具有哪些必要条件，也就是“好设计”实验的标准是什么？我们可以从以下几个方面进行阐述。

（一）适用性

印度学者洛克歇·考尔在其所著的《教育研究的方法学》一书中明确指出：“设计首要的和最重要的标准是应适用于检验研究的假说。如果设计不适用，那么研究结果也就不值得认真考虑了。一个良好的实验的重要标准是适用，而不是繁或简。因此，研究者应选择那种能起到作用并能客观地安排实验条件以满足他的研究要求的设计。”从这里我们可以看出，教育实验是通过验证假说来实现其研究目标的，实验设计首先就应当论证假说的合理性，并从适合检验假说的要求来考虑整个实验过程中的条件控制和程序安排。因此，实验设计的适用性对于把握实验的方向，提高实验设计的质量都有重要的意义。

（二）实验效度

好的实验设计必须要提高实验效度。教育实验的效度问题最早由美国著名的教育实验家坎贝尔和斯坦利于1963年在其论著《研究的实验设计与准实验设计》中提出，并将其分为内在效度和外在效度两类。

所谓内在效度指自变量与因变量的因果联系的真实程度。内在效度的高低取决于控制程度，对无关变量做出了有效控制，就会提高实验变量的内在效度。坎贝尔和斯坦利总结出了8种因素影响实验的内在效度，包括：偶然事件、成熟的影响、测验迁移、统计回归、选择的缺失、测量误差、被试中途流失、选择与成熟的交互作用及其他。提高实验内在效度的基本途径就是控制上述无关变量与实验期间的特殊情境。

外在效度是指实验结果的可推广程度，即研究结果能被正确地应用到其他非实验情境、其他变量条件及其他时间、地点、总体中去的程度。外在效度又分为总体效度和生态效度。总体效度是指实验结果从特定的研究样本推广到更大的被试群体中去的适用范围。严格来说，研究结果只能推广到抽取样本的那一部分总体，如果要把实验结果推广到更大范围的总体，则要对目标总体的特征进行辨识，有计划、有步骤地进行推广。生态效度是指实验结果从研究者创设的实验情境推广到其他教育情境中去的范围。坎贝尔和斯坦利认为对外在效度的影响主要有以下四种因素：选择与实验处理的交互作用效应，测验与处理的交互作用效应，实验安排中的效应，多重处理的干扰。而要提高外在效度，则要使选取的被试具有代表性，使实验情境与教育教学环境尽量接近。

实验设计的目的是希望实验的两种效度都高，这样实验在检验假说、发展理论以及改善实践等方面更加具有实效性。但是，对内在效度与外在效度的追求却难以两全其美。在某种情况下，确保一种效度，就会削弱另一种效度。因为要提高实验内在效度，势必要对实验加强控制，这样人为因素越大，离实际情境也就越远，实验结果的推广就会受到限制，也就降低了外在效度。反之，如果只注重外在效度的提高，那么教育实验就变成了一般的教改实践，虽然能取得良好的教育效益，但是因果关系不明，内在效度降低，因此，推广的实验结果只能算是价值有限的一般经验。“因此，一个好的实验设计应首先求得内在效度，即验证假说中所含的自变量与因变量之间真正具有的因果依存关系。同时，对内在效度的追求又应该尽可能地接近现实情境，以在提高内在效度的同时尽量求得较高的外在效度。”[1]

（三）控制得当

教育实验的重要目的在于揭示自变量与因变量的关系，这就要求实验设计首先要对自变量进行操纵，并准确地观察、测量因变量的变化，同时还要尽量减少无关变量对实验的影响，这也直接关系到实验效度的高低。 “因此，必须强调对实验条件的控制，即通过各种不同方法尽可能排除无关变量对因变量的影响，同时强化与纯化自变量的作用，使因变量的变化能可靠地归因于自变量的影响。”[2]当然对实验设计的控制不能生搬硬套自然科学实验的控制要求，要按照教育实验的特点，同时吸收其他科学研究方法的长处，力图创造出控制实验设计的新经验。

从以上可以看出，实验设计的适用性是前提，没有这个前提，整个实验就没有价值可言；实验效度是核心，它保证了检验假说的可靠性，如果效度不高，那么适用性也就成了空话；控制得当作为关键的调节因素，能使内在效度与外在效度之间得到合理的平衡。因此，以上三者是个有机的统一体，缺一不可。

[资料]：

“好设计”实验的8条标准

①充分的实验控制——指对实验条件有足够的控制，以便研究者能解释结果。

②不加人为修饰——实验在一般的背景下进行，例如教室等，这样能更好的应用到真正的教育领域。

③比较的基础——需要通过某种方式进行比较以确定是否有实验效果。

④通过数据获得充足的信息——数据必须足以检验实验假设，应有对假设做出判断的足够的精度。

⑤非污染的数据——数据要充分反映实验效应。

⑥无相关变量间的干扰——通过实验设计控制无关变量的干扰。

⑦代表性——研究者要科学合理地选择被试以便使实验结果得到更好的推广。

⑧省力原则——如果所有其他特征相同，要尽量选取较简单的设计。

（资料来源：威廉·维尔斯曼著.袁振国主译.教育研究方法导论.北京：教育科学出版社，1997.130页～131页）

二、实验设计中的主要控制措施

教育实验的过程中存在三种变量，也就是上面我们说到的自变量、因变量和无关变量。一项成功的教育实验应当准确的把握三个要素，即：操纵自变量，观测因变量，控制无关变量。

（一）自变量的操纵

自变量是实验前假定存在的因果联系中的原因变量，也就是研究者施加于被试的可以操纵的教育影响。教育者能否成功地操纵自变量，使之真正有效地作用于被试，这是教育实验成功的关键之一。对实验对象采取的措施和施加的条件，又称为实验处理。实验处理包括两方面的内容，一方面是要使自变量发生合乎实验要求的变化；另一方面就是要使自变量真正有效地作用于被试，以期引起被试的变化。因此，研究者要根据课题的要求和实际情况对自变量进行适当的操纵。

（二）因变量的测定

因变量是研究者要观察和测量的，由自变量引起的实验对象的反应和变化的变量，研究者通过对因变量的测定来研究自变量与因变量之间是否存在因果关系。在实验设计过程中，对因变量的测定一般要考虑三方面的问题：一是观测哪些变量。自变量作用于被试后，被试可能有许多方面的变化并表现出多方面的教育效果，究竟从哪些方面观测教育效果，在实验前必须明确。二是如何对因变量进行测定。主要包括测量方法的选择，测量次数和插入点的安排，测量指标的确定等。三是如何对结果进行评定。

（三）无关变量的控制

由于无关变量会影响因变量的测定，对判断自变量和因变量的因果关系造成干扰，因此，为了使自变量与因变量之间的关系尽可能得到清晰、完整的体现，就必须对无关变量进行控制。在教育实验中，对无关变量的控制主要有以下几种方法。

1.消除法

消除法就是把无关变量排除在实验之外，尽可能不让这些因素影响实验结果。如教室环境会影响教学效果，就要选择安静的教室进行实验，以防止环境因素的干扰。消除法是最简单的控制无关变量的方法，但是在教育实验中有些无关变量往往是难以消除的。例如：教师的水平、能力、态度、教学时间、教材、学生智力等。因此，在采取消除法的同时，还应当采用其他方法加以控制。

2.平衡法

教育活动的复杂性决定了有些因素难以从教育实验中排除出去，例如，学生之间存在的各种差异。平衡法就是通过设置对照组和实验组，使所有无关变量都以同一种水平同时作用于这两个组，使之对这两个组的教育效果的影响相同，从而不影响自变量与因变量关系的显现。例如，上海青浦县初中数学教学改革实验中就采用了平衡法，使实验班与对照班的学生在数学基础以及数学思维能力水平的差异，经过测试而在分班时就保持基本接近。另外，在教材、教学进度等方面也保持一致。这样，就是实验班和对照班在很多因素上保持平衡，从而显现出自变量对因变量的影响。

3.纳入法

对于既无法消除又难以保持平衡的无关变量，可以采用纳入法也就是把无关变量作为一项自变量纳入到实验中去。例如，某中学开展某项数学教学方法实验，由于学生的思维能力存在差异，而且这项无关变量又难以消除，这时就可以把思维能力作为一项自变量，将学生的思维能力水平分成高、低两个层次，按下表方式安排实验。

这样，既可以通过比较第一、二两组以及比较第三、四两组来分析思维能力水平的高低对学生数学学习的影响效果，也可以通过比较第一、三两组以及比较第二、四两组来分析新教学方法的作用。[3]

4.抵消法

如果有两个班，可以先随机选取其中的一个班作为实验班，另一个班为对照班，进行第一轮实验，然后将两个班对调，原来的实验班改为对照班，原来的对照班改为实验班，进行第二轮实验，最后将两次实验班的测量结果合并为实验班样本成绩，将两次实验的对照班测量结果合并为对照班样本成绩，再将这两个样本的成绩进行比较。从这里我们也可以看出，组成实验班样本和对照班样本的都是两个班的全体，每个班都经历了一次实验与一次对照。这样两个班的学生因素、教师因素和家庭因素等无关变量都可以抵消。

5.恒定法

恒定法是指对一些无法排除的无关变量采取在实验中保持恒定不变的方法。也就是把变量变为常量的方法加以控制，使无关变量的影响在实验前后保持不变。例如，研究课堂练习程度与学生数学学习成绩关系的实验中，为了控制教师教学水平不同可能对因变量的影响，可以采用恒定法使教师教学水平这一变量保持不变，由同一位教师承担实验组和控制组的教学工作。

6.统计控制法

统计控制法是指用统计方法对实验数据进行处理，来排除或削弱无关变量对因变量的影响。如，在某一学校的自然班中进行实验，但由于自然班级之间的总体学习水平有比较明显的差异，研究者又不能重组班级，在这种情况下，就只能在这些有明显差异的班级中进行实验。如果实验班因变量测定的数据反映出班级的标准差很大，班级平均数也就失去了意义，这时，研究者就可采用统计方法对因变量测定所获得的数据进行处理，提出最高分和最低分，以缩小自然班间的差距，排除或削弱无关变量在实验结果中的反映。

三、实验设计的一般步骤

教育实验设计有一个可操作性的步骤，其基本程序分为以下几个部分：

（一）陈述研究的问题并提出研究假设

实验设计的过程中首先要用简明扼要的文字说明研究的问题及研究假设。例如，研究的问题是：解题思维策略训练提高小学生解题能力；研究假设是：专门系统地进行解题思维策略训练，可提高学生解应用题能力。[4]

（二）分析研究变量

一个具体的教育实验研究课题，往往涉及多个变量，各变量按照其相互关系可以分为自变量、因变量和无关变量。研究者在考虑实验设计时，首先就要围绕假说中关于条件与效果的关系的陈述，认真选择并明确确定所要操纵的自变量和随自变量变化而变化的因变量。同时，无关变量如果得不到控制和消除，就难以确定因变量变化的根本原因。因此，在选择并确定自变量与因变量的同时，必须辨明无关变量，并分析哪些无关变量可能对研究结果有影响，需要在研究过程中加以控制。

（三）确定实验处理

实验处理就是在教育实验过程中如何操纵自变量的变化。一个实验至少要有两种以上的不同处理。例如解题思维策略训练提高小学生解题能力的实验研究，自变量是思维策略训练，实验组采用“自编教材，讲解六种解应用题方法，每周3次，每次1节课，共七周，20节课”，控制组“不讲，只做练习”。[5]

（四）列举群体、样本、实验单位、抽样方法及样本大小

群体是指样本的总体。例如要研究小学生的数学解题能力，那么总体就是在校的全体小学生。实验单位，可以是个人、班级，也可以是一个学校、团体。而且实验单位必须独立接受实验处理并做出反应。

（五）选择因变量以及适当的测量手段

选择因变量的要求是：首先，要选择的反应变量必须能为所研究的问题提供相关信息；其次，要选择适当的测量方法、度量单位以及必要的技术手段对因变量进行测定；另外，还要考虑测量数值的准确程度。

（六）控制无关变量

由于无关变量能对实验结果产生影响，因此必须在研究过程中加以控制。这就要求首先要判定实验需要控制的无关变量，同时选择合适的控制方法，设计控制过程并预测控制的程度。例如要研究如何分配复习时间才能提高外语复习效果，自变量是复习时间的分配方式，因变量是测验成绩，而被试的智力水平、外语成绩、复习内容、复习时间总量等是需要控制的无关变量。[6]

（七）选择设计类型，形成实验设计

在对实验中需要操纵、控制和观测的变量及其联系做出透彻的分析后，就要根据实际情况选择实验的设计类型，并且要形成实验计划，也就是对实验研究过程中的主要工作进行全面的规划和安排。

四、实验设计的基本类型(www.chuimin.cn)

为了简明地表示各种研究设计的特征，将用下列符号来表示实验设计类型：

X：表示一种实验处理，是指研究者所操纵的实验变量。

O：表示一次测试或观察，是实验处理前或后的观察和测定。

R：表示被试已被随机选择分配和控制。

⋯表示不等组间水平的线。

由左至右：表示时间次序或先后；

同一横行的X或0：表示这些X或0是对同一组被试的实验处理和观察。

教育实验的设计有很多种分类方法，这里我们按实验中的变量以及无关因素控制水平，划分为两大类。一类是单因素设计（仅含有一个自变量），具体包括前实验设计、准实验设计和真实验设计。另一类是多因素设计（包含两个或多个自变量）。

（一）前实验设计

前实验设计通常是一种自然描述，用来识别自然存在的各种变量及其关系。它只能对自变量进行操纵，不能有效地控制无关变量，因此不是严格意义上的实验。前实验设计主要有三种表现形式。

1.单组后测设计

基本模式：X O

这种设计的要求是，只有一组被试作为研究对象，而且不是随机选择，无控制对照组，实验中只给予一种实验处理，然后测量实验处理的效果。这种实验设计，由于不能控制无关变量的影响，因此，内在效度与外在效度都不高。例如，为试验一种新的教学方法对学习成绩的影响，于是采用一班学生实施这种教学方法，一个学期后，测验学生的学习成绩，并凭研究者主观的判断认为这种教学方法有助于学习成绩的提高。这种实验设计没有考虑到其他因素对学生成绩的影响。

2.单组前后测设计

基本模式：O1 X O2

这种设计的要求是，只有一个被试组且不是随机选择的，无控制对照组，首先对被试进行前测，然后给予一次实验处理，再进行后测，最后用前后测的差大于零来作为实验处理效应。这种研究设计的优点是：由于被试都接受前测和后测，因此能通过被试行为变化的直接数据来验明实验处理的效果，而且也能为被试的选择提供信息。缺点则是：实验效果可能受到“历史”、“成熟”、“工具”、“选择与成熟的交互作用”的干扰，因此内在效度不高。

3.固定组比较设计

基本模式：X O1

⋯⋯

O2

这种实验设计使用了不接受实验处理的控制组，以便与接受实验处理的实验组进行比较。这种设计由于使用了控制组，因此“历史”与“成熟”因素可以被控制。但是被试不是随机分组，而且又没有前测处理，因此难以判断被试组是否相等，也就是说被试的差异没有控制。例如，传统讲授法与新的自学辅导法对学生自学能力发展的比较研究。分别对两个班的学生采用不同的方法，通过一个学期的学习，同时对两班级进行相同的测验，从两个班学生成绩的对比中，分析两种教学方法在发展学生自学能力方面不同效果。

（二）准实验设计

准实验设计是在真实的教育情境中不能用真正的实验设计来控制无关变量，不能用随机方法分派被试的情况下采用的一种设计。准实验强调对自变量进行控制，但对无关变量的控制较差，只能对一部分无关变量进行控制。其设计类型主要有以下两种。

1.时间序列设计

基本模式：O1O2 O3 O4 X O5 O6 O7 O8

使用这种设计时，要对一个非随机取样的实验组做周期性的一系列测量，并在测量的这一时间系列中间进行实验处理，然后比较实验变量前后的一系列测量记录是否发生非连续变化，从而推断实验处理是否产生效果。例如，为了探讨在数学课中采用“指导自学”教学方法对学生智力发展的影响，就可以在第一学期的每个月末进行一次智力测查，然后在第二学期采用“指导自学”法进行教学，并在第三学期每个月末进行一次智力测查。通过这些测查结果，就可以讨论“指导自学”法是否对学生的智力发展有促进作用。但是由于这种设计没有控制组，因此不能排除无关变量的影响，而且测量的次数较多，可能会增加研究者的工作量和工作难度。

2.不等控制组设计

基本模式：O1 X 1 O2

⋯⋯⋯

O3 O4

这种设计是在原有环境下的自然教学班、年级或学校进行，有两个组，而且实验组和控制组都不是随机分组，因此人数可以不等。两组都有前测和后测，是否接受实验处理可以随机指派。由于既有对比组，又有前后测比较，因此，这种设计可以控制“成熟”、“历史”、“测验”、“工具”和“统计回归”等因素的影响，也在一定程度上能控制实验对象的选择偏差，从而提高了研究的内在效度。但是，这种设计由于没有按随机抽样原则抽取实验对象，并随机分配于各种实验处理，因此只能对一部分无关变量进行控制，这就影响了实验的外在效度。但另一方面这种非随机取样分组的对比组前后测实验设计适应了教育实验发展的现实需要，是教育实验中最具广泛应用价值的设计类型。

[资料]：

关于计数教学的结构——定向教育实验研究

研究问题：从结构化与定向化教学思想出发，探讨计数实质、基本结构及计数能力的形成发展规律。

实验处理：1：实验班，按实验教材及教学指导书进行万以内计数教学。

2：对比班，按国家教育委员会制定的小学全日制教学大纲及教材，教学参考书进行万以内计数教学。

样 本：天津市育婴里小学一年级新生两个班，各41人。

因变量测定：分段学业成就测验。

条件控制：同一教师教学；统一练习作业时间；统一测试两个班入学前数学能力的形成发展情况；入学前对两个班学生统一进行瑞文推理测验。

[资料来源：李媛.关于记数教学的结构——定向教育实验研究.教育理论与实验.1991（5）]

（三）真实验设计

真实验设计都有一个控制组，被试是随机选择并分派到各组，能使实验中的自变量、因变量、无关变量得到比较严格的控制。真实验设计主要有以下几种类型。

1.实验组、控制组前后测设计

基本模式：R O1 X O2

⋯⋯⋯⋯⋯

R O3 O4

这种设计是将被试随机分到实验组和控制组，实验组接受实验处理，控制组则不给予实验处理，都有前测和后测。由于采用相等的控制组，而且两组都有前、后测，所以在前测到后测期间影响内在效度的“历史”、 “成熟”、“测验”、“工具”、“统计回归”等因素，两组完全一样，因此这种实验设计的内在效度很高。再者，由于采用随机方法，两组在各方面的特质相等，这样就可以控制“差异的选择”、“被试的流失”和“选择与成熟等因素交互作用”等三个因素的干扰。可见，实验组、控制组前后测设计是一种严密控制的实验设计，在教育实验研究中广泛应用。但是由于该种实验设计采用前测，实验结果可能受到“测验的反作用或交互作用效果”因素的干扰，“实验安排的反作用效果”因素的干扰有时也可能产生，因此这就影响了实验的外在效度。

2.实验组、控制组后测设计

基本模式：R X O1

⋯⋯⋯⋯⋯

R O2

这种设计是将被试随机分到实验组和控制组，实验组接受实验处理，控制组则不给予实验处理，都只有后测。这种设计与实验组、控制组前后测设计比较，不同之处是两组在实验处理前都没有测验。这种设计基本上保持了实验组、控制组前后测设计的优点，而且能消除前测与后测、前测与自变量的交互影响，但却不能对“被试的缺失”加以控制。而且由于没有前测，在总体不够大，取样数目较少的情况下，很难保证实验组和控制组等值，因此需要相应地加大样本容量，以便使分组随机化更加充分。同时，还要尽量使实验对象有代表性。

（四）因素设计

因素设计是指在同一实验研究中，操纵两个或多个变量（因素）的设计。其特点是将实验中每一变量的各个水平都结合起来进行实验，是各因子水平的有机结合，而不是单因素设计的简单组合，因此具有更高的外在效度。

因素设计可以有两因素设计、三因素设计等多种设计类型。其中，2×2的两因素实验设计是最简单且应用最广的多因素设计，因为因素多、水平数多将使实验变得十分复杂而难以进行。这种设计有2个自变量，每个自变量各有2种水平，因此须要4种不同的实验处理。如按组间设计，就需4个组；若按组内设计，则每个实验对象均要进行4次实验。同时比较两种数学教材（自学辅导教材与统编教材）与两种教学方法（自学辅导法与一般讲授法）对学生数学成绩的影响，这就要将被试随机安排成四组，分别按四种不同的实验处理教学，一学期后进行测试并作方差分析。如下表所示：

因素设计可以根据需要选择多个实验因子作为分类基础同时进行研究，因此比单因素设计大大提高了工作效率，而且精确度也大为提高，但其在综合教育实验中的应用范围却仍然很有限。

[1] 杨章宏.教育实验研究.杭州：浙江教育出版社，1998.68页

[2] 杨章宏.教育实验研究.杭州：浙江教育出版社，1998.66页

[3] 李伟胜.实验研究指导.北京：教育科学出版社，2002.108页

[4] 刘电芝.解题思维策略训练：提高小学生解题能力的实验研究.心理科学通讯，1989 （5）

[5] 刘电芝.解题思维策略训练：提高小学生解题能力的实验研究.心理科学通讯，1989 （5）

[6] 裴娣娜.教育研究方法导论.合肥：安徽教育出版社，1995.277页