中小学教育实验的设计

教育实验设计是研究者根据实验研究课题的性质和主客观条件，对有关被试的选择和分组、自变量的操作、因变量的测量、无关变量的控制等问题所确定的具体操作程序。概括地说，教育实验设计是研究者对教育实验进行过程中的一系列活动内容和方法进行的科学描述，是对教育实验进行设想、计划和构架的过程。科学的实验设计对教育实验研究起着重要的作用，主要表现在以下方面。

1．提高教育实验研究过程的科学性

科学的教育实验设计中，对自变量的操作、无关变量的控制等进行了周密的思考和细致的安排，能够做到最大限度地提高实验的效度，保证实验研究结果的有效性。

2．提高教育实验研究结果处理的科学性

科学的教育实验设计对测量因变量的指标内容、测量方法、数据资料统计分析的技术都进行了精心的设计和具体的规定，在很大程度上制约着对实验结果的处理，从而影响着实验研究结果的科学有效性。

3．提高教育实验研究的效率

科学的教育实验设计能够使实验研究以最小的人力、物力消耗，获得最多最有效的信息资料，提高实验研究效率。一方面，实验设计中对实验研究的基本程序及实验中各种变量的处理操作方法等都作了具体明确的规定，使实验研究的过程能顺利进行，从而提高实验研究的效率。另一方面，实验设计中充分考虑了实验研究的主客观条件，选择最合理的设计类型，最大限度地减少人力、物力、财力和时间上的消耗，最大限度地获得最多最有效的信息资料，从而提高实验研究的效率。

教育实验设计是对教育实验进行设想、计划和构架的过程，为了保证教育实验研究的科学性，在设计中就必须遵循一定的基本准则和科学依据，即遵循实验设计的基本原则。教育实验设计中必须遵循以下五项基本原则。

所谓客观性原则是指在教育实验设计过程中，研究者必须坚持科学的方法，坚持客观标准，实事求是，以客观实际为准绳，在此基础上采用科学的方法，对实验作出科学的设计。

坚持客观性原则是保证实验科学性的重要前提。坚持客观性原则必须注意以下要求：第一，客观地提出问题；第二，注重材料信息的真实性；第三，以科学理论为依据进行理论构思和理论分析。

所谓有效性原则是指在教育实验设计过程中，应力求使所设计的实验能够有效地解决研究者所要研究的问题，即能够有效地检验研究假设，能获得具有代表性的实验结果，实验成果能得到有效的推广。

坚持有效性原则是提高实验结果效度的重要前提。坚持有效性原则的具体要求如下。

1．恰当地选择实验设计的模式类型

根据研究课题的具体性质和具备的各种条件，结合各种模式的具体特点，选择适合于该课题的研究设计模式，保证实验过程各项因素的实施和处理，有效解决研究问题，提高实验结果的效度，从而提高实验研究的有效性。

2．有效地进行实验控制，提高实验研究结果的内在效度

在进行实验设计时，必须充分考虑实验中的各种变量，并对影响实验结果的无关变量进行有效的控制，以便更好地观测和解释实验结果，提高实验结果的有效性。

3．适当地进行实验控制，提高实验研究结果的外在效度

在实验设计中，为了尽量提高实验结果的内在效度；就会尽可能严格地控制实验条件。而对实验条件控制越严格，实验过程中出现的教育现象与自然条件下出现的教育现象之间的差距就越大，实验结果就无法在其他自然条件下进行推广使用，从而大大降低了实验结果的外在效度。因此，研究者在进行实验设计时，要充分了解和掌握影响实验的无关变量，找出对实验影响较大的主要的无关变量并加以严格控制，适度控制其他无关变量，尽量提高实验研究中的教育活动与自然条件下的教育活动之间的一致性，从而使实验结果能在其他较大范围内推广使用，在保证实验结果的内在效度的同时，提高实验结果的外在效度。

所谓可行性原则是指在实验设计过程中，研究者必须考虑所制定的实验方案是否尊重事实条件，是否切实可行。实验研究的内容范围较大，涉及的研究问题也会很多，并且都具有较大的研究价值，但不是每个研究者或每个研究单位都适合对所有有价值的问题进行教育实验研究。有的教育研究设计在理论上可能很完美，但能够在实践中进行操作的可能性却不大，或只适合于少数研究者进行实验研究，而对大多数的人来说是无法完成的，是不可行的。

坚持可行性原则的基本要求如下。

1．充分考虑实验条件的许可性，提高实验的可行性

在实验设计过程中，研究者必须充分考虑实验研究所具备的主客观条件是否能保证实验研究的顺利进行，如进行该实验研究应具备的人员队伍、图书资料、仪器设备、资金投入和时间投入等是否具备，如果不具备这些条件，实验设计就无法付诸实施，不具有可行性。

2．控制实验规模，提高实验的可行性

在实验设计中，研究者要确定适当的实验规模，实验规模太小缺乏代表性，会降低实验结果的外在效度；规模太大的实验难以控制众多因素，给实验带来诸多困难，使实验研究不易具体落实，从而降低实验的可行性。因此，研究者应根据实际情况，确定出切合实际的实验规模，使之既具有代表性，又具有可行性。

3．选择简单易行的实验设计类型，提高实验的可行性

实验设计中，在保证完成实验任务，达到实验目的的情况下，尽可能采用比较简单的实验设计类型，使实验更容易实施和完成，也方便对实验结果的解释。

所谓操作性原则是指在实验设计过程中，研究者应该依据科学的理论，构建操作性较强的实验设计模式，使之对具体实践活动具有较强的指导作用。即实验设计的模式应该具体明确，易于领会，易于操作。

坚持实验设计的操作性原则要注意以下要求。

1．要有明确具体的研究目的

实验设计中要对实验研究的主要内容和最终目的进行明确阐述，增强实验的目的性。

2．要明确研究对象

实验设计中要对实验对象的总体样本、实验单位、抽样方法等加以说明，使研究对象具体明确，具有可操作性。

3．明确研究程序和方法

实验设计中，研究者要对研究程序作出具体明确的安排，以便实验的实施中能直接按照程序安排进行操作，使实验过程能有效顺利地进行。

4．描述语言通俗易懂，具体明确

研究者在实验设计中用语言对实验设计的各项内容进行描述时，语言文字不能太抽象化、太专业化，而是以通俗易懂、具体明确、行为描述的语言文字进行表述，使实验设计更具有操作性。

所谓创新性原则是指在实验设计过程中，研究者应力求使研究问题、研究方法等新颖独特，使实验研究具有创新价值。只有坚持创新性原则，才能在实验过程中有所新发现，才能得出新的结论，才能实现科学研究的真正价值。

坚持实验设计的创新性原则的要求如下。

1．创造性地提出研究问题和建立研究的理论假设

研究者应当在广泛了解研究问题领域的研究现状和成果状况的基础上，提出自己的研究问题，既避免了重复研究的浪费，又保证了实验研究的新颖性，使自己提出的实验研究要么填补了过去的空白，要么突破了原有的研究，发展已有的研究成果。

2．采用新颖的研究方法

在设计教育实验时，研究者为了避免对别人实验研究的重复，可以采用与别人不同的方法，从其他角度进行研究，以方法上的创新来探讨新的解决问题的策略，从而提高实验的创新性。

3．变换实验中的被试或实验条件

在实验设计时，研究者可以通过变换他人在类似课题的实验设计中所使用的实验条件及研究对象范围，使他人的研究得以进行拓展性的研究，从而达到本人实验研究的创新性的目的。

教育实验设计是对教育实验研究中的所有环节进行科学而详细的描述，目的是要确定出一个具体的操作程序。这一程序包括以下几个基本步骤。

1．陈述研究问题

首先要对所提出的研究问题进行说明，用简洁明确的语言文字表述研究问题，从而明确研究问题的内容方向和研究目的。

2．提出研究假设

根据研究问题显示的研究内容和研究目的，明确提出研究假设。在提出研究假设时，应比较详细地阐述假设中的因果关系，从而表明实验研究中的自变量和因变量的主要内容方向。

研究者根据研究假设明确提出教育实验中要进行操纵的变量因素，即明确实验的自变量，详细具体地说明对自变量进行操纵的内容、方式方法等。

这一环节需要研究者充分理解实验研究的目的，将研究中的自变量从概念分解转化为一系列的具体指标，将每一个指标具体化到实验中的操作内容和方法要求等。这是一个从理论到实践，从抽象到具体的过程，是实验设计中的难点工作，也是最关键的一个重要环节。

研究者在设计实验时应对实验对象进行详细描述，列举出实验研究对象的群体、样本、实验单位、抽样方法及样本大小。

第一，群体即研究对象的总体，是指研究范围内的所有对象的总和，如“小学生”就是指所有在小学学习的学生，“幼儿”就是指所有的3岁至6、7岁的儿童。确立实验研究对象首先要从对象总体中确定出一定的接近总体，即确定出进行实验研究的具体单位和具体场所，使研究对象具体明确化。

第二，实验单位是指在实验中必须独立接受实验处理并做出反应的对象单位，实验单位可以是人、班级，也可以是学校、团体等。如果只针对个体进行实验，实验单位就是个人；如果一项实验是在某所学校中的所有班级同时进行，那么这所学校就是一个实验单位；如果这项实验只在这所学校的某一个或几个班（级）当中进行，那么实验单位就是这一个或几个班（级）。比如国家在推进教育改革的实验中，在全国和各地选取了多所学校作为试点研究，这些学校就是实验单位，因为它是以全校整体接受处理，检测效果。

第三，样本是指从总体中抽取出来的，对总体具有一定代表性的一部分个体，它是能够代表总体的一定数量的基本观测单位。实验设计中应将样本的抽取方法，容量大小等作出合理的安排。

教育实验设计对因变量的测量，主要从几个方面加以考虑。

第一，因变量的信息中哪些信息最能反映实验研究的主要问题，那么就选择这些信息作为对因变量进行测量的内容。

第二，要考虑如何选用适当的测量方法、测量工具、度量单位及必要的技术手段。测量工具的选择、测量方法技术的运用对测量结果有很大的影响，从而影响实验结果的效度，因此，实验设计中要充分考虑解决好这一问题。

无关变量是指那些在实验研究中除自变量以外的一切能影响实验结果的因素。在实验过程中，研究对象在许多方面都会发生变化，这些变化中有些是因为实验中操作自变量而引起的，是实验研究所期待的变化，而有些变化不是因为对自变量的操作引起的，而是因为其他因素的存在而引起的，如被试者的自然生长、环境因素的影响、研究者操作方法及主观因素介入等都会引起被试的变化，而这些变化结果又不是实验所期待出现的变化结果，因而要控制这些无关因素对实验的影响。由于教育现象的复杂性，使实验研究不可能做到控制所有无关因素的影响，但是对实验结果影响较大的主要的无关变量，研究者在设计中必须作出最大限度进行控制的设计安排，从而保证实验结果的效度。有些无关变量对实验结果影响不太大，设计时可以不考虑进行特别的控制，但在对实验结果进行分析时应加以说明。

如前所述，教育实验设计是根据实验的性质和主客观条件，对有关被试的选择和分组、自变量的操作、因变量的测量、无关变量的控制等问题所确定的具体操作程序。由于实验设计中涉及的各项内容和因素都包含着多种情况，各种因素的各种情况经过不同组合，就会产生多种不同的实验设计类型。在实验设计中，研究者就是要结合本实验的各项因素的具体情况，选择一种适合于本实验的设计类型。

实验设计的具体类型将在本节后面单列内容进行详细阐述。

实验研究方案的主要内容包括：①课题的提出背景；②课题研究的指导思想（方法论、教学理论依据）；③课题研究的目的（社会价值和学术价值）；④课题研究的预期目标及研究成果；⑤课题研究的主要方法；⑥课题研究的内容范畴和对象范围；⑦课题研究的周期（总时间和各阶段的起止时间、目标任务以及阶段性成果形式等）；⑧课题研究的保障（机构组织保障、经费预算、工作安排、政策支持、设施设备情况等）。

教育实验研究设计的类型也称教育实验设计的基本模式，选用不同的设计类型可以反映出不同的实验方法。教育实验设计的基本类型较多，这里介绍几种在中小学教育实验中使用较多、实用性较强的几种类型。为了表述的方便，用下面的符号分别表示被试、实验处理、因变量这三个主要的实验因素。

S—被试；O—因变量测量；X—实验处理，即对自变量进行操纵。

单因素单组设计是对一组被试实施某种实验变量，并测量由此而产生的实验效果的设计类型。这是一种只有一个自变量、一个实验组、没有对照组的实验设计。单因素单组设计可以分为以下几种具体的模式。

1．单因素单组后测验设计

单组后测验设计是对一组被试先进行实验处理，即进行自变量的操纵，然后进行因变量的测量，用测量的成绩来描述实验效果的实验方法。具体表示方式：

S（X—O）

单因素单组后测验设计方法简单，容易操作，是许多中小学老师进行教育实验研究时常用的一种实验设计方式。

单因素单组后测验设计是一种比较粗糙的设计方法。这种设计中只有一个实验组，没有对照组，只有一个后测验结果，没有前测验结果可以作对比，也无法对无关变量进行控制，因而无法保证实验研究结果的内在效度和外在效度。因此，严格地说，单因素单组后测验设计不是一种可靠的设计模式，一般情况下不采用，只有在某些特定情况下采用这种设计模式，如实验周期短、实验规模小、被试选择合理等情况下采用，可降低实验研究的风险。

2．单因素单组前后测验设计

单因素单组前后测验设计是指对一组被试先进行前测验，然后对被试进行实验处理，最后对被试进行后测验，通过比较前后两次测验的成绩来确定实验的效果的实验设计方式。单因素单组前后测验设计是在单因素单组后测验设计的基础上发展而来的一种设计方式，它只有一个实验组，只有一个实验处理，只有一个因变量，需要进行两次测量。具体表示方式：

S（O₁—X—O₂）

单因素单组前后测验设计也存在一定的局限性。第一，实验中没有控制组作对比，只有一组实验对象，不能有效地控制一些无关变量对实验结果的影响，如实验组学生身心发展的自然成熟引起的能力发展等，会影响实验的真正效果。第二，前测验的经历可能会影响对被试进行后测验的结果，导致实验结果的误差，从而降低实验结果的内在效度。由于单因素单组前后测验设计的以上局限，因此在使用时应谨慎，在条件允许的情况下，尽量避免选用这种类型的实验设计。只有当被试的选择受到限制、研究人员对被试的情况充分了解、不存在较严重的无关变量干扰时，可以选用这一设计模式。

3．时间序列设计

时间序列设计是按一定时间间隔对一组被试进行一系列测验，而把实验处理安排在这一系列测验的某两个之间，通过比较实验处理前后各个测验结果的差异表示实验的效果。时间序列设计的表示方式：

S（O₁—O₁—O₁—X—O₂—O₂—O₂）

时间序列设计是由单因素单组前后测验设计演变而来，可以用于无法选择控制组作比较，并可周期性地对被试进行同一测验的实验研究。在分析实验结果时，需要全面地比较每一次测验的结果，分析各次测验结果之间的差异表现出的发展趋向，从而得出实验结果。

与单因素单组前后测验设计相比，时间序列设计更能够在一定程度上控制被试的自然成熟等无关变量对实验结果产生的影响，但这种设计由于前后测验的次数多，被试在接受多次相同测验时，后面的测验成绩中有测验获得的经验成分，因此，在使用这种设计时应注意控制测验经验这一无关变量的影响。

单因素等组设计是指对两个或多个被试组实施不同的实验处理，用被试组之间测验结果的差距来说明实验效果的设计方法。

单因素等组设计的基本结构是：一个自变量，两个被试组，其中一组为实验组，另一组为控制组或对照组。根据对其进行不同的前后测验情况，将单因素等组设计分为两种具体类型。

1．单因素等组后测验设计

单因素等组后测验设计的基本构成是：一个自变量，两个被试组，一次测验。其具体步骤是：第一，将随机抽取的被试随机地分为两个组，随机抽取一个组为实验组，另一个组为控制组（对照组）；第二，在实验组进行实验处理（进行自变量的操作），对控制组使用平常的教育教学方法；第三，对两个组进行后测验，用后测验结果的对比差异来说明实验效果。

单因素等组后测验的具体设计方式表示为：

S₁（X—O）；　　　S₂（　—O）。

单因素等组后测验设计的主要优点在于，它能够有效控制被试的历史因素、自然成熟因素、前测验影响等无关变量对实验的影响，提高实验结果的内外在效度，从而提高实验的有效性。

单因素等组后测验设计的局限在于，它必须是在两个被试组无显著差异的前提下使用，如果实验组与控制组差异太大，就会影响实验的效果。因此，研究者只有在能够保证两个被试组无显著差异，不能选择适当的前测验或前测验可能影响实验处理的效果时，才能选择这种设计方式，否则就不宜选择这种设计方式。

2．单因素等组前后测验设计

单因素等组前后测验设计模式的基本步骤是：第一，随机选取实验研究所需要的被试样本，将被试随机分为两个组，一个组为实验组，另一个组为对照组；第二，对两个组进行前测验；第三，对实验组进行实验处理，再对照采用普通的教育教学方法；第四，对两个组进行后测验；第五，通过比较实验组测验结果和对照组测验结果之间的差异，分析确定这个差异是否由实验处理所引起。

单因素等组前后测验的设计方式：

S₁（O₁—X—O₂）；　　S₂（O₁—O₂）。

单因素等组前后测验设计是一种比较完善的有效设计。这种测验设计的优势在于：第一，由于有两个被试组，即有一个控制组与实验组进行对比，控制了相应的无关变量的影响。第二，设计中既有对被试进行前测验的数据又有对被试进行后测验的数据，更能够有效地探究实验中自变量和因变量之间的因果关系。

正因为单因素等组前后测验设计具有的优点，所以单因素等组前后测验设计是中小学教育实验常用的一种设计方法，使用这种设计方法的一个重要问题是，要使实验组和控制组的条件尽可能地接近，对两个组进行前后测验的时间和内容都应该相同。由于被试要接受前后两次测验，使用中要注意淡化被试对测验结果的敏感性，减小测验行为对测验结果的影响作用。

多重处理设计是单因素等组前后测验设计的扩展，其设计的基本构成是：有三个以上的被试组，有与被试组相同数量的实验处理方案，有一次前测验和一次后测验。

多重处理设计的具体步骤是：第一，随机抽取被试，将被试分成与实验处理数量相同的小组；第二，对所有被试组进行前测验；第三，分别在每一组被试中实施一种实验处理；第四，对所有被试组进行后测验。

多重处理设计的具体设计方式表示为：

S₁（O₁—X₁—O₂）；S₂（O₁—X₂—O₂）；

S₃（O₁—X₃—O₂）；S₄（O₁—X₄—O₂）。

多重处理设计比较适用于对几种不同的教学方法或教育（教学）改革方案进行比较的实验研究，通过实验中的多重处理以后，得出对所有被试组进行后测验的结果，通过对各组被试后测验结果之间的差异进行分析比较，从而得出对不同处理方案的评价结果。

在以上多重处理设计中，也可以不进行前测验，其使用前提与单因素等组后测验设计的要求相同。

在以上的单因素实验设计中，都是考虑一个自变量的变化情况，对其他影响因素都作为无关变量加以控制。而影响教育效果的因素往往是较多的，有些因素的影响又是有着重要的研究价值的，因此，研究中有时有必要对两个以上的影响因素进行实验探索，这种在同一组被试中为确定两个或两个以上实验变量的效果而进行的实验设计，就叫多因素实验设计。

多因素实验设计中由于涉及的因素多，每个因素又有多种情况，各种因素的不同情况相互交叉组合，形成不同的多因素设计类型。多因素设计比较复杂，中小学教育科研中不常使用。二因素设计是多因素设计中比较简单的一种设计方式，下面对其作简要介绍以供参考。

二因素设计中有两个被试组和两个实验因素，每一组被试都要经历两个实验因素，它们相互交叉组合形成四种不同的实验处理组。为了便于叙述和理解，在以下的叙述中，用A₁、A₂表示两个被试组，用B₁、B₂表示两个实验因素，两个因素的两种情况之间的不同组合就产生四个不同的实验处理组。具体表示为：

A₁B₁　A₁B₂　A₂B₁　A₂B₂

用O₁和O₂表示前测验和后测验，如果设计时采取的是前测验设计或后测验设计，则分别可表示为以下情况。

如果采用前测验设计时表示为：

A₁（O₁—B₁—O₂）；A₁（O₁—B₂—O₂）；A₂（O₁—B₁—O₂）；A₂（O₁—B₂—O₂）。

如果采用后测验设计时表示为：

A₁（—B₁—O₂）；A₁（　—B₂—O₂）；A₂（　—B₁—O₂）；A₂（　—B₂—O₂）。

例如，A表示实验班，A₁代表二年级实验班，A₂代表四年级实验班，B代表教学方法，B₁代表启示式教学法，B₂代表尝试式教学法，两种教学法分别在两个不同年级的实验班进行实验研究，得出不同结果并进行比较，得出对两种教学方法效果的评价。

如上所述原理，将其中的被试组和实验因素增加，则会产生更多的设计形式，实验操作显得更加错综复杂。这样的设计虽然在理论上成立，但难以进行实际操作，所以实践中不宜做那么复杂的实验设计。

最后需要说明的一点是，多因素设计中也可以根据实验需要的前测验和后测验设计方式，但由于多因素实验设计中，同一组被试要接受多种实验处理，因而实验中要特别注意对前后测验的设计和处理，避免被试经历多次测验而影响实验结果的有效性。