第四节-实验法

体育科研方法—第三章事实与资料收集方法

实验法

主讲教师孔祥海副教授龙岩学院引言体育科学研究的一个十分重要的目标，就是探索体育运动中存在的客观规律，寻求体育现象发生、发展及其变化的原因。实验研究的方法(简称实验法)作为科学研究的主要方式之一，是探讨因果关系的最有力的武器。实验研究的方式起源于自然科学，同时这种方式也更多地在自然科学中应用。在现代科学研究活动中，实验研究几乎无处不在，除自然科学领域广泛应用之外，在社会科学研究中也得到了应用。事实上，实验方法与数学方法被并列为现代科学研究的两大支柱，实验研究已成为各门学科基础研究中应用最广泛、获得成果最切实可靠的一条途径。本章主要阐述实验研究的基本原理和实验设计等问题。一、实验法的概念和特点实验法(experimentalresearchmethod)：经过精心设计，在高度控制的条件下，通过操纵某些因素，从而发现变量间因果关系以验证预定假设的研究方法。

一般来说，在实验过程中，研究者通过引入（或操纵）一个变量（即自变量），以观察和分析它对另一个变量（即因变量）所产生的效果。实验法的核心是在于对所要研究的对象在条件方面加以适当的控制，排除自然状态下无关因素的干扰，突出所要研究和印证的因素，从而，相对准确地判断出研究者试图确认的事物之间的某种关系。

（一）实验法的概念（二）实验法的基本特点

第一，主动变革性（人为性）或操纵或控制变量实验法可以使研究者观察到在自然条件下难以观察到的现象。观察与调查都是在不干预研究对象的前提下去认识研究对象，发现其中的问题。而实验却要求主动操纵实验条件，人为地改变对象的存在方式、变化过程，使它服从于科学认识的需要。

一个典型的例子美国哈佛大学心理学教授罗森塔尔和雅各布森在1968年所做的一项实验。其研究假设是“人们对他人行为的期望通常可导致他人向期望方向改变”。由此他们提出的工作假设是：那些被教师认为更聪明的学生，会由于教师的这种偏见而在实际上变得比其他学生更聪明。该实验的自变量是教师的期望，他们在某学校随机地选出20％的学生，告诉他们的老师说这些孩子很有潜力，将来可能比其他学生更有出息，实验结束后，奇迹出现了，被随机指定的那20％的学生成绩有了显著提高。这就是著名的“罗森塔尔效应也就是说，实验者可以通过操纵实验刺激即自变量使其作用独立出来。（二）实验法的基本特点

第二，实验研究的可重复性任何一个实验事实，至少应该被另一位研究者重复实现，否则就不能确立。实验是人为地对环境条件的控制，因此实验过程相对可以再现和重复进行。实验的重复特点，体现了实验过程在本质上是客观的物质过程。由于实验的主动性和人为性，可重复性对实验的客观性和现实可行性做出了保证。（二）实验法的基本特点第三，因果性（可测性）

检验变量之间是否存在因果关系是实验研究区别与其他研究方法的又一个特点。方法论研究者认为，实验研究是对因果关系假设进行检验的最佳方法。上述的“罗森塔尔效应”的假设，是一种因果关系的陈述，它假定的某些自变量（如教师的期望）会导致某些因变量（如学生的成绩）的变化。实验设计为那些由研究者精心操作和控制变量的研究提供了框架，借以检验变量之间的因果关系。实验法可以把某些特定的要素分离出来，是发现、确认事物之间的因果联系的有效工具和必要途径。（二）实验法的基本特点第四，可控制性从事实验的主体是在进行一种特殊的理性活动，研究者必须具备一定的能力和水平。研究者可以根据自己的理论思维，设计合理的实验方案，简化、纯化以至强化自然过程(减少或消除各种可能影响科学的无关因素的干扰，)，人为地控制、模拟和操纵客观事物发生、发展及变化的过程。在这一过程中，极大地发挥了研究者的主动性和创造性，以采用各种手段控制和变换实验对象及其环境条件，从而使研究者控制和分析实验的进程，也使研究结果相对精确并且易于进行横向比较反映了实验研究的主客体结构特征。此外，实验法还有实践性、动态性的特点。实验法最大的弱点在于人为造作，能在实验室内发生的实验过程，未必能在较自然的社会环境里发生。

（三）实验研究的目的

实验在体育科学研究中主要被用于两种目的：其一是探索体育领域中的新现象或新规律，这类研究可以被看作为探索性研究；其二是检验体育科学活动中的研究假设或理论，这类研究可以被看作为验证性研究。在体育科学的研究中，探索性研究至少存在两种情况，一是对体育运动中的客体或现象，人们运用实验的手段找到它并在实验者面前再现它。例如，目前国内外较为广泛地应用血乳酸在4mmol/L时的值，作为实验室或运动现场测定运动强度时的乳酸阈值，并找到运动强度达到血乳酸在4mmol/L时的对应心率，这样在训练课中就可以用对应的心率来掌握血乳酸在4mmol/L时的训练强度，不用每次训练课都测定血乳酸了。二是创造不违反体育运动客观规律的人工自然或器械、器材等。例如，体育运动中的生物工程产品、新型游泳服、竞技体育中新型器材等。在验证性研究中，相当一部分实验是为检验体育运动中的理论而设计的。例如，全民健身理论研究中关于从事体育锻炼的心理效应的可能机制、主观幸福感的影响因素、家庭对学生参与体育活动的影响等，都可以运用实验研究来进行。二、实验法类型1.根据前人是否作过研究，可把教育实验分为探索性实验、验证性实验和改造性实验。

①探索性实验：前人从未做过的实验

②验证性实验：重复实验即实验方法、实验设计与他人做过的实验相同。

③改造性实验：根据本地区、本单位实际情况，对别人实验加以充实、改造，成为具有本地区特色的一项实验。

二、实验法类型2.根据对实验的控制程度可把教育实验分为真实验、准实验、前实验。

①真实验。是一种对所有可能影响实验效果的因素都作了充分控制的实验。如实验组与对照组进行等组；对实验环境进行有效控制；无关变量彻底的排除与抵消等。

②前实验。是一种不够规范的实验。实验前缺乏清晰的假设，实验中往往不设对照组，对实验环境控制不够严格，干拢实验因素很多，因此实验结论一般只具或然性。

但前实验实践意义很大，一些优秀教师在自己岗位上所作的探索性尝试实验均属该实验范畴。二、实验法类型③准实验。是一种接近实验法而又不十分合格的实验。从该方法“企求”完成的任务和达到的目的看，它接近实验法即揭求事物间的因果关系，但从控制要求上看，又不足以称为实验法，因控制过程无法做到十分严格。

与真实验相比，准实验在教育研究中经常采取的措施是：

第一，实验对象是由实地情景中已形成的教学班，或年级、学校的学生构成，而不是根据实验目的.假设特选而成。

第二，往往设不相等的控制组，如一个年级三个自然班（学生一定存在差别），1班为控制班，2、3班为实验班。

第三，准实验中的测量（包括前测、后测）往往采取同平时学校的常规测验、考试相结合的办法进行，测量量表没经专门设计。

“准实验”是由美国社会学家托马斯·库克和坎贝尔提出的。1979年他们合著《准实验法》一书，在该书中明确提出了准实验的概念。

二、实验法类型3.根据实验环境不同，可把教育实验分为实验室实验和自然实验。

①实验室实验。其特点是：A.在实验室（将实验环境与外部环境完全隔离）进行，有“封闭度”；B.人为控制严格；C.借助设备仪器进行。

②自然实验。其特点是：A.在自然环境（教育环境）中进行；B.人为控制相对严格；C.借助日常教学活动进行。二、实验法类型4.根据实验因子的多少，可把教育实验分为单因子实验、双因子实验和多因子实验。

①单因子实验。在实验过程中只施加一个实验因子的实验，如“小学低年级学生抄写生字遍数与识字巩固率关系的实验研究”。

②双因子实验。在实验过程中施加两个实验因子的实验。如某门学科进行教材教法的改革实验。

③多因子实验。在实验过程中施加两个以上实验因子的实验。如某校实施的整体改革实验就属该实验。常见的实验法分类分类依据实验类型研究性质直接实验、间接实验、模拟实验研究目的探索性实验、验证性实验实验中的变量间的质、量关系定性实验、定量实验实验情境现场实验、实验室实验实验设计的层次前实验、真实验、准实验实验中控制、操纵的自变量多少单因素实验、多因素实验实验客体的性质人类实验、动物实验从各种实验分类运用的情况来看，根据被试的选择和被试分配时的随机化程度、对实验处理的操作程度以及对无关因素的控制程度，本章主要讨论前实验设计、真实验设计、准实验设计及介绍多因素实验设计。二、实验法类型三、实验设计（一）实验设计原理

实验设计的目标，就是通过施加处理因素（T）来得到它所影响的实验效应（e），即T→e

但T是不可能单独影响e的。

例如，某教学方法为T，而被试的状况、环境等各种非处理因素（S）的影响，必然与处理因素所产生的实验效应e交织在一起，于是可以用下式来表达：T+S→e+ω

如果设立空白对照，并且使实验组与对照组中的S均衡一致，也就是使S相互抵消，则实验组的实验效应e就可以显露出来。用公式表示如下：一个例子在某教学实验研究中，实验组采用教学方式A，对照组采用教学方式B，结果实验组的成绩平均提高20个测量单位，而对照终点成绩平均提高5个测量单位，两组相差15个测量单位。如果，由于是5个测量单位，则也应该是5个测量单位，则它们的关系为：从设计看，实验组多提高15个测量单位，应该是教学方式A的效应。当然，这是一个直观的分析，还应进行假设检验。

如果对照不是空白对照，而是相互对照，即两组各有一个处理因素，且S均衡时，则

其结果仍然是两个组中的S和相互抵消，从而使两个实验组的实验效应和显露出来，并可对和进行差异的比较。（二）实验的基本要素1、处理因素（自变量）的性质及数目

处理因素是依据实验目的由实验者经过选择，可以控制并施加于实验对象（被试）刺激因素。

每次只观察一个因素效应的实验，称为单因素设计。其优点是：目标明确，简单易行，条件好控制，结果一目了然。缺点是：如果有多种因素有待实验的话，这种设计每次解决的问题少，研究进度慢，对照方面浪费。不过，有时因素虽然只有一个，但时可以有若干“水平”（施加因素强度和数量上的不同，称为“水平”不同，或称“等级”不同），使得同一因素在“量”上表现为不同程度。

在一次实验中同时观察多种因素的效应，称之为多因素设计。这种实验应采用随机区组、析因或拉丁方等设计。在多因素设计中也可以考虑各因素不同水平的设计方案。

在考虑和确定处理因素时应当注意以下几点：

（1）尽可能处理因素单纯化，又排除安处理因素对实验干扰的可能性；（2）整个实验处理过程中，处理因素的性质、强度、施加方式必须标准化，应该始终保持不变。2、实验对象（被试）

（1）选择被试时需要考虑的条件：除种族、地域、性别、年龄等一般条件下，尚需要考虑爱好、生活习惯、居住条件、经济状况、家庭情况和心理状态的一致性或近似性等。（2）被试例数：根据研究课题的需要、指标的性质、误差的大小，以及被试对处理因素反映的强弱等因素来确定被试的数目。一般30例以下为小样本，30~100例为大样本。3、实验效应

（1）指标的性质。凡以“是”或“否”，“完成”或“未完成”反映例数的指标都属于计数指标；凡以度量衡所测得的指标都属于计量指标（如身高、体重、跑、跳投的成绩等）。（2）指标应具备的条件：

①指标的有效性。它包含特异性和关联性。所选择的指标必须与研究课题有特异性的联系，这是指标应该具备的首要条件。可以通过查阅文献或理论分析、推导或预备实验确定指标的有效性。

关联性：即指标应与研究目的有本质的联系，可通过查阅文献、理论而定。特异性：为了更好地揭示研究问题的本质，观察指标还应具备一定的特异性。例如，诊断糖尿病时，血糖比尿糖的特异性高。

②指标的客观性。指标分客观指标和主观指标。客观指标是通过测量表示的结果，是用测量仪器实际观测到的客观存在的数据。主观指标是指被试叙述本人的主观感觉或实验操作者的主观判断。在实验设计时要尽可能选用能够客观记录和观测的指标。③精确性：包括准确度和精确度。准确度是指观察值与真值的接近程度，反映系统误差；精确度是指重复观察时，观察值与平均值的接近程度，反映随机测量误差。选择指标时应在保证准确度的同时兼顾精确度。④灵敏性：尽量选择高灵敏度的指标和测量方法（含仪器设备）。（三）实验误差及误差的控制1、在实验设计阶段容易造成误差的主要原因（1）由生物原因引起的误差。如种族差异、地区差异、生理状态差异、健康状态差异等。即便是同年龄、同性别、同地区的个体在血压数值方面也会存在差异。（2）由条件引起的误差。实验组与对照组在实验前所处的物理、营养等外部条件下一致而出现的误差。（3）由分组引起的误差。比如进行实验分组时，实验组与对照组的个体不是按随机取样的原则操作而出现的误差。2、在实验实施阶段容易造成误差的主要原因（1）由转移引起的误差。即前一种学习或训练，对后一种学习或训练所产生的影响。例如，采用A、B两种不同的教学组织方式对甲、乙两个学校的同一年级的学生进行教学实验，通过实验以确认他们对形成动作技能效果的差异。有时，尽管在实验之前，采用A（或B）实验方式的学生，由于受到某种方式训练的影响，即该方式对实验结果产生的正或负的迁移时，我们就会对该实验的结论“A方式比B方式的效果好”产生怀疑。（2）由不同水平的操作者引起的误差。例如，实验组和对照组的被试以及实验的外部条件尽管均衡，但是由于实验执行者在操作时处于显著的不同水平，也会导致操作过程中出现误差。无关变量的控制（一）消除法（二）恒常法（三）均衡法（四）抵消法（五）随机化（六）统计处理（四）实验设计的原则1、对照的原则

（1）对照的意义。通过对照可以排除自然变化和非处理因素对观察结果的影响。（2）对照的要求。组间要均衡一致。为使组间具有“可比性”，要力求组间除处理因素外，其余各种条件都要一致。（3）几种常见的对照形式：①无处理对照。即不给对照组任何一般或特殊处理来进行观察。此种对照形式也称为空白对照；②不同方法的对照。即对照组采用的处理因素的性质、程度或形式与实验组不同。③自身对照。即将自身的施加因素处理后的数据与其处理前的数据进行对照。2、随机化原则

随机化就是从抽取样本到实验分组以及实验过程中的操作顺序都是具有随机性。

（1）完全随机设计的随机化方法，如果试图将10个被试，随机分配到甲、乙两个组时，我们可先将被试按体重或身高，或按其他与实验有关的指标，以一定的顺序编为1~10号。然后在闭目的情况下，用铅笔尖在随机数字表上随机地选择随机数字的起点（注：任何一本统计学书后都附有随机数字表）。

假如我们这次随机选择的起点是随机数字表的第40行第11列，那么，将其随机数字自左向右依次读取10个随机数字，并将这10个随机数字记在相应编号的被试下面，最后把随机数字为单数的被试分入甲组，把随机数字为双数的被试分入乙组，即：

被试号码：12345678910

随机数字：26786306551308270150

所属组别：乙乙甲乙甲甲乙甲甲乙

也就是说，被分配到甲组的被试为3、5、6、8、9号；被分配到乙组的被试为1、2、4、7、10号。若两组被试不相等时，可再次使用随机数字表，从人数较多的一组中随机抽取多余的被试，分配到被试较少的一组中去。直到两组被试个数相等为止。（2）配对设计的随机化方法。

例如，我们试图将5对被试随机分为甲、乙两个组。首先将5对被试分别编号为甲1、乙1，甲2、乙2，甲3、乙3，甲4、乙4，甲5、乙5。然后采用随机数表进行随机抽样。假如，我们这次随机选择的起点是随机数字表的第35行第1列随机数字，那么，从起点开始自左向右依次读取个随机数字，并将它们记在相应编号的被试对子下面，若随机数字为单数，则将相应对子的被试甲分入一组；若随机数字为双数，则将对子中的被试乙分入一组。即被试对子号：

随机数字：6419589779

一组被试号：乙1、甲2、乙3、甲4、甲5

二组被试号：甲1、乙2、甲3、乙4、乙53、重复性原则

只有多次重复的实验才能显示实验的一致性和稳定性，并提高实验结果的可靠性和真实性，同时，也只有可重复和多次实验，其结果才具有可检验性和真理性。

重复是一个意思是指重复实验；另一个意思是指样本含量大小。样本含量是指观察例数的多少，习惯上也叫做样本大小。影响样本含量大小的主要因素有：

（1）资料的性质；（2）误差的大小误差大的所需样本要多些，误差小的样本例数可以少些；（3）样本的均衡性4、均衡性原则

均衡性是指实验组与对照组的样本含量和非处理因素的均衡一致。实验组与对照组的非处理因素越均衡一致，它们的可比性越好，就越能显示出实验中处理因素的作用，从而减少非处理因素对研究结果的影响。（五）实验设计的方法1、单组比较设计

单组比较实验是向一个或一组被试施加处理因素，然后测量其所产生的一种或数种变化，借以确认处理因素的效果。

在体育科学研究中，常用的单组比较实验的具体形式为：第一次施加处理因素A，第二次施加处理因素B，以两次结果的差值作为实验结果。

单组比较实验可以用以下基本公式来表达：

S~[C1=(IT~EF1~FT)]-[C2=(IT~EF2~FT)]~R

C=FT-IT

R=C1-C2

符号解释：

S=实验对象；IT=初次测试；EF=处理因素；

FT=末次测试；C=产生的变化；R=实验结果；

“~”表示实验进程前后连接顺序；“-”表示减号。采用单组比较实验应具备以下条件：

第一，后一实验因素在实验对象中所产生的变化必须不受前一实验因素的影响。

第二，工其他混杂因素所产生的影响，在实验的前一阶段（EF1）与后一阶段（EF2）应该是一样的或无关紧要的。2、等组比较设计

等组比较设计的方法与单组比较设计的主要不同之处，在于将不同处理因素分别实施于两个或几个被试情况基本相同（严格说来应完全相同）的组别。等组比较设计的基本公式如下：

S1~（IT~EF1~FT~C1）

S2~（IT~EF2~FT~C2）

R=C1-C2

等组比较设计基本条件是各组条件必须尽量均等。均等的含义是指，各组除处理因素外所有影响实验的其他因素，特别是被试的原有水平必须相同或近似。3、析因分析设计

这是一种多因素的实验设计方案，它是将每个处理因素的所有水平相互结合在一起，研究各处理因素之间交互作用的一种实验设计方案。具体做法是先按随机分组的原则，将实验对象随机地分配到各组，各组先施加不同处理因素，间隔一段时间后，再把各组之间的处理因素交换，并统计处理的结果。实验次数是各因素和水平的乘积。所以，使用这种实验设计方案，施加的处理因素也不宜过多。我们以2×2设计为例。2×2设计是指有两个处理因素，每个处理因素有两个水平的实验设计，共有2×2=4个组，各因素、各水平均相遇一次。我们用1表示处理因素的1个水平，2表示处理因素的另一个水平，1表示处理因素的1个水平，2表示处理因素的另一个水平，则2×2设计模型如下表：析因分析设计常用于体育科学研究中不同教法、不同训练方法效应的研究，其论证强度较高。其实验数据的处理方法是采4、拉丁方设计

这也是一种多因素的实验设计方案，其构成方式是由拉丁字母所组成的正方形排列。在这个正方形中，同一往或同一列没有重复的字母。可以用行代表处理因素，用列代表试验水平；也可以用行代表试验水平，用列代表处理因素。

现以，5×5拉丁方为例。我们如果需要研究5种运动饮料（A、B、C、D、E）对马拉松运动员“极点”出现时间的影响，可作如下实验设计：

表4-65×5拉丁方实验安排表5、正交设计

正交设计是利用一套形成规格化的表格，合理地安排多种处理因素和不同水平，能经济、快速地取得实验结果的一种实验设计方案。这种方法是拉丁方设计的自然推广，它不仅保持了析因设计的特点，而且又克服了析因实验设计处理因素有限的不足，所以，它是确定各处理因素间相互作用及同时确定试验水平的最佳设计方案。其数据处理也是采用多因素的方差分析法。

最简单的正交表是L4（23）。其中L表示正交表的意思，4表示共需做4次实验，3表示有3个处理因素，2表示每个处理因素分两个试验水平。L4（23）正交表如下：可用正交实验设计专业软件来安排实验实验设计的基本步骤可分为实验准备、实验实施和实验资料处理三个阶段。（一）实验准备阶段1．确定研究问题和研究目的。2．提出研究假设和实验计划。3．进行实验设计。4．实验物质条件的准备。5．熟悉实验仪器及进行预实验。（二）实验实施阶段

1．选取实验对象，采用随机、区组等方法进行分组。2．控制实验过程，仔细观察、测量，做好实验记录。3．留心意外情况，把握实验中的机遇。（三）实验资料处理阶段1．整理、分析实验资料。2．撰写实验报告。小结：实验设计的基本步骤1、实验设计（书）的内容与要求（1）实验题目：实验题目的撰写要求明确而又具体。（2）课题主持人和参与人：

应按对该研究课题的贡献大小排序。（3）前言：主要阐述该课题的历史、现状，即前人有否研究过类似的课题，目前已经研究到什么程度，以及研究的意义和价值等。如属理论性研究或具有理论性质，应在这部分阐述自己的科研构思，即有什么设想，提出什么假说。针对这些设想和假说如何构思成合乎逻辑的科研思路，用什么方法验证设想和假设。（六）实验设计（书）的内容与案例（4）处理因素：明确处理因素的性质是否能反映课题的本意，是单因素设计还是多因素设计，是单独施加影响还是综合作用，是否讨论因素间的相互作用，因素的水平和等级有几种，因素的强度如何，怎样保证实验过程中处理因素的性质、强度、施加方法的标准化等。（5）被试：明确被试的来源、年龄、性别、数量等。（6）实验方法：

用什么方法作为观测指标，方法是否先进，方法的可靠性和精确度如何等。（7）指标：

最好有两个或两以上的指标以相互验证，并应明确是计数指标还是计量指标或等级指标。如果不是完全客观的指标，应对如何保证指标的客观性，该指标对处理因素的特异性如何等加以说明。（8）对照极其分组：

应明确设立哪些对照组，对照组性质和种类，这些对照能否解决想说明的问题，对照是否合理。表明分组的具体方法，提出主要的根据和条件，以及采取该条件的依据。阐明怎样保证各对照组和实验组之间的可比性，如何保证各组之间的组间均衡性。（9）实验步骤：实验中各种操作的前后次序、方法、整个工作的安排。（10）误差控制：

找出可能影响实