ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПЛАНЫ

 

Предпосылки планирования эксперимента

Планирование эксперимента имеет две основные формы: содержательную и формальную.

Содержательное планирование включает решение вопросов конструктной и операциональной валидности, т.е. оно предполагает развертывание содержательных доводов как с точки зрения 1) обоснования экспериментальных гипотез, так и с точки зрения 2) соотнесения используемых психологических конструктов с методическими процедурами измерения переменных.

Содержательное планирование – это первый этап планирования эксперимента. Оно предпринимается на этапе конкретизации гипотез и переменных (см. тема 4.1. «Этапы экспериментально-психологического исследования»), с тем, чтобы не была утеряна специфика исследуемой «психологической реальности».

Как это делается? Психологическое объяснение, заданное в психологических конструктах (таких как стиль руководства, интроверсия, синдром школьной дезадаптации и т.п.), соотносится по содержанию с 1) видом устанавливаемой эмпирической зависимости и 2) условиями ее выявления, включая способы задания уровней НП и выбор методик регистрации ЗП. Например, исследователя интересуют причины школьной дезадаптации. Конструкт «школьная дезадаптация» описывает феномен, проявляющийся у первоклассников в виде невротических симптомов в результате неспособности справиться с требованиями школы. Возможная гипотеза, поясняющая причины дезадаптации, связывает ее с отсутствием достаточных коммуникативных навыков и выглядит следующим образом: если при поступлении в первый класс дети не обладают достаточными коммуникативными навыками (НП), то у них развивается синдром школьной дезадаптации (ЗП).

Вид устанавливаемой эмпирической зависимости – монотонно убывающая (см. рисунок): чем выше коммуникативные навыки, тем меньше дезадапрация. Уровни НП можно обозначить, например, как высокий, средний и низкий, измеряя дезадаптацию имеющимися или специально сконструированными методиками и относя результат каждого ребенка к одному из этих уровней. Какой результат к какому уровню отнести, исследователь решает, исходя из содержательных соображений – из наблюдений за поведением первоклассников, из опыта своего и своих коллег.

(Уровень или градация НП – это ее характеристика, показывающая «количество» воздействия. В простейшем случае, характерном для качественного эксперимента, имеется один уровень НП: «нет воздействия»-«нулевой» уровень - «есть воздействие»-«первый» уровень. Слабое-среднее-сильное воздействие – это три уровня НП; 15-ти и 20-летние учащиеся, решающие одну задачу – 2 уровня НП «возраст»)

уровень дезадаптации

 

ур-нь коммуникативных навыков

Рис. 1. Зависимость уровня школьной дезадаптации от развития коммуникативных навыков.

Формальное планирование направлено на выбор схемы, то есть плана организации воздействий, при котором гарантировано выделение исследуемого отношения между НП и ЗП. Заметим, что все существующие на сегодняшний день в психологии экспериментальные схемы описаны. Задача студента заключается в том, чтобы изучить их, после чего появляется возможность соотносить свои гипотезы с имеющимися в психологии способами экспериментальной проверки гипотез – планами экспериментов, выбрать подходящий и далее действовать по алгоритму.

На этапе формального планирования наряду с выбором схемы эксперимента принимается решение о 1) величине минимального сдвига ЗП, который принимается как достаточный, чтобы считать, что воздействие достигло эффекта, 2) уровнях допустимых ошибок при проверке статистических гипотез (р<0,05, 0,01 или 0,001), 3) способе фиксации ЗП, 4) способе обработки данных (который, как правило, предусматривается выбранной схемой).

Итак, формальное планирование, то есть выбор схем экспериментального контроля позволяет сделать эксперимент внутренне валидным – таким, в котором гарантировано выделение исследуемого отношения между НП и ЗП.

Планы для одной независимой переменной

Классическим вариантом плана «истинного» (чистого) эксперимента является план для 2 независимых групп. Существуют три основные версии этого плана. При их описании используют символику Кемпбелла: (R – рандомизация, Х– воздействие, О₁ – тестирование первой группы, О_n – тестирование энной группы.)

1. План для двух рандомизированных групп с тестированием после воздей­ствия (разработан Р. Фишером). Необходимое условие применения – эквивалентность экспериментальной и контрольной групп, достигаемая (чаще) посредством рандомизации. Если рандомизация проведена качественно, то этот план является наилучшим, позволяет контролировать большинство источников артефактов; для него применимы различные варианты дисперсионного анализа. Используется без предварительного тестирования испытуемых.

2. Структура плана 1. ЭГ: R Х О₁

2. КГ: R О₂

После уравнивания групп осуще­ствляется экспериментальное воздействие. В простейшем варианте используется лишь две градации НП: есть воздействие, нет воздействия.

Более сложные случаи: 1) Если экспериментальное воздействие имеет более 1 уровня, то количество экспериментальных групп берется по числу уровней (контрольных – по-прежнему одна); 2) Если есть возможность контролировать влияние дополнительных переменных, то применяют план с более чем одной контрольной группой и 1-й экспериментальной.

Измере­ние поведения дает материал для сравнения групп. Если измерение проводится интервальной шкалой, то для оценки различия в средних показателях групп обычно используют t-критерий Стьюдента. Оценивание разли­чий в вариации измеряемого параметра проводится с помощью F- критерия Фишера(для порядковых шкал применяются непараметрические критерии, хороший обзор которых дается в кн. Сидоренко Е. В. Методы математической обработки в психологии. С-Пб. 2000).

Этот план позволяет контролировать такие источники внутренней невалидности (как их определяет Кэмпбелл), как: эффект тестирования (поскольку предварительное тестирование отсут­ствует) и влияние состава групп (поскольку группы эквивалентны).

3. Однако при проведении большинства пе­дагогических и социально-психологических экспериментов необходимо жестко контролировать исходный уровень зависимой переменной, будь то интеллект, тревож­ность, знания, статус личности в группе и т.п.. Для этого чаще применяют план для двух рандомизированных групп с предварительным и итоговым тестированием (тест – воздействие - ретест).

Структура плана: 1. ЭГ: R О₁ Х О₂

2. КГ: R О₃ О₄

План с предварительным тестированием пользуется популярностью у психоло­гов. Биологи больше доверяют процедуре рандомизации. Психолог же зна­ет, что каждый человек своеобразен и отличен от других, и стре­мится уловить эти различия с помощью тестов, не доверяя механической процедуре рандомизации. Гипотеза большинства психологических исследований, осо­бенно в области психологии развития («формирующий эксперимент»), содержит прогноз определенного изменения свойства индивида под влиянием внешнего фак­тора. Поэтому план «тест – воздействие – ретест», дающий возможность сравнить то, что было «до» с тем, что стало «после» с применением рандомизации и контрольной группой очень распространен.

При обработке данных в интервальной шкале обычно используются параметрические критерии t и F. Вычисляются три значения t: сравнение 1) О₁ и О₂; 2) О₃ и О₄; 3) О₂ и О₄. Гипотезу о значимом влиянии НП на ЗП можно принять в том случае, если выполняются два условия: а) раз­личия между О₁ и О₂ – значимы, а между О₃ и О₄ – незначимы и б) различия между О₂ и О₄ – значимы.

Главный источникартефактов, нарушающих внешнюю валидность процеду­ры – эффект тестирования (напри­мер, тестирование уровня знаний по определенному предмету перед проведением эксперимента по заучиванию материала может привести к актуализации исходных знаний и к общему повышению продуктивности запоминания). Однако, если О₃ и О₄ окажутся равными, то эффектом тестирования можно пренебречь.

Еще одним способом контроля эффекта тестирования, более надежным, но и более сложным, является план Соломона. План представляет собой объединение двух ранее рассмотренных планов: без предварительного тестирования и «тест-воздействие-ретест». При проведении эксперимента по этому плану требуется четыре группы:

1. Эксперимент 1: R О₁ Х О₂

2. Контроль 1: R О₃ О₄

3. Эксперимент 2: R X O₅

4. Контроль 2: R O₆

С помощью первой части плана можно контролировать эффект тестирования (взаимодействия первого тестирования и экспериментального воздействия). Плана Соломона выявляет эффект экспериментального воздействия четырьмя разными способами, при сравнении: 1) О₂ – О₁; 2) О₂ – О₄; 3) О₅ – О₆; 4) О₅ – О₃

Если провести сравнение O₆ с О₁ и О₃ то можно выявить совместное влияние на зависимую переменную эффектов естественного развития и «истории» (фоновых воздействий).

Наконец, в некоторых случаях необходимо проверить сохранение эффекта воздействияво времени независимой переменной на зависимую: например, выяснить, приводит ли новый метод обучения к долгосрочному запоминанию материала. Для этих целей применяют следующий план:

1. Эксперимент 1: R О₁ Х О₂

2. Контроль 1: R О₃ О₄

3. Эксперимент 2: R O₅ X O₆

4. Контроль 2: R О₇ O₈ (промежуток символизирует время)

 

Планы для одной независимой переменной и нескольких групп

Иногда сравнения двух групп недостаточно для подтверждения или опровержения экспериментальной гипотезы. Такая проблема возникает, в частности, при необходимости выявления количественных зависимостей между двумя переменными.

Необходимость установления количественной зависимости между двумя переменными возникает при проверке «точной» экспериментальной гипотезы. Действительно, в эксперименте с участием двух групп в лучшем случае можно установить факт причинной связи между независимой и зависимой переменными. Но между двумя точками можно провести бесконечное множество кривых. Для того чтобы убедиться в том, каков именно характер зависимости между двумя переменными, следует иметь хотя бы три точки, соответствующие трем уровням НП. Следовательно, экспериментатор должен выде­лить несколько рандомизированных групп и поставить их в различные эксперимен­тальные условия. Простейшим вариантом является план для трех групп и трех уровней независимой переменной:

Эксперимент 1: R Х₁ О₁

Эксперимент 2: R X₂ O₂

Контроль: R О₃

Контрольная группа в данном случае – это третья экспериментальная группа, для которой уровень переменной Х = 0. При реализации этого плана каждой группе предъявляется лишь один уровень независимой переменной. Возможно и увеличение числа экспериментальных групп соответственно числу уровней независимой переменной. Для обработки данных, по­лученных с помощью такого плана, применяются те же статистические методы, что были перечислены выше.

Пример. Пусть мы хотим оценить влияние тревожности на экзаменационную успешность. Если провести двухуровневый эксперимент, то есть взять две группы, например, с высокой и низкой тревожностью, то можно получить результат, изображенный на левом графике. Если же добавить третью группу со средним уровнем тревожности, то результат может оказаться таким, как на правом графике. Добавляя в эксперимент все новые уровни, мы можем делать все более точные выводы об истинной функциональной связи между НП и ЗП

 

Оценка Оценка

 

 

низкий высокий низкий средний высокий

Уровень тревожности

 

Факторные планы

Факторные эксперименты применяются тогда, когда необходимо проверить сложные гипотезы о взаимосвязях между переменными. Общий вид по­добной гипотезы: «Если А_1, А₂,..., А_n, то В». Такие гипотезы называются комплекс­ными, комбинированными и др. При этом между независимыми переменными могут быть различные отношения: конъюнкции, дизъюнкции, линейной независимости, аддитивные, мультипликативные и др.

Факторные эксперименты являются част­ным случаем многомерного исследования, в ходе проведения которого пытаются ус­тановить отношения между несколькими НП и ЗП. В факторном эксперименте проверяются одновременно, как пра­вило, два типа гипотез:

1) гипотезы о раздельном влиянии каждой из НП;

2) гипотезы о взаимодействии переменных, а именно - как присутствие одной из НП влияет на эффект воздействия другой.

Независимые переменные в подобном эксперименте и называются факторами.

Факторное планирова­ние эксперимента заключается в том, чтобывсе уровни независимых переменных сочетались друг с другом. Число экспериментальных групп равно числу сочетаний уровней всех независимых переменных.

Сегодня факторные планы наиболее распространены в психологии, поскольку простые зависимости между двумя переменными в ней практически не встречаются.

Существует множество вариантов факторных планов, но на практике применя­ются далеко не все. Чаще всего используются простейшие факторные планы, для двух незави­симых переменных и двух уровней типа 2х2 (число сомножителей показывает число уровней переменных, величина сомножителя - количество уровней (градаций) каждой из НП. Так в плане 2х2 участвует две НП и каждая из них представлена на двух уровнях: есть переменная – нет переменной). План 2х2 используется для выявления эффекта воздей­ствия двух НП на одну ЗП. Экспериментатор манипу­лирует возможными сочетаниями переменных и уровней. Данные фиксируются в простейшей таблице.

2-я переменная	1-я переменная
Есть	Нет
Есть
Нет

 

Для обра­ботки результатов применяется дисперсионный анализ по Фишеру.

Кемпбел предлагает использовать факторный план 2х2 для анализа результатов описанного выше плана Соломона. Будем, говорит он, считать предварительное тестирование не источником артефактов, а второй НП, и тогда результаты, полученные по плану Соломона можно занести в таблицу и проанализировать с помощью дисперсионного анализа.

2-я переменная - предварительное тестирование	1-я переменная – экспериментальное воздействие
	Есть	Нет
Есть	02	04
Нет	05	06

 

Реже используются другие версии факторного плана. Пример плана 3х2 - эксперимент по выявлению воздействия внешнего наблюдения на успех решения интеллектуальных задач. Первая НП варьируется просто: есть наблюдатель, нет наблюдателя. Вторая НП - уровни трудно­сти задачи с тремя градациями.

1-я переменная	2-я переменная: задача
Легкая	Средняя	Трудная
Есть наблюдатель
Нет наблюдателя

 

Вариант плана 3х3 применяется в том случае, если обе независимые перемен­ные имеют несколько уровней и есть возможность выявить виды связи зависимой переменной от независимых. Этот план позволяет выявлять, например, влияние подкрепления на успешность выполнения заданий разной трудности:

Уровень сложности задачи	Интенсивность стимуляции
Низкая	Средняя	Высокая
Низкий
Средний
Высокий

 

В общем случае план для двух независимых переменных выглядит как NxM. Применимость таких планов ограничивается только необходимостью набора боль­шого числа рандомизированных групп. Объем экспериментальной работы чрезмер­но возрастает с добавлением каждого уровня любой независимой переменной.

 

Планы, используемые для исследования влияния более двух независимых пере­менных, применяются редко. Для трех переменных они имеют общий вид LxMx N. Чаще всего применяются планы 2х2х2: «три независимые переменные - два уровня».

Упрощением полного плана с тремя независимыми переменными вида L х М х N является планирование по методу «латинского квадрата». «Латинский квадрат» применяют тогда, когда нужно исследовать одновременное влияние трех перемен­ных, имеющих два уровня или более. Принцип «латинского квадрата» состоит в том, что два уровня разных переменных встречаются в экспериментальном плане только один раз (такой же прием используется для контроля внешних переменных с помощью контрбалан­сировки). Схема плана для 3-х НП, организованного по методу латинского квадрата, представлена в таблице:

	L1	L2	L3
М1	А1	В2	С3
М2	В2	С3	А1
М3	С3	А1	В2

 

Нетрудно заметить, что уровни третьей переменной N (А, В, С,) встреча­ются в каждой строке и в каждой колонке по одному разу. Комбинируя результаты по строкам, столбцам и уровням, можно выявить влияние каждой из независимых переменных на зависимую, а также степень попарного взаимодействия переменных.

«Латинский квадрат» позволяет значительно сократить число групп. В частно­сти, план 2х2х2 превращается в простую таблицу

 

2-я переменная	1-я переменная
Есть	Нет
Есть	А	В
Нет	В	А

 

Применение латинских букв в клеточках для обозначения уровней 3-й перемен­ной (А — есть, В — нет) традиционно, поэтому метод назван «латинский квадрат».

Для обработки данных применяется метод дисперсионного анализа по Фишеру. Метод «латинского» квадрата пришел в психологию из агро­биологии, но большого распространения не получил. Исключением являются не­которые эксперименты в психофизике и психологии восприятия.