舒華實驗心理學課件

心理與教育研究實驗設計中

一些常見問題

舒華認知神經(jīng)科學與學習國家重點實驗室北京師范大學心理學院心理與教育研究實驗設計中

1什么是科學研究科學研究的目標：描述，預測，解釋；心理學研究相應的三種途徑：觀察：在自然狀況下收集數(shù)據(jù)描述某種現(xiàn)象；包括自然觀察；問卷調(diào)查；個案研究；相關研究：對兩種現(xiàn)象之間的關系感興趣，例如：吸煙與肺癌之間的關系；實驗研究：對現(xiàn)象之間的因果關系感興趣，方法：操縱或改變某些條件，觀察其對行為的影響；例如：學習動機對學習成績的影響。什么是科學研究科學研究的目標：描述，預測，解釋；2心理與教育研究的特點研究對象：人帶來的問題、困難：

影響因素多；無關變量的混淆：因素之間相互關聯(lián)；

實驗設計與復雜統(tǒng)計在研究中的重要性：

心理與教育研究的特點研究對象：人3

大笑可“寬心”美國心臟病專家表示，每天爽朗地大笑可以令心臟病消失。美國馬里蘭大學醫(yī)療中心在美國心臟協(xié)會的年會上發(fā)表報告指出，富有幽默感的人不宜患上心臟病。人們應每天抽出一段時間來大笑一場，例如觀看充滿歡笑的錄像，以保障心臟健康?？茖W家研究了兩組人，一組是150名患有心臟病或接受過心臟分流手術的人，另一組150人身體健康。研究人員讓他們看一些有趣的東西，結果發(fā)現(xiàn)，和同齡有心臟病的人相比，沒患心臟病的人較容易發(fā)笑，歡笑率高出四成。有心臟病者較少在聽到笑話后解頤（注：面現(xiàn)笑容），也較容易憤怒和抱有敵意。他們由此推斷，那些人沒有患心臟病，跟他們常歡笑有關。摘自《北京青年報》2000年11月28日第14版

4實驗的基本思想：

操作、改變某些變量(自變量)，引起另一些變量(因變量)的變化。問題：

變量（自變量）變量（無關變量）變量變化（因變量）變量（無關變量）…….實驗的基本思想：5

實驗設計的主要目標一、回答研究者感興趣的理論問題

途徑：建立變量之間的關系，操縱、改變一個或多個變量，觀察對行為的影響；控制無關變量，減小無關變量的影響；對變量進行操作定義；實驗設計的主要目標一、回答研究者感興趣的理論問題6二、增加實驗中獲得的信息量在有限的研究中獲得更多的信息；途徑：1、選擇合適的實驗設計種類，例如根據(jù)研究問題的復雜性，選擇多因素實驗設計；2、進行系列研究；3、選用復雜的統(tǒng)計方法，在同樣的數(shù)據(jù)量中得到更多有意義的信息；二、增加實驗中獲得的信息量在有限的研究中獲得更多的信息；7多因素實驗設計：研究問題中的諸因素之間是互相影響的，當忽略一些因素而研究另一些因素時，難以看到真實的結果；因素實驗設計的優(yōu)點：可以同時估價兩個或多個實驗處理的效應，可以估價實驗處理之間的交互作用。因素實驗設計可以對數(shù)據(jù)資源進行更有效的利用，使同樣數(shù)量的數(shù)據(jù)給出更豐富的信息。多因素實驗設計：8兒童漢字讀音及其發(fā)展（舒華、曾紅梅，1996）因素設計:

年級：二、四、六年級；

語文能力：高、中、低；

字的熟性：熟悉、不熟悉；

字的類型：規(guī)則字（紛）、不規(guī)則字（略）、聲旁不獨立字（忱）；其中字的熟悉性和字的類型是被試內(nèi)因素,兒童的年級和語文能力是被試間因素。任務：讀音兒童漢字讀音及其發(fā)展（舒華、曾紅梅，1996）因素設計:9結果：讀音正確率

形聲字類型規(guī)則字不規(guī)則字聲旁不知字---------------------------------------------------.58.36.36---------------------------------------------------形聲字類型x年級

字的類型規(guī)則字其它字年級------------------------------------------二.53.39四.58.33六.62.36------------------------------------------結果：讀音正確率形聲字類型10形聲字熟悉性x年級-------------------------------------------字的熟悉性熟悉字不熟悉字年級-------------------------------------------二.73.14四.61.21六.65.23-------------------------------------------形聲字類型x熟悉性-----------------------------------------字的類型規(guī)則字其它字字的熟悉性------------------------------------------熟悉字.75.62不熟悉字.40.09------------------------------------------形聲字熟悉性x年級11能力x熟悉性x類型----------------------------------------------------熟悉性熟悉字不熟悉字字的類型規(guī)則不規(guī)則規(guī)則不規(guī)則語文能力----------------------------------------------------高.90.79.51.15中.76.62.39.08低.56.43.28.05----------------------------------------------------能力x熟悉性x類型12結果：讀音錯誤兒童讀音中使用線索的平均次數(shù)-------------------------------------------------------語文能力高中低年級-------------------------------------------------------六年級15.714.814.4四年級12.610.75.5二年級3.92.11.5-------------------------------------------------------

語音有關的錯誤：聲旁錯誤；歧-支類似錯誤；歧-技結果：讀音錯誤兒童讀音中使用線索的平均次數(shù)13舒華實驗心理學ppt課件14舒華實驗心理學ppt課件15舒華實驗心理學ppt課件16舒華實驗心理學ppt課件17問題：方差分析統(tǒng)計方法限定了一個研究中因素的數(shù)量：統(tǒng)計復雜，當實驗中發(fā)現(xiàn)交互作用時，對結果的解釋更復雜化。在缺乏經(jīng)驗的情況下，不容易確定確實應該包含進實驗設計的因素，多因素實驗設計在確定理想的處理水平或處理水平的結合上不如小的系列實驗更有效。舒華實驗心理學ppt課件18系列實驗：每一個實驗所包括的因素不多，但通過一系列實驗，深入探討各因素的影響。在系列實驗中，后面的實驗設計是建立在前期實驗結果的基礎上，因此實驗設計的靈活性、有效性都更好。系列實驗：19漢字形旁的加工

目的：探討形聲字中形旁的激活，形旁的影響因素。材料：啟動字目標字s-c-l+f-s+c+l-f+s-c+l-f+s-c-l+f-板沐桌染懼漢字形旁的加工目的：20實驗一：SOA=250ms目標字s-c-l+f-s+c+l-f+s-c+l-f+s-c-l+f-板沐桌染懼反應時587565584590啟動325*6實驗一：21實驗二：SOA=70ms（mask)＋blank##primetarget4505030060400目標字s-c-l+f-s+c+l-f+s-c+l-f+s-c-l+f-板沐桌染懼反應時583569565582啟動-113*17*實驗二：22實驗中的變量自變量：研究者可以操縱、改變的；

種類(1)：客觀外界的刺激;被試固有的特征：如性別，教育水平、智力；被試暫時的特征：如動機、疲勞；種類(2)：定性：性別，教學方法；定量：視覺或聽覺刺激的強度；實驗中的變量自變量：23自變量的操作：自變量的水平；自變量水平的范圍；自變量水平的步驟；如何確定自變量水平的范圍和步驟：文獻；預實驗；自變量的操作：24自變量的范圍和步驟自變量的范圍和步驟25舒華實驗心理學ppt課件26因變量：可觀察的行為：反應時間、速度、準確性等；能夠隨自變量的改變而變化，對自變量的變化敏感；可靠；能夠轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)，正態(tài)分布；因變量：27巧妙地設計實驗的變量:Example:humanerrors:1.Workerclothes;7/15correct;yesno2.Age:20-30:7035-6008;3.Changeclothes;4/12correct(oldsubjects)巧妙地設計實驗的變量:28巧妙地設計實驗的變量:自我面孔識別與右半球Keenan等人（2001,NATURE）曾研究過5名癲癇病人。在病人頸動脈內(nèi)注射異戊巴比妥（一種鎮(zhèn)靜催眠藥）的和田試驗（Wadatest）期間，他們向病人呈現(xiàn)由著名人物面孔和病人自己的面孔所合成的面孔圖片，并要求病人記住圖片。待病人從麻醉狀態(tài)中恢復過來之后，他們向病人同時呈現(xiàn)病人自己的面孔與著名人物的面孔，要求病人選出先前呈現(xiàn)過的面孔。實際上，麻醉期間，無論是自己的面孔，還是著名人物的面孔，病人都未見過。結果發(fā)現(xiàn)，左半球麻醉之后，全部5名病人，所選出的都是自己的面孔。然而，右半球麻醉之后，5名病人中有4名病人，所選出的均是著名人物的面孔。這說明右半球是自我面孔覺察的優(yōu)勢半球。KeenanJP,NelsonA,O’ConnorMetal.(2001).Self-recognitionandtherighthemisphere.Nature,409,305巧妙地設計實驗的變量:29無關變量：實驗中不是由實驗者操縱、改變的，但會影響因變量；不是研究者感興趣的；來源：來自客觀外界的：如實驗的場所、測驗的時間；被試固有的特征：如性別，教育水平、智力；被試暫時的特征：如指導語；無關變量：30控制無關變量的途徑：隨機化（Randomization）;匹配（Matching）;拉丁方（Counterbalancing）;控制無關變量的途徑：31變量的操作定義變量必須用測量或操作它們的步驟來定義；原因：語言的歧義性；重要性：結果的評價；結果的推廣；研究者之間的交流；方法：使用現(xiàn)有的信息，如性別、教育程度、漢字頻率等；通過操縱創(chuàng)建情景狀態(tài)，如動機；通過前測獲得信息，如語義相關；

變量的操作定義變量必須用測量或操作它們的步驟來定義；32Example(Loftus&Palmer,1974)Subject:150collegestudents,5groups;Method:watchTV,andjudgethespeedoftheautomobile;tomanipulatetheinstructiontocreatethedifferentlevelsofindependentvariable:(1)Thepossiblespeedwhenthetwocarscrackedup(撞碎)…(2)Thepossiblespeedwhenthetwocarsknockedtogether(相撞)…(3)Thepossiblespeedwhenthetwocarsimpacted(碰撞)…(4)Thepossiblespeedwhenthetwocarsbumped(撞到)…(5)Thepossiblespeedwhenthetwocarstouched(接觸)...Example(Loftus&Palmer,197433results-----------------------------------------------------Verbmeanofspeedevaluatedcrackedup(撞碎)40.8knockedtogether(相撞)39.3impacted(碰撞)38.1bumped(撞到)34.0touched(接觸)31.8------------------------------------------------------------------results-----------------------34(example)(Rosleretal.,2001)

TargetRelatedratingWordfrequencyNouns

Unrelated1.18+0.5371.23+132.66Moderatelyrelated3.17+1.2781.19+134.98Stronglyrelated4.38+0.8965.29+125.00Verbs

Unrelated1.24+0.5974.89+113.24Moderatelyrelated3.05+1.2168.04+80.62Stronglyrelated4.10+1.0070.32+88.18(example)(Rosleretal.,200135巧妙的實驗設計：A組:假設你在新的學期里需要一本英語詞典。你準備去一家舊書店，花10元到50元買一本舊書。你在書店里發(fā)現(xiàn)了一本英語詞典，是1993年出版的，書里有10000個詞條，書看上去基本上是新的。你愿意花多少錢買這本書？（寫出在10-50元內(nèi)的確切錢數(shù)）

B組:假設你在新的學期里需要一本英語詞典。你準備去一家舊書店，花10元到50元買一本舊書。你在書店里發(fā)現(xiàn)了一本英語詞典，是1993年出版的，書里有20000個詞條，書的封皮是撕破了的。你愿意花多少錢買這本書？（寫出在10-50元內(nèi)的確切錢數(shù)）

C組：假設你在新的學期里需要一本英語詞典。你準備去一家舊書店，花10元到50元買一本舊書。你在書店里發(fā)現(xiàn)了兩本英語詞典，其中一本詞典(A)是1993年出版的，書里有10000個詞條，書看上去基本上是新的。另一本詞典(B)也是1993年出版的，書里有20000個詞條，但書的封皮是撕破了的。你愿意花多少錢買詞典A，花多少錢買詞典B？（寫出在10-50元內(nèi)的確切錢數(shù)）巧妙的實驗設計：36(Hsee,1996)Information:dictionaryAB--------------------------------------------------------------------Yearofpublication:19931993Numberofentries:10,00020,000Anydefects:likenewcoveristorn--------------------------------------------------------------------Assume:themusicmajorstudents;tobuyamusicdictionary;plantospend$10-$50;(Hsee,1996)Information:37實驗設計：獨立樣本：

A組被試、B組被試：書店里有一種詞典（A或B），字典的信息，你愿意花多少錢買：相關樣本：

C組被試：書店里有兩種詞典（A和B），字典的信息，你愿意花多少錢買A、花多少錢買B：自變量操縱；因變量選擇；無關變量控制實驗設計：38USA------------------------------------------------JointSeparateA19(39)24(39)B27(39)20(38)------------------------------------------------Chinese------------------------------------------------JointSeparateA17(27)20(27)B21(27)15(28)------------------------------------------------USA39自變量的變化:有、無;量的變化;質(zhì)的變化;因變量的變化:操縱指導語;操縱事件;操縱個體差異;自變量的變化:40三、提高實驗的敏感性為什么要提高敏感性？

獲得真正的處理效應；當我們期望的處理效應不顯著時，可能的原因：處理效應不存在；實驗設計不夠敏感，看不到處理效應；三、提高實驗的敏感性為什么要提高敏感性？41方差分析的實質(zhì)對一組數(shù)據(jù)的描述：集中趨勢：平均數(shù)、中數(shù)、眾數(shù)、

離散趨勢：標準差、方差；方差分析的實質(zhì)對一組數(shù)據(jù)的描述：42觀察兩組數(shù)據(jù)：

**********----------------------------------------------------2468101214161820X1:754104X2:1011153平均數(shù):66方差:26156觀察兩組數(shù)據(jù)：43方差（變異）檢驗的優(yōu)點：方差與標準差：方差分析與t檢驗：1、多個平均數(shù)之間比較；2、變異是否存在；方差（變異）檢驗的優(yōu)點：44如何估計處理效應？實驗研究：檢驗處理后的行為；假設：隨機分配被試；如何估計處理效應？45實驗處理前:**********----------------------------------------------------2468101214161820實驗處理前:46實驗處理后:**********----------------------------------------------------2468101214161820實驗處理后:47多組：***************----------------------------------------------------2468101214161820多組：48觀察數(shù)據(jù)的變化：平均數(shù)：較大的變化，自變量引起；處理效應，系統(tǒng)變異；變異：較小的變化，個體差異引起；誤差效應，非系統(tǒng)變異；觀察數(shù)據(jù)的變化：49舒華實驗心理學ppt課件50F檢驗：F=MS(組間）/MS（組內(nèi)）虛無假說為假：F=（處理效應+誤差變異）/誤差變異虛無假說為真：F=（誤差變異）/誤差變異F檢驗：51方差分析的基本假設實驗設計時必須考慮確定數(shù)據(jù)處理的方法，以便實驗中收集的數(shù)據(jù)在能適合理論假設，也能適合實驗設計和統(tǒng)計的要求。如何產(chǎn)生數(shù)據(jù)是比如何處理數(shù)據(jù)更加艱難的事情。使用方差分析去檢驗理論假說時，有兩組假設是需要滿足的：方差分析的基本假設52F分布的基本假設1、正態(tài)分布(normality)正態(tài)分布的假設指實驗中的觀測值應來自正態(tài)分布的總體。2、變異的同質(zhì)性(homogeneityofvariance)F檢驗的一個基本思想是，當被試隨機分配給K個處理水平時，K個處理組被試的觀測值的變異是同質(zhì)的，即各個組的變異是相等的。3、獨立性(independence)獨立性指實驗中一個被試的觀測值應該獨立于其它被試的觀測值。F分布的基本假設53舒華實驗心理學ppt課件54實驗設計模型及其假設每一種實驗設計都有一個特定的實驗設計模型(experimentaldesignmodel)，模型揭示了實驗中一個觀測值的構成，即影響一個觀測值的所有變異源。單因素完全隨機實驗的實驗設計模型：Yij=μ+αj+∈i(j)(i=1,2,……,n;j=1,2,……,p)實驗設計模型及其假設55實驗設計模型與平方和的分解：單因素完全隨機實驗設計模型：Yij=μ+αj+∈i(j)單因素完全隨機平方和的分解：SS（總變異）=SS（組間）+SS（組內(nèi)）實驗設計模型與平方和的分解：56實驗設計模型的基本假設：(1)模型Yij=μ+αj+∈i(j)反映了影響實驗中觀測值(Yij)的所有變異源;(2)實驗中包含了研究者感興趣的處理水平(αj);(3)誤差變異(∈i(j))在每個處理總體內(nèi)是以均數(shù)為0、方差為σe2正態(tài)分布的。每一個被試的誤差變異(∈i(j))都獨立于其它被試的誤差變異(∈i(j))。實驗設計模型的基本假設：57進行實驗設計時，需要考慮滿足兩組假設，一組是F分布的假設，另一組是實驗設計模型的假設，前者適合所有用方差分析檢驗假說的實驗,后者依據(jù)不同的實驗設計而異。進行實驗設計時，需要考慮滿足兩組假設，一組是F分布的假設，另58我們用數(shù)據(jù)來進一步認識平方和的分解：

pnppn∑∑(Yij-Y..)2=n∑(Y.j-Y..)2+∑∑(Yij-Y.j)2j=1i=1j=1j=1i=1

SS總變異=SS組間+SS組內(nèi)

(Yij-Y..)2表示了所有觀測值分數(shù)與總平均（grand）的偏離，是總變異；(Y.j-Y..)2表示了組平均分數(shù)與總平均的偏離，是處理效應，組間變異；(Yij-Y.j)2表示了所有觀測值分數(shù)與組平均的偏離，是被試誤差，組內(nèi)變異。我們用數(shù)據(jù)來進一步認識平方和的分解：59a116(6)=(5)+(1)18(8)=(5)+(3)10(0)=(5)+(-5)12(2)=(5)+(-3)19(9)=(5)+(4)a24(-6)=(-4)+(-2)6(-4)=(-4)+(0)8(-2)=(-4)+(2)10(0)=(-4)+(4)2(-8)=(-4)+(-4)

a32(-8)=(-1)+(-7)10(0)=(-1)+(1)9(-1)=(-1)+(0)13(3)=(-1)+(4)1(1)=(-1)+(2)-----------------------------------------------------------------總和(0)=(0)+(0)a160第一列是在A因素各水平上的原始(AS)分數(shù);第二列是每一個原始分數(shù)相對于總平均數(shù)的離差;第三列是組間變異，或每組平均數(shù)相對于總平均數(shù)的離差。對屬于特定組的分數(shù)來說，它們相對于總平均數(shù)的離差是相同的。如在第一組是5，在第二組是-4，在第三組是-1，三組相對于總平均數(shù)的離差之和為0。第四列是組內(nèi)變異，或每個組內(nèi)的每個原始數(shù)據(jù)相對于組平均數(shù)的離差。在每一個組內(nèi)，每個分數(shù)相對于組平均數(shù)的離差之和為0。如果將這些離差平方，則可以計算各種變異，或平方和。例如：SS總變異=(6)2+(8)2+…..+(3)2+(1)2=380SS組間=(5)2+(5)2+…..+(-1)2+(-1)2=210SS組內(nèi)=(1)2+(3)2+(0)2…..+(4)2+(2)2=170

第一列是在A因素各水平上的原始(AS)分數(shù);61我們可以看到：（1）方差分析的基本思想是將檢驗“平均數(shù)之間是否不同”的問題轉(zhuǎn)換為檢驗“變異是否存在”的問題。（2）方差分析是如何將總變異分解為由實驗處理帶來的變異和由被試和實驗誤差帶來的變異的。我們可以看到：62方差分析中，要估價的統(tǒng)計假說是處理效應等于零（虛無假說），我們決定拒絕或者不拒絕虛無假說是基于F值。而這個F值可能導致錯誤的推論。如果沒有處理效應，我們拒絕了虛無假說，就犯了I型錯誤，I型錯誤叫α錯誤；如果有處理效應，而我們不能拒絕虛無假說，就犯了II型錯誤，II型錯誤叫β錯誤。方差分析中，要估價的統(tǒng)計假說是處理效應等于零（虛無假說），我63舒華實驗心理學ppt課件64一個實驗的敏感性的量化指標是它的檢驗力，檢驗力指當備擇假說為真時，拒絕虛無假說的可能性。或者說，檢驗力表示對虛無假說的統(tǒng)計檢驗得出“現(xiàn)象存在”結論的可能性。也可以說，檢驗力是當虛無假說為假，做出正確決策的可能性。檢驗力可表示為：

power=1–β一個實驗的敏感性的量化指標是它的檢驗力，檢驗力指當備擇假說為65I型錯誤的控制：

設定特殊的α水平；II型錯誤的控制：

1、取樣大?。好糠N實驗條件下觀察的數(shù)量增加，檢驗力增加；2、未控制的或無關變異：當分離出未控制的或無關變異源，檢驗力增加；3、處理效應：處理效應的大小增加，檢驗力增加；I型錯誤的控制：66提高敏感性的方法：

F=（處理效應+誤差效應）/誤差效應提高敏感性的途徑：

1、加大處理效應；2、減小誤差效應；3、增加被試；提高敏感性的方法：671、提高處理效應：途徑：選取適當?shù)淖宰兞克?，加大水平之間的差異，使改變自變量水平所引起的變異能在因變量中反映出來。

選擇對自變量的變化敏感的因變量。1、提高處理效應：68

2、減小誤差效應：F=（處理效應+誤差效應）/誤差效應F=（5+2）/2=3.5

F=（5+1）/1=6.0

F=（5+5）/5=2.0可以看到誤差變異的改變對F值的影響，誤差變異減小可以增加實驗的敏感性。2、減小誤差效應：69途徑：

選擇合適的實驗設計：區(qū)組、拉丁方實驗設計；混合、被試內(nèi)實驗設計；嵌套、協(xié)方差實驗設計；途徑：70舉例:被試間實驗設計:SS(總變異)=SSA+SS(誤差)

被試內(nèi)實驗設計:SS(總變異)=SSA+SS(被試變異)+SS(誤差)

舉例:713、增加被試：

實驗設計的相對效率=MS組內(nèi)/Ms

殘差N’=相對效率xn

3、增加被試：72四、統(tǒng)計知識在實驗設計中的重要作用實驗設計時必須考慮確定數(shù)據(jù)處理的方法，以便實驗中收集的數(shù)據(jù)在能適合理論假設，也能適合實驗設計和統(tǒng)計的要求。統(tǒng)計知識在一定程度上限定了實驗設計方法的使用。統(tǒng)計知識告訴我們實驗結果的推論。四、統(tǒng)計知識在實驗設計中的重要作用實驗設計時必須考慮確定數(shù)據(jù)73固定效應與隨機效應實驗設計模型平方和分離假設沒有包含特定的有關總體和取樣的假設，但如果我們要從樣本推論總體參數(shù)需要某些特定的假設。固定效應實驗設計模型和隨機效應實驗設計模型是關于總體推論的假設。

固定效應與隨機效應實驗設計模型平方和分離假設沒有包含特定的有74Yij=μ+αj+∈i(j)固定效應模型的假設：模型適合于這樣的實驗設計，其中所有要得出推論的有關的處理水平都已包含在實驗設計中。如果重復實驗，會使用同樣的處理水平。在這種情況下，實驗中所得出的結論僅限于實驗中的p個水平。然而，如果實驗中的p個水平是從更大的p個水平的總體中隨機取樣的，模型是隨機效應模型。Yij=μ+αj+∈i(j)75固定效應模型：自變量水平的取樣是固定的，來自前人或自己的研究經(jīng)驗，來自研究的假說；如一、三、五年級；學習后間隔的時間0小時，2小時，10小時。結果不能推論到取樣的總體，如結論只能說一、三、五年級兒童的發(fā)展如何。固定效應模型：76隨機效應模型：自變量（或無關變量）水平的取樣是隨機的，如區(qū)組、被試、