一、教育实验设计的基本要素
在实验设计时需要考虑变量、前后测和实验样本组三个基本要素。
（一）变量
教育实验设计中包括实验变量、反应变量和无关变量三类变量。
1.实验变量
实验变量，即自变量，它是由实验者设计安排的、人为操纵控制的、有计划地变化的实验情境或条件因素。教学环境、教学手段、教学方法、教学组织形式、教材内容、师生关系、管理制度等，都能作为一项实验的自变量。
2.反应变量
反应变量，即因变量，它是随着自变量的变化而变化的，是实验者需观察、测量、计算的变化因素。
3.无关变量
无关变量，即干扰变量，它是除实验者操纵控制而有计划地变化的实验变量之外，另外一些影响反应变量变化的其他干扰因素。它使实验者无法对所得的结果做出正确的判断和解释。
实验的基本操作就是研究实验变量对实验对象施加作用之后，实验对象产生怎样的反应变化，从而了解实验因素的作用，通常实验过程使用如下符号表示。
O——实验对象
X——实验变量
Y——反应变量的测量结果
XO——实验因素X对实验对象施加作用
C——整个实验结果
（二）前后测
前后测指事前测验与事后测验。在实验因素未对实验对象施加作用之前，事先对因变量进行的测量，即事前测验，其结果通常用YO表示。在实验因素对实验对象施加作用之后所进行测量，即事后测验，其结果用Y表示。
（三）实验样本组
实验样本组指实验组与控制组。利用随机取样或测量配对选择而形成的两个条件相等的样本组，其中一组接受实验因素的作用，即实验组，用O实表示。另外一组将不接受实验因素的作用，只作为比较标准，即控制组，用O控表示。
二、教育实验设计的基本模式
根据实验的目的、要求不同，教育实验最常用的模式有单组实验模式、等组实验模式和轮组实验模式三种。
（一）单组实验
单组实验，是指同一实验因素X，只对同一组（或一个）实验对象O施加作用，然后测定对象所产生的变化，以确定实验因素的效果如何。单组实验通常采用前测与后测比较的方法来研究实验因素的效果。在未进行实验处理之前，先进行一次测量（称为前测），其结果为YO，在进行实验处理（XO）之后，再进行一次测量（称为后测），其结果为Y，则整个实验结果C＝Y-YO，其操作过程如表7-1表示。
表7-1 单组实验操作过程
（二）等组实验
以两个或两个以上条件相同的实验组（等组）为实验对象（O1和O2，O1＝O2），使之分别接受不同的实验因素的作用（X1和X2），然后将各个实验因素所产生的效果加以测量和比较。等组实验最重要的条件是各组必须尽量相等，即要符合O1＝O2的条件。相等的含义是指除实验因素外，所有能影响实验的其他因素，实验对象的原有水平必须基本相同或相等。实验操作过程如表7-2表示。
表7-2 等组实验操作过程
（三）轮组实验
有时候因受到许多条件的限制，无法对实验对象进行随机抽样处理，也无法进行测量选择分组。在这种情况下，则可以采用轮组实验法，即把各个实验因素轮换作用于各个实验组，而各实验组条件并不均等；然后，根据各个实验因素作用所引起的变化总和来决定实验结果，其操作过程如表7-3所示。
表7-3 轮组实验操作过程
实验结果为分别比较X1、X2、X3各因素的作用效果之间的差异情况，即比较C1-C2或C2-C3或C3-C1之间是否存在差异。这种轮组实验，不仅使每个实验因素在各组中循环作用了一遍，而且在实验次序的每一个地位上也都循环了一遍，这就不至于使某一个实验因素由于总是排列在最先、最后或中间而受到有利的或不利的影响。由于轮组实验法不要求各组均等，因而省去了均等组别的麻烦，并且在实验过程中，各实验因素对实验对象的作用次数增多，平均效果正确性可增长；无关因素的影响机会与次数相同，可以减少无关因素的影响。
三、教育实验变量的控制和测量
（一）教育实验变量控制和测量的内涵
教育实验操作中包括对实验变量（自变量）、反应变量（因变量）和干扰变量三类变量的控制和测量。教育实验就是要操纵自变量、观测因变量和控制无关变量。教育实验人员应有效地操纵实验变量，努力控制和排除无关变量，尽量降低对反应变量测量的误差，以提高教育实验研究的效度。实验人员对变量的控制关系可用图7-2表示。
图7-2 实验人员对变量的控制关系
（二）教育实验变量的控制
在教育实验中，对变量的控制包括以下三个层面。
1.有效操纵实验变量
对实验变量有效操纵的原则是要有系统的变化，而且变化的差异要尽可能大。因此，通常在实验设计时选择两个极端值，或取其最佳值，或选择几个具有代表性的值作为实验刺激的条件。例如，以教学方法作为实验变量时，则两种（或两种以上）教学方法应有显著的不同，实验才能取得成效。又如，若以媒体的刺激量或刺激持续时间作为实验变量时，则要把刺激量或刺激持续时间分成几个等级，每个等级之间应有显著的不同，并且最好是包括有极端值的情况，即完全没有刺激或刺激时间为零的情况。
2.控制无关变量
要正确地解释实验结果和保证实验结果的可靠性，除了具体分析影响实验效度的各种因素外，就是要设法控制一些影响实验效果的干扰因素，如受试者的年龄、性别、身体机能（视力、听力）等干扰变量，以及不能直接被观察辨认、只能凭个体外显行为的线索去推知这种干扰的存在，如受试者的动机、性格、态度等中介变量。控制这些干扰因素的原则是使干扰因素保持不变，或使其达到最小的变化，或者将其排除在外。
教育实验中控制无关变量的主要方法有以下几种。
（1）随机选择和分配被试。为消除被试个体之间的差异，可采用随机方法来选择和分配被试，从而有效地控制被试间的各种差异。随机方法就是先用随机抽样的办法在总体中先抽取受试样本，然后将参与实验的受试者以随机分派的方式进行分组；再以随机的方法决定哪一组为实验组，哪一组为控制组，使各组受试者所具备的各种干扰因素机会均等。
（2）设置控制组。在实验中设置一个或多个控制组，对两个组同时进行因变量的观测（包括前测和后测），能较好地排除无关变量的影响。
（3）采用“双盲法”。所谓双盲法，即研究者在实验中既不让实验的主试也不让被试了解实验的真实目的和意图，这可在一定程度上控制主试的态度、被试间自变量的扩散等方面的无关变量。
（4）提高实验设计的科学性。在设计中根据对无关变量控制的需要来设计操作自变量的具体方法、设计实验程序、进行时间分配，这能较好地进行无关变量的控制。
（5）物理控制法。就是注意实验情境的物理条件是否保持恒定，刺激的呈现是否标准，以及反应的记录是否客观一致等物理性因素的控制。例如，为了使实验情境保持恒定，以免干扰实验变量对因变量的效果，可以设法控制声音、灯光、气氛、周围环境等物理因素。
（6）纳入法。就是把影响实验结果的某种干扰因素也当作自变量来处理，同样安排它做系统的变化，并且观察、测量、记录和分析行为反应与这一因素的关系。例如，研究某种教学媒体对学生理解知识所产生的影响时，如果考虑学生的年龄对于媒体所传递的信息的感知能力有所影响，则在实验设计时，把受试者的年龄因素包括在内，当作自变量处理。把学生按一定的年龄区间分组受试，这样所得的研究结果其外在效度便可提高。
（7）控制资料统计过程。研究者按照实验目的选择合适的统计方法，并规范程序统计和结果处理，能减少统计误差，提高研究结论的准确性。
3.减低测量误差
实验因变量的变化情况要通过测量工具来测定，测量方法主要有测验、问卷、量表、各种反应仪器等。但是，任何工具都不可能做到百分之百的准确，因此，设计时就需要合理选择、设计和正确使用测量工具，如问卷设计的合理性、测验试题设计、评分标准的掌握、反应仪器灵敏度的调整等，都应尽量使误差降到最低限度，以减少测量误差对实验结果的干扰。
（三）教育实验反应变量的测量
在教育研究中，总是要涉及许多反应变量的测量问题。所谓测量，就是依据某种法则，对事物赋予某种特征程度的符号或数字，即对研究对象的属性给予数值化的过程。
1.实验反应变量的种类
行为、态度和对内容的认知等实验反应变量，是实验对象对实验因素的作用所做出的反应，是能够被测定的变化因素。
2.实验反应变量的选择
反应变量的选择在整个教育实验中占有十分重要的地位，因为实验的结论都是从反应变量所提供的事实材料中推测、判断或推导出来的。反应变量选择是否得当，直接关系到实验研究的成败。选择实验反应变量应遵循如下几项原则。
（1）反应变量的客观性。这是指反应变量是客观存在的，是可以为实验者或仪器所感知或记录下来的。一个实验反应变量如果是客观的，它不依人的主观愿望而转移，那么，它在一定的条件下就会重现。
（2）反应变量的合理性。这是指某反应变量确实能代表所研究的对象，两者之间有着十分密切的关系，反应变量的变化代表着研究对象的某一种特性。
（3）反应变量的灵敏性。这是指某项反应变量在技术上具有显示的可能性，在实验条件的严格控制下，它能无偏差地显现出来。
（4）反应变量的可转换性。这是指反应变量既可以分级比较，也可以与其他变量相配合使用，从而表现出某种关系。虽然，有些反应变量不能直接看出其规律，但经过某种数学的变换便可看出规律性。
实验反应变量的选择是否得当和有用，主要取决于实验者对专业理论与统计知识的掌握程度。一项实验的反应变量，实验者既可以根据理论假设的需要自创，也可以从有关文献或其他实验中选取现成的反应变量。
3.实验反应变量的测量方法
实验数据的收集，即反应变量的测量是采用测验、问卷、观察和量表的方法，随着信息技术的发展，基于网络的行为记录和跟踪也是收集实验数据的一种可用办法。行为的测量方法通常是结构化观察，态度倾向的测量用问卷调查或量表，认知状态的测量以测验方式为主。
四、准实验研究及其设计方法
（一）准实验研究的界定
教育实验研究是为了解决某一教育问题，根据一定的教育理论和建立的假设组织有计划地教育实践，经过一定时间对效果进行比较分析，从而得出结论的研究方法。这种研究方法是在适当地控制无关变量，以随机化原则，在严格控制下进行的。实验研究很精确，但进行环境过于理想化，要花费较多的人力、物力和时间去控制对象和环境，且对于教育研究而言要进行有效控制是很难的，因为教育实验的对象常常是人而非物，不可能进行严格的控制，同时在实验中对研究者的要求也很高，让研究者和被研究者都感到有压力，而且还要受到被试单位、学校配合程度等因素的影响。为了解决实验的这些不足之处，发挥实验研究应有的作用，研究人员可以采用原始组，在较为自然的环境下以类似实验的方法来进行研究，这就是准实验研究方法。
准实验研究是指运用原始群体，而不是随机的安排被试进行实验处理。用于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，不能采用随机方法分派被试的情况。
（二）准实验研究的特点
1.研究结果的相对现实性
准实验研究是将真实验的方法用于解决实际问题的一种研究方法，它不能完全控制研究的条件，在某些方面降低了控制水平。虽然如此，它却是在接近现实的条件下，尽可能地运用真实验设计的原则和要求，最大限度地控制因素，进行实验处理实施的，因此，准实验研究的实验结果较容易与现实情况联系起来，即现实性较强。相对而言，真实验设计的控制水平很高，操纵和测定变量很精确，但是它对于实验者和被试的要求较高，带来操作上很大的困难，现实性比较低。
2.研究环境的自然性
准实验研究进行的环境是现实的和自然的，与现实的联系也就密切得多。而实验研究的环境与实际生活中的情况相差很大，完全是一个“人工制作”的环境，与现实的联系较少。
3.研究效度的可信性
准实验研究利用原始组进行研究，缺少随机组合，无法证明实验组是否为较大群体的随机样本，同时任何因素都可能对原始群体起作用，所以因被试挑选带来的偏差将损害研究结果的可推广性，从而影响了准实验研究的内在效度，因此在内在效度上，真实验优于准实验设计。但由于准实验的环境自然而现实，它在外在效度上能够且应该优于真实验设计。因此，在考虑准实验研究的效度时应该对它的特点有清楚的认识，并注意确定实验组间的对等性，同时在逻辑上对可能有的代表性和可推广性加以论证，避开其不足之处。
（三）准实验研究设计方法
从研究设计的思想和要求来推论，可以认为准实验设计是一种降低了控制标准的类似真实验的研究方法，因此，准实验研究设计的方法在许多方面与真实验有相同之处，常用的准实验设计方法有不相等实验组控制组前后测准实验设计、不相等区组后测准实验设计、单组前测后测时间系列准实验设计、多组前测后测时间系列准实验设计、修补法准实验设计五种。
1.不相等实验组控制组前后测准实验设计
（1）适用情况：需要安排两组被试作为实验组和控制组进行研究，但又不能按照随机化原则重新选择被试样本和分配被试。
（2）操作程序（见表7-4）：进行前测，以保证实验组和控制组原有的近似程度，而不考虑其他因素。只有当两个组在考证问题上原有水平相接近时，才能进行该种准实验研究。实验结果对Y1和Y2进行差异检验，而非简单比较平均分、方差等，通过检验确定进行实验后两个组之间是否存在差异，差异程度如何。
表7-4 不相等实验组控制组前后测准实验设计
（3）实例。某一课题要研究利用多媒体辅助物理教学后学生的学习效果，应用准实验方法进行研究，设计方案如下。
第一步：选取实验对象。为保证正常教学的进行，在某个年级中选择两个自然班参加实验。为了保证参加研究的两个班物理学习的原始水平相似，对该年级所有的班进行前测以检测起始水平，从中选出两个水平接近的自然班参加研究，保证选出的两个班在物理学习上总体水平相同或相近。然后从中随机确定一个班作为实验组，接受多媒体计算机辅助物理教学；同时另一个班作为控制组按照原有教学计划和教学方式进行学习。
第二步：经过同一进度的教学活动后，同时对两个班级的物理课学习成绩进行考核，考核的结果进行后测。
第三步：将两个班的后测成绩分别减去各自的前测成绩，并用独立样本的T检验对这两个差值的差别显著性进行统计检验，最后判断实验组和控制组在进行实验前后是否有明显的差异，从而得出结论。
2.不相等区组后测准实验设计
（1）适用情况：研究来自不同总体的样本之间的差别，研究的主要目的是为了发现不同样本的特点及其差异的显著性。在研究中，自变量通常是研究者操纵的能诱发和引起样本各种特点表现的情境，因变量是被试在接受这些情境时的行为反应。
（2）操作程序：将总体样本分组，在不同组中随机抽取实验研究样本，对研究样本实施不同的实验情境，测量研究样本接受情境后的行为反应。
（3）实例。研究不同年龄的中学生利用Internet进行学习时的心理特征，运用准实验方法，设计方案如下。
第一步：针对研究的对象是在Internet环境中学习的不同年龄的中学生，先根据年龄段将中学生划分为几个组，然后分别从各组中选出5～10名中学生进行研究，实验过程中设计以下的情境（见表7-5）。
表7-5 不相等区组后测实验设计
第二步：从学生的探究行为、学生的自控能力、学生的自学能力、学生的反应时间和学生的焦虑反应五个方面研究学生反应行为和学习情况。
第三步：对学生的探究行为、自控能力和自学能力采用卡方检验，对焦虑反应和反应时间采用T检验，分别检验差异程度，最后分析得出实验结果。
3.修补法准实验设计
（1）适用情况：没有前测并且实验组和控制组不一定能在条件、时间上达到基本一致。
（2）操作程序（见表7-6）：研究者来不及找到两组整体相似的被试或难以安排同时开始实验时，在未做前测的情况下先对经过某种处理的被试进行测试获得后测结果。在获得另一个整体组被试时，就安排进行与上面做过的后测相同的前测，然后再对这一组被试做同样的处理，并予以后测，通过第二组被试的前后测结果的比较，及第二组前测与第一组后测的情况进行比较来找出实验处理与后测之间的关系。
表7-6 修补法准实验设计