研究方法─量化研究方法(一) 邱皓政,2005 實驗設計(Experimental Design)

研究方法─量化研究方法(一) 邱皓政,2005 實驗設計(Experimental Design)
授課教授：任維廉報告人：運管碩一黃顯欽 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

作者簡介邱皓政 Hawjeng Chiou, Ph.D. Associate Professor
University of Southern California (Psychometrics) Education 教育背景 June, 1988 輔仁大學心理學學士(企業管理輔系) June, 1990 輔仁大學心理學碩士(主修社會與組織心理學) April, 1995 美國南加州大學博士（心理計量學）國立中央大學企業管理學系副教授 (人力資源組) 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

自我介紹姓名：黃顯欽戶籍：高雄綽號：manpower、阿欽、ㄟ求學經歷：交通大學運管學士班交通大學運管碩士班
論文研究題目：同商品買1送1與同商品第二件1元對消費者購買意願的影響最近最震撼的一件事：黃寬丞老師是當年的預官榜首專長：減肥(花3個月從85公斤減到67公斤) 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

減肥示意圖 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

簡介實驗研究是科學領域最重要的一種研究方法
實驗，是指實地的探索與檢驗。目的為「確認」某些研究者所提出的問題，或是「解釋」現實世界事物的關係與現象。實驗是藉由研究者所進行的科學性的嘗試，來找到人類事物的因果關係的解釋證據，也就是一套科學的採取行動與觀察結果的客觀程序。 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

目錄 1.實驗設計的概念 2.不同的實驗設計 3.實驗受試的選擇與分派 4.實驗設計的計量原理 5.實驗設計的混淆與干擾 6.結語 7.心得
2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

1.實驗設計的概念 2.不同的實驗設計 3.實驗受試的選擇與分派 4.實驗設計的計量原理 5.實驗設計的混淆與干擾 6.結語 7.心得

1.實驗設計的概念(1/2) 實驗設計(Experimental design)是指將受試者安排入實驗情境與進行統計分析的計劃（Kirk, 1995）。實驗設計是由一套用以檢驗科學假設的活動所組成，包含了：統計假設的建立實驗的情境與條件的設定測量及實驗控制的方式的決定受試者的選取條件的設計統計分析方式的決定 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

1.實驗設計的概念(2/2) 為了維持科學研究的客觀性，一個實驗必須具備三個基本原則：可複製性 (replication)
隨機性 (randomization) 區組性 (blocking) 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

1.1 實驗設計中的變項(1/2) Y=f(X) 獨變項(Independent Variable)：
1.1 實驗設計中的變項(1/2) Y=f(X) 獨變項(Independent Variable)：研究者所操弄的變項造成依變項變化的主要因素 Ex：喝酒量的多寡(X) 依變項(Dependent Variable)：實驗中被觀察、紀錄的變項通常是研究者最關心的概念或現象 Ex：注意力的變化(Y) 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

1.1 實驗設計中的變項(2/2) 控制變項(Control Variable)：
1.1 實驗設計中的變項(2/2) 控制變項(Control Variable)：要維持實驗的客觀性，除了獨變項與依變項外，要盡可能的使實驗的環境保持一致，但有些因素無法保持一致，只好加以記錄 Ex：距離吃完飯的時間點 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

1.2 實驗組與控制組依據受測者本身狀況不同，而分為實驗組與控制組，用於對照比較受實驗操弄後所產生的影響。
1.2 實驗組與控制組依據受測者本身狀況不同，而分為實驗組與控制組，用於對照比較受實驗操弄後所產生的影響。實驗組：受實驗操弄影響，其獨變項為不同水準。控制組：不受實驗操弄影響，其獨變項為最基本狀況。 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

1.3 兩個以上的獨變項(1/2) 多重因子設計(factorial design) :Y=f(X1,X2) 多因子設計的優點:
1.3 兩個以上的獨變項(1/2) 多重因子設計(factorial design) :Y=f(X1,X2) 包含了多重的獨立變項同時處理多種實驗的操弄 Ex：注意力的變化(依變項，Y)；喝酒量(獨變項A，X1)、酒的種類(獨變項B，X2) 多因子設計的優點: 提高研究的效能得到更豐富的研究發現 (ex：A因子與B因子的交互效果) 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

1.3 兩個以上的獨變項(2/2) A 88,91 92,94 酒的種類 B 88,90 93,91 low high 喝酒的量
1.3 兩個以上的獨變項(2/2) A 88, ,94 酒的種類 B 88, ,91 low high 喝酒的量喝酒量的(主)效應：( )/4-( )/4=3.25 酒種類與喝酒量的交互作用效應：( )/4-( )/4=0.25 (例子來源：Montgomery, Design and Analysis of Experiment 6/e) 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

1.4 兩個以上的依變項(1/2) 多變量設計的特性： g(Y1 ,Y2)=f(X)
1.4 兩個以上的依變項(1/2) 多變量設計的特性： g(Y1 ,Y2)=f(X) 依變項本身無法從單一計量指標來反應所欲反應的內容時，必須使用多重的計量指標必須使用更高階的統計分析方法，如多變量變異數分析(MANOVA)、多變量共變數分析(MANCOVA) Ex：1個依變項：注意力的變化，Y 2個依變項：看到交通標誌燈號的時間(Y1)、採取剎車動作到車輛停止的時間(Y2) 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

1.4 兩個以上的依變項(2/2) 多變量設計的優劣：比較：依變項多屬於潛在的或不可觀察的心理特質，測量時有信效度問題
1.4 兩個以上的依變項(2/2) 多變量設計的優劣：依變項多屬於潛在的或不可觀察的心理特質，測量時有信效度問題依變項之間的關係會造成因果關係混淆統計分析上概念、技術的難度增加把多重依變項拆成數個單一依變項進行統計分析比較：多重獨變項：只是測量數目的增加；共變異、交互作用較容易了解與解釋多重依變項：涉及複雜的共變關係的釐清；變異、交互作用較不容易了解與解釋 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

2.不同的實驗設計 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

2.1前實驗設計(1/2) 這3種研究設計雖未能符合實驗設計的嚴格要求，但卻有簡單、易於實施的優點，常用於非正式、非專業的場合中。 × v
實驗設計名稱實驗處理模式實驗對照前測控制隨機分派前實驗研究設計（Pre-experimental design） Type 1. 單組後測設計 X →T2 × Type 2. 單組前後測設計 T1 → X →T2 v Type 3. 靜態組間比較 E X →T2 C →T2 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

2.1前實驗設計(2/2) Type1.單組後測設計，ex：接受某種自我成長課程訓練。
Type2.單組前後測設計，ex：與type1比多了自我肯定前測。 Type3.靜態組間比較，ex：與type1比多了對照組。用這3種實驗設計所得到研究數據，立場過於薄弱，故不被視為正式的實驗研究設計。但如果僅作為一概況瞭解或僅是進行初探性質的研究，則簡易便利，也能提供相當程度的資訊。 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

2.2真實驗設計(1/2) 具備實驗組與控制組的對照、前測與後側的對照、隨機分派三個要件，可視為一個標準的實驗研究。實驗設計名稱
實驗處理模式實驗對照前測控制隨機分派真實驗研究設計（True-experimental design） Type 4. 隨機化實驗控制組前後測設計 Er T1 → X →T2 Cr T1 → →T2 v Type 5. 隨機化實驗控制組後測設計 Er X →T2 Cr →T2 × Type 6. 所羅門四組設計 Er T1 → X →T2 Er X →T2 Cr →T2 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

2.2真實驗設計(2/2) Type 4. 隨機化實驗控制組前後測設計：最為典型的實驗設計，找到一群受測者，隨機分派到Er與Cr，實驗前先測量他們的反應時間T1，接著施以一實驗狀況X，再測量實驗後的反應時間T2。 Type 5. 隨機化實驗控制組後測設計：缺乏前測的數據，使得實驗效果的後側得分缺乏前測的分數進行對照。 Type 6. 所羅門四組設計：同時包含Type4和Type5，此一設計的最大目的，在檢測前測對於後測的練習與記憶效果；也可得到前測T1與實驗處理X的交互作用影響。 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

2.3準實驗設計(1/3) 沒有隨機化的處理的實驗研究，稱之為準實驗研究設計。 v × － ─ 實驗設計名稱實驗處理模式
實驗對照前測控制隨機分派準實驗研究設計（Quasi-experimental design） Type 7. 非隨機實驗控制組前後測設計 E T1 → X →T2 C T1 → →T2 v × Type 8. 對抗平衡設計 (平衡性拉丁方格設計) A B C D B D A C C A D B D C B A － ─ Type 9. 單組時間序列分析 T1T2T3T4 X T5T6T7T8 Type 10. 實驗控制組時間序列分析 T1T2T3T4 X T5T6T7T8 T1T2T3T T5T6T7T8 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

2.3準實驗設計(2/3) Type8.拉丁方格設計：當研究者採用受試者內設計，讓同一組受試者接受不同的實驗處理，此時受試者的反應可能受到實驗順序影響，造成實驗效果混淆。更甚者，可採用平衡性的拉丁方格設計，使實驗順序也能夠平衡。 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

2.3準實驗設計(3/3) 時間序列設計特色：對於某個測量指標進行週期性的追蹤測量，以了解該指標所反應的行為特質變動情形。在資料其中插入一個實驗處理X，便可觀察整個時間趨勢的變化。 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

3.實驗受試者的選擇與分派研究者為達最佳的實驗控制，須考慮的因素，分為：受試者選擇問題：首先，必須要考量如何獲得適當的一群受試者。
受試者分派問題：然後考慮如何將這一群參與研究的受試者安排到不同的實驗情境中。 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

3.1 受試者的選取(1/2) 實驗前受試選擇的影響：為了解決樣本選擇的隨機性與代表性不足的問題，有三種策略來因應：
3.1 受試者的選取(1/2) 實驗前受試選擇的影響：因為成本效率與機率問題使隨機變異的大小無法有效控制當實驗使用小樣本時，樣本的代表性就會受到限制。便會有代表性不足的問題出現為了解決樣本選擇的隨機性與代表性不足的問題，有三種策略來因應： (1)統計的處理與控制 n<30→數據的常態性無法維持→t-test 干擾變項無法排除→共變數分析ANCOVA (2)樣本特性的檢驗程序樣本的同質性檢驗，檢驗是否具本質上的差異→ANOVA、t-test (3)配對樣本或區組設計的使用樣本重複使用來降低干擾變數的影響 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

3.1 受試者的選取(2/2) 實驗後受試選擇的影響：最重要的問題是如何下結論研究母體與所欲關心的母體是否有偏離 2010/3/09
3.1 受試者的選取(2/2) 實驗後受試選擇的影響：最重要的問題是如何下結論研究母體與所欲關心的母體是否有偏離 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

3.2 受試者的分派(1/4) 獨立樣本設計(受試者間設計)：獨變項的每一個水準所使用的受試者完全獨立每位受試者只接受一種特定實驗處理
3.2 受試者的分派(1/4) 獨立樣本設計(受試者間設計)：獨變項的每一個水準所使用的受試者完全獨立每位受試者只接受一種特定實驗處理受試者之分派須做到隨機分派，讓不同組的受試者進入實驗前具有最小的差異隨機分派的方式：亂數表 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

3.2 受試者的分派(2/4) 重複量數設計(受試者內設計)：獨變項的每一個水準所使用的受試者都是同一組人
3.2 受試者的分派(2/4) 重複量數設計(受試者內設計)：獨變項的每一個水準所使用的受試者都是同一組人同一批人重複的接受不同的實驗處理樣本重複效率與經濟效益佳；操作簡單統計上排除較多的測量誤差，統計檢定力較受試者間設計為高 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

3.2 受試者的分派(3/4) 樣本水準1 水準2 1 7 6 2 3 3 看成受試者間設計，即二獨立樣本： 3 3 5 Sp=2.32
3.2 受試者的分派(3/4) 樣本水準1 水準2 看成受試者間設計，即二獨立樣本： Sp=2.32 看成受試者內設計，即相依樣本： Sd=1.20 有對成對的動作，將使變異數的估計值下降了近50%。 (例子來源：Montgomery, Design and Analysis of Experiment 6/e) 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

3.2 受試者的分派(4/4) 前後測設計(pre-post test)：混合設計：
3.2 受試者的分派(4/4) 前後測設計(pre-post test)：如果實驗組與控制組在前測分數有顯著差異，代表研究者分組工作沒有隨機化 T1  X  T2 前側實驗處理後側混合設計：同時包含受試者間設計與受試者內設計 統計分析的策略上顯得異常複雜 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

4.實驗設計的計量原理各種實驗設計中，不論是否符合實驗設計的嚴格要求，所得到的研究數據仍有一定的分析價值，可搭配相關的統計技術來分析，來證明實驗效果的存在。 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

4.1 獨變項水準數與統計分析 K=1 (僅有一個實驗組)： K=2 (一個實驗組，一為控制組)： K≧3 (多個實驗組，一個控制組)：
4.1 獨變項水準數與統計分析 K=1 (僅有一個實驗組)：僅有實驗組而無控制組，如前述之Type1、2、9 僅能做基本的敘述性統計 K=2 (一個實驗組，一為控制組)：受試者間設計獨立樣本t檢定受試者內設計相依樣本t檢定 K≧3 (多個實驗組，一個控制組)： 3個以上的平均數，採用單因子變異數分析(one-way ANOVA) 受試者間設計獨立樣本單因子變異數分析受試者內設計相依樣本單因子變異數分析 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

4.2 變項數目與統計分析水準數越多，統計分析越複雜；獨變項增加會使獨變項間的交互效果數目增加，使統計分析難度高。
4.2 變項數目與統計分析水準數越多，統計分析越複雜；獨變項增加會使獨變項間的交互效果數目增加，使統計分析難度高。單因子實驗設計(只有一個獨變項)： K=2：t-test；K≧3：one-way ANOVA。多個因子的實驗設計多因子變異數分析：受試者間設計：獨立樣本多因子變異數分析受試者內設計：完全相依樣本多因子變異數分析混合設計：混合設計多因子變異數分析多重依變項的實驗設計多變量變異數分析 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

5. 實驗設計的混淆與干擾在實驗過程中，如果研究人員無法有效的控制研究環境與混淆干擾因素，使各種條件保持一致，研究成效必定不彰。
故研究人員的實際研究操作能力必須事前加以培養訓練。 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

5. 實驗設計的混淆與干擾表4.4列出了16種常見的影響實驗內外在效度的各種因素。
在這16種威脅因子當中，多數影響的是實驗的內在效度，ex：歷史、成熟、選擇偏誤、測量、工具、統計迴歸、受試者流失、實驗效果的散佈模仿、補償作用等。如果一實驗設計能確實做到具備實驗組與控制組的對照、前測與後側的對照、隨機分派三個要件，則表4.4的問題大部分都可以避免掉。 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

6. 結語因為實驗方法蓬勃流行，因此統計方法也相對發展。
實驗設計與實驗操弄都很容易上手，困難的部分在於如何將數據加以分析以過濾掉干擾因素。數據的分析，干擾因素的排除等，皆是研究者需要去判斷與取捨的。除了熟悉實驗設計原理外，好的實驗研究也必須要嚴謹的測量與統計程序相配合。 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

7.心得整個概括來說，一個好的研究須具備4個條件：好的問題、好的時機、好的資料、好的方法：
好的問題：有創意或有貢獻的問題或別人論文中有gaps的部分好的時機：天時、地利、人和，即好的背景環境的配合好的資料：透過實驗設計來獲得好的方法：搭配相關的統計方法或其他方法來對數據做合理的分析 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

謝謝大家下次再會 Q&A 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

報告後課堂問題討論重點(1/3) (1)依變項2個以上便用多變量分析，不管獨變項只有1個或2個以上，因為獨變項的增加只是增加分析的困難度，但依變項一旦有2個以上就得用多變量這個方法來分析。 (2)前實驗設計、真實驗設計、準實驗設計最大的不同在於：前實驗設計是最簡陋的設計，因為它實驗對照、前測控制、隨機分派這三個條件都只滿足一個或者都不滿足；而真實驗設計的話則是這三個條件幾乎都有滿足，且最重要的是都有做到隨機分派；準實驗設計的話則是雖然有實驗對照和前測控制，但是都沒做到隨機分派。 (3)要達到相同的顯著水準，真實驗設計因為有隨機分派，所需樣本數最少；而準實驗設計沒有隨機分派，所需樣本數次之；前實驗設計因為最簡陋，所需樣本數最多。 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

報告後課堂問題討論重點(2/3) (4)投影片第14頁，四個角的數字共8個，代表的是反應時間(將測量到的反應時間量化)。
(5)投影片第32頁，引申的意涵是，如果樣本是成對樣本，但在做統計檢定時，如果該作成對樣本t檢定沒作而作成獨立樣本t檢定，那麼變異數的估計值將會多出50%。 (6)投影片第24頁，平衡性拉丁方格設計比拉丁方格設計更嚴謹的地方在於：因為拉丁方格設計的4組順序都是一樣的(即，C都在D的前面)，這樣會擔心一個問題，怕每次C作完測驗後，D都會問C前面一個實驗在測試什麼，怕會有D被C影響到的缺點，所以就用平衡性拉丁方格設計，將4組的前後順序都打散。 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

報告後課堂問題討論重點(3/3) (7)所羅門四組設計的前兩組目的在於檢測出實驗處理有多大的影響程度；而再加上後面兩組的目的是可以藉以檢測出前測是否會對後測產生學習與記憶效果。 2010/3/09 NCTU TTM 黃顯欽

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