第一章心理学实验与变量
心理学实验可以帮助研究者发现变量之间的因果关系。为了确定因果关系，需要对心理现象或行为进行精确测量，测量越精确，越能提高研究者所确定变量之间因果关系的可靠性。眼动追踪技术在心理语言学研究中的应用，能够让研究者精确测量出在阅读过程（包括默读和出声朗读）、语言产生等各种语言相关行为中眼睛的运动情况（包括注视和眼跳）。根据眼脑协调假说（ Just，Carpenters， 1980），读者所注视的词汇即为其脑中正在加工的词汇，因此眼睛的注视位置以及所停留的时间能够反映人们的认知加工情况，这有助于研究者探讨自变量与阅读过程中认知加工之间的关系。
眼睛是心灵的窗口，而眼动追踪技术的进步与发展能够让我们更加精细地观察自己的心灵。
第一节心理学实验简述
一、心理学实验的概念
心理学研究者采用实验的方法探索哪些因素会影响人们的认知加工。那么什么是心理学实验？为什么实验者可以通过心理学实验探讨因果关系？
关于心理学实验，Simon（1974）给出了一个定义，他认为“实验”在心理学中具有特定的含义，心理学实验是研究者通过操纵一个或多个自变量，从而创设多种实验条件，观测多种实验条件下的因变量。同时， Simon提出一个虚无假设：因变量的值在多种实验条件下是不存在显著差异的，如果观测到的值拒绝了虚无假设，那么我们能够得出因变量受自变量的影响这一结论。从这一定义能够看出，心理学实验可以让实验者探讨所操纵的自变量的变化是否造成了因变量的变化，如果自变量变化时因变量也随之发生变化，那么研究者则认为自变量是因，因变量是果。
根据 Simon所提出的心理学实验的概念，在心理学实验中有两个概念需要明确，即自变量和因变量。自变量和因变量都是变量，是指在性质、数量上可以变化、操纵或测量的条件、现象或特征（郭秀艳， 2004）。在心理学实验中，其常常用来指具有两种或两种以上取值的事件或行为（白学军， 2017）。自变量是指研究者假设并进行操纵了的可能会导致因变量发生变化的变量。在心理学实验中，研究者假设自变量的变化会导致研究对象的某个特定行为随之发生相应的变化，为了检测这种行为上的变化，研究者所观测或测量的变量即为因变量。或者说因变量是研究者操纵自变量引起研究对象所做出的某种特定反应（白学军， 2017）。心理学实验即研究者通过操纵自变量的变化，来探讨这种自变量的变化是否引起了因变量随之发生变化，从而确定自变量与因变量之间是否存在因果关系。
在使用眼动技术进行心理语言学的实验研究时，实验者所操纵的是语言相关的变量，比如，词的词频、词的复杂性、词的预测性、句法结构、句子难度等，这些都可以作为自变量。读者在阅读时的眼动行为，比如，注视（fixation）、眼跳（saccade）即为因变量。例如， Rayner等（ 2005）探讨了目标词的预测性在汉语阅读中对词汇识别的影响，目标词的预测性分为高预测性、中等预测性、低预测性。研究者使用眼动仪记录了被试在注视不同预测性目标词时的首次注视时间（first fixation duration）、凝视时间（ gaze duration）、总注视时间（total fixation duration）和第一遍阅读中注视比率（ probability of first-pass fixation），结果发现目标词的预测性越高，注视时间越短，第一遍被注视的可能性越小。在这一项研究中，目标词的预测性为自变量，包括三个水平 —高预测性、中预测性、低预测性，注视时间以及注视比率即为因变量。可见在该项研究中，自变量变化时，因变量也随之发生了变化，因此可以得出结论：句子阅读中词的预测性会影响对该词的阅读加工。
二、心理学实验的构成部分
在进行心理学实验前，实验者需要从以下几个方面进行考虑。
（一）被试
实验者在进行实验之前需要考虑所要观测、测量的群体，即确定所要研究的总体样本。在心理学实验中，实验被试的总体样本往往是十分巨大的，基本上不可能对所有被试进行观测、测量，而是往往选择一个有代表性的样本进行。在选择样本时，需要考虑的第一个重要问题是样本的代表性：选择的样本是否能够代表总体的情况。如果被试样本没有代表性或者说存在选择偏差，会直接影响到实验的结果与效度。第二个需要考虑的问题是，从总体样本中选择多少名被试作为测量的样本。样本数量的选择与统计效力有关，统计效力是指正确拒绝虚无假设的概率。一般来说，样本容量越大，统计效力越大。统计效力与α水平、样本容量和效应量有关，效应量是指在总体样本中自变量与因变量的关系强度。实验者可以通过查阅相关研究领域的以往文献来确定预期的效应量，之后根据 α水平、预期效应量的大小来确定一个合理的样本容量，既能节省实验的成本，又能够帮助实验者检测实验中自变量是否产生了某种效应。
（二）实验设计
实验设计是心理学实验中的核心部分。在实验设计部分，实验者要确定对哪些自变量进行操纵，是操纵一个自变量还是多个自变量，同时需要考虑每个自变量设置几种水平，即确定总的实验条件、对每个自变量所采用的操纵方法。此外，还要确定对哪些无关变量进行控制以及如何控制。关于自变量的操纵与额外变量的控制将在下一章进行详细的介绍。
（三）实验材料
在很多心理学实验中，自变量的操纵与额外变量的控制都是通过实验材料来实现的，即实验材料是实验设计的目标得以实现的工具，特别是在心理语言学的实验中，实验材料既要符合基本的阅读情况，又要体现出实验设计，也要能够控制额外变量。因此，实验材料是否符合实验要求往往直接决定了实验的成败。
（四）实验仪器
实验者要通过何种实验仪器来观测被试的目标行为？实验者要根据实验的具体要求来选择实验仪器，尽可能选择精度高的仪器。例如，在心理语言学的眼动实验中，应用*广泛的是加拿大 SR-Research公司生产的 EyeLink系列的眼动追踪系统，该系列的眼动仪时间采样率能够达到 1000Hz以上，分辨率≤0.02°，精度≤0.5°，实时追踪延时≤ 1.8ms，能够较好地达到实验要求的测量精度。
（五）实验程序
实验程序是实验进行的具体过程，包括主试如何操纵仪器。例如，在眼动实验中具体包括主试如何对眼动仪进行校准，校准成功的标准等；被试在实验过程中需要完成的任务，完成实验任务的具体过程等；实验材料的呈现顺序，如随机呈现还是以固定顺序呈现等，对于实验材料如何呈现从而避免顺序效应，在后面的章节中我们会进行介绍。实验程序是否准确直接关系到所测量指标的准确性。
（六）数据分析
数据分析过程即通过对观测到的数据进行统计分析，检验实验所操纵的自变量是否造成了因变量的变化。在数据分析部分，需要考虑的是选择哪些变量作为因变量。例如，在心理语言学的眼动实验中，研究者感兴趣的行为即阅读过程中的眼动情况，而眼动情况可分为注视行为和眼跳行为，而注视行为又包括多个指标，同样眼跳行为也包括多个指标，因此研究者需要确定选择哪些指标进行分析。在选择了要分析的指标后，研究者需要考虑使用哪种统计方法对数据进行分析。当然采用何种统计方法对数据进行分析是由实验设计决定的。在心理语言学的眼动实验中，可以对多个眼动指标进行分析，不同的眼动指标代表了加工过程的不同阶段，通过对多个指标进行分析，可以详细地考察自变量对哪个或者哪些认知加工阶段产生了影响。
第二节心理学实验中的变量
在上一节中我们提到，变量是指在性质、数量上可以变化、操作或测量的条件、现象或特征（郭秀艳， 2004）。在心理学实验中，变量至少有两个以上的取值，并且可以通过特定的方法加以测量。心理学实验实质上就是研究者对变量之间关系的确定。根据变量之间的关系，变量可分为相关变量和因果变量。相关变量是指存在相关关系的变量。当变量之间存在相关关系时，一个变量发生变化，另一个变量也随着发生相应的变化，但是并不能确定哪一个是因、哪一个是果。在因果变量中，一个变量的变化是另一个变量变化的原因。
一、变量之间的因果关系
虽然心理学实验能够让研究者确定变量之间的因果关系，但是在确定因果关系时需要十分谨慎。克里斯滕森等（ 2018）在《研究方法、设计与分析》（第 11版）一书中提到，在确定变量之间的因果关系时，需要满足三个条件：①变量 A （假设的原因变量）与变量 B（假设的结果变量）必须是关联的或相关的，即两者之间存在关系；②假设的原因变量（变量 A）的变化必须发生在结果变量（变量B）之前，即原因变量和结果变量之间存在时间上的顺序；③变量 A（假设的原因变量）与变量 B（假设的结果变量）之间的关系不存在替代解释，即两个变量之间的关系不存在其他合理的解释。为了满足这一条件，心理学研究者往往在操纵假设的原因变量发生变化时，会使其他变量保持恒定，或者消除其他变量，以此来尽可能地消除两个变量之间可能存在的替代解释。
二、心理学实验中的变量类型及操纵
根据确定因果关系的原则，在心理学实验中，研究者往往通过操纵一个或多个变量的变化，并保持其他变量不发生变化，来观察与之相对应的结果变量是否也发生了变化。
在心理学实验的各种变量中，因果变量往往不是一因一果的关系，而更多的是一因多果、多因一果、多因多果的关系。在心理语言学的眼动实验中，极少存在一因一果的关系，比如，在阅读过程中，某个词的注视持续时间的长短会受到该词的词长、词频、预测性、复杂性等因素的影响，这些变量之间的关系就是多因一果的关系；在拼音文字的阅读中，一个词的词长既对该词的注视时间产生影响，又会对注视点在该词上的落点位置产生影响，这种变量之间的关系就是一因多果的关系。
（一）自变量
在实验中，研究者操纵使之发生变化的变量即为自变量，它是可能存在的因果关系变量中的原因变量。
自变量需要满足一定的条件：①自变量本身是能够发生变化的；②自变量可能会引起实验者感兴趣的心理现象或行为发生变化；③自变量的变化可以进行操纵或测量。
在实验中，实验者需要对自变量进行操纵，让自变量发生变化，一个自变量至少有两个水平。比如， Bai等（2008）采用插入空格的方式探讨了词切分在汉语阅读中的作用。其让被试阅读正常的无空格文本、词间空格文本、字间空格文本和非词空格文本。在这一研究中，文本的词切分方式即为自变量，包括四个水平，即无空格、词间空格、字间空格和非词空格。
自变量可以分为不同的种类。根据自变量能否被实验者所操纵，自变量可分为观测自变量和可操纵自变量。观测自变量是指该变量虽然会发生变化，但是实验者无法对其进行操纵性的改变，而只能对其进行观测、测量而考察其变化。对于与被试本身相关的自变量，研究者往往无法对其进行操纵使之发生变化。在心理语言学的眼动实验中，比如，读者的年龄、读者的受教育年限、读者阅读能力的高低、读者是否存在阅读障碍、读者的阅读速度等变量均是此类变量。这些与被试本身有关的自变量往往需要通过一些测量或者测验来确定。比如，读者是否存在阅读障碍需要一些辅助的测验来确定。还有一些自变量只能在实验完成之后才能确定，比如，词上的注视点落点位置对注视时间的影响、眼跳的起跳位置对词的注视时间的影响等，这些自变量对实验仪器的精确度以及实验仪器操纵的准确度要求较高。对于这些变量，研究者均不能对其加以操纵，只能对其进行观测、测量，然后将其分成不同的水平，再对这些自变量的变化是否引起了因变量的变化进行检验。
可操纵自变量是研究者可以直接加以操纵的自变量。在心理语言学的眼动实验中，可操纵自变量的操纵方法包括：①通过实验材料加以操纵，比如，词频的高低、字的笔画数的多少、词的预测性、实验材料难度的大小等；②通过特定的范式加以操纵，比如，在采用移动窗口范式所进行的关于知觉广度（阅读过程中一次注视所能获取信息的范围）的研究中，研究者可以对窗口的大小进行操纵
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