Un esperimento è un tipo di metodo di ricerca in cui si manipolano una o più variabili indipendenti e si misura il loro effetto su una o più variabili dipendenti. Disegno sperimentale significa creare un insieme di procedure per testare un’ipotesi.
Un buon disegno sperimentale richiede una forte comprensione del sistema che si sta studiando. Considerando prima le variabili e come sono correlate (Passo 1), potete fare previsioni che siano specifiche e testabili (Passo 2).
Quanto ampiamente e finemente variate la vostra variabile indipendente (Passo 3) determinerà il livello di dettaglio e la validità esterna dei vostri risultati. Le tue decisioni sulla randomizzazione, i controlli sperimentali e i disegni indipendenti o a misure ripetute (Passo 4) determineranno la validità interna del tuo esperimento.
Passo 1: Definisci la tua domanda di ricerca e le variabili
Dovresti iniziare con una domanda di ricerca specifica in mente. Potresti aver bisogno di passare del tempo a leggere sul tuo campo di studio per identificare le lacune di conoscenza e trovare le domande che ti interessano.
In questa guida lavoreremo con due esempi di domande di ricerca, una di scienze della salute e una di ecologia:
Esempio di domanda 1: Uso del telefono e sonno
Vuoi sapere come l’uso del telefono prima di andare a letto influenzi i modelli di sonno. Nello specifico, chiedi come il numero di minuti in cui una persona usa il telefono prima di dormire influenzi il numero di ore di sonno.
Domanda di esempio 2: Temperatura e respirazione del suolo
Vuoi sapere come la temperatura influenzi la respirazione del suolo. Nello specifico, ti chiedi come l’aumento della temperatura dell’aria vicino alla superficie del suolo influenzi la quantità di anidride carbonica (CO2) respirata dal suolo.
Per tradurre la tua domanda di ricerca in un’ipotesi sperimentale, devi definire le variabili principali e fare previsioni su come sono correlate.
Inizia semplicemente elencando le variabili indipendenti e dipendenti.
| Domanda di ricerca | Variabile indipendente | Variabile dipendente |
|---|---|---|
| Uso del telefono e sonno | Minuti di uso del telefono prima di dormire | Ore di sonno per notte |
| Temperatura e respirazione del suolo | Temperatura dell’aria appena sopra la superficie del suolo | CO2 respirato dal suolo |
Poi devi pensare a possibili variabili di confusione e considerare come potresti controllarle nel tuo esperimento.
| Variabile confondente | Come controllarla | |
|---|---|---|
| Uso del telefono e sonno | Variazione naturale nei modelli di sonno tra gli individui. | Controllo statistico: misurare la differenza media tra il sonno con l’uso del telefono e il sonno con l’uso del telefono piuttosto che la quantità media di sonno per gruppo di trattamento. |
| Temperatura e respirazione del suolo | Anche l’umidità del suolo influenza la respirazione, e l’umidità può diminuire con l’aumentare della temperatura. | Controllate sperimentalmente: monitorate l’umidità del suolo e aggiungete acqua per assicurarvi che l’umidità del suolo sia costante in tutti i lotti di trattamento. |
Finalmente, mettete insieme queste variabili in un diagramma. Usate le frecce per mostrare le possibili relazioni tra le variabili e includete i segni per mostrare la direzione prevista delle relazioni.
Qui prevediamo che l’uso crescente del telefono sia negativamente correlato alle ore di sonno, e prevediamo un’influenza sconosciuta della variazione naturale sulle ore di sonno.
Qui prevediamo una correlazione positiva tra temperatura e respirazione del suolo e una correlazione negativa tra temperatura e umidità del suolo, e prevediamo che la diminuzione dell’umidità del suolo porterà alla diminuzione della respirazione del suolo.
Step 2: Scrivi la tua ipotesi
Ora che hai una forte comprensione concettuale del sistema che stai studiando, dovresti essere in grado di scrivere un’ipotesi specifica e verificabile che affronti la tua domanda di ricerca.
| Ipotesi nulla (H0) | Ipotesi alternativa (Ha) | |
|---|---|---|
| Uso del telefono e sonno | L’uso del telefono prima di dormire non è correlato alla quantità di sonno di una persona. | L’aumento dell’uso del telefono prima di dormire porta ad una diminuzione del sonno. |
| Temperatura e respirazione del suolo | La temperatura dell’aria non è correlata alla respirazione del suolo. | L’aumento della temperatura dell’aria porta ad un aumento della respirazione del suolo. |
I prossimi passi descrivono come progettare un esperimento controllato. In un esperimento controllato, devi essere in grado di:
- Misurare sistematicamente e precisamente la variabile indipendente.
- Misurare precisamente la variabile dipendente.
- Controllare ogni potenziale variabile di confondimento.
Se il tuo sistema di studio non corrisponde a questi criteri, ci sono altri tipi di ricerca che puoi usare per rispondere alla tua domanda di ricerca.
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Step 3: Progetta i tuoi trattamenti sperimentali
Come manipoli la variabile indipendente può influenzare la validità esterna dell’esperimento – cioè la misura in cui i risultati possono essere generalizzati e applicati al mondo più ampio.
Prima di tutto, potresti aver bisogno di decidere quanto ampiamente variare la tua variabile indipendente.
Esperimento di riscaldamento del suolo
Puoi scegliere di aumentare la temperatura dell’aria:
- poco al di sopra dell’intervallo naturale della tua regione di studio.
- su una gamma più ampia di temperature per simulare il riscaldamento futuro.
- su una gamma estrema che è oltre ogni possibile variazione naturale.
In secondo luogo, potresti aver bisogno di scegliere quanto finemente variare la tua variabile indipendente. A volte questa scelta è fatta per voi dal vostro sistema sperimentale, ma spesso dovrete decidere voi, e questo influenzerà quanto potrete dedurre dai vostri risultati.
Esperimento sull’uso del telefono
Potete scegliere di trattare l’uso del telefono come:
- una variabile categorica: o come binaria (sì/no) o come livelli di un fattore (nessun uso del telefono, basso uso del telefono, alto uso del telefono).
- una variabile continua (minuti di uso del telefono misurati ogni notte).
Step 4: Assegnare i soggetti ai gruppi di trattamento
Il modo in cui si applicano i trattamenti sperimentali ai soggetti del test è cruciale per ottenere risultati validi e affidabili.
In primo luogo, è necessario considerare la dimensione dello studio: quanti individui saranno inclusi nell’esperimento? In generale, più soggetti includete, maggiore sarà la potenza statistica del vostro esperimento, che determina la fiducia che potete avere nei vostri risultati.
Poi dovete assegnare casualmente i vostri soggetti ai gruppi di trattamento. Ogni gruppo riceve un diverso livello di trattamento (ad esempio nessun uso del telefono, basso uso del telefono, alto uso del telefono).
Dovresti anche includere un gruppo di controllo, che non riceve alcun trattamento. Il gruppo di controllo ci dice cosa sarebbe successo ai vostri soggetti senza alcun intervento sperimentale.
Quando assegnate i vostri soggetti ai gruppi, ci sono due scelte principali che dovete fare:
- Un disegno completamente randomizzato contro un disegno a blocchi randomizzati.
- Un disegno a misure indipendenti contro un disegno a misure ripetute.
Randomization
Un esperimento può essere completamente randomizzato o randomizzato all’interno di blocchi (alias strati):
- In un disegno completamente randomizzato, ogni soggetto è assegnato a un gruppo di trattamento in modo casuale.
- In un disegno a blocchi randomizzati (alias disegno casuale stratificato), i soggetti sono prima raggruppati secondo una caratteristica che condividono, e poi assegnati in modo casuale ai trattamenti all’interno di quei gruppi.
| Disegno completamente randomizzato | Disegno a blocchi randomizzati | |
|---|---|---|
| Uso del telefono e sonno | I soggetti sono tutti assegnati in modo casuale un livello di uso del telefono utilizzando un generatore di numeri casuali. | I soggetti sono prima raggruppati per età, e poi i trattamenti di uso del telefono sono assegnati in modo casuale all’interno di questi gruppi. |
| Temperatura e respirazione del suolo | I trattamenti di riscaldamento sono assegnati a caso ai lotti di terreno utilizzando un generatore di numeri per generare le coordinate della mappa all’interno dell’area di studio. | I terreni sono prima raggruppati in base alle precipitazioni medie, e poi le aree di trattamento sono assegnate in modo casuale all’interno di questi gruppi. |
A volte la randomizzazione non è pratica o etica, quindi i ricercatori creano disegni parzialmente casuali o addirittura non casuali. Un disegno sperimentale in cui i trattamenti non sono assegnati casualmente è chiamato disegno quasi-sperimentale.
Misure indipendenti o ripetute
In un disegno a misure indipendenti (noto anche come disegno tra soggetti o classico disegno ANOVA), gli individui ricevono solo uno dei possibili livelli di un trattamento sperimentale.
Nella ricerca medica o sociale, si potrebbero anche usare coppie abbinate all’interno del disegno a misure indipendenti per assicurarsi che ogni gruppo di trattamento contenga la stessa varietà di soggetti nelle stesse proporzioni.
In un disegno a misure ripetute (noto anche come disegno within-subjects o disegno ANOVA a misure ripetute), ogni individuo riceve ciascuno dei trattamenti sperimentali consecutivamente, e le loro risposte a ciascun trattamento vengono misurate.
Le misure ripetute possono anche riferirsi a un disegno sperimentale in cui un effetto emerge nel tempo, e le risposte individuali sono misurate nel tempo al fine di misurare questo effetto man mano che emerge.
Il controbilanciamento (randomizzare o invertire l’ordine dei trattamenti tra i soggetti) è spesso usato nel disegno a misure ripetute per garantire che l’ordine di applicazione del trattamento non influenzi i risultati dell’esperimento.
| Disegno a misure indipendenti | Design a misure ripetute measures design | |
|---|---|---|
| Uso del telefono e sonno | Ai soggetti viene assegnato casualmente un livello di uso del telefono (basso, medio o alto) e seguono tale livello di utilizzo del telefono per tutta la durata dell’esperimento. | I soggetti sono assegnati consecutivamente a livelli bassi, medi e alti di uso del telefono per tutto l’esperimento, e l’ordine in cui seguono questi trattamenti è randomizzato. |
| Temperatura e respirazione del suolo | I trattamenti di riscaldamento sono assegnati a caso agli appezzamenti di terreno e i terreni sono tenuti a questa temperatura per tutto l’esperimento. | Ogni lotto riceve ogni trattamento di riscaldamento (1, 3, 5, 8, e 10C sopra la temperatura ambiente) consecutivamente nel corso dell’esperimento, e l’ordine in cui ricevono questi trattamenti è randomizzato. |
Gli esperimenti sono sempre dipendenti dal contesto, e un buon disegno sperimentale terrà conto di tutte le considerazioni uniche del vostro sistema di studio per produrre informazioni che siano valide e pertinenti alla vostra domanda di ricerca.
Domande frequenti sugli esperimenti
Disegno sperimentale significa pianificare un insieme di procedure per indagare una relazione tra variabili. Per progettare un esperimento controllato, hai bisogno di:
- Un’ipotesi testabile
- Almeno una variabile indipendente che possa essere manipolata con precisione
- Almeno una variabile dipendente che possa essere misurata con precisione
Quando progetti l’esperimento, decidi:
- Come manipolare la variabile (o le variabili)
- Come controllare qualsiasi potenziale variabile di confondimento
- Quanti soggetti o campioni saranno inclusi nello studio
- Come i soggetti saranno assegnati ai livelli di trattamento
Il disegno sperimentale è essenziale per la validità interna ed esterna del tuo esperimento.
Puoi pensare alle variabili indipendenti e dipendenti in termini di causa ed effetto: una variabile indipendente è la variabile che pensi sia la causa, mentre una variabile dipendente è l’effetto.
In un esperimento, manipoli la variabile indipendente e misuri il risultato nella variabile dipendente. Per esempio, in un esperimento sull’effetto dei nutrienti sulla crescita delle colture:
- La variabile indipendente è la quantità di nutrienti aggiunti al campo coltivato.
- La variabile dipendente è la biomassa delle colture al momento del raccolto.
Definire le variabili, e decidere come manipolarle e misurarle, è una parte importante del disegno sperimentale.
Una variabile di confondimento, chiamata anche confondente o fattore di confondimento, è una terza variabile in uno studio che esamina una potenziale relazione causa-effetto.
Una variabile di confondimento è legata sia alla presunta causa che al presunto effetto dello studio. Può essere difficile separare il vero effetto della variabile indipendente dall’effetto della variabile di confondimento.
Nel tuo progetto di ricerca, è importante identificare le potenziali variabili di confondimento e pianificare come ridurre il loro impatto.
Un gruppo sperimentale, noto anche come gruppo di trattamento, riceve il trattamento di cui i ricercatori vogliono studiare gli effetti, mentre un gruppo di controllo no. Dovrebbero essere identici in tutti gli altri modi.
La validità interna è il grado di fiducia che la relazione causale che stai testando non sia influenzata da altri fattori o variabili.
La validità esterna è la misura in cui i tuoi risultati possono essere generalizzati ad altri contesti.
La validità del tuo esperimento dipende dal tuo disegno sperimentale.
Affidabilità e validità si riferiscono entrambe a quanto bene un metodo misura qualcosa:
- L’affidabilità si riferisce alla coerenza di una misura (se i risultati possono essere riprodotti nelle stesse condizioni).
- La validità si riferisce all’accuratezza di una misura (se i risultati rappresentano davvero ciò che si suppone che misurino).
Se stai facendo una ricerca sperimentale, devi anche considerare la validità interna ed esterna del tuo esperimento.