Kokeellinen tutkimus

Päivitetty 2.4.2019.

Kokeellisen tutkimuksen peruskysymys: Onko vaikutusta?

Esimerkki. Onko alkoholilla vaikutusta reaktioaikaan? Tämä selviää kokeilemalla. Voin suunnitella koeasetelman, jossa mittaan reaktioaikoja ilman alkoholia ja alkoholin vaikutuksen alaisena. Tässä on kyse kokeellisesta tutkimuksesta.

Kokeellisessa tutkimuksessa tutkija aktiivisesti muuttaa oletettua vaikutuksen aiheuttajaa (nautittu alkoholi) ja tarkkailee mahdollista vaikutusta (reaktioajan muutos). Kokeellista tutkimusta käytetään nimenomaan syy-vaikutussuhteiden tutkimiseen.

Syy-vaikutus?

Voin perustellusti väittää, että muuttujan x arvojen muutos vaikuttaa muuttujan y arvoihin (syy-vaikutussuhde), jos seuraavat kolme ehtoa täyttyvät:

  1. x:n muutos esiintyy ajallisesti ennen y:n muutosta
  2. x:n muutoksen ja y:n muutoksen välillä on riippuvuutta
  3. x:n muutoksen jälkeen havaittua y:n muutosta ei voida selittää millään muilla tekjöillä.

Yllä lueteltujen kolmen ehdon täyttyminen pyritään kokeellisessa tutkimuksessa varmistamaan seuraavasti:

  • Tutkija muuttaa syyksi arvellun muuttujan x arvoja ja mittaa y:n arvot sen jälkeen. Näin taataan, että x:n muutos esiintyy ajallisesti ennen y:n muutosta.
  • Tutkija selvittää tilastollisia menetelmiä käyttäen onko x:n ja y:n välinen riippuvuus tilastollisesti merkitsevää eli suurempaa kuin satunnaisvaihtelun aiheuttama riippuvuus.
  • Koeasetelma pyritään järjestelemään siten että muiden mahdollisesti y:hyn vaikuttavien tekijöiden vaikutus saadaan kontrolloitua.

Klassinen koeasetelma

Jos tutkin alkoholin vaikutusta reaktioaikaan, niin voin toteuttaa klassisen koeasetelman seuraavasti:

  • Valitsen joukon koehenkilöitä.
  • Jaan koehenkilöt satunnaisesti kahteen ryhmään. Satunnaistamisella pyrin takaamaan ryhmät, jotka ovat muiden reaktioaikaan vaikuttavien tekijöiden osalta samankaltaiset.
  • Ensimmäiselle ryhmälle (vertailuryhmä) mittaan reaktioajat ilman alkoholia.
  • Toiselle ryhmälle (koeryhmä) annan nautittavaksi tietyn määrän alkoholia ja mittaan reaktioajat esimerkiksi tunnin kuluttua alkoholin nauttimisesta.
  • Lasken kummallekin ryhmälle reaktioaikojen keskiarvon. Jos keskiarvojen välillä on merkitsevä ero, niin voin pitää tätä alkoholin vaikutuksena.

Pystynkö osoittamaan edellä kuvatulla koeasetelmalla alkoholin mahdollisen vaikutuksen reaktioaikaan? Tarkastellaan asiaa syy-vaikutussuhteen kolmen ehdon pohjalta:

  1. x:n muutos esiintyy ajallisesti ennen y:n muutosta
  2. x:n muutoksen ja y:n muutoksen välillä on riippuvuutta
  3. x:n muutoksen jälkeen havaittua y:n muutosta ei voida selittää millään muilla tekjöillä.

1. Kuvatussa koeasetelmassa on selvää, että syyksi arvellun muuttujan (alkoholi) muutos tapahtuu ajallisesti ennen vaikutusta (reaktioajan mahdollinen muutos).

2. Alkoholin ja reaktioajan välisen riippuvuuden olemassaolon voin varmistaa vertaamalla koeryhmän ja vertailuryhmän reaktioaikojen keskiarvoja. Käytännössä voin testata koeryhmän ja vertailuryhmän eron merkitsevyyden kahden riippumattoman otoksen t-testillä.

3. Muiden reaktioaikaan mahdollisesti vaikuttavien tekijöiden osalta voin tehdä muiden muassa seuraavia huomioita:

  • Jos reaktioajoissa on runsaasti henkilöiden välistä vaihtelua, niin reaktioaikojen ero vertailuryhmän ja koeryhmän välillä voi peittyä henkilöiden välisen vaihtelun alle. Epäkohdan korjaamiseksi voin vakioida vaihtelua mahdollisesti aiheuttavia tekijöitä. Voin esimerkiksi valita koehenkilöiksi vain 30-35 vuotiaita miehiä.
  • Jos reaktioaika ilman alkoholia mitataan heti ja alkoholia nauttineiden vasta tunnin päästä, niin odottelun aiheuttama väsyminen voi vaikuttaa reaktioaikaan. Tämä epäkohta voidaan korjata laittamalla myös alkoholia nauttimattomat odottamaan tunti ennen reaktioajan mittaamista.
  • Jos nesteen nauttiminen vaikuttaa reaktioaikaan, niin mahdollisesti havaittava ero ei välttämättä johdukaan alkoholista. Tämä epäkohta voidaan korjata juottamalla vertailuryhmälle esimerkiksi mehua.
  • Jos alkoholia nauttineilla on ennakkokäsitys alkoholin vaikutuksesta reaktioaikaan, niin he voivat aiheuttaa muutoksen reaktioaikaan omalla asenteellaan. Tämä epäkohta korjaantuisi, jos kyseessä olisi sokkokoe (henkilöt eivät tietäisi kumpaan ryhmään kuuluvat). Käytännössä sokkokoe ei tässä onnistu, koska alkoholia nauttineet luultavasti havaitsevat nauttineensa alkoholia.
  • Jos reaktioajan mittaus perustuu yhteen mittaukseen, niin satunnaisista syistä johtuen joillekin henkilöille saattaa tulla huono reaktioaika (keskittymisen herpaantuminen). Mittaustapahtumaan kannattaa siis kiinnittää erityistä huomiota. Mittauksen voisi toistaa useita kertoja ja eri kerroista voisi laskea keskiarvon.

Yllä kerrotun perusteella muiden mahdollisesti vaikuttavien tekijöiden kontrollointi vaatii paljon ajattelua ja vaivaa. Mitä paremmin muut havaittua vaikutusta selittävät tekijät saadaan kontrolloitua sitä korkeampi on koeasetelman sisäinen validiteetti.

Klassinen koeasetelma etukäteismittauksella

Voin liittää koeasetelmaan myös etukäteismittauksen. Tällöin voin varmistua siitä, että koeryhmä ja vertailuryhmä ovat lähtötilanteessa samankaltaiset. Niidenhän pitäisi olla samankaltaiset, koska kohdejoukko on jaettu satunnaisesti koeryhmään ja vertailuryhmään.

Riippuu tutkittavasta asiasta, onko etukäteismittaus paikallaan. Jos esimerkiksi vertaan kahden erilaisen mainoskirjeen vaikutusta vastaanottajien keskiarvotilaukseen, niin etukäteismittaus ei ole edes mahdollinen. Jos taas tutkin verenpainelääkkeen tehoa, niin mittaan kohdejoukon verenpaineet ennen lääkityksen aloittamista. Kun tutkin alkoholin vaikutusta reaktioaikaan, niin etukäteismittaus on mahdollinen.

Esimerkki. Voin mitata kaikilta koehenkilöiltä reaktioajan. Tämä jälkeen vertailuryhmä juo mehua ja koeryhmä juo alkoholia. Esimerkiksi tunnin kuluttua juomisesta mittaan reaktioajat uudelleen. Kullekin henkilölle lasken reaktioajan muutoksen ensimmäisestä mittauksesta toiseen mittaukseen. Kummallekin ryhmälle lasken reaktioaikojen muutosten keskiarvon. Näiden keskiarvojen eroa voin testata kahden riippumattoman otoksen t-testillä.

Sisäinen ja ulkoinen validiteetti

Mainitsin jo aiemmin sisäisen validiteetin. Sillä tarkoitetaan koeasetelman pätevyyttä syy-vaikutussuhteen osoittamiseen. Mitä paremmin pystyn kontrolloimaan muut mahdollisesti vaikutusta aiheuttavat tekijät, sitä korkeampi on tutkimuksen sisäinen validiteetti.

Ulkoinen validiteetti liittyy tulosten yleistämiseen toiseen paikkaan, toiseen kohdejoukkoon, toiseen ajankohtaan jne. Ulkoinen validiteetti on sitä parempi, mitä paremmin voin yleistää tulokset koeasetelman ulkopuolelle.

Kategorinen muuttuja

Jos mitattava muuttuja on kategorinen, niin keskiarvojen käyttö ei tule kyseeseen. Tällöin en voi testata eron merkitsevyyttä riippumattomien otosten t-testillä. Lue lisää artikkelistani Onko ryhmien välinen ero tilastollisesti merkitsevä.

Toistomittaus

Vaihtoehto edellä kuvatulle asetelmalle on toistomittausasetelma, jossa tutkittavia ei erotella koeryhmään ja vertailuryhmään, vaan mitataan samoille henkilöille reaktioajat ilman alkoholia ja alkoholia nauttineina. Voit lukea lisää artikkelistani Toistomittausasetelma.

Useita ryhmiä

Edellä käsittelin koeasetelmaa, jossa on vertailuryhmä ja koeryhmä. Vertailuryhmään ei kohdisteta mitään käsittelyä tai lumekäsittely. Jos koeastelmassa halutaan tarkastella useita erilaisia käsittelyitä, niin ryhmiä on useampia kuin 2.

Esimerkki. Voin mitata reaktioaikoja kolmelle toisistaan riippumattomalle ryhmälle: ilman alkoholia, kahden alkoholiannoksen jälkeen ja neljän alkoholiannoksen jälkeen. Tällöin käytän reaktioaikojen keskiarvojen erojen testaamiseen yksisuuntaista varianssianalyysiä.