Розуміння контрольних змінних в експериментах

Життя дослідника сповнене викликів. Як тільки ви вступаєте на дослідницьку програму або приєднуєтеся до будь-якої установи, мета дослідника - шукати подібності, відмінності, тенденції та знаходити статистичну значущість в отриманих експериментальних даних. Щодня дослідник намагається по-своєму розгадати таємничий всесвіт. Ви можете шукати відповіді на імунологічні питання, пов'язані з COVID, або ставити під сумнів фундаментальну теорію фізики. Незалежно від галузі дослідження, дослідник живе життям, в якому запитання > експеримент > аналіз > повторення!

Уявіть собі такий сценарій: одного чудового ранку ви спостерігаєте результати після 15 днів інкубації вашого мікробіологічного експерименту, і ви впевнені, що це саме те, що треба! Це рішення світової продовольчої кризи! Ви входите до лабораторії з надзвичайним ентузіазмом і після ранкової кави прямуєте до свого інкубатора. З книгою записів у руці і ремінцем фотоапарата на шиї, ви підходите до інкубатора, і ви шоковані!!! Температура в інкубаторі була змінена з необхідної вам до 45 градусів за Цельсієм! Серце калатає, а ви не знаєте, що робити з тими засохлими пластинами в руці!

Заспокойтеся, це була лише уява, але якщо ви зосередитеся на історії, то зрозумієте, що найбільше ви дбали про температуру інкубатора. Ця змінна, яку ви тримали постійною для всіх пластин, в той час як ви змінювали деякі поживні речовини у складі всіх середовищ. Так! Це та змінна, про яку ми сьогодні поговоримо - контрольна змінна. Контрольна змінна - це параметр, який залишається незмінним протягом експерименту. В одному експерименті може бути більше однієї контрольної змінної. Давайте розглянемо характеристики контрольної змінної і те, як отримати більшу частину її значень за будь-яких експериментальних умов.

Визначення та мета

Контрольна змінна, також відома як контрольована змінна, - це елемент, який не змінюється протягом експерименту. Її мета полягає в тому, щоб забезпечити точне вимірювання впливу незалежної змінної на залежну без втручання інших змінних. Контрольні змінні залишаються постійними, щоб запобігти їхньому впливу на результат, що дозволяє чітко оцінити взаємозв'язок між незалежною і залежною змінними.

Розглянемо простий експеримент, щоб визначити, як кількість сонячного світла впливає на ріст рослин. Тут незалежною змінною є кількість сонячного світла, а залежною - ріст рослин. Можливі контрольні змінні можуть включати

Тип рослини: Переконайтеся, що всі використовувані рослини належать до одного виду.
Кількість води: Поливайте кожну рослину однаковою кількістю води.
Тип ґрунту: Використовуйте один тип ґрунту для всіх рослин.
Розмір горщика: Переконайтеся, що всі рослини знаходяться в горщиках однакового розміру.
Температура: Тримайте рослини в однакових температурних умовах.

Контролюючи ці змінні, ви можете з більшою впевненістю пояснити відмінності в рості рослин кількістю сонячного світла, яке вони отримали, а не відмінностями у воді, ґрунті чи іншими факторами. Дізнайтеся про різні типи змінних тут.

Визначення контрольних змінних

Визначення контрольних змінних - це перший крок у плануванні експерименту. Контрольні змінні є технічно непрямими індикаторами того, що буде нашими експериментальними змінними. Всі змінні, вплив яких ми хочемо перевірити, будуть змінюватися в різних діапазонах під час експерименту, тоді як контрольна змінна залишиться незмінною.

Визначте мету експерименту

Першим кроком у визначенні того, якими будуть контрольні змінні, є чітке формулювання мети експерименту. Мета експерименту формулюється у вигляді твердження або дослідницького питання про експеримент, який ви хочете провести. Дослідницьке питання - це питальне твердження про те, що ви будете досліджувати і чому це становить інтерес/важливість. Наприклад, якщо ви перевіряєте вплив якогось фактора на якийсь результат, ви повинні вказати, що це за фактор, який ви контролюєте або яким маніпулюєте, і що саме ви вимірюєте, щоб встановити результат. Визначення цих двох речей є основою побудови всього експериментального дизайну. Це допомагає структурувати експеримент таким чином, щоб результати могли бути дійсно пов'язані зі змінними, які тестуються, а не з іншими факторами.

Перерахуйте потенційні фактори впливу

Визначивши мету експерименту, визначте всі потенційно релевантні фактори, які можуть вплинути на залежну змінну, що не є незалежною змінною. Це змінні, які можуть впливати на вихідні дані і, отже, зробити результати упередженими або з високим рівнем коливань. Ідентифікація впливових факторів вимагає чіткого знання предметної області дослідження та умов проведення експерименту. Наприклад, потенційними факторами впливу можуть бути умови навколишнього середовища, властивості матеріалу, характеристики учасників і деталі процедури. Перелічивши всі ці параметри, дуже легко визначити, на які з них слід звернути увагу, щоб сформульовані експериментальні результати вважалися достовірними і прийнятними.

Виберіть змінні для керування

Після визначення потенційних параметрів, які слугуватимуть факторами, що контролюються, та їх потенціалу діяти як фактори в процесі, наступним кроком є вибір змінних, що підлягають контролю. Дуже важливо, щоб на цьому етапі змінні, які підлягають контролю, були названі відповідно до рівня впливу кожної з них на залежну змінну, а також рівня простоти або вартості, з якими буде пов'язана спроба контролювати ці параметри. Причина полягає в тому, що тільки незалежна змінна повинна впливати на залежну змінну. Це виконує функцію балансу між компромісною необхідністю контролювати так багато змінних в експерименті, щоб бути впевненим у певному взаємозв'язку між незалежними і залежними змінними, і простим бажанням не ускладнювати експеримент.

Раціоналізуйте потребу в контролі

Останній крок полягає в обґрунтуванні того, чому визначені змінні необхідно контролювати. Це передбачає пояснення того, як зміни у визначених таким чином змінних можуть спричинити певні зміни у залежній змінній і, таким чином, пояснити деякі сприйняття, які в кінцевому підсумку виявляються помилками. Обґрунтування того, чому було включено кожну контрольну змінну, дозволить вам переконатися в тому, що ваш дизайн є якісним, а отримані результати пояснюються маніпуляціями з незалежними змінними, а не сторонніми змінними. Це обґрунтує стійкість експерименту, в якому вплив сторонніх змінних зменшується, тому результати будуть більш точними і надійними. Це також допомагає описати експериментальний дизайн для інших і забезпечує прозорість і відтворюваність досліджень.

Приклади контрольних змінних

Старший. Ні.	Загальновживана змінна керування	Мета та опис
1	Температура	Забезпечення однакової температури для всіх експериментальних груп, щоб запобігти впливу температурних коливань на результати.
2	Вологість	Підтримання постійного рівня вологості для контролю будь-якого впливу вологи на результат.
3	Інтенсивність світла	Підтримуйте однакові умови освітлення, щоб уникнути впливу коливань світла на результати експерименту.
4	Час доби	Проведення експериментів в один і той самий час доби, щоб контролювати будь-які добові коливання, які можуть вплинути на результат.
5	Тип обладнання	Використання однакового обладнання або приладів для всіх груп, щоб забезпечити узгодженість вимірювань.
6	Джерело матеріалу	Закупівля матеріалів від одного постачальника або партії, щоб запобігти варіативності через відмінності у властивостях матеріалів.
7	Розмір вибірки	Забезпечення однакового розміру вибірки в групах для збереження статистичної потужності та балансу.
8	Демографічні дані учасників	Контроль за віком, статтю, соціально-економічним статусом та іншими демографічними факторами для зменшення варіативності серед учасників.
9	Харчовий раціон	Стандартизація споживання їжі або поживних речовин при вивченні фізіологічних або біохімічних результатів.
10	Рівні відпочинку та активності	Регулювання режиму відпочинку та активності для контролю наслідків фізичних навантажень.
11	Навчання та інструкції	Забезпечення послідовного навчання та інструктажів для всіх учасників, щоб забезпечити однакове розуміння та виконання.
12	Тривалість експозиції	Час впливу незалежної змінної має бути однаковим у всіх групах.
13	Умови навколишнього середовища	Стандартизація факторів навколишнього середовища, таких як шум, якість повітря та інші умови навколишнього середовища.
14	Поводження та догляд	Забезпечення однакового поводження з усіма суб'єктами або зразками та догляду за ними протягом усього експерименту.
15	Методи вимірювання	Використання однакових методів та інструментів для збору даних, щоб забезпечити узгодженість вимірювань.
16	Передекспериментальні умови	Стандартизація умов до початку експерименту, наприклад, періодів акліматизації тварин чи рослин.
17	Аналіз після експерименту	Використання послідовних методів аналізу для забезпечення порівнянності даних між різними експериментальними групами.
18	Рандомізація	Випадковий розподіл респондентів на експериментальну та контрольну групи для контролю упередженості відбору.
19	Засліплення	Впровадження одно- або подвійних сліпих процедур для контролю упередженості спостерігача або учасника.
20	Географічне розташування	Проведення експериментів в одному місці, щоб запобігти впливу географічних відмінностей на результати.

Роль контрольних змінних в експерименті

Роль контрольних змінних можна зрозуміти глибше через їхній внесок у валідність та функцію виключення альтернативних пояснень.

Забезпечення дійсності

Валідність - це ступінь, до якого результати експерименту точно відображають явище, що вивчається. Існує кілька типів валідності, зокрема внутрішня валідність (ступінь, до якого експеримент точно демонструє причинно-наслідковий зв'язок) і зовнішня валідність (ступінь, до якого результати можуть бути узагальнені на інші умови).

Усунення альтернативних пояснень

Одне з основних призначень контрольних змінних - виключити альтернативні пояснення спостережуваних результатів. У будь-якому експерименті на залежну змінну можуть впливати численні фактори. Без контролю за цими факторами було б важко визначити, чи пов'язані спостережувані ефекти з незалежною змінною, чи з якоюсь іншою змінною.

Контрольні змінні допомагають зменшити різні види упередженості, які в іншому випадку можуть спотворити результати. Наприклад, похибку відбору можна мінімізувати, контролюючи демографічні змінні, такі як вік і стать. Аналогічно, процедурні похибки можна зменшити, стандартизувавши процедури в різних експериментальних групах. Контролюючи ці змінні, дослідники можуть мінімізувати вплив упереджень, які в іншому випадку могли б дати альтернативне пояснення результатам.

Відмінність контрольних змінних від інших змінних

Незалежні та залежні змінні

Згідно з визначенням, наведеним у довіднику Indeed кар'єра, незалежна змінна - це "змінна, яка стоїть окремо і не змінюється під впливом інших змінних або факторів, що вимірюються", тоді як залежна змінна - це "змінна, яка залежить від інших факторів, що вимірюються, і може змінюватися під впливом цих факторів". читати далі тут.

Моніторинг та коригування змінних управління

Регулярний моніторинг

Постійно відстежуйте контрольні змінні, використовуючи відповідні інструменти та методи. Наприклад, використовуйте щоденники харчування, трекери фізичних вправ і періодичні медичні огляди, щоб переконатися, що учасники дотримуються протоколу дослідження.

Реалізувати рандомізацію

Випадковий розподіл суб'єктів або зразків в експериментальні та контрольні групи, щоб мінімізувати упередженість відбору та забезпечити рівномірний розподіл контрольних змінних.

Засліплення

Якщо можливо, застосовуйте одно- або подвійні сліпі процедури, коли учасники та/або дослідники не знають про розподіл на групи. Це допомагає зменшити упередженість при обробці та вимірюванні.

Виклики в управлінні контрольними змінними

Визначення прихованих змінних

Уявіть собі дослідження, метою якого було оцінити ефективність нового методу викладання на успішність учнів з математики. Дослідники порівнювали дві групи студентів: одна з них навчалася за традиційною методикою (контрольна група), а інша - за новою (експериментальна група). Основним показником успішності є результати учнів на стандартизованому тесті з математики.

Прихована змінна: Соціально-економічний статус учнів є прихованою змінною, яка може суттєво впливати на їхню академічну успішність. SES може впливати на доступ до таких ресурсів, як приватні репетитори, книги, батьківська підтримка та сприятливе навчальне середовище вдома.

Стратегії забезпечення послідовності

Стандартні операційні процедури (СОП): Впровадження детальних СОП для кожного аспекту експерименту може допомогти забезпечити послідовне управління контрольними змінними. СОП повинні охоплювати все: від того, як збирають і обробляють зразки, до того, як проводять вимірювання і реєструють їх.
Калібрування та обслуговування обладнання: Регулярне калібрування і технічне обслуговування обладнання є важливими для того, щоб вимірювання залишалися послідовними в часі. Використання однакового обладнання для всіх експериментальних груп може допомогти мінімізувати варіабельність, зумовлену інструментарієм.
Навчання та моніторинг: Забезпечення ретельної підготовки всього персоналу, залученого до експерименту, може допомогти зберегти послідовність. Регулярний моніторинг і періодична перепідготовка можуть забезпечити правильне дотримання процедур протягом усього дослідження.
Контроль навколишнього середовища: Для експериментів, чутливих до умов навколишнього середовища, використання контрольованих середовищ, таких як кімнати з клімат-контролем або ростові камери, може допомогти підтримувати стабільні умови. Безперервний моніторинг змінних навколишнього середовища може допомогти швидко виявити і виправити будь-які відхилення.
Засліплення: Впровадження методів засліплення, коли особа, яка проводить експеримент, не знає, яка група є контрольною, а яка - експериментальною, може допомогти зменшити упередженість і забезпечити рівномірне застосування контрольних змінних.

Незважаючи на ці стратегії, підтримання узгодженості контрольних змінних може бути трудомістким і вимагає ретельної уваги до деталей. Варіації, навіть незначні, можуть мати значний вплив на результати, особливо в експериментах, де залежна змінна дуже чутлива до змін контрольних змінних.

Mind the Graph: Наша платформа буде вашою змінною управління

Ефективна комунікація результатів відбувається після завершення експерименту і, відповідно, перевірки вашої гіпотези. Поділіться своїми результатами у простий, зрозумілий, цікавий і наочний спосіб, щоб переконатися, що ваше дослідження буде зрозумілим і знайде відгук у людей. Як ваш надійний партнер, ми можемо допомогти вам у цій важливій частині вашого дослідження.

Якщо ви готуєте постер для наукової конференції, пишете наукову статтю або створюєте графічну анотацію, щоб підсумувати своє дослідження, ми пропонуємо інструменти та послуги, які допоможуть вам у створенні ілюстрацій. На сайті Mind the Graph, ми маємо для вас чудовий інструмент для досягнення цих цілей. На нашій платформі є велика безкоштовна галерея ілюстрацій з тематикою, орієнтованою на презентації наукових досліджень, що дозволить вам знайти саме ту графіку, яка проілюструє ваші висновки. За допомогою цих ілюстрацій можна розробити приємну графіку з метою контекстуалізації відповідних моментів цього дослідження.

Дизайнери також готові надати індивідуальну підтримку, щоб ваші візуальні матеріали були не лише точними з наукової точки зору, але й професійно відшліфованими. Співпраця з нашою командою означає, що ви можете отримати більший візуальний ефект від ваших досліджень, що дозволить вашій аудиторії легко зрозуміти складність і цінність роботи.

Ми заохочуємо дослідників вивчати ресурси, які Mind the Graph пропонує безкоштовно, а також доступність експертного дизайну; ми можемо допомогти будь-якому досліднику, як початківцю, так і більш досвідченому, краще комунікувати результати своїх досліджень.