因果関係：実験を行い、データを利用する
これまで学んできたように、2つの変数の間に因果関係があることを証明するには、科学的な実験を行うしかありません。実験は、科学的な文脈では、日常生活とは異なる意味を持ちます。日常会話では、新しい髪型や新しい食べ物を試すなど、初めてのことをするときによく使います。しかし、科学的な文脈では、実験の設計と実施には正確な要件が求められます。
仮説
実験を行うためには、研究者は検証すべき具体的な仮説を持っていなければなりません。仮説を立てるには、現実世界を直接観察したり、過去の研究を精査したりする必要があることはご存じのとおりです。例えば、教室でのテクノロジーの使用が学習に悪影響を与えると考えた場合、あなたは基本的に「教室でのテクノロジーの使用は学習を低下させるので、制限すべきである」という仮説を立てました。どんな経緯でそのような仮説を立てたのでしょうか？
ノートパソコンでノートを取っているクラスメートは、手書きでノートを取っているクラスメートに比べて、クラスのテストでの成績が低いことや、コンピュータプログラムで授業を受けている人と、直接先生に会って授業を受けている人とでは、テストでの成績が異なることに気がついたのかもしれません（図2.15）。
多くの場合、このような個人的な観察が特定の仮説を立てるきっかけになりますが、限られた個人的な観察や裏付けに乏しい証拠では、仮説を厳密に検証することはできません。仮説が現実のデータに裏付けられているかどうかを確認するためには、実験を行う必要があります。
実験計画
最も基本的な実験計画では、実験群と対照群の2つのグループを設定します。この2つのグループは、実験的操作という1つの違いを除いて、同じになるように設計されています。実験群には実験的操作、つまり検証される治療法や変数（ここではテクノロジーの使用）が与えられ、対照群には与えられません。実験的操作が実験群と対照群の間の唯一の違いであるため、2つの間の違いが偶然ではなく、実験的操作によるものであることを確信できます。
教室でのテクノロジーの使用を制限すべきであるという例では、実験群にはコンピュータプログラムを使って代数を学習させ、その学習結果をテストします。対照群は、従来の教室で教師から代数を教わった後、学習効果を測定します。対照群は、実験的な操作を受けないという例外を除いて、実験群と同様に扱われることが重要です。
また、代数の学習をどのように測定するかを正確に定義し、運用することが必要です。操作的定義とは、変数を正確に記述することであり、研究者が特定の実験で何をどのように測定しているのかを他の人が正確に理解するために重要です。
学習を検証する際には、教師やコンピュータプログラムから教わった内容を網羅したテストの成績を見ることになるかもしれません。また、参加者に何らかの形で提示した情報を要約してもらうことも考えられます。いずれにしても、私たちの研究を初めて聞いた人が、学習とは何を意味するのかを正確に理解できるように学習を検証することが重要です。そうすることで、データの解釈がしやすくなり、また、実験を繰り返すことができるようになります。
実験参加者が何をテクノロジーの使用と考え、何を学習と考えるかを明確にした後は、どのように実験を行うかを設定する必要があります。今回のケースでは、実験参加者に代数学を45分間学習してもらい（コンピュータプログラムまたは対面式の数学教師）、その後、45分間に学習した内容についてテストを行う。
テストを採点する人は、実験者バイアスをコントロールするために、実験群と対照群のどちらに割り当てられたかを知らないことが理想的です。実験者バイアスとは、研究者の期待が研究結果を歪めてしまう可能性のことです。実験を行うには多くの計画が必要であり、研究プロジェクトに関わる人々は自分たちの仮説を支持することに利害関係があることを忘れてはいけません。もし、観察者がどの子がどのグループにいるかを知っていたら、手書きの文字が汚かったり、ちょっとした計算ミスなどの曖昧な回答をどのように解釈するかに影響を与えるかもしれません。どの子がどのグループにいるかわからないようにすることで、そうしたバイアスから守ることができます。この状況は単盲検試験というもので、一方のグループ（参加者）は自分がどちらのグループ（実験群または対照群）に属しているかを知らないが、実験を開発した研究者はどの参加者が各グループに属しているかを知っているということです。
二重盲検試験では、研究者と参加者の両方ともグループの割り当てを知ることができません。なぜ研究者は、誰がどのグループに入っているかわからない状態で研究を行いたいのでしょうか？それは、そうすることで、実験者と参加者の両方の期待をコントロールすることができるからです。
プラシーボ効果（プラセボ効果）という言葉をご存知であれば、なぜこれが重要な検討事項なのか、すでにお分かりいただけると思います。プラシーボ効果とは、人々の期待や信念が、ある状況下での体験に影響を与えたり、決定したりすることです。つまり、何かが起こると期待するだけで、実際にその通りになるということです。
プラシーボ効果は、新薬の効果を検証する際によく言われることです。あなたが製薬会社で働いていて、うつ病に効果のある新薬を開発したと考えているとします。その薬の効果を実証するために、2つのグループで実験を行います。実験群には薬を投与し、対照群には薬を投与しません。しかし、被験者には薬をもらったかどうかを知られたくありません。
それはなぜでしょうか？あなたがこの研究の参加者で、気分を良くすると思われる薬を飲んだところだと想像してみてください。薬の効果を期待しているので、実際に薬に含まれている薬剤ではなく、「薬を飲んだ」というだけで気分が良くなることがあります―これがプラシーボ効果です。
気分への影響が期待ではなく薬によるものであることを確認するために、対照群にはプラシーボ（この場合は砂糖の錠剤）を渡します。これで全員が薬を手にしたことになり、研究者も実験参加者も、誰が薬を手にしたのか、誰が砂糖の錠剤を手にしたのかわからなくなります。実験群と対照群の気分の違いは、実験者のバイアスや参加者の期待ではなく、薬そのものに起因することになります（図2.16）。
