A pedagógiai kutatásokban a kísérleti módszer határozott hipotézis alapján új, rejtett összefüggések feltárására alkalmas. A pedagógiai kísérlet klasszikus típusának főbb elemei: (1) a független és függő változók, (2) az elő- és utóvizsgálatok, valamint (3) a kísérleti és kontrollcsoportok.

A kísérlettel lényegében azt vizsgáljuk, hogy a kísérleti inger hogyan hat: a független változó az ok, a függő változó az okozat. Mindennek szükséges feltétele – még a vizsgálat megkezdése előtt – a változók helyénvaló operacionális meghatározása. Itt érdemes megemlíteni a kísérlet és a kísérleti megfigyelés különbözőségét. A kísérletben egy kiválasztott vagy megteremtett pedagógiai helyzet – mint független változó – a tanulókra (kísérleti személyekre) hatást gyakorol, s a változásokból a szituáció funkcionálására következtetünk. Ám a kísérleti megfigyelés céljára előidézett pedagógiai helyzet a tanulók valamilyen tulajdonságának tervszerű megfigyelhetővé tételét, megjelenítését szolgálja.

A legegyszerűbb kísérleti eljárásnál, az egycsoportos kísérletnél (önkontrollos kísérlet) még a kísérleti inger (független változó) hatása előtt megvizsgáljuk a függő változót, megmérjük az értékét, majd ezt megismételjük hatás után. A kezdeti és utólagos mértékek, adatok eltérését a független változó hatásaként értelmezzük.

Csaknem az összes kísérletben egy ingerben nem részesülő kontrollcsoport alkalmazásával biztosítják a tényleges hatás megfigyelését. Amennyiben az előtesztelés és utótesztelés adatait tekintve csak a kísérleti csoport esetében mutatkozik eltérés, akkor az a kísérleti hatásnak tulajdonítható. Azért hogy, csak a kísérleti hatás miatt legyen különbség a két csoport között, a kísérleti és kontrollcsoportnak a lehető legnagyobb mértékben hasonlítaniuk kell. Ebben például a valószínűségi mintavétel már ismertetett eljárásai segíthetnek.

Az úgynevezett kvázi-kísérleteket az különbözteti meg a „valódi” kísérletektől, hogy a kísérleti és a kontrollcsoportba nem random módon (nem véletlenszerűen) kerülnek be a kísérleti személyek. Például valamilyen tulajdonság alapján soroljuk őket csoportokba, mintha kísérleti manipulációt alkalmaztunk volna. Mivelhogy a csoportok kiválasztott tulajdonsága mutatja a független változó különböző szintjeit, a manipuláció nem is szükséges. Kvázi-kísérletnek minősíthető például az, amikor két iskolai osztály teljesítményét abban a vonatkozásban vetik össze, hogy az egyikben hagyományos, a másikban pedig kísérleti módszerrel oktatnak. Ebben az esetben különösen lényegbevágó kutatói feladat, hogy a tanulmányozott osztályok között eredetileg is már létező különbségekből adódó hatások az ellenőrzött beavatkozás következményeitől el legyenek különítve.

Először három – nem hivatásos kutatók által nem ritkán alkalmazott – álkísérleti elrendezést mutatunk be. Az első egycsoportos álkísérlet az egy mérésen alapuló esetelemzés. Ekkor előteszt nélkül, a kísérleti inger alkalmazása után a függő változó mérése következik. Kezdeti mérés hiányában azonban a kijelentéseink nagyon is vitathatók. Az előzetes vizsgálat bevezetésével a helyzet javítható. Ez az egycsoportos, elő- és utóméréses elrendezés. Ugyanakkor a bizonytalanság még fennáll, mert az elő- és utóteszt eredményeinek az eltérését még más tényező(k) is előidézheti(k). A harmadik álkísérleti elrendezés a statikus csoportok összehasonlítása. Ebben az esetben két csoport, a kísérleti és kontrollcsoport utóteszt eredményeit vetik össze, de előteszt nélkül. Így aztán nem tudhatjuk (hacsak nem randomizáltuk a kísérleti személyeket), hogy a csoportok közötti mért különbség a függő változóra nézve, már nem létezett-e kezdetben, vagyis egész vizsgálat megkezdése előtt.

A már említett, az alanyokat véletlenszerűen besoroló klasszikus kísérlet számos problémát orvosol. Helyes alkalmazása véd a belső érvénytelenséghez vezető tényezők ellen. A belső érvényesség akkor magas, ha bizonyosak lehetünk abban, hogy ténylegesen a független változó variálása idézte elő a függő változó értékében bekövetkezett változást. Többek között gondot jelenthet az iskolai kísérletekben az, hogy a kísérleti osztály tanulói érintkezhetnek a kontrollosztály tanulóival. Tudniillik ekkor a kísérleti hatás átterjedhet a kontrollosztályra, más szóval a kontroll nem valódi.

Ám a kísérleti eredmények általánosíthatósága is megkérdőjelezhető. Felvethető a külső érvénytelenség problémája azzal, hogy az eredmények nem jól tükrözik a valódi életet. Felmerülhet ugyanis, hogy a mérési szituáció és a kísérleti inger között interakció lehet. Például maga az előteszt befolyásolhatja a kísérleti inger befogadását. Ekkor a kísérlet eredményei nem feltétlenül érvényesek más személyekre, esetleg más időben vagy más helyen. A klasszikus kísérlet ezt a kérdést nem tudja elhárítani.

A Solomon-féle négycsoportos kísérleti elrendezés az inger és a mérés kölcsönhatását hivatott kezelni. Az elrendezés négy csoportjába random módon soroljuk be a kísérleti személyeket. Az 1. és a 2. csoport lényegében klasszikus kísérletet alkot. A 3. csoport bár kísérleti ingerben részesül, előtesztre esetében nem kerül sor. A 4. csoportot csak utótesztnek vetik alá. Ha például a független változó valóban növekedést okoz függő változónál, akkor a következő négy kimenet ígérkezik:

Természetesen még számos egyéb kísérleti elrendezésről olvashatunk a szakirodalomban. Vannak, amelyek több ingert, esetleg ingerkombinációkat is alkalmaznak. Némelyekben a függő változót többször is mérik egymás után, továbbá a csoportokban a kísérleti inger más időpontokban hat.

A természetes pedagógia helyzetekben, a tanulók tevékenységeinek folyamatában végzett úgynevezett természetes kísérletekben értelemszerűen a történések adottak, ezért számos érvényességi problémával kell számolnunk.

Amennyiben egy pedagógia jelenség – mint kísérleti hatás – természetes módon, spontán következett be, akkor elemzés céljára kézenfekvő megoldást nyújt a retrospektív felmérések, utóvizsgálatok végzése, vagy a már statikus csoportok összehasonlításaként megismert elrendezés. Az előzetes felmérések hiányából eredő fogyatékosságok jóllehet esetlegesek lehetnek, s erősségük a vizsgálat konkrét momentumaitól, körülményeitől függ.

Leggyakrabban azonban a pedagógiai jelenségekben a döntéshozók irányító szerepet játszanak, tervezik a természetes folyamatokat. Az ilyenképpen szervezett kísérletet klasszikus természetes kísérletnek nevezik. Ismeretes az iskolakísérlet elnevezéssel jelölt komplex változat is, amelyben egy átfogó pedagógiai probléma (például egy új iskolamodell) tanulmányozása a kutatási feladat. Ebben az esetben a független változó nagyon összetett lehet: tanterv, pedagógiai program, tanulásszervezési megoldások, oktatási módszerek, oktatási eszközök, tárgyi feltételek stb. Másik sajátosság, hogy a függő változók megfigyelt értékei alapján a kísérleti programot módosíthatják, megújíthatják.

Végül megjegyezzük, hogy a laboratóriumi kísérletnél mindvégig maximálisan ellenőrizhetők a körülmények. Éppen ezért az egyik legfőbb előnye a magas belső validitás. Ugyanakkor a laboratóriumban kapott eredmények alapján levont következtetések laboratóriumon kívül nem feltétlenül igazak.

A kísérlet a legközvetlenebb módszer az oksági összefüggések tanulmányozására. Az erősen kontrolált eljárás fő előnye, hogy alkalmazásával a kísérleti változó és annak időbeli hatása más tényezőktől jól elkülöníthető. Egyszersmind a kísérlet megalapozott – más vizsgálati módszereknél aligha megvalósítható – logikai szigort tesz lehetővé.

További előnye, az ismételhetőség. A vizsgálat fókusza jól körülhatárolt, meglehetősen korlátozott: nemigen időigényes, csekély a helyigénye, nagy általánosságban kevés létszámú kísérleti személy is elegendő, általában nem követel nagyobb költséget. Következőleg fennáll a lehetőség, hogy más személyekkel is megismételjük ugyanazt a kísérletet, esetleg több alkalommal is.

Ugyanakkor egy laboratóriumi kísérlet mesterségesen előállított körülményei közepette kimutatható jelenségek, összefüggések nem biztos, hogy természetes társas helyzetben ugyanúgy bekövetkeznek. Könnyen belátható, hogy a laboratóriumi kísérletek eredményeinek általánosíthatóságának korlátait éppen a vizsgálati esemény mesterséges jellege jelenti.

Ebben a megközelítésben az is felvethető, hogy a pedagógia kísérletekben tetten érhető leegyszerűsítés, azaz a kísérleti személyek csupán néhány legfontosabb releváns sajátosságának a kiemelése, a szociális tér redukciója, valamint az időtényező viszonylagos háttérbe szorítása a mindennapi érzelmi és kognitív világot, a tágabb környezeti beágyazottságot, így a szocioökonómiai háttér és szociális hatások szerepét figyelmen kívül hagyja.