在认知研究中最常采用的方法是心理学实验。一个真正的实验（experiment）是，实验者操纵一个或多个自变量（实验条件），并观察记录指标（因变量）是如何随之发生变化的。实验与观察法（我们随后将进行讨论）的主要区别就在于研究者对研究的实验控制程度。进行实验控制，意味着实施实验者会将被试分派到不同的实验条件之下，以尽可能地减少他们之间事先存在的差异。理想的情况是，实验者除了能够控制研究所关注的变量之外，还能控制所有可能影响被试表现的变量。
例如，一个认知心理学的实验可以按以下方式展开：实验者招募一些人员来参加一个有关记忆的研究；随机将他们分成两组；给每组呈现完全相同的刺激，采用完全相同的程序和实验场景，仅在两组的指导语（自变量）方面有所不同。实验者随后观察这些被试在稍后的记忆测验中的整体表现（因变量）。
这一例子展示的是一种被试间设计（between-subjects design），即将不同的实验被试分配到不同的实验条件中，研究者从中寻找两组被试表现上的差异。与之相对，被试内设计（within-subjects design）是将同一名被试放在一个以上的实验条件之中。例如，被试可以同时执行几项记忆任务，但每项任务的指导语都不相同。研究者然后比较被试在第一种条件下的表现与同样的被试在其他条件下的表现。(www.xing528.com)
有些自变量会妨碍随机分配。比如，实验就不能随意将被试分配到不同的性别、种族、年龄或教育背景之中。有些研究在其他方面看很像是实验，但自变量中有一个或几个这样的因素存在（或在另外一些方面不能保证成为真正的实验），我们称之为准实验（quasi-experiments）（Campbell & Stanley，1963）。
科学家推崇实验和准实验，因为它们使得研究者可以分离出那些真正形成因果的因素，比起单独使用观察法能够更好地说明因果关系。然而，许多实验并不能在实验任务或研究设计中完全捕捉和反映现实世界中的现象。实验室场景、实验任务的人为性以及形式化会阻碍研究被试正常地表现。而且，经得起实验研究检验的任务不一定就是日常生活中最为重要或最为一般的现象。因此，实验者也要承担研究的现象只与人们的现实生活经验有微弱联系的风险。
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