การควบคุมทางวิทยาศาสตร์

แบ่งพืชเหมือนกันเป็นสองกลุ่มแล้วให้ปุ๋ยกับกลุ่มเดียว ถ้าเกิดความแตกต่างกันระหว่างกลุ่มที่ได้ปุ๋ย และ "กลุ่มควบคุม" ที่ไม่ได้ ความแตกต่างอาจจะเกิดจากปุ๋ย

การควบคุมทางวิทยาศาสตร์ (อังกฤษ: scientific control) หรือ กลุ่มควบคุมทางวิทยาศาสตร์ เป็นการทดลอง หรือการสังเกตการณ์อันหนึ่ง ที่ทำเพื่อใช้เปรียบเทียบกับกลุ่มทดลองว่า การกระทำหรือความต่างอย่างอื่นที่มีในกลุ่มทดลองแต่ไม่มีในกลุ่มควบคุม มีผลต่างต่อกลุ่มทดลองอย่างไร หรือกล่าวอีกอย่างหนึ่งก็คือ เป็นกลุ่มที่ทำเพื่อลดผลต่างของตัวแปรอื่น ๆ ยกเว้นตัวแปรอิสระเดียวที่เป็นประเด็นการศึกษา เป็นวิธีการที่เพิ่มความน่าเชื่อถือของผลต่างที่พบ (ที่ควรจะเกิดจากความต่างของตัวแปรอิสระอย่างเดียว) บ่อยครั้งโดยเปรียบเทียบค่าวัดจากกลุ่มควบคุมและค่าวัดในกลุ่มอื่น ๆ กลุ่มควบคุมทางวิทยาศาสตร์เป็นส่วนของระเบียบวิธีทางวิทยาศาสตร์

ยกตัวอย่างกลุ่มควบคุม (บางครั้งเรียกว่า กลุ่มควบคุมของการทดลอง) ที่ใช้ตรวจสอบผลของปุ๋ย โดยให้ปุ๋ยกับพืชเพียงครึ่งเดียวในแปลง พืชที่ไม่ได้รับปุ๋ยก็คือกลุ่มควบคุม เพราะว่าเป็นกลุ่มแสดงระดับการเติบโตพื้นฐาน ที่จะใช้เปรียบเทียบกับพืชที่ใส่ปุ๋ย ถ้าไม่มีกลุ่มควบคุม การทดลองจะไม่สามารถกำหนดได้ว่า พืชที่ใส่ปุ๋ย โตได้ "ดีกว่า" พืชที่ไม่ใส่หรือไม่

ในการทดลองสมบูรณ์แบบ ตัวแปรทั้งหมดจะมีการควบคุม (คือโดยเปรียบเทียบค่าวัดต่าง ๆ กับกลุ่มควบคุม) และดังนั้น ถ้าตัวแปรอื่น ๆ ควบคุมได้อย่างที่คาดหวัง ก็จะสามารถสรุปได้ว่า การทดลองนั้นดำเนินไปอย่างที่ตั้งใจ และผลที่พบในการทดลอง มาจากความต่างของตัวแปรอิสระที่เป็นประเด็นศึกษา ซึ่งก็คือ เป็นวิธีการที่ทำให้ผู้ทำงานอ้างได้ว่า "สถานการณ์ 2 อย่างเหมือนกันทุกอย่าง จนกระทั่งปัจจัย ก เกิดขึ้น และเนื่องจากปัจจัย ก เป็นความแตกต่างอย่างเดียวที่มีในสองสถานการณ์ ผลที่พบจึงเกิดจากปัจจัย ก"

การทดลองแบบควบคุม

ดูเพิ่ม: ระเบียบวิธีทางวิทยาศาสตร์

มีรูปแบบของการทดลองแบบควบคุมหลายอย่าง รูปแบบที่ค่อนข้างง่ายแยกตัวอย่างที่ใช้ในการทดลองออกเป็น 2 กลุ่ม คือ กลุ่มทดลอง (experimental group) และกลุ่มควบคุม (control group) กลุ่มควบคุมจะไม่ได้อะไร ส่วนกลุ่มทดลองจะได้สิ่งที่เป็นตัวแปรสำคัญที่เป็นประเด็นการทดลอง สถานการณ์ที่เหลือสองกลุ่มจะได้เหมือนกัน

กลุ่มควบคุมจะช่วยกำจัดคำอธิบายอื่นของผลที่พบในการทดลอง โดยเฉพาะคำอธิบายว่าเป็นผลที่เกิดจากการวัดผิดพลาด (experimental error) และความเอนเอียงของผู้ทดลอง (experimenter bias) กลุ่มควบคุมหลายอย่างเป็นเรื่องเฉพาะต่อชนิดของการทดลอง เช่น การทดลองเทคนิค SDS-PAGE (Sodium dodecyl sulfate-Polyacrylamide gel electrophoresis) ใช้ molecular marker ในกลุ่มควบคุม เป็นตัวประมาณมวลโมเลกุลของโปรตีนที่ไม่รู้จัก และกลุ่มควบคุมอาจจะมีเป้าหมายเพียงแค่เพื่อให้แน่ใจว่า อุปกรณ์ทำงานเป็นปกติ การเลือกและใช้กลุ่มควบคุมที่ถูกต้อง เพื่อให้มั่นใจได้ว่าผลการทดลองสมเหตุสมผล (เช่น ไม่มีตัวแปรกวน) อาจเป็นเรื่องที่ยากมาก การวัดค่าของกลุ่มควบคุมอาจใช้เพื่อจุดประสงค์อื่น ๆ ได้ เช่น ถ้าวัดเสียงพื้นหลังของไมโครโฟนเมื่อไม่มีเสียงจริง ก็จะสามารถใช้เสียงพื้นหลังนั้นลบออกจากเสียงจริงที่อัดพร้อมกับเสียงพื้นหลังได้ ทำให้ได้คุณภาพเสียงที่ดีกว่า

นี่เป็นตัวอย่างอีกอย่างหนึ่งของการใช้กลุ่มควบคุม คือ ถ้านักวิจัยให้หนูทดลอง 60 ตัวกินน้ำตาลเทียม แล้วพบว่า หนู 10 ตัวภายหลังเกิดโรค ดังนั้น เหตุที่เป็นมูลอาจจะเป็นน้ำตาลเทียมเอง หรืออาจจะเป็นอะไรอย่างอื่นที่ไม่เกี่ยวกัน คือ ตัวแปรอื่น ๆ ที่มีอาจจะไม่ชัดเจน และสามารถกวนผลการทดลองได้ เช่น บางทีหนูอาจจะได้อาหารและน้ำไม่เพียงพอ หรือว่าน้ำสกปรกใช้ดื่มไม่ได้ หรือว่าหนูอาจจะมีความเครียดทางกายหรือทางใจ เป็นต้น การกำจัดคำอธิบายที่เป็นไปได้อื่น ๆ นี้จะใช้เวลามากและยาก แต่ว่า ถ้าใช้กลุ่มควบคุมที่ไม่ได้รับน้ำตาลเทียมแต่มีการปฏิบัติอื่นให้เหมือน ๆ กัน ผลต่างที่พบระหว่างสองกลุ่มก็จะสามารถอ้างได้ว่ามีเหตุจากน้ำตาลเทียม โดยมีระดับความมั่นใจที่สูงขึ้นมาก

ชนิดของกลุ่มควบคุม

ชนิดกลุ่มควบคุมที่ง่ายที่สุดคือ negative control (กลุ่มควบคุมแบบลบ) และ positive control (กลุ่มควบคุมแบบบวก) ซึ่งพบได้ในการทดลองรูปแบบต่าง ๆ กลุ่มควบคุม 2 อย่างเช่นนี้ เมื่อได้ผลตามที่คาดหวัง ปกติเพียงพอที่จะกำจัดตัวแปรกวน (confounding variable) โดยมาก คือ ควรจะพบผลลบ (คือไม่มีผล) ในกลุ่มลบ และควรจะพบผลบวกในกลุ่มบวก

กลุ่มควบคุมแบบลบ

ดูเพิ่ม: การศึกษาควบคุมด้วยยาหลอก

กลุ่มควบคุมแบบลบ (negative control) เป็นกลุ่มที่คาดหวังว่า จะไม่มีปรากฏการณ์ที่เป็นผลเกิดขึ้น ซึ่งทำให้มั่นใจได้ว่า ไม่มีผลต่างเมื่อไม่ควรจะมีผลต่าง เช่นในการตรวจสอบยาทดลอง กลุ่มควบคุมลบก็คือกลุ่มที่ไม่ได้ยา กลุ่มนี้จะไม่ได้อะไรเลย หรือไม่ก็ได้ยาหลอก ซึ่งอาจจะเป็นส่วนเติมเนื้อยาที่ไม่มีสารออกฤทธิ์ หรือไม่ก็ได้เม็ดยาที่ทำจากน้ำตาล ดังนั้น กลุ่มควบคุมลบนี้ ควรจะแสดงผลลบ หรือผลว่าง

ในกรณีที่มีผลได้แค่สองอย่างเท่านั้น คือผลบวกหรือผลลบ ถ้าทั้งกลุ่มทดลองและกลุ่มควบคุมแบบลบไม่เกิดผลทั้งสองกลุ่ม ก็จะอนุมานได้ว่ายานั้นไม่มีผล และถ้าทั้งกลุ่มทดลองและกลุ่มควบคุมเกิดผล ก็จะสามารถอนุมานได้ว่ามีตัวแปรกวนที่ให้ผลในการทดลอง ไม่ใช่เป็นยาทดลองที่ให้ผล

ในกรณีที่มีผลต่าง ๆ เช่นเป็นค่าวัดความยาว ระยะเวลา เปอร์เซนต์ เป็นต้น เราก็อาจจะวัดเปอร์เซนต์ของคนไข้ที่หายป่วย ดังนั้น ถ้าเปอร์เซนต์ที่คนไข้หายเท่ากันทั้งสองกลุ่ม เราก็อนุมานได้ว่า ยาทดลองไม่มีผล ให้สังเกตว่า เราคาดหวังว่า คนไข้ในกลุ่มควบคุมแบบลบจะดีขึ้นบ้าง เนื่องด้วยปรากฏการณ์ยาหลอก และค่าที่วัดในกลุ่มควบคุมจะใช้เป็นค่าพื้นฐานเปรียบเทียบกับค่าของกลุ่มทดลองเพื่อดูว่าคนไข้ในกลุ่มทดลองดีกว่ากลุ่มควบคุมหรือไม่ ดังนั้น แม้ว่าคนไข้ในกลุ่มทดลองจะดีขึ้นบ้าง แต่นี่ก็ยังต้องเปรียบเทียบกับกลุ่มยาหลอก และดังนั้น ถ้าทั้งสองกลุ่มมีผลต่างที่เท่ากัน ก็ย่อมแสดงว่ายาไม่ได้ทำให้เกิดผลต่าง (เพราะว่า คนไข้เปอร์เซนต์เท่ากันของทั้งสองกลุ่มดีขึ้น) คือ ยาจะจัดว่าได้ผลก็ต่อเมื่อกลุ่มทดลองได้ผลดีกว่ากลุ่มยาหลอก

กลุ่มควบคุมแบบบวก

กลุ่มควบคุมแบบบวก (positive control) เป็นกลุ่มที่คาดหวังว่า ปรากฏการณ์ที่เป็นผลจะเกิดขึ้น ซึ่งทำให้มั่นใจได้ว่า จะมีผลต่างเมื่อควรจะมีผลต่าง โดยใช้วิธีรักษาอีกอย่างที่รู้อยู่แล้วว่าจะทำให้เกิดผล เพื่อใช้เปรียบเทียบกับผลที่ได้ในกลุ่มทดลอง

กลุ่มควบคุมแบบบวกบ่อยครั้งจะใช้เพื่อประเมินความสมเหตุสมผลของวิธีการทดสอบ (test validity) ยกตัวอย่างเช่น เพื่อจะประเมินสมรรถภาพของวิธีการทดสอบโรคแบบใหม่ คือความไว (sensitivity) ต่อโรค เราก็จะเทียบผลของการทดสอบใหม่ กับผลที่ได้จากการทดสอบอีกอย่างหนึ่งที่รู้อยู่แล้วว่าให้ผลบวก ดังนั้น กลุ่มที่ทดสอบด้วยวิธีที่รู้อยู่แล้วจึงเป็นกลุ่มควบคุมแบบบวก คือเรารู้ผลบวกที่ควรจะได้จากกลุ่มนี้อยู่แล้ว

ยกตัวอย่างเช่น ในกระบวนการ enzyme assay ที่ใช้ตรวจสอบเอนไซม์อย่างหนึ่งที่พบในตัวอย่าง กลุ่มควบคุมแบบบวกก็จะมีเอนไซม์บริสุทธิ์ในปริมาณที่รู้อยู่แล้ว ส่วนกลุ่มควบคุมแบบลบจะไม่มีเอนไซม์เลย ดังนั้น กลุ่มควบคุมแบบวกควรจะแสดงผลเป็นการออกฤทธิ์ของเอนไซม์ ในขณะที่กลุ่มควบคุมแบบลบไม่ควรจะแสดงการออกฤทธิ์ของเอนไซม์เลย ถ้ากลุ่มควบคุมแบบบวกไม่ให้ผลตามที่คาด ก็อาจจะมีอะไรผิดพลาดในวิธีการทดสอบ และดังนั้นก็ควรจะทดสอบใหม่

สำหรับการทดลองที่ยากหรือซับซ้อน ผลที่ได้จากกลุ่มควบคุมเชิงบวกสามารถช่วยเปรียบเทียบกับผลงานทดลองที่ทำในอดีต ยกตัวอย่างเช่น ถ้าวิธีการตรวจสอบโรคที่ชัดเจนแล้วว่าได้ผล มีประสิทธิผลในระดับเดียวกับที่พบในการทดลองที่คนอื่นทำไว้ก่อน นี่เป็นตัวแสดงว่า การทดลองที่กำลังทำ ได้ทำแบบเดียวกับที่คนอื่นทำไว้แล้วก่อน

บางครั้ง อาจจะมีการใช้กลุ่มควบคุมหลายกลุ่ม คือ ถ้ามีวิธีการทดสอบโรคที่ได้ผลมากกว่าหนึ่งอย่าง ก็อาจจะใช้การทดสอบเหล่านั้นในกลุ่มควบคุมหลายกลุ่ม การใช้กลุ่มควบคุมหลายกลุ่มสามารถทำให้เปรียบเทียบผลได้ละเอียดยิ่งขึ้น ถ้าผลที่คาดหวังได้จากกลุ่มควบคุมเป็นผลต่างขนาดต่าง ๆ กัน เช่น ในกระบวนการ enzyme assay อย่างที่ว่า เราจะสามารถสร้างคือวาดเส้นโค้งมาตรฐาน (standard curve) ได้ถ้าใช้ตัวอย่างที่มีปริมาณเอนไซม์ที่ไม่เท่ากัน (เป็นกลุ่มควบคุมบวก)

การสุ่ม

ดูเพิ่ม: การทดลองแบบสุ่มและมีกลุ่มควบคุม

การสุ่ม (randomization) เป็นการจัดตัวอย่างการทดลองเข้าในกลุ่มต่าง ๆ ที่ได้รับการปฏิบัติต่าง ๆ ที่สะท้อนประเด็นการศึกษาโดยสุ่ม แม้ว่านี่จะไม่ได้ทำให้ไม่มีความแตกต่างระหว่างกลุ่มได้อย่างสมบูรณ์ แต่ก็ช่วยกระจายความแตกต่างต่าง ๆ ไปในกลุ่มต่าง ๆ อย่างเท่า ๆ กัน เป็นการแก้ความคลาดเคลื่อนเป็นระบบ (systematic error)

ยกตัวอย่างเช่น ในการทดลองที่ผลผลิตพืชที่ได้จะได้รับอิทธิพลต่าง ๆ ที่ทำให้เกิดความแตกต่าง (เช่น ความสมบูรณ์ของดิน) การทดลองสามารถควบคุมได้โดยจัดแปลงต่าง ๆ เข้ากลุ่มที่ปฏิบัติต่าง ๆ กันโดยสุ่ม ซึ่งจะช่วยลดผลที่ความสมบูรณ์ต่าง ๆ ของดิน มีต่อผลผลิต

การทดลองแบบอำพราง

ดูเพิ่ม: การทดลองแบบอำพราง

ในการทดลองแบบอำพราง ข้อมูลบางอย่างจะปิดไม่ให้ผู้ร่วมการทดลองรู้ (แต่ไม่ได้ปิดผู้ทำการทดลอง) ยกตัวอย่างเช่น เพื่อประเมินความสำเร็จของการรักษาทางการแพทย์ อาจจะให้ผู้เชี่ยวชาญนอกงานวิจัย เป็นผู้ตรวจตัวอย่างเลือดจากคนไข้แต่ละคน โดยที่ไม่รู้ว่าคนไข้ได้รับการรักษาที่เป็นประเด็นการทดลองหรือไม่ได้รับ ถ้าข้อสรุปของผู้เชี่ยวชาญว่า ตัวอย่างไหนดูดีที่สุดมีสหสัมพันธ์กับคนไข้ที่ได้รับการรักษา ก็จะช่วยให้ผู้ทำการทดลองมั่นใจเพิ่มขึ้นได้ว่า การรักษามีประสิทธิผล การอำพรางจะกำจัดปรากกฎการณ์ต่าง ๆ เช่น ความเอนเอียงเพื่อยืนยัน (confirmation bias) และการคิดตามความปรารถนา (wishful thinking) ที่อาจจะมีถ้าตัวอย่างตรวจสอบโดยคนที่รู้ว่า ตัวอย่างแต่ละอย่างมาจากกลุ่มไหน

การทดลองแบบอำพรางสองฝ่าย

ดูเพิ่ม: การทดลองแบบอำพรางสองฝ่าย และ การทดลองแบบสุ่มและมีกลุ่มควบคุม

ในการทดลองแบบอำพรางสองฝ่าย อย่างน้อยก็ผู้ร่วมการทดลองบางคนและผู้ทำงานทดลองบางคน ไม่ได้มีข้อมูลที่สมบูรณ์เมื่อกำลังดำเนินการทดลองอยู่ เป็นการทดลองที่ใช้บ่อยครั้งที่สุดในการทดลองทางคลินิกในเรื่องการรักษาทางการแพทย์ เพื่อที่จะตรวจสอบว่า ผลต่างที่พบของการรักษาเกิดจากการรักษาอย่างเดียวจริง ๆ หรือไม่ การทดลองทางคลินิกจะสุ่มจัดกลุ่มผู้ร่วมการทดลอง และอำพรางข้อมูลต่อทั้งสองฝ่าย โดยเปรียบเทียบกลุ่มต่าง ๆ ที่มีคนไข้ที่เหมือนกันโดยสถิติ กลุ่มทดลองจะได้รับการรักษาที่เป็นประเด็นการศึกษา และกลุ่มควบคุมจะได้รับยาหลอกเช่นเม็ดน้ำตาล การที่คนไข้ไม่รู้ว่าตนได้รับยาที่เป็นประเด็นการศึกษาหรือยาหลอก เป็นการอำพรางที่หนึ่ง และช่วยควบคุมความคาดหวังของคนไข้ที่เกิดพร้อมกับการกินยา ซึ่งอาจจะทำให้เกิดผลต่างในคนไข้ การที่ผู้ทำการทดลองไม่รู้ว่าคนไข้ได้ยาประเภทไหน เป็นการอำพรางที่สอง และช่วยควบคุมความคาดหวังเกี่ยวกับคนไข้ซึ่งอาจมีผลให้ผู้ทำการทดลองประพฤติต่อคนไข้ต่าง ๆ กัน ดังนั้น เพราะว่าผู้ทำการทดลองไม่รู้ว่าคนไข้อยู่ในกลุ่มไหน ก็จะไม่สามารถสร้างผลต่างให้เกิดในคนไข้ จะโดยตั้งใจหรือไม่ก็ดี หลังจากที่เสร็จการทดลองแล้ว ผู้ทำการทดลองก็จะเลิกอำพรางตัวเองเพื่อจะวิเคราะห์ผลที่ได้

ในการทดลองทางคลินิกที่เกี่ยวกับวิธีการศัลยกรรม กลุ่มควบคุมจะได้รับศัลยกรรมปลอม (sham surgery) เพื่อให้มั่นใจได้ว่า ผลที่ได้เป็นผลของวิธีการทางศัลยกรรมที่เป็นประเด็นการศึกษาจริง ๆ ไม่ใช่เป็นแต่เพียงการได้รับการผ่าตัดเท่านั้น ในกรณีนี้ การอำพรางสองด้านทำให้แน่ใจได้ว่า คนไข้ไม่รู้ว่าตนได้ศัลยกรรมจริงหรือศัลยกรรมปลอม และคนทำการทดลองที่ไม่ใช่ศัลยแพทย์ที่ทำการผ่าตัด ก็จะไม่รู้ว่าคนไข้อยู่ในกลุ่มไหน