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\center
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```

\vspace{2mm}

\Large
Psychologische Forschungsmethoden
\vspace{6mm}

\normalsize
BSc Philosophie-Neurowissenschaften-Kognition WiSe 2021/22

BSc Psychologie WiSe 2021/22

\vspace{6mm}
Prof. Dr. Dirk Ostwald

#  {.plain}

\vfill
\center
\huge
\textcolor{black}{(2) Theorien, Hypothesen, Experimente}
\vfill

# 
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```

# 
```{r, echo = FALSE, out.width = "95%"}
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```


# 
\vfill
\setstretch{2.5}
\large

Theorien

Hypothesen

Experimente

Wissenschaftstheorie

Selbstkontrollfragen
\vfill


# 
\vfill
\setstretch{2.5}
\large

**Theorien**

Hypothesen

Experimente

Beispiel

Wissenschaftstheorie

Selbstkontrollfragen
\vfill

# Theorien
\textcolor{darkblue}{Definitionsversuche}

\small
"Eine Theorie ist ein Erklärungsmodell, das auf bestimmten Prinzipien basiert.
Eine Theorie stellt Einzelbeobachtungen in einen Zusammenhang. Mithilfe einer
Theorie können Verhaltensweisen oder Ereignisse in ein System gebracht und 
Vorhersagen abgeleitet werden."

\flushright
@myers_2010
\vspace{4mm}

\justifying
"Eine Theorie ist eine geordnete Menge von Konzepten oder Aussagen, die ein
Phänomen oder eine Gruppe von Phänomenen erklärt."

\flushright
@gerrig_2020
\vspace{4mm}

\justifying
"Eine Theorie ist ein System von Definitionen, Annahmen und Schlussfolgerungen,
welches einen Ordnungs- und Erklärungsversuch für ein oder mehrere Phänomene 
darstellt."

\flushright
@reiss_2012

# Theorien
\textcolor{darkblue}{Theorien und Modelle}
\small
\setstretch{1.6}

Psycholog:innen unterscheiden manchmal zwischen den Begriffen "Theorie" und "Modell" 

* "Nicht selten sind Modelle Bestandteile von Theorien"
* "Die allgemeinen  theoretischen Prinzipien sind dann durch ein Modell repräsentiert"
* "Man unterscheidet Mathematische Modelle, Computermodelle, ..."

\flushright
(vgl. @reiss_2012, S. 34 - 37)

\justifying
Psycholog:innen denken wohl, dass es Theorien auch ohne Modelle gibt (oder so).

Psycholog:innen haben meist keine Erfahrung mit mathematischer oder informatischer Modellbildung.

$\Rightarrow$ Eine Unterscheidungs zwischen Theorie und Modell ist nicht zielführend.

$\Rightarrow$ Mathematische und informatische Modellbildung ist für naturwissenschaftliche Arbeit notwendig.

\large
\center
Modell = Theorie und Theorie = Modell

# Theorien
```{r, echo = FALSE, out.width = "95%"}
knitr::include_graphics("2_Abbildungen/pfm_2_reiss_modell.pdf")
```

# Theorien
\textcolor{darkblue}{Theoriegütekriterien nach} @groeben_1975
\vspace{2mm}

\setstretch{1.8}
\center
\begin{tabular}{ll}
Explizitheit    
& Intersubjektive Übereinstimmung
\\
Widerspruchsfreiheit
& Keine Widersprüche in abgeleitete Aussagen
\\
Sparsamkeit
& Möglichst wenig komplex
\\
Vollständigkeit
& Erklärung aller Phänomene des Gegenstandbereichs
\\
Prüfbarkeit
& Empirische Überprüfung möglich
\\
Empirische Verankerung
& Vorhersage von beobachtbaren Daten
\\
Produktivität
& Generation neuer wissenschaftlicher Fragestellungen
\\
Anwendbarkeit
& Nutzen in der Praxis
\end{tabular}
\vspace{2mm}

\flushright
@groeben_1975


# Theorien

\textcolor{darkblue}{Definitionsversuch}
\vspace{2mm}

"Eine Theorie/ein Modell ist ein System von intuitiv-verbal und mathematisch formulierten 
Definitionen und Theoremen, die elementare Grundannahmen zu Erklärung eines 
Phänomens der Wirklichkeit darstellen, das die Herleitung quantitativer, 
informatisch-implementierbarer Vorhersagen über beobachtbare Daten des Phänomens 
ermöglicht."

\flushright
Ostwald, 2021

# 
\vfill
\setstretch{2.5}
\large

Theorien

**Hypothesen**

Experimente

Beispiel

Wissenschaftstheorie

Selbstkontrollfragen
\vfill

# Hypothesen
\textcolor{darkblue}{Definitionsversuche}
\small

"Eine Hypothese ist eine überprüfbare Vorhersage, die aus einer Theorie abgeleitet wird."

\flushright
@myers_2010
\vspace{2mm}

\justifying
"Eine Hypothese ist eine vorläufige und prüfbare Erklärung der Beziehung zwischen
zwei oder meheren Ereignissen oder Variablen; oft als Vorhersage formuliert, dass
bestimmte Ereignisse aufgrund spezifischer Bedingungen eintreten werden.

\flushright
@gerrig_2020
\vspace{2mm}

\justifying
"Eine Hypothese ist eine experimentell zu prüfende Tatsachenbehauptung bzw. 
präzise Angabe über die Art der erwarteten Abhängigkeitsbeziehung. Sie enthält
die exakte Festlegung der variierten Bedingungen und der erwarteten Veränderungen, 
d.h. eine möglichst präzise Aussage (Vorhersage) über die empirische Beziehung
zwischen Ereignissen"

\flushright
@reiss_2012


# Hypothesen
\textcolor{darkblue}{Hypothese und Statistische Hypothese}

\small

Psycholog:innen verwechseln oft die Begriffe "Hypothese" und "Statistische Hypothese".

$\quad\Rightarrow$  Der Begriff "Hypothese" und der Begriff der "Statistischen Hypothese" sind nicht gleich.

* \justifying "Hypothese" meint hier zunächst etwas wie "aus der Theorie abgeleitete Datenvorhersage".
* Eine "Statistische Hypothese" (Nullhypothese, Alternativhypothese) ist eine 
Aussage über die Lage des wahren, aber unbekannten, Parameters im Parameterraum 
eines statistischen Modells.

Hypothesen können manchmal als Statistische Hypothesen formuliert werden.

$\quad\Rightarrow$ Hypothesen müssen nicht als Statistische Hypothesen formuliert werden.

$\quad\Rightarrow$ Es gibt mehr datenanalytische Verfahren als Frequentistisches Hypothesentesten.

Die Annahme oder Ablehnung von Statistischen Hypothesen sind Quantifizierungen 
von Unsicherheit, keine abschließenden binären Urteile. Keine Hypothese wird 
sich jemals als absolut "falsch" oder absolut "richtig" erweisen.

# Hypothesen
\textcolor{darkblue}{Theorien und Hypothesen - Induktion und Deduktion}

```{r, echo = FALSE, out.width = "80%"}
knitr::include_graphics("2_Abbildungen/pfm_2_reiss_induktion_deduktion.pdf")
```


# Hypothesen

\textcolor{darkblue}{Probabilistische Datenvorhersage statt Hypothese}
\small
\setstretch{1.3}

Der von Psycholog:innen propagierte Hypothesenfetisch ist problematisch:

\begin{itemize}
\item Verwechselung von Hypothesen und Statistischen Hypothesen
\item Abwertung wichtiger naturwissenschaftlicher Beiträge wie zum Beispiel
\begin{itemize}
\begin{small}
\item[$\circ$] (Mathematische) Modellentwicklung und (analytische/simulierende) Modellvalidation
\item[$\circ$] Datenerhebung, Datenaufbereitung, Datenbereitstellung
\item[$\circ$] Exploratorisch-charakterisierende Forschungsprojekte
\end{small}
\end{itemize}
\end{itemize}

Der Hypothesenfetisch hat die Qualität (psychologischer) Forschung gemindert:

* p-Hacking: Datenselektion bis zum Ablehnen der (statistischen) Nullhypothese
* HARKING: Hypothesizing After Results are Known (Pseudohypothesen)

Entscheidend für das naturwissenschafltiche Paradigma ist es, dass aus Theorien 
quantitative Vorhersagen beobachtbarer Daten abgeleitet werden, deren 
explanatorische Unsicherheit probabilistisch quantifiziert werden kann, und die
Theorievergleiche ermöglicht.

$\Rightarrow$ An die Stelle des "Hypothesentestens" sollte das "Theorievergleichen" treten.


# 
\vfill
\setstretch{2.5}
\large

Theorien

Hypothesen

**Experimente**

Beispiel

Wissenschaftstheorie

Selbstkontrollfragen
\vfill

# Experimente
\textcolor{darkblue}{Definitionsversuche}
\small

"Ein Experiment ist eine Untersuchung, bei welcher Untersuchungsleitende 
aktiv und gezielt eine Intervention durchführen, um die Effekte der Intervention
zu beobachten"

\flushright
@shadish_2001
\vspace{2mm}

\justifying
"Ein Experiment ist eine empirische Untersuchung, bei der gezielt bestimmte 
Bedingungen (Stufen der *unabhängigen Variable*) hergestellt werden und in 
ihren Auswirkungen auf ausgewählte *abhängige Variablen* beobachtet werden".

\flushright
@bortz_2006
\vspace{2mm}

\justifying
"Ein Experiment ist ein systematischer Beobachtungsvorgang, aufgrund dessen der
Versuchsleiter (sic) das jeweils interessierende Phänomen planmäßig erzeugt und 
variiert sowie gleichzeitig systematische und/oder unsystematische Störfaktoren
durch hierfür geeignete Techniken kontrolliert"

\flushright
@reiss_2012

# Experimente
\textcolor{darkblue}{Definitionsversuche}
\vspace{5mm}
\setstretch{1.7}

\begin{minipage}{.3\linewidth}
\begin{center}
\includegraphics[scale=1]{2_Abbildungen/pfm_2_wundt.jpg}

\footnotesize
Willhelm Wundt (1832 - 1920)

\end{center}
\end{minipage}
\hspace{7mm}
\begin{minipage}{.7\linewidth}
\vspace{-5mm}
\begin{large}
Experimentkriterien nach Wundt
\vspace{1mm}
\begin{itemize}
\itemsep2mm
\item Willkürlichkeit
\item Variierbarkeit
\item Wiederholbarkeit
\end{itemize}
\end{large}
\end{minipage}
\vspace{.7cm}


# Experimente
\textcolor{darkblue}{Experimente vs. Quasiexperimente vs. Korrelationsstudien}

Experiment

* Randomisierte kontrollierte Studie
* Die Untersuchungseinheiten werden den Versuchsbedingungen zufällig zugeordnet
* Beispiel: Online Psychotherapie vs. Klassische Psychotherapie bei Depression

\normalsize
Quasiexperiment

* Nicht-randomisierte kontrollierte Studie
* Untersuchung natürlich bzw. bereits bestehender Gruppen
* Beispiel: Online Psychotherapie bei Depression vs. Schizophrenie

\normalsize
Korrelationsstudie

* Nicht-randomisierte, nicht kontrollierte Studie
* Beobachtungsstudie ohne Intervention
* Beispiel: Analyse von Paneldaten


# Experimente
\textcolor{darkblue}{Stadien einer experimental-psychologischen Untersuchung}

```{r, echo = FALSE, out.width = "80%"}
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```

\flushright
\footnotesize
@reiss_2012


# Experimente
\textcolor{darkblue}{Datenerhebung statt Experiment}
\small
\setstretch{1.3}

Der von (Experimental)Psycholog:innen propagierte Experimentenfetisch ist problematisch:

* Abwertung anderer wichtiger naturwissenschaftlicher Beiträge
* Fokus auf experimentelles Design anstatt integrierter Betrachtung von Design und Analyse
* Es gibt keinen prinzipiellen Unterschied zwischen "Hypothesentests" und "Korrelation" 
* Experimentaldatenbesitzgier verhindert wissenschaftlichen Fortschritt

\vspace{1mm}

Datenerhebungen finden (mindestens) in einem zweidimensionalen Erhebungsraum statt

\center
Holistisch

$\Uparrow$

$\,\,\,$ Kontrolliert $\Leftarrow \quad \Rightarrow$ Unkontrolliert 

$\Downarrow$

Reduktionistisch

Entscheidend ist die kritische Evaluation der Lage einer Datenerhebung in diesem Kontinuum

\center
Niemand sagt mehr "Experiment", jeder sagt "Studie" heutzutage.

# 
\vfill
\setstretch{2.2}
\large

Theorien

Hypothesen

Experimente

**Beispiel**

Wissenschaftstheorie

Selbstkontrollfragen
\vfill

# Beispiel

```{r, echo = FALSE, out.width = "80%"}
knitr::include_graphics("2_Abbildungen/pfm_2_ostwald_et_al.pdf")
```


# Beispiel
\textcolor{darkblue}{Gegenstandsbereich und Phänomen}

\setstretch{1.8}

Menschen müssen oft Entscheidungen unter Unsicherheit treffen

Menschen müssen manchmal informations- und gewinnbringende Handlungen abwägen

```{r, echo = FALSE, out.width = "80%"}
knitr::include_graphics("2_Abbildungen/pfm_2_beispiel_1.pdf")
```

* Wie gehen Menschen dabei vor?

* Wie lernen Menschen in solchen Situationen Entscheidungen zu treffen?


\flushright
\footnotesize
@horvath_2021

# Beispiel
\textcolor{darkblue}{Experimentelle Simulation}
\vspace{-2mm}

```{r, echo = FALSE, out.width = "55%"}
knitr::include_graphics("2_Abbildungen/pfm_2_beispiel_2.pdf")
```

\flushright
\footnotesize
@horvath_2021

# Beispiel
\textcolor{darkblue}{Theorie}

Künstliche Intelligenz - Artificial Agent 

\begin{equation*}
\mbox{M}_{\mbox{\tiny Agent}} 
:= (S,A,R,O,p(s_1^1),p(s_{t+1}^1|s_t^{1}), p^{a_t}(o_t|s_t^1), p^{a_t}(r_t|s_t^1), v, d)
\end{equation*}
\vspace{-5mm}
\begin{itemize}
\itemsep2mm
\item Dynamisches handlungsabhängiges generatives Modell
\vspace{-3mm}
\begin{equation*}
p^{a_{1:T}}(s_{1:T}^1,o_{1:T})
= p(s_1^1) \prod_{t=1}^T p^{a_t}(o_t|s_t^1)p(s_{t+1}^1|s_t^{1}) 
\end{equation*}
\vspace{-5mm}
\item Handlungsabhängige Zustandsschätzung (Belief State)
\begin{footnotesize}
\begin{equation*}
p^{a_{1:t-1}}(s_t^1|o_{1:t-1})
= \frac{\sum_{s_{t-1}^1} p(s_t^1|s_{t-1}^1)p^{a_{t-1}}(o_{t-1}|s_{t-1}^1)p^{a_{1:t-2}}(s_{t-1}^1|o_{1:t-2})}
       {\sum_{s_t^1}\sum_{s_{t-1}^1} p(s_t^1|s_{t-1}^1)p^{a_{t-1}}(o_{t-1}|s_{t-1}^1)p^{a_{1:t-2}}(s_{t-1}^1|o_{1:t-2})}
\end{equation*}
\end{footnotesize}
\end{itemize}

\flushright
\footnotesize
@horvath_2021

# Beispiel
\textcolor{darkblue}{Theorie}

Künstliche Intelligenz - Artificial Agent

\begin{equation*}
\mbox{M}_{\mbox{\tiny Agent}}
:= (S,A,R,O,p(s_1^1),p(s_{t+1}^1|s_t^{1}), p^{a_t}(o_t|s_t^1), p^{a_t}(r_t|s_t^1), v, d)
\end{equation*}
\vspace{-5mm}

\begin{itemize}
\itemsep2mm
\item Handlungswertungsfunktion
\begin{equation*}
v : A \times [0,1] \to \mathbb{R}, (a,b) \mapsto v(a,b)
\end{equation*}
\item Entscheidungsfunktion
\begin{equation*}
d : \mathbb{R} \to A,  v(\cdot,b) \mapsto d(v(\cdot,b)) := \argmax_{a \in A} v(a,b)
\end{equation*}
\end{itemize}

\flushright
\footnotesize
@horvath_2021

# Beispiel
\textcolor{darkblue}{Theorievarianten}

\small
\textcolor{A1}{\textbf{A1}  $\vert$} Gewinnmaximierender Agent
\begin{equation*}
v_{\mbox{\tiny A1}}(a,b)
:=     b\mathbb{E}_{p^{a}(r_t|s_t^1 = 1)}(r_t)
 + (1-b)\mathbb{E}_{p^{a}(r_t|s_t^1 = 2)}(r_t)
\end{equation*}
$\Rightarrow$ Erwartete Belohung von $a$ unter momentaner Zustandsschätzug $b_t = b$

\textcolor{A2}{\textbf{A2} $\vert$}  Informationsmaximierender Agent

\begin{small}
\begin{equation*}
v_{\mbox{\tiny A2}}(a,b)
:=
\sum_{o_t} p_{a_{1:t-1},a_t = a} (o_t|o_{1:t-1})
\mbox{KL}\left(p_{a_{t-1},a_t = a}(s_{t+1}^1|o_{1:t-1},o_t) \Vert p_{a_{1:t-1}}(s_t^1|o_{1:t-1}) \right)
\end{equation*}
\end{small}

$\Rightarrow$ Erwartete Bayesianische Überaschung von  $a$ unter momentaner Zustandsschätzug $b_t = b$

\textcolor{A3}{\textbf{A3} $\vert$}  Gewinn- und informationsmaximierender Agent
\begin{equation*}
v_{\mbox{\tiny A3}}(a,b)
:= \lambda v_{\mbox{\tiny A1}}(a,b) +  (1-\lambda) v_{\mbox{\tiny A2}}(a,b)
\end{equation*}

$\Rightarrow$ Gewichtete Kombination der beiden Theoriealternativen

\flushright
\footnotesize
@horvath_2021


# Beispiel
\textcolor{darkblue}{Datenvorhersage - Hypothesenraum}
\vspace{2mm}

```{r, echo = FALSE, out.width = "80%"}
knitr::include_graphics("2_Abbildungen/pfm_2_beispiel_3.pdf")
```

\flushright
\footnotesize
@horvath_2021

# Beispiel
\textcolor{darkblue}{Datenanalyse}

```{r, echo = FALSE, out.width = "65%"}
knitr::include_graphics("2_Abbildungen/pfm_2_beispiel_4.pdf")
```

\flushright
\footnotesize
@horvath_2021

# 
\vfill
\setstretch{2.2}
\large

Theorien

Hypothesen

Experimente

Beispiel

**Wissenschaftstheorie**

Selbstkontrollfragen
\vfill

# Wissenschaftstheorie
\large
\textcolor{darkblue}{Kritischer Rationalismus}
\small
\vspace{4mm}

\begin{minipage}{.25\linewidth}
\begin{center}
\includegraphics[scale=.3]{2_Abbildungen/pfm_2_popper.jpg}

\footnotesize
Karl Popper (1902 - 1994)

\end{center}
\end{minipage}
\hspace{4mm}
\begin{minipage}{.7\linewidth}
Logik der Forschung (1935)
\vspace{1mm}

\begin{itemize}
\itemsep2mm
\item Es gibt eine vom Menschen unabhängige externe Welt.
\item Die externe Welt ist zumindest teilweise empirisch erfahrbar.
\item Beobachtungen sind immer schon ``theoriegeladen''.
\item Fortlaufende Prüfung eigener Grundannahmen und Methoden.
\end{itemize}
\end{minipage}
\vspace{.7cm}

\flushright
\footnotesize
@popper_1935


# Wissenschaftstheorie
\large
\textcolor{darkblue}{Kritischer Rationalismus}
\vspace{4mm}
\small

\begin{minipage}{.25\linewidth}
\begin{center}
\includegraphics[scale=.3]{2_Abbildungen/pfm_2_popper.jpg}

\footnotesize
Karl Popper (1902 - 1994)

\end{center}
\end{minipage}
\hspace{4mm}
\begin{minipage}{.7\linewidth}
Falsifikationsprinzip
\vspace{1mm}

\begin{itemize}
\itemsep2mm
\item Theorien können grundsätzlich nicht verifiziert werden.
\item $\Rightarrow$ Es mag immer noch eine bessere Theorie geben.
\item Man sollte danach streben, Theorien zu widerlegen.
\end{itemize}
\vspace{2mm}

\footnotesize
``Nicht nach Wahrheitsbeweisen ist in den Erfahrungswissenschaften zu suchen,
denn diese sind dort grundsätzlich unmöglich; vielmehr müssen sogenannte 
Naturgesetze ausschließlich als Hypothesen betrachtet werden, die so lange
beibehalten werden, als sie nicht falsifiziert sind.''
\vspace{1mm}

``Ein empirisch-wissenschaftliches System muss an der Erfahrung scheitern können.''

\end{minipage}
\vspace{.7cm}

\flushright
\footnotesize
@popper_1935

# Wissenschaftstheorie

\large
\textcolor{darkblue}{Kritik des kritischen Rationalismus}
\vspace{4mm}
\small

\begin{minipage}{.25\linewidth}
\begin{center}
\includegraphics[scale=.26]{2_Abbildungen/pfm_2_kuhn.jpg}

\footnotesize
Thomas S. Kuhn

(1922 - 1996)

\end{center}
\end{minipage}
\hspace{4mm}
\begin{minipage}{.7\linewidth}
The Structure of Scientific Revolutions (1962)
\begin{itemize}
\item Es gibt keine Logik der Forschung im Sinne Poppers.
\item Es gibt Normalzeiten, in diesen herrschen \textit{Paradigmen} vor.
\item[$\quad\Rightarrow$] Man macht frequentistische Hypothesentests.
\item Es gibt Krisen, in diesen finden \textit{Paradigmenwechsel} statt.
\item[$\quad\Rightarrow$] Frequentistische Hypothesentests sind problematisch.
\item[$\quad\Rightarrow$] Man macht Modellvergleiche. 
\end{itemize}
\end{minipage}
\vspace{.7cm}

\flushright
\footnotesize
@kuhn_1962

# Wissenschaftstheorie

\large
\textcolor{darkblue}{Kritik des kritischen Rationalismus}
\vspace{8mm}
\small

\begin{minipage}{.2\linewidth}
\begin{center}
\includegraphics[scale=.042]{2_Abbildungen/pfm_2_ritchie.jpg}

\footnotesize
Stuart Ritchie

\end{center}
\end{minipage}
\hspace{4mm}
\begin{minipage}{.8\linewidth}
\setstretch{2}
Science Fictions (2020)
\begin{itemize}
\item How Fraud, Bias, Negligence, and Hype Undermine the Search for Truth. 
\item Das akademische Belohnungssystem fördert unwissenschaftliche Forschung.
\item High Impact und Drittmitteleinwerbungen wichtiger als Inhalt und Lehre.
\item[] $\quad\Rightarrow$ Gehaltszulage €300 für vier Paper/Jahr (Erstautor? Koautor?)
\end{itemize}
\end{minipage}
\vspace{2mm}
\flushright
\footnotesize
@ritchie_2020

\vspace{10mm}

\center
\Large
[\textcolor{blue}{$\Rightarrow$ Open Science $\Leftarrow$}](https://de.wikipedia.org/wiki/Offene_Wissenschaft)

# 
\vfill
\setstretch{2.2}
\large

Theorien

Hypothesen

Experimente

Beispiel

Wissenschaftstheorie

**Selbstkontrollfragen**
\vfill

# Selbstkontrollfragen
\small
\setstretch{2}
1. Geben Sie die Definition einer Theorie nach @reiss_2012 wieder.  
2. Geben Sie die Definition einer Theorie nach Ostwald (2021) wieder.  
3. Nennen und erläutern Sie die Theoriegütekriterien nach @groeben_1975.  
4. Geben Sie die Definition einer Hypothese nach @reiss_2012 wieder. 
5. Geben Sie die Definition eines Experimentes nach @reiss_2012 wieder. 
6. Nennen und erläutern Sie die Experimentkriterien nach Wundt.
7. Erläutern Sie die Begriffe Experiment, Quasiexperiment und Korrelationsstudie.
8. Nennen Sie drei Grundideen des Kritischen Rationalismus nach @popper_1935.
9. Skizzieren Sie das Falsifikationsprinzip nach @popper_1935.
10. Nennen Sie zwei Grundideen der Arbeit von @kuhn_1962.


# References 
\footnotesize