10. Apa Itu Penelitian Eksperimental (Percobaan), Kapan Dilakukan, serta Bagaimana Merancang dan Melakukannya?

Sebagian besar skripsi di program studi di kampus saya, dahulu progran studi budidaya pertanian dan kini menjadi agroteknologi, menggunakan metode eksperimental dengan cara melakukan percobaan. Percobaan dilakukan di lapangan, di rumah kaca, atau di laboratorium. Karena begitu banyak yang melakukan penelitian eksperimental maka saya ingin mempelajari, apa yang menyebabkan penelitian eksperimental ini menjadi sedemikian menarik. Apa sebenarnya kelebihannya? Selain itu tentu saja saya ingin mempelajarinya, siapa tahu nanti saya akan melakukan penelitian eksperimental. Saya memang telah mengambil matakuliah perancangan percobaan, matakuliah yang dikhususkan untuk merancang penelitian eksperimental, tetapi saya masih kurang puas terhadap apa yang saya peroleh dari matakuliah tersebut.

Penelitian eksperimental tentu saja dilakukan dengan membuat percobaan (experiment). Sebenarnya percobaan itu apa? Apakah menganalisis buah tomat di laboratorium untuk menentukan kandungan vitamin C-nya dapat dikatakan sebagai melakukan percobaan? Atau, apakah memerangkap lalat buah di lapangan dengan menggunakan senyawa eugenol sebagai umpan dapat dikatakan sebagai percobaan? Menurut Wikipedia, perocobaan merupakan prosedur tertentu yang dilakukan untuk menguji hipotesis. Berarti, penilitian eksperimental merupakan penelitian yang bertujuan untuk memberikan penjelasan terhadap suatu fenomena (explanarory research, baca tulisan saya sebelumnya). Tapi bagaimana caranya? Menurut yang saya pelajari ketika mengambil matakuliah perancangan percobaan, percobaan dilakukan dengan memberikan perlakuan (treatment) dan dengan mengatur semua fator di luar perlakuan menjadi seragam (homogenous). Dengan begitu, perbedaan yang teramati dapat dikatakan sebagai disebabkan oleh perlakuan. Dengan kata lain, penelitian eksperimental dilakukan untuk menghasilkan penjelasan sebab-akibat terhadap suatu fenomena.

Lalu, apa yang dimaksud dengan perlakuan? Dari membaca buku-buku teks mengenai perancangan percobaan, antara lain buku Principles and Procedures of Statistics: A Biometrical Approach oleh R.G.D Steel, J.H. Torrie, & D.A. Dickey (1997), saya tahu bahwa percobaan merupakan manipulasi yang secara sengaja dilakukan oleh peneliti terhadap obyek penelitian. Manipulasi dilakukan secara berbeda-beda terhadap obyek penelitian yang diupayakan seragam. Manipulasi yang berbeda-beda tersebut dikenal sebagai taraf perlakuan (treatment, juga dalam penelitian psikologi). Misalnya, manipulasi diberikan terhadap tanaman jagung melalui pemberian pupuk nitrogen dengan dosis 50, 100, dan 150 kg/ha pada saat tanaman jagung kultivar tertentu dan ditanam pada hari yang sama berumur 2 minggu. Dalam hal ini, dosis pemupukan nitrogen merupakan perlakuan, sedangkan dosis 50, 100, dan 150 kg/ha merupakan taraf perlakuan. Karena kultivar, waktu tanam, jarak tanam, dan waktu pemupukan sama maka segala perbedaan yang terjadi pada tanaman jagung, baik perbedaan pertumbuhan maupun perbedaan hasil dapat dikatakan sebagai disebabkan oleh dosis pemupukan nitrogen.

Tapi bagaimana dengan pengaruh faktor lingkungan, katakan misalnya sinar matahari, angin, kelembaban tanah, serangan organisme pengganggu tumbuhan, dan berbagai faktor lingkungan lainnya? Untuk menghindarkan obyek penelitian mendapat pengaruh dari faktor lain selain dari perlakuan maka dilakukan dua hal, pertama dengan menggunakan rancangan percobaan (atau rancangan lingkungan) tertentu dan kedua dengan melakukan prosedur pemeliharaan tanaman secara baku. Pada dasarnya, dari buku-buku teks mengenai perancangan percobaan yang pernah saya baca, terdapat tiga rancangan percobaan (rancangan lingkungan) yang dapat dipilih, yaitu rancangan acak lengkap (RAL, completely randomized design disingkat CRD), rancangan acak kelompok (RAK, rancomized complete block design disingkat RCB), dan rancangan bujurdangkar latin (RBL, latin square design disingkat LS). RAK digunakan apabila variasi faktor lingkungan dapat diabaikan, RAK bila variasi faktor lingkungan terjadi satu arah, dan RBL bila variasi faktor lingkungan terjadi dua arah. Karena teman-teman sudah mengambil matakuliah maka saya tidak perlu menjelaskan lebih lanjut lagi, bagaimana merancang percobaan dengan RAL, RAK, dan RBL. Selanjutnya, untuk mengatasi vatiasi yang ditimbulkan oleh organisme pengganggu tumbuhan maka perlu dilakukan pengendalian OPT dengan menggunakan cara pengendalian yang seragam. Demikian juga dengan pemupukan dengan pupuk fosfor dan kalium, penyiangan gulma, dan penyiraman, semuanya dilakukan secara seragam.

Bagaimana dengan percobaan faktorial (factorial experiment) dan rancangan petak terbagi (split plot design)? Pada percobaan pemupukan di atas, terdapat hanya satu perlakuan, yaitu pemupukan nitrogen. Bila selain pemupukan nitrogen juga diberikan perlakuan pemupukan fosfor maka percobaan menjadi terdiri atas dua faktor, yaitu faktor perlakuan pemupukan nitrogen dan faktor perlakuan pemupukan fosfor. Percobaan yang melibatkan lebih dari satu perlakuan seperti inilah yang disebut percobaan faktorial (factoriaal experiment). Percobaan faktorial dapat terdiri atas dua (two-way factorial), tiga (three-way factorial), atau lebih perlakuan, tetapi perlakuan yang terlalu banyak akan menimbulkan kesulitan dalam menganalisis data. Bila kedua faktor dicobakan dengan taraf perlakuan, dalam hal ini dosis, yang sama maka dihasilkan percobaan faktorial biasa, bisa taraf perlakuan berbeda (karena setiap jenis pupuk mempunyai dosis optimal yang berbeda) maka dihasilkan percobaan faktorial tersarang (nested factorial experiment, tersarang berarti taraf perlakuan berbeda untuk setiap perlakuan). Karena percobaan faktorial bukan merupakan rancangan lingkungan maka dalam pelaksanaannya, dapat dipilih rancangan lingkungan RAL (two-way Factorial arrangement on a CRD) atau RAK (two-way Factorial arrangement on a RCB atau three-way Factorial arrangement on a RCB).

Dalam hal rancangan petak terbagi (RPT), rancangan tersebut sebenarnya merupakan kombinasi antara rancangan perlakuan dan rancangan percobaan (rancangan lingkungan) sehingga dikategorikan sebagai rancangan pengembangan (untuk membedakan tiga rancangan yang telah disebutkan sebelumnya yang dikategorikan sebagai rancangan dasar). Rancangan petak terbagi merupakan rancangan faktorial dalam rancangan dasar RAK (split-plot in RCB), dengan satu faktor sebagai petak induk (main plot) dan faktor lainnya sebagai petak anak (sub-plot). Tentu saja percobaan dalam rancangan RBL juga dapat dilaksanakan dengan menggunakan rancangan dasar RAL (split-plot in CRD). Rancangan petak terbagi dapat diperluas dengan membagi lagi petak anak ke dalam petak cucu (sub-subplot). Rancangan yang dihasilkan dalam hal ini adalag rancangan petak-terbagi terbagi (split split-plot design), misalnya split split-plot dalam rancangan dasar RAK (Split-split Plot on a RCB). Selain RPT, rancangan pengembangan lainnya antara lain adalah rancangan blok terbagi (spliy block design, misalnya split block design dalam RAK).

Dalam percobaan, obyek percobaan dapat berupa benih, tanaman, OPT, dsb., yang dapat dicobakan sebagai individu tunggal tetapi pada umumnya sebagai populasi. Dalam hal dicobakan terhadap populasi, setiap taraf perlakukan dikenakan terhadap sekumpulan individu, misalnya sejumlah benih dalam cawan petri, sejumlah larva serangga dalam cawan petri, atau sekumpulan individu tanaman dalam satu petak. Cawan petri dan petak tanaman dalam hal ini merupakan satuan percobaan (experimental unit). Satuan percobaan dalam satu taraf perlakua harus berjumlah tidak hanya satu sebab bila hanya satu maka pendugaan galat percobaan (experimental error) tidak bisa dilakukan. Pemberian satu taraf perlakuan terhadap lebih dari satu satuan percobaan disebut pengulangan (replication) dan jumlah seluruh satuan percobaan yang diberikan satu taraf perlakuan disebut ulangan (replicate). Hasil kali antara taraf perlakuan dan jumlah ulangan menghasilkan jumlah satuan percobaan total yang dilibatkan dalam satu percobaan.

Untuk mengetahui tanggapan obyek percobaan terhadap perlakuan maka dilakukan pengukuran terhadap karakteristik tertentu obyek percobaan. Bila yang merupakan obyek percobaan adalah tanaman, karakteristik tanaman yang dapat diukur antara lain adalah tinggi tanaman, jumlah daun, dan berat hasil. Dalam kaitan dengan unsur penelitian yang telah saya paparkan pada tulisan lain sebelumnya, tinggi tanaman, jumlah daun, dan berat hasil merupakan peubah yang perlu diberikan definisi operaional. Namun banyak kawan-kawan saya menyebut segala sesuatu yang diamati dalam percobaan sebagai parameter, istilah yang sebenarnya kurang tepat mengingat dalam statistika, parameter berarti sesuatu yang diperoleh sebagai hasil analisis data. Pada pihak lain, perlakuan yang diberikan terhadap obyek penelitian juga merupakan peubah. Bedanya, perlakuan merupakan peubah bebas, sedangkan peubah yang merupakan karakteristik obyek penelitian sebagai tanggapan terhadap perlakuan merupakan peubah tidak bebas. Karena segala sesuatunya selain perlakuan sudah diatur seragam maka melalui penelitian eksperimental dapat ditentukan hubungan sebab-akibat antara perlakuan sebagai peubah bebas dan kerakteristik tanggapan obyek percobaan sebagai peubah tidak bebas.

Rancangan penelitian dalam penelitian eksperimental sebenarnya mencakup rancangan perlakuan, rancangan lingkungan, dan rancangan pengamatan yang tidak dapat dipisahkan satu sama lain. Tapi seringkali, istilah rancangan percobaan (design of experiment, DOE) secara kurang tepat digunakan sebagai nama lain rancangan lingkungan. Setelah memahami apa itu rancangan penelitian eksperimental, lalu bagaimana cara melakukan percobaan? Maksud saya, apa yang perlu ditentukan dan bagaimana teknik dan prosedur menentukannya? Berikut ini adalah langkah-langkah umum yang perlu mendapatkan perhatian dalam melaksanakan suatu percobaan bidang pertanian pada umumnya:

• Memastikan bahwa penelitian eksperimental merupakan metode penelitian yang sesuai dengan tujuan penelitian. Rancangan eksperimental sesuai untuk penelitian explanatory yang bertujuan untuk menjelaskan apa yang menyebabkan sesuatu berbeda dari yang lain atau untuk menjelaskan bagaimana hubungan tanggapan obyek percobaan terhadap perlakuan sehingga dapat diketahui tanggapan yang paling optimal.
• Menentukan apa yang menjadi perlakuan, apakah percobaan terdiri atas hanya satu atau lebih dari satu faktor perlakuan, dan bagaimana menatur taraf perlakuan. Misalnya perlu ditentukan apakah hanya mencobakan dosis pemupukan nitrogen atau disertai dengan dosis pemupukan forfor dan ditentukan alasannya mengapa. Juga perlu ditentukan taraf perlakuan yang akan dicobakan, misalnya apakah taraf perlakuan pemupukan nitrogen akan dicobakan adalah 50, 100, dan 150 kg/ha, 50, 100, 150, dan 200 kg/ha, atau 75, 150, dan 225 kg/ha, disertai dengan alasan mengapa memilih taraf tertentu, bukan taraf yang lain.
• Menentukan rancangan percobaan, ukuran satuan percobaan, jumlah ulangan, dan cara pengacakan satuan percobaan sesuai dengan rancangan yang dipilih. 
• Menyiapkan tempat penelitian, menyiapkan obyek percobaan sehingga siap diberikan perlakuan, memberikan perlakuan terhadap obyek percobaan, dan melakukan pemeliharaan sesuai dengan prosedur yang telah direncanakan.
• Melakukan pengamatan terhadap variabel yang telah ditentukan dengan menggunakan tekni dan prosedur yang telah dilaksanakan. Perlu diperhatikan bahwa pengamatan dapat dilakukan terhadap seluruh individu dalam satu satuan percobaan atau hanya terhadap sampel dari setiap satuan pengamatan. Sampel yang diambil dari satuan percobaan lazim disebut sub-sampel.

Rancangan penelitian eksperimental merupakan rancangan penelitian yang diajarkan secara tersendiri melalui matakuliah perancangan percobaan. Saya tidak mengerti mengapa hanya penelitian eksperimental yang diajarkan sebagai matakuliah tersendiri, sedangkan rancangan penelitian lainnya tidak diajarkan. Akibatnya, penelitian kawan-kawan pada program studi agroteknologi berputar-putar di sekitar penelitian eksperimental, seakan-akan tidak ada lagi rancangan penelitian di luar penelitian eksperimental. Penelitian eksperimental membatasi ruang penelitian pada pengujian hipotesis mengenai perbandingan, padahal masalah penelitian tidak selalu harus diatasi dengan membanding-bandingkan. Saya berpendapat bahwa pada waktu-waktu yang akan datang matakuliah perancangan percobaan perlu diganti dengan matakuliah perancangan penelitian dengan pokok bahasan yang mencakup rancangan percobaan sejati, rancangan percobaan semu, rancangan penelitian survei, dan bahkan rancangan penelitian lain. Seharusnya pula, mahasiswa mengambil matakuliah perancangan penelitian setelah menyelesaikan matakuliah metode penelitian (metode ilmiah?).

Setelah kawan-kawan membaca dan mudah-mudahan dapat memahami dengan mudah, saya minta bantaun kawan-kawan untuk menjawab pertanyaan pada bagian awal tulisan ini. Apakah menganalisis buah tomat di laboratorium untuk menentukan kandungan vitamin C-nya dapat dikatakan sebagai melakukan percobaan? Atau, apakah memerangkap lalat buah di lapangan dengan menggunakan senyawa eugenol sebagai umpan dapat dikatakan sebagai percobaan? Bila tidak bisa menjawabnya, berarti kawan-kawan sama seperti saya, masih perlu belajar banyak mengenai perancangan percobaan, sekalipun kawan-kawan sudah lulus dengan nilai A.

Revisi terakhir dilakukan pada 29 November 2013

Untuk memahami tulisan singkat ini secara lebih tuntas, silahkan klik setiap tautan yang tersedia. Bila Anda masih mempunyai pertanyaan, silahkan sampaikan melalui kotak komentar di bawah ini.