Sejak awal pendidikan formal, penelitian telah digunakan untuk membantu meningkatkan pendidikan dan menentukan bagaimana pendidikan bekerja dalam berbagai situasi. Melalui penelitian ilmiah, para pendidik berharap dapat memperoleh informasi yang akurat dan terpercaya mengenai permasalahan dan permasalahan penting yang dihadapi komunitas pendidikan. Secara khusus, penelitian pendidikan ilmiah diartikan sebagai penerapan metode dan teknik sistematis yang membantu peneliti dan praktisi untuk memahami dan meningkatkan proses belajar mengajar. Metode ilmiah adalah suatu proses teratur yang memerlukan sejumlah langkah: pengenalan dan definisi suatu masalah; perumusan hipotesis; pengumpulan data; analisis data; dan pernyataan kesimpulan mengenai konfirmasi atau diskonfirmasi hipotesis (yaitu, seorang peneliti membentuk hipotesis—penjelasan atas terjadinya perilaku, fenomena, atau peristiwa tertentu—sebagai cara untuk memprediksi (hipotesis) hasil studi penelitian dan kemudian mengumpulkan data untuk menguji prediksi itu). Langkah-langkah ini dapat diterapkan secara informal untuk menyelesaikan permasalahan sehari-hari. Penerapan metode ilmiah yang lebih formal merupakan standar dalam penelitian; lebih efisien dan dapat diandalkan dibandingkan hanya mengandalkan pengalaman, otoritas, penalaran induktif, dan penalaran deduktif sebagai sumber pengetahuan.

Penelitian adalah penerapan metode ilmiah yang formal dan sistematis untuk mempelajari masalah; penelitian pendidikan adalah penerapan metode ilmiah yang formal dan sistematis untuk mempelajari masalah-masalah pendidikan. Tujuan penelitian pendidikan pada hakikatnya sama dengan tujuan semua ilmu pengetahuan: mendeskripsikan, menjelaskan, memprediksi, atau mengendalikan fenomena—dalam hal ini fenomena pendidikan. Seperti yang kami sebutkan sebelumnya, menggambarkan, menjelaskan, memprediksi, dan mengendalikan situasi yang melibatkan manusia, yang merupakan organisme paling kompleks di antara semua organisme, bisa jadi sangat sulit. Begitu banyak faktor, baik yang diketahui maupun tidak, yang terjadi di lingkungan pendidikan mana pun sehingga sangat sulit untuk mengidentifikasi penyebab spesifik dari perilaku atau untuk menggeneralisasi atau mereplikasi temuan. Jenis pengendalian kaku yang dapat diterapkan dan dipertahankan di laboratorium biokimia, misalnya, tidak mungkin dilakukan dalam lingkungan pendidikan. Bahkan mendeskripsikan perilaku berdasarkan pengamatan orang pun ada batasnya. Pengamat mungkin bersikap subjektif dalam mencatat perilaku, dan orang yang diamati mungkin berperilaku tidak lazim hanya karena mereka sedang diawasi. Reaksi kimia, sebaliknya, tentu saja tidak disadari jika diamati! Meskipun demikian, penelitian perilaku tidak boleh dipandang kurang ilmiah dibandingkan penelitian ilmu pengetahuan alam yang dilakukan di laboratorium.

Meskipun terdapat kesulitan dan kompleksitas penerapan metode ilmiah dalam lingkungan pendidikan, langkah-langkah metode ilmiah yang digunakan oleh peneliti pendidikan sama dengan yang digunakan oleh peneliti dalam lingkungan lain yang lebih mudah dikontrol:

1. Pemilihan dan definisi suatu masalah. Masalah adalah suatu pertanyaan menarik yang dapat diuji atau dijawab melalui pengumpulan dan analisis data. Setelah mengidentifikasi pertanyaan penelitian, peneliti biasanya meninjau penelitian yang diterbitkan sebelumnya tentang topik yang sama dan menggunakan informasi tersebut untuk membuat hipotesis tentang hasilnya. Dengan kata lain, mereka membuat tebakan yang matang mengenai jawaban atas pertanyaan tersebut.

2. Pelaksanaan prosedur penelitian. Prosedur tersebut mencerminkan seluruh aktivitas yang terlibat dalam pengumpulan data yang berkaitan dengan masalah (misalnya, bagaimana data dikumpulkan dan dari siapa). Sebagian besar, prosedur spesifik ditentukan oleh pertanyaan penelitian dan variabel yang terlibat dalam penelitian.

3. Analisis data. Data dianalisis sedemikian rupa sehingga memungkinkan peneliti menguji hipotesis penelitian atau menjawab pertanyaan penelitian. Analisis biasanya melibatkan penerapan satu atau lebih teknik statistik. Untuk beberapa penelitian, analisis data melibatkan sintesis verbal dari data naratif; studi-studi ini biasanya melibatkan wawasan baru tentang fenomena yang dipertanyakan, menghasilkan hipotesis untuk penelitian di masa depan, atau keduanya.

4. Menarik dan menyatakan kesimpulan. Kesimpulan yang diharapkan dapat memajukan pengetahuan umum kita tentang topik yang dipermasalahkan, didasarkan pada hasil analisis data. Pernyataan tersebut harus dinyatakan berdasarkan hipotesis awal atau pertanyaan penelitian. Kesimpulan harus menunjukkan, misalnya, apakah hipotesis penelitian didukung atau tidak. Untuk penelitian yang melibatkan sintesis verbal, kesimpulannya jauh lebih tentatif.

Sama seperti penelitian di bidang lain, penelitian di bidang pendidikan menggunakan dua tipe dasar penalaran: penalaran induktif dan penalaran deduktif. Penalaran induktif sering disebut sebagai pendekatan “bottom-up” untuk mengetahui dimana peneliti menggunakan pengamatan tertentu untuk membangun abstraksi atau untuk mendeskripsikan gambaran fenomena yang sedang dipelajari. Penalaran induktif biasanya mengarah pada metode pengumpulan data induktif dimana peneliti (1) secara sistematis mengamati fenomena yang diselidiki, (2) mencari pola atau tema dalam pengamatannya, dan (3) mengembangkan generalisasi dari analisis tema tersebut. . Jadi peneliti melanjutkan dari pengamatan khusus ke pernyataan umum—suatu jenis pendekatan penemuan untuk mengetahui.

Sebaliknya, penalaran deduktif menggunakan pendekatan pengetahuan dari atas ke bawah (bottom-up). Peneliti pendidikan menggunakan salah satu aspek penalaran deduktif dengan terlebih dahulu membuat pernyataan umum dan kemudian mencari bukti spesifik yang akan mendukung atau menyangkal pernyataan tersebut. Jenis penelitian ini menggunakan metode deduktif hipotetis, yang dimulai dengan pembentukan hipotesis: penjelasan tentatif yang dapat diuji dengan mengumpulkan data. Misalnya, seseorang mungkin berhipotesis bahwa kelas kecil akan menghasilkan jumlah pembelajaran siswa yang lebih besar dibandingkan kelas besar. Hipotesis ini akan didasarkan pada teori atau basis pengetahuan yang terdiri dari hasil penelitian-penelitian sebelumnya. Teori adalah penjelasan yang dikembangkan dengan baik tentang bagaimana beberapa aspek dunia bekerja dengan menggunakan kerangka konsep, prinsip, dan hipotesis lainnya. Misalnya, teori pendidikan humanistik mungkin menekankan hubungan guru-siswa yang kuat sebagai bagian dari pembelajaran yang efektif. Studi penelitian sebelumnya mungkin menunjukkan bahwa hubungan seperti itu lebih umum terjadi di kelas kecil. Oleh karena itu, berdasarkan teori humanistik dan penelitian sebelumnya, peneliti dalam contoh kita mungkin berhipotesis bahwa ukuran kelas yang kecil akan menghasilkan pembelajaran siswa yang lebih baik berdasarkan teori humanistik dan penelitian sebelumnya. Langkah selanjutnya dalam pendekatan deduktif hipotetis adalah mengumpulkan data untuk melihat apakah hipotesis tersebut benar atau harus ditolak karena salah. Peneliti mungkin membandingkan pembelajaran siswa di kelas yang terdiri dari 15 siswa atau kurang dengan pembelajaran yang terdiri dari 25 siswa atau lebih. Jika siswa di kelas yang lebih kecil menunjukkan jumlah pembelajaran yang lebih besar, hipotesis tersebut akan didukung. Jika siswa di kelas yang lebih kecil tidak menunjukkan pembelajaran yang lebih baik, maka dengan penalaran deduktif, hipotesis tersebut terbukti salah. Ringkasnya, peneliti (1) memulai dengan teori dan dasar pengetahuan dan menggunakannya untuk membentuk hipotesis, (2) mengumpulkan data, dan (3) membuat keputusan berdasarkan data untuk menerima atau menolak hipotesis atau prediksi. 

Penalaran induktif melibatkan pengembangan generalisasi berdasarkan pengamatan terhadap sejumlah peristiwa atau pengalaman terkait. Perhatikan contoh penalaran induktif berikut:

Pengamatan: Seorang instruktur memeriksa lima buku teks penelitian. Masing-masing berisi bab tentang pengambilan sampel.

Generalisasi: Instruktur menyimpulkan bahwa semua buku teks penelitian berisi bab tentang pengambilan sampel.

Penalaran deduktif pada dasarnya melibatkan proses sebaliknya—mencapai kesimpulan spesifik berdasarkan prinsip umum, pengamatan, atau pengalaman (yaitu generalisasi)—seperti yang ditunjukkan dalam contoh berikut.

Pengamatan: Semua buku teks penelitian berisi bab tentang pengambilan sampel. Buku yang Anda baca adalah teks penelitian.

Generalisasi: Buku ini harus memuat bab tentang pengambilan sampel. (Melakukannya?)

Meskipun orang umumnya menggunakan pengalaman, penalaran induktif, dan penalaran deduktif untuk mempelajari hal-hal baru dan menarik kesimpulan baru dari pengetahuan tersebut, masing-masing pendekatan pemahaman ini memiliki keterbatasan bila digunakan secara terpisah. Beberapa masalah yang berkaitan dengan pengalaman dan otoritas sebagai sumber pengetahuan diilustrasikan secara grafis dalam cerita tentang Aristoteles. Menurut cerita, suatu hari Aristoteles menangkap seekor lalat dan dengan cermat menghitung serta menceritakan kembali kakinya. Dia kemudian mengumumkan bahwa lalat memiliki lima kaki. Tidak ada yang mempertanyakan perkataan Aristoteles. Selama bertahun-tahun temuannya diterima tanpa kritik. Sayangnya, lalat yang ditangkap Aristoteles kebetulan kehilangan satu kakinya! Percaya atau tidak cerita tersebut, cerita tersebut menggambarkan keterbatasan dalam mengandalkan pengalaman pribadi dan otoritas sebagai sumber pengetahuan.

Cerita ini juga menunjukkan potensi masalah dengan penalaran induktif: Generalisasi dari sampel kecil, terutama yang tidak lazim, dapat menyebabkan kesalahan. Penalaran deduktif juga dibatasi oleh bukti-bukti dalam observasi awal.