第10章 实验设计 生理学是一门实验性科学其知识的获得来源于科学研究.doc

第十章 实验设计生理学是一门实验性科学，其知识的获得来源于科学研究。科学研究是一个复杂而艰苦的创造性劳动，有一定的规律和基本程序，其中研究设计就像盖楼的建筑图纸一样，是一个不可缺少的重要环节。研究设计包括专业设计和实验设计。本章介绍的是实验设计的一些基础知识。第一节 基本要素美国科学家杜博斯曾说过：实验有2个目的，即观察迄今未加阐明的新事物；以及判断提出的某一理论（假说）是否符合大量可观察到的事实。其中具体到某一实验，大多是为了阐明某种因素作用于研究对象时所产生的效应。可见，其包括三个基本要素：实验对象、处理因素和实验效应。如何确定这三大要素在实验设计中是非常重要的。一、实验对象指接受实验的动物或人，其可以是正常的也可以是异常的。正确的选择实验对象，对实验的成败往往起着关键性的作用。1. 人的选择 根据实验目的选择合适的病人或健康人。但必须遵守:(1) 自愿原则。(2) 非创伤性原则。(3) 对人体不能带来损害或痛苦。2. 动物的选择 在实验中正确的选择动物，将使方法简化、时间缩短，给实验的成功创造良好的条件。当把动物实验的结果推断到人类的生物学上时，应谨慎！选择动物时应注意：(1) 动物的健康状况。(2) 动物的种属、品系、等级、年龄、性别、体重、营养状况，尤其是生理、生化特点是否符合要求。(3) 经济可行、容易获得。(4) 符合法律的有关规定。二、处理因素指实验者人为施加给实验对象，在实验中需要观察并阐明其处理效应的因素,也称被试因素。处理因素的种类非常多，如化学的、物理的、生物的、社会心理的等等。如何控制好处理因素是极为重要的。对于处理因素要注意：1. 易于控制 处理因素必须是可控的，否则不能选择。2. 处理因素之间的交互作用 实验中一般确定一个关键的主要因素为处理因素，但根据需要处理因素也可以是多个，此时要注意它们之间的交互作用。3. 明确非处理因素并排除其影响。4. 标准化 实验过程中处理因素应始终保持不变。5. 处理因素的水平 即注意处理因素的强度（如药物的浓度、作用时间的长短等）对效应的影响。三、实验效应指处理因素作用于实验对象后显示出的结果。为了具体的反映出实验效应来，需要采用一些指标来衡量。这些实验观察和检测的指标，称为效应指标（也称观察指标）。效应指标的选择应注意：1关联性 所选指标要与实验目的有本质的联系，能确切的反映处理因素的效应。2客观性 指不受主观因素的影响。应尽量采用一些易于量化的、有仪器或化验获得的指标。3特异性 指只对某种特定的因素产生效应反应，而不受其它因素的干扰。4重复性 指对处理因素的反应要稳定、一致，即稳定性要好，在同样条件下，指标应可以重复出现。5灵敏性 要能反映出实验中的微小变化，其往往是由实验方法和仪器的灵敏度决定的。6精确性 指精确度。包括准确度和精密度。准确度指观察值与真实值的接近程度，主要受系统误差的影响。精密度指重复观察时，观察值与其均数的接近程度，其差值属于随机误差。7可行性 应有文献依据，并符合本实验室的实际情况，能切实执行的。第二节 基本原理实验过程中的实验效应必须是处理因素引起的，但由于实验时的影响因素（操作技术、实验环境等）繁多，一些非处理因素也可能对实验效应产生一定的影响。因此，在实验设计中必须遵循其原理和原则。实验设计的基本原理是在专业设计的基础上，运用统计学的知识和方法，使处理因素在其他非处理因素均被严格控制的情况下，实验效应能够准确的显示出来、最大限度的减少误差，从而在最少的样本和最少的观察次数中得出最优的结果和最可靠的结论，提高和保证观察结果的可重复性和可信性，使实验达到高效、快速、经济的目的。故实验设计也称为统计学设计。而所谓的专业设计是指运用专业知识进行的设计，其从专业知识角度来设想用什么样的观察内容来验证假说或回答有关问题，从而保证实验的有用性、创新性和先进性。第三节 基本原则一、对照原则对照就是要设立参照物，它是比较的基础。通过对照可以鉴别处理因素与非处理因素的差异，消除或减少实验误差。所以实验设计必须设立对照组。实验组与对照组之间，除处理因素不同外，其它非处理因素应尽量保持相同。常用的对照方法有：1. 无处理对照 常分成三种形式。(1) 正常对照：以正常人或正常动物的各种数据或反应作为对照。(2) 非正常对照：以病人或动物模型作为对照，包括空白对照、假处理对照和安慰剂对照等。这是生理学实验最常用、最有效的对照方法。(3) 处理前后对照：将处理后的数据和处理前（无处理）的数据对照，但要求实验在短时间内完成，而且前后条件应基本一致。生理学急性动物实验能满足此要求，故常用此方法。2.有处理对照 常分为以下几种情况：(1) 已知因素对照，也称为相互对照。(2) 同一处理，但是方法不同或强度不同的对照。(3) 复合处理对照和“交互作用”对照。(4) 替除处理对照。二、均衡原则均衡指实验组与非实验组在非处理因素方面应尽可能一致。为了做到均衡，在实验研究中要把实验组与非实验组的非处理因素，如动物的种属、等级、性别、体重等保持基本一致；在临床研究中，要求将病人的病种、性别、年龄等保持基本一致。通常对于重要因素还可采取交叉均衡、分层均衡等方法保证其均衡化，使其在各组基本一致；而对于次要因素则按随机处理。三、随机原则随机指研究总体中的每一个个体都有同等的机会被分配到任何一个组中去，分组的结果不受人为因素的干扰和影响；并且，实验操作的顺序也要随机安排。随机不等于“随便”，也不是“随意”。通过随机处理，可以使所抽取的样本能够代表总体，减少误差；还可使各组样本的条件尽量一致，消除或缩小非实验因素在组间的差别，从而提高处理因素的效应。随机化的方法很多,如摸球或抽签法、随机数字表法、随机化分组表法等。四、重复原则重复是指实验组与对照组的例数要有一定的数量，重复程度表现为样本含量的大小和重复次数的多少。很显然，样本例数越多，越能客观反映真实情况，但人力、物力、才力及实验的控制难度也会增加。而样本例数若过少，有可能把偶然的现象当作必然的规律，得出错误的结论。因此，在实验设计中应科学的设置样本的例数，在保证实验结果可信的情况下，确定最少的样本例数，获得最大的经济和社会效益。在生理学实验中，通常根据文献资料、预实验结果、以及实验者本人以往的经验来确定样本例数。一般情况下，计量资料的样本数可以小些，每组610例；计数资料的样本数应大些，每组6080例。第四节 常用的方法一、单组比较设计实验与对照是在同一个体上进行的，也称自身对照设计。该设计对于实验效果、观察时间较短的实验较适用。优点是节省样本，控制条件容易。其有三种形式：1. 每个观察对象（单位）进行两次观察，第一次观察不给予处理，第二次观察给予处理，对两组结果进行比较。2. 第一次是A处理，第二次是B处理，以两次结果的差值作为实验结果。3. 将试验对象的一半先接受A处理，后接受B处理；而另一半先接受B处理，后接受A处理，对两组结果进行比较。二、组间比较设计组间比较设计是直接进行两组或多组之间的比较。在研究工作中最常用的是实验组与对照组之间的比较。在设计时，除了要遵循前述的均衡原则外，还要注意两组样本数尽量相同。若把对照组的数量减少，不利于显著性差异的呈现。其优点是设计简单，对比明显。缺点是处理因素单一，在一次试验中只能做一个因素的比较，所以它不能满足多因素的实验设计。三、正交设计正交设计是一种研究多因素试验的设计方法，它是利用“正交表”来安排试验并分析结果。其中正交表是正交设计的核心，它是根据数理统计原理归纳得到，作为合理安排实验、统计分析实验数据的一种工具。利用正交设计进行设计时，按照安排好的正交表科学地安排实验，使设计、实验、分析三者有机地结合在一起；能节省大量的人力、物力和才力，很好的分析各因素的交互作用，提高实验效能，是一种高效、快速和经济的实验设计方法。四、配对设计根据实验对象的特点，将受试对象合理配对后，再随机分组；通过实验比较两组的差别，称为配对设计。有两种方法：1. 直接配对 按照要求直接配对，每对中的一个是“实验”，另一个是“对照”。2. 分层配对 按一定的条件将实验对象分成不同的层次后配对，再随机分组。是解决均衡性的一个较好的方法。缺点是延长了实验的时间，对子间的条件也易于发生变化，且样本的例数易于减少。五、拉丁方设计拉丁方设计也是一种研究多因素试验的设计方法，如果实验中有三个以上的因素，且各处理因素的水平数相同并无交互作用，则可采用拉丁方设计，拉丁方是以拉丁字母排列成方阵的简称。其实际上是轮换设计的扩大。优点是效率较高，均衡性较好。六、析因设计在实验中各因素之间往往是相互影响的，当一个因素发生变化时，另