生命科学研究方法学实验研究法

生命科学研究方法学实验研究法第1页/共65页一、实验研究法概述

实验研究（experimentalstudy）是指根据一定的研究目的，在人为控制一些条件和因素的基础上，给予研究对象干预或处理措施，观测和分析所产生的效应，从而认识事物本质和揭示客观规律的一种研究方法。第2页/共65页◆实验法的主要特点

●

控制

●

简化、强化与模拟

●

揭示因果关系第3页/共65页二、实验的三要素

被试因素（factor）实验要素受试对象（object）实验效应（effect）第4页/共65页（一）被试因素1.被试因素的定义被试因素是根据研究目的给受试对象施加的处理内容，也称处理因素（treatmentfactor）。被试因素多数是由外界作用于受试对象的，也可以是受试对象本身的某些特征。第5页/共65页2.被试因素的水平

被试因素的强度级别或性质区别称为水平。

◆数量水平

◆质量水平

第6页/共65页

水平选定的主要作法：◆根据研究目的◆参照他人的研究结果◆进行预实验第7页/共65页3.被试因素与水平的组合◆单因素单水平◆多因素单水平◆单因素多水平◆多因素多水平

一定水平的被试因素或不同水平的各被试因素的组合称为实验处理，简称处理（treatment）。第8页/共65页

磷肥（kg/a）0510

氮肥（kg/a）0

N0P0

N0P5

N0P105

N5P0

N5P5

N5P1010

N10P0

N10P5

N10P10氮肥3个水平与磷肥3个水平组合的9个处理第9页/共65页（二）受试对象1.受试对象的概念

受试对象是处理因素作用的客体。

受试对象应对研究目标总体具有代表性。第10页/共65页2.总体、样本和实验单位

◆总体（population）◆样本（sample）◆实验单位（experimentalunit）一个样本由若干个实验单位组成。

任何两个实验单位各自独立地受到处理因素的作用。第11页/共65页第12页/共65页第13页/共65页（三）实验效应

1.概念实验效应（experimental

response）是受试对象受处理因素作用的反应和结果，通过实验指标来反映。实验指标选择的恰当是关系到实验研究质量的重要环节。第14页/共65页2.实验指标的要求重要要求关联性（correlation）客观性（objectivity）灵敏性（sensitivity）特异性（specificity）准确性（accuracy）精密性（precision）第15页/共65页⑴关联性切合研究目的确切反映实验效应⑵

客观性主观指标：由主观感受判定客观指标：由仪表指示第16页/共65页⑶灵敏性示值增量/被测量增量（斜率）鉴别阈（分辨力，检出下限）⑷特异性针对性或区分度第17页/共65页⑸准确度

定义：测量值与真值的接近程度。准确度的衡量指标之一——偏差系数（coefficientofbias,CB

）

真值－测量结果

CB（%）=

×%

真值第18页/共65页R：回收率（percent

recovery）

VP－VB

R（%）=——————×100%VSVP：加入标准量后的测定值

VB：加入标准量前的测定值

VS：加入标准量第19页/共65页

例如，血清某物质在未加标准量时，5次测定的均值为100mg/L，向血清中加入该物质标准量50mg后，该物质的测定均值为145mg/L，其回收率为：

145－100

R=×100%50=90%第20页/共65页⑹精密度定义：进行多次重复测量时，测量值与平均测量值的接近程度。

精密度的衡量指标之一标准差（standarddeviation,s）

Σ

(X－X)2

s=

n

－1

第21页/共65页GoodaccuracyPoorprecisionGoodaccuracyGoodprecisionPooraccuracyPoorprecisionPooraccuracyGoodprecision第22页/共65页3.实验指标选择应注意的几点

将可靠性放在首位

不搞“单打一”

力争高、精、尖、新第23页/共65页三、实验设计

（一）实验设计的含义和意义

专业设计

DOE

统计学设计

第24页/共65页

实验设计的意义：

实验的统计学设计是指实验单位编排和分组，将处理因素进行分组分配。◆控制误差◆提高效率第25页/共65页（二）实验设计的统计学原则Acontrolisareferenceagainstwhichtheresultsofanexperimentalmanipulationcanbecompared.1.

对照（control）◆对照的含义：参照基准做对比第26页/共65页◆对照的要求：差异唯一Allvariablesarecontrolledinthecontrolgroup,whiletheindependentvariableischangedormanipulatedinthetreatmentgroup.

第27页/共65页◆对照的作用：凸显实验效应

T+S1

→

E+e1

‖

‖0+S2

→0’+e2

T

→E

T：处理因素，

E：T的效应；

0：处理因素为0，

0’：0的效应；

S1：处理组非处理因素，e1：S1的效应；

S2：对照组非处理因素，e2：S2的效应。第28页/共65页

T

1+S1

→E1+e1

‖

‖

T

2

+S2

→E2+e2

Td

→Ed

T1：处理1，

E1：T1

的效应；

T2：处理2，

E2：T2

的效应；

S1：处理组1的非处理因素，e1：S1

的效应；

S2：处理组2的非处理因素，e2：S2

的效应。第29页/共65页◆对照的形式：⑴阴性对照（negativecontrol）

“阴性”是指无预期效应。

●

blankcontrol

●

vehiclecontrol

●placebocontrol

●shamcontrol第30页/共65页

⑵

阳性对照（positivecontrol）

“阳性”是指有预期效应。

●

Thepositivecontrolgroupisthesetofindividualsexposedtothetreatmentknowntocauseaneffect,basedonprevious,establishedandacceptedresearch.

●

comparativecontrol第31页/共65页◆对照的有效运用：

●

尽可能设置并行对照

Concurrentcontrol

●

必要时设置多个对照

Multiplecontrol

●必要时使用盲法

Blindingprocedure

第32页/共65页2.随机（randomization）

◆随机原则的含义随机化原则是指各个实验单位受到每一个处理的概率相等。

抽样随机随机化分组随机实验顺序随机第33页/共65页◆随机化的主要作法

●随机数法

●抽签法◆随机化的作用

●控制偏倚

偏倚：由系统误差造成的测量值对真值的偏离。第34页/共65页◆随机数法抽样的基本步骤

●将N个实验对象编号

●取n个随机数●

抽取编号与随机数相同的实验对象

第35页/共65页第36页/共65页

举例：从300只家兔抽取16只用于实验：

1.给300只家兔进行三位数编号，编号为000，001，002，003……299．

2.从随机数表中任选某行某列位置的一个数字为开始抽样的数字．

3.从选定的数向右（或左、或上、或下）同一个方向三位，三位读下去，得到一系列三位数随机数，去掉大于299的，重复的只取一个，取够16个随机数（如246，223，162，061……）．

4.编号与所取随机数相同的家兔被抽样。

第37页/共65页◆随机数法分组的基本步骤

●实验单位编号

●预先规定组别的对应数字●

取随机数并依先后次序与实验单位编号相配，或再对随机数做除法运算，取余数●按对应数字进行实验单位分组●调整样本含量第38页/共65页15只动物随机分成A、B、C三组动物编号123456789101112131415随机数字333572674777345545700818273890余数020112110120020初步分组ACABBCBBABCAACA

查随机数表，用已用“90”之后的随机数“16”，除以初分A组的动物数“6”，得余数“4”，将该组的第4号动物（即12号）编入C组。第39页/共65页3.重复（replication）

◆重复原则的含义

相同实验条件下的独立重复实验次数应足够多。

独立重复实验：在相同的处理条件下，对不同实验单位做多次实验，一个实验单位只为样本含量提供一个观测数据或结果。第40页/共65页◆重复的统计学表达样本含量◆重复的主要作用降低抽样偶然性第41页/共65页

◆样本含量的影响因素⑴效应大小⑵实验误差⑶计量或计数结果⑷检验水准⑸检验效能⑹检验的单双侧⑺实验设计的类型第42页/共65页◆样本大小的估计方法

⑴经验推测法例如，动物实验样本含量的粗估法：

大动物（犬、猪等）：5~15只/组中等动物（兔、猫等）：10~20只/组小动物（大鼠、小鼠等）：15~30只/组第43页/共65页⑵计算法例如，两个样本均数比较的样本含量：δ

(t

－

t2

)S

n1=n2=22δ

(t2

－

t2

)S

n1=n2=22单侧双侧第44页/共65页◆

尽量避免伪重复伪重复（pseudoreplication）是指以为的样本含量（重复实验次数，n）多于真实的样本含量。●单个实验单位的重复测量●被试个体不具统计学独立性第45页/共65页4.区组（blocking）区组原则是指根据实验单位之间的已知差异（或相似性）分组，每一组实验单位尽可能齐同，并随机分配到各个实验组和对照组。

区组原则又称分层（stratification）原则。第46页/共65页第47页/共65页第48页/共65页第49页/共65页第50页/共65页Block1Block2Block3Block3Treat.1Treat.2Treat.3Treat.4第51页/共65页组间处理不同组间非处理因素齐同减小误差凸显效应对照随机重复区组第52页/共65页单因素实验方案多因素实验方案完全方案不完全方案按因素数量（三）实验设计的类型

1.

按因素数量第53页/共65页2.

按组数

◆单组比较实验自身前后配对设计、自身左右配对设计、序贯设计等。◆两组比较实验异体配对设计、交叉设计等。

◆多组比较实验析因设计、正交设计、均匀设计等。第54页/共65页（四）几种常用的实验设计

1.

完全随机设计

◆完全随机设计（completely

randomizeddesign）用于两组实验无法配对或多组实验无法配伍（区组）的情况。

◆适用面宽，但所需样本含量较大。第55页/共65页16只小鼠随机分成A、B两组动物编号12345678910111213141516随机数字6917914194625903初步分组BAAAAABAABBBAABA继续查得3之后的随机数依次为6、2动物编号12345678910111213141516随机数字6917914194625903调整分组BABAAABBABBBAABA第56页/共65页2.

随机区组设计

◆概念

随机区组设计（randomizedblockdesign）是指两个以上相似的实验单位组成区组，每个区组的实验单位随机分配而组成不同的处理组。随机区组设计亦称配伍组设计。

处理组内受试对象或非处理因素不一致，但处理组间却是极其一致的。第57页/共65页

例如，将5种饲料添加剂A1、A2、A3、A4、A5供试4窝共20只仔猪，设计成5个处理组。仔猪编号1234567891011121314151617181920随机数字15507525－71388658－95985685－99832162－除数5432－5432－5432－5432－

余数5231－1222－5221－4332－添加剂A5A2A4A1A3A1A3A4A5A2

A5A2A3A1A4A4A3A5A2A1

第58页/共65页3.

配对设计

◆

配对设计（paireddesign）是将实验单位按其某些特征配成对子，每对中的两个实验单位分配到两处理组中，可视为随机区组设计的特例。

例随机抽取10份乳酸饮料，分别用脂肪酸水解法与歌特里-罗紫法测定饮料中脂肪含量。第59页/共65页

两种方法测定乳酸饮料中脂肪含量的结果

10.8400.5800.2600.067620.5910.5090.0820.00673