第10章 實驗設計 生理學是一門實驗性科學其知識的獲得來源于科學研究.doc

第十章 實驗設計生理學是一門實驗性科學，其知識的獲得來源于科學研究?？茖W研究是一個復雜而艱苦的創(chuàng)造性勞動，有一定的規(guī)律和基本程序，其中研究設計就像蓋樓的建筑圖紙一樣，是一個不可缺少的重要環(huán)節(jié)。研究設計包括專業(yè)設計和實驗設計。本章介紹的是實驗設計的一些基礎知識。第一節(jié) 基本要素美國科學家杜博斯曾說過：實驗有2個目的，即觀察迄今未加闡明的新事物；以及判斷提出的某一理論（假說）是否符合大量可觀察到的事實。其中具體到某一實驗，大多是為了闡明某種因素作用于研究對象時所產生的效應?？梢姡浒ㄈ齻€基本要素：實驗對象、處理因素和實驗效應。如何確定這三大要素在實驗設計中是非常重要的。一、實驗對象指接受實驗的動物或人，其可以是正常的也可以是異常的。正確的選擇實驗對象，對實驗的成敗往往起著關鍵性的作用。1. 人的選擇 根據實驗目的選擇合適的病人或健康人。但必須遵守:(1) 自愿原則。(2) 非創(chuàng)傷性原則。(3) 對人體不能帶來損害或痛苦。2. 動物的選擇 在實驗中正確的選擇動物，將使方法簡化、時間縮短，給實驗的成功創(chuàng)造良好的條件。當把動物實驗的結果推斷到人類的生物學上時，應謹慎！選擇動物時應注意：(1) 動物的健康狀況。(2) 動物的種屬、品系、等級、年齡、性別、體重、營養(yǎng)狀況，尤其是生理、生化特點是否符合要求。(3) 經濟可行、容易獲得。(4) 符合法律的有關規(guī)定。二、處理因素指實驗者人為施加給實驗對象，在實驗中需要觀察并闡明其處理效應的因素,也稱被試因素。處理因素的種類非常多，如化學的、物理的、生物的、社會心理的等等。如何控制好處理因素是極為重要的。對于處理因素要注意：1. 易于控制 處理因素必須是可控的，否則不能選擇。2. 處理因素之間的交互作用 實驗中一般確定一個關鍵的主要因素為處理因素，但根據需要處理因素也可以是多個，此時要注意它們之間的交互作用。3. 明確非處理因素并排除其影響。4. 標準化 實驗過程中處理因素應始終保持不變。5. 處理因素的水平 即注意處理因素的強度（如藥物的濃度、作用時間的長短等）對效應的影響。三、實驗效應指處理因素作用于實驗對象后顯示出的結果。為了具體的反映出實驗效應來，需要采用一些指標來衡量。這些實驗觀察和檢測的指標，稱為效應指標（也稱觀察指標）。效應指標的選擇應注意：1關聯性 所選指標要與實驗目的有本質的聯系，能確切的反映處理因素的效應。2客觀性 指不受主觀因素的影響。應盡量采用一些易于量化的、有儀器或化驗獲得的指標。3特異性 指只對某種特定的因素產生效應反應，而不受其它因素的干擾。4重復性 指對處理因素的反應要穩(wěn)定、一致，即穩(wěn)定性要好，在同樣條件下，指標應可以重復出現。5靈敏性 要能反映出實驗中的微小變化，其往往是由實驗方法和儀器的靈敏度決定的。6精確性 指精確度。包括準確度和精密度。準確度指觀察值與真實值的接近程度，主要受系統(tǒng)誤差的影響。精密度指重復觀察時，觀察值與其均數的接近程度，其差值屬于隨機誤差。7可行性 應有文獻依據，并符合本實驗室的實際情況，能切實執(zhí)行的。第二節(jié) 基本原理實驗過程中的實驗效應必須是處理因素引起的，但由于實驗時的影響因素（操作技術、實驗環(huán)境等）繁多，一些非處理因素也可能對實驗效應產生一定的影響。因此，在實驗設計中必須遵循其原理和原則。實驗設計的基本原理是在專業(yè)設計的基礎上，運用統(tǒng)計學的知識和方法，使處理因素在其他非處理因素均被嚴格控制的情況下，實驗效應能夠準確的顯示出來、最大限度的減少誤差，從而在最少的樣本和最少的觀察次數中得出最優(yōu)的結果和最可靠的結論，提高和保證觀察結果的可重復性和可信性，使實驗達到高效、快速、經濟的目的。故實驗設計也稱為統(tǒng)計學設計。而所謂的專業(yè)設計是指運用專業(yè)知識進行的設計，其從專業(yè)知識角度來設想用什么樣的觀察內容來驗證假說或回答有關問題，從而保證實驗的有用性、創(chuàng)新性和先進性。第三節(jié) 基本原則一、對照原則對照就是要設立參照物，它是比較的基礎。通過對照可以鑒別處理因素與非處理因素的差異，消除或減少實驗誤差。所以實驗設計必須設立對照組。實驗組與對照組之間，除處理因素不同外，其它非處理因素應盡量保持相同。常用的對照方法有：1. 無處理對照 常分成三種形式。(1) 正常對照：以正常人或正常動物的各種數據或反應作為對照。(2) 非正常對照：以病人或動物模型作為對照，包括空白對照、假處理對照和安慰劑對照等。這是生理學實驗最常用、最有效的對照方法。(3) 處理前后對照：將處理后的數據和處理前（無處理）的數據對照，但要求實驗在短時間內完成，而且前后條件應基本一致。生理學急性動物實驗能滿足此要求，故常用此方法。2.有處理對照 常分為以下幾種情況：(1) 已知因素對照，也稱為相互對照。(2) 同一處理，但是方法不同或強度不同的對照。(3) 復合處理對照和“交互作用”對照。(4) 替除處理對照。二、均衡原則均衡指實驗組與非實驗組在非處理因素方面應盡可能一致。為了做到均衡，在實驗研究中要把實驗組與非實驗組的非處理因素，如動物的種屬、等級、性別、體重等保持基本一致；在臨床研究中，要求將病人的病種、性別、年齡等保持基本一致。通常對于重要因素還可采取交叉均衡、分層均衡等方法保證其均衡化，使其在各組基本一致；而對于次要因素則按隨機處理。三、隨機原則隨機指研究總體中的每一個個體都有同等的機會被分配到任何一個組中去，分組的結果不受人為因素的干擾和影響；并且，實驗操作的順序也要隨機安排。隨機不等于“隨便”，也不是“隨意”。通過隨機處理，可以使所抽取的樣本能夠代表總體，減少誤差；還可使各組樣本的條件盡量一致，消除或縮小非實驗因素在組間的差別，從而提高處理因素的效應。隨機化的方法很多,如摸球或抽簽法、隨機數字表法、隨機化分組表法等。四、重復原則重復是指實驗組與對照組的例數要有一定的數量，重復程度表現為樣本含量的大小和重復次數的多少。很顯然，樣本例數越多，越能客觀反映真實情況，但人力、物力、才力及實驗的控制難度也會增加。而樣本例數若過少，有可能把偶然的現象當作必然的規(guī)律，得出錯誤的結論。因此，在實驗設計中應科學的設置樣本的例數，在保證實驗結果可信的情況下，確定最少的樣本例數，獲得最大的經濟和社會效益。在生理學實驗中，通常根據文獻資料、預實驗結果、以及實驗者本人以往的經驗來確定樣本例數。一般情況下，計量資料的樣本數可以小些，每組610例；計數資料的樣本數應大些，每組6080例。第四節(jié) 常用的方法一、單組比較設計實驗與對照是在同一個體上進行的，也稱自身對照設計。該設計對于實驗效果、觀察時間較短的實驗較適用。優(yōu)點是節(jié)省樣本，控制條件容易。其有三種形式：1. 每個觀察對象（單位）進行兩次觀察，第一次觀察不給予處理，第二次觀察給予處理，對兩組結果進行比較。2. 第一次是A處理，第二次是B處理，以兩次結果的差值作為實驗結果。3. 將試驗對象的一半先接受A處理，后接受B處理；而另一半先接受B處理，后接受A處理，對兩組結果進行比較。二、組間比較設計組間比較設計是直接進行兩組或多組之間的比較。在研究工作中最常用的是實驗組與對照組之間的比較。在設計時，除了要遵循前述的均衡原則外，還要注意兩組樣本數盡量相同。若把對照組的數量減少，不利于顯著性差異的呈現。其優(yōu)點是設計簡單，對比明顯。缺點是處理因素單一，在一次試驗中只能做一個因素的比較，所以它不能滿足多因素的實驗設計。三、正交設計正交設計是一種研究多因素試驗的設計方法，它是利用“正交表”來安排試驗并分析結果。其中正交表是正交設計的核心，它是根據數理統(tǒng)計原理歸納得到，作為合理安排實驗、統(tǒng)計分析實驗數據的一種工具。利用正交設計進行設計時，按照安排好的正交表科學地安排實驗，使設計、實驗、分析三者有機地結合在一起；能節(jié)省大量的人力、物力和才力，很好的分析各因素的交互作用，提高實驗效能，是一種高效、快速和經濟的實驗設計方法。四、配對設計根據實驗對象的特點，將受試對象合理配對后，再隨機分組；通過實驗比較兩組的差別，稱為配對設計。有兩種方法：1. 直接配對 按照要求直接配對，每對中的一個是“實驗”，另一個是“對照”。2. 分層配對 按一定的條件將實驗對象分成不同的層次后配對，再隨機分組。是解決均衡性的一個較好的方法。缺點是延長了實驗的時間，對子間的條件也易于發(fā)生變化，且樣本的例數易于減少。五、拉丁方設計拉丁方設計也是一種研究多因素試驗的設計方法，如果實驗中有三個以上的因素，且各處理因素的水平數相同并無交互作用，則可采用拉丁方設計，拉丁方是以拉丁字母排列成方陣的簡稱。其實際上是輪換設計的擴大。優(yōu)點是效率較高，均衡性較好。六、析因設計在實驗中各因素之間往往是相互影響的，當一個因素發(fā)生變化時，另