第10章 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 生理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性科學(xué)其知識(shí)的獲得來(lái)源于科學(xué)研究.doc

第十章 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)生理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)性科學(xué)，其知識(shí)的獲得來(lái)源于科學(xué)研究?？茖W(xué)研究是一個(gè)復(fù)雜而艱苦的創(chuàng)造性勞動(dòng)，有一定的規(guī)律和基本程序，其中研究設(shè)計(jì)就像蓋樓的建筑圖紙一樣，是一個(gè)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。研究設(shè)計(jì)包括專業(yè)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。本章介紹的是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一些基礎(chǔ)知識(shí)。第一節(jié) 基本要素美國(guó)科學(xué)家杜博斯曾說(shuō)過(guò)：實(shí)驗(yàn)有2個(gè)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(shuō)）是否符合大量可觀察到的事實(shí)。其中具體到某一實(shí)驗(yàn)，大多是為了闡明某種因素作用于研究對(duì)象時(shí)所產(chǎn)生的效應(yīng)?？梢姡浒ㄈ齻€(gè)基本要素：實(shí)驗(yàn)對(duì)象、處理因素和實(shí)驗(yàn)效應(yīng)。如何確定這三大要素在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中是非常重要的。一、實(shí)驗(yàn)對(duì)象指接受實(shí)驗(yàn)的動(dòng)物或人，其可以是正常的也可以是異常的。正確的選擇實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)實(shí)驗(yàn)的成敗往往起著關(guān)鍵性的作用。1. 人的選擇 根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x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(duì)人體不能帶來(lái)?yè)p害或痛苦。2. 動(dòng)物的選擇 在實(shí)驗(yàn)中正確的選擇動(dòng)物，將使方法簡(jiǎn)化、時(shí)間縮短，給實(shí)驗(yàn)的成功創(chuàng)造良好的條件。當(dāng)把動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的結(jié)果推斷到人類的生物學(xué)上時(shí)，應(yīng)謹(jǐn)慎！選擇動(dòng)物時(shí)應(yīng)注意：(1) 動(dòng)物的健康狀況。(2) 動(dòng)物的種屬、品系、等級(jí)、年齡、性別、體重、營(yíng)養(yǎng)狀況，尤其是生理、生化特點(diǎn)是否符合要求。(3) 經(jīng)濟(jì)可行、容易獲得。(4) 符合法律的有關(guān)規(guī)定。二、處理因素指實(shí)驗(yàn)者人為施加給實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)中需要觀察并闡明其處理效應(yīng)的因素,也稱被試因素。處理因素的種類非常多，如化學(xué)的、物理的、生物的、社會(huì)心理的等等。如何控制好處理因素是極為重要的。對(duì)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(shí)驗(yàn)中一般確定一個(gè)關(guān)鍵的主要因素為處理因素，但根據(jù)需要處理因素也可以是多個(gè)，此時(shí)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(biāo)準(zhǔn)化 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中處理因素應(yīng)始終保持不變。5. 處理因素的水平 即注意處理因素的強(qiáng)度（如藥物的濃度、作用時(shí)間的長(zhǎng)短等）對(duì)效應(yīng)的影響。三、實(shí)驗(yàn)效應(yīng)指處理因素作用于實(shí)驗(yàn)對(duì)象后顯示出的結(jié)果。為了具體的反映出實(shí)驗(yàn)效應(yīng)來(lái)，需要采用一些指標(biāo)來(lái)衡量。這些實(shí)驗(yàn)觀察和檢測(cè)的指標(biāo)，稱為效應(yīng)指標(biāo)（也稱觀察指標(biāo)）。效應(yīng)指標(biāo)的選擇應(yīng)注意：1關(guān)聯(lián)性 所選指標(biāo)要與實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠斜举|(zhì)的聯(lián)系，能確切的反映處理因素的效應(yīng)。2客觀性 指不受主觀因素的影響。應(yīng)盡量采用一些易于量化的、有儀器或化驗(yàn)獲得的指標(biāo)。3特異性 指只對(duì)某種特定的因素產(chǎn)生效應(yīng)反應(yīng)，而不受其它因素的干擾。4重復(fù)性 指對(duì)處理因素的反應(yīng)要穩(wěn)定、一致，即穩(wěn)定性要好，在同樣條件下，指標(biāo)應(yīng)可以重復(fù)出現(xiàn)。5靈敏性 要能反映出實(shí)驗(yàn)中的微小變化，其往往是由實(shí)驗(yàn)方法和儀器的靈敏度決定的。6精確性 指精確度。包括準(zhǔn)確度和精密度。準(zhǔn)確度指觀察值與真實(shí)值的接近程度，主要受系統(tǒng)誤差的影響。精密度指重復(fù)觀察時(shí)，觀察值與其均數(shù)的接近程度，其差值屬于隨機(jī)誤差。7可行性 應(yīng)有文獻(xiàn)依據(jù)，并符合本實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，能切實(shí)執(zhí)行的。第二節(jié) 基本原理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)效應(yīng)必須是處理因素引起的，但由于實(shí)驗(yàn)時(shí)的影響因素（操作技術(shù)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等）繁多，一些非處理因素也可能對(duì)實(shí)驗(yàn)效應(yīng)產(chǎn)生一定的影響。因此，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中必須遵循其原理和原則。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原理是在專業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的知識(shí)和方法，使處理因素在其他非處理因素均被嚴(yán)格控制的情況下，實(shí)驗(yàn)效應(yīng)能夠準(zhǔn)確的顯示出來(lái)、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(shù)中得出最優(yōu)的結(jié)果和最可靠的結(jié)論，提高和保證觀察結(jié)果的可重復(fù)性和可信性，使實(shí)驗(yàn)達(dá)到高效、快速、經(jīng)濟(jì)的目的。故實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也稱為統(tǒng)計(jì)學(xué)設(shè)計(jì)。而所謂的專業(yè)設(shè)計(jì)是指運(yùn)用專業(yè)知識(shí)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，其從專業(yè)知識(shí)角度來(lái)設(shè)想用什么樣的觀察內(nèi)容來(lái)驗(yàn)證假說(shuō)或回答有關(guān)問題，從而保證實(shí)驗(yàn)的有用性、創(chuàng)新性和先進(jìn)性。第三節(jié) 基本原則一、對(duì)照原則對(duì)照就是要設(shè)立參照物，它是比較的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)照可以鑒別處理因素與非處理因素的差異，消除或減少實(shí)驗(yàn)誤差。所以實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)必須設(shè)立對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組之間，除處理因素不同外，其它非處理因素應(yīng)盡量保持相同。常用的對(duì)照方法有：1. 無(wú)處理對(duì)照 常分成三種形式。(1) 正常對(duì)照：以正常人或正常動(dòng)物的各種數(shù)據(jù)或反應(yīng)作為對(duì)照。(2) 非正常對(duì)照：以病人或動(dòng)物模型作為對(duì)照，包括空白對(duì)照、假處理對(duì)照和安慰劑對(duì)照等。這是生理學(xué)實(shí)驗(yàn)最常用、最有效的對(duì)照方法。(3) 處理前后對(duì)照：將處理后的數(shù)據(jù)和處理前（無(wú)處理）的數(shù)據(jù)對(duì)照，但要求實(shí)驗(yàn)在短時(shí)間內(nèi)完成，而且前后條件應(yīng)基本一致。生理學(xué)急性動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)軡M足此要求，故常用此方法。2.有處理對(duì)照 常分為以下幾種情況：(1) 已知因素對(duì)照，也稱為相互對(duì)照。(2) 同一處理，但是方法不同或強(qiáng)度不同的對(duì)照。(3) 復(fù)合處理對(duì)照和“交互作用”對(duì)照。(4) 替除處理對(duì)照。二、均衡原則均衡指實(shí)驗(yàn)組與非實(shí)驗(yàn)組在非處理因素方面應(yīng)盡可能一致。為了做到均衡，在實(shí)驗(yàn)研究中要把實(shí)驗(yàn)組與非實(shí)驗(yàn)組的非處理因素，如動(dòng)物的種屬、等級(jí)、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(duì)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(duì)于次要因素則按隨機(jī)處理。三、隨機(jī)原則隨機(jī)指研究總體中的每一個(gè)個(gè)體都有同等的機(jī)會(huì)被分配到任何一個(gè)組中去，分組的結(jié)果不受人為因素的干擾和影響；并且，實(shí)驗(yàn)操作的順序也要隨機(jī)安排。隨機(jī)不等于“隨便”，也不是“隨意”。通過(guò)隨機(jī)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(shí)驗(yàn)因素在組間的差別，從而提高處理因素的效應(yīng)。隨機(jī)化的方法很多,如摸球或抽簽法、隨機(jī)數(shù)字表法、隨機(jī)化分組表法等。四、重復(fù)原則重復(fù)是指實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的例數(shù)要有一定的數(shù)量，重復(fù)程度表現(xiàn)為樣本含量的大小和重復(fù)次數(shù)的多少。很顯然，樣本例數(shù)越多，越能客觀反映真實(shí)情況，但人力、物力、才力及實(shí)驗(yàn)的控制難度也會(huì)增加。而樣本例數(shù)若過(guò)少，有可能把偶然的現(xiàn)象當(dāng)作必然的規(guī)律，得出錯(cuò)誤的結(jié)論。因此，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中應(yīng)科學(xué)的設(shè)置樣本的例數(shù)，在保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信的情況下，確定最少的樣本例數(shù)，獲得最大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在生理學(xué)實(shí)驗(yàn)中，通常根據(jù)文獻(xiàn)資料、預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、以及實(shí)驗(yàn)者本人以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定樣本例數(shù)。一般情況下，計(jì)量資料的樣本數(shù)可以小些，每組610例；計(jì)數(shù)資料的樣本數(shù)應(yīng)大些，每組6080例。第四節(jié) 常用的方法一、單組比較設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與對(duì)照是在同一個(gè)體上進(jìn)行的，也稱自身對(duì)照設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)驗(yàn)效果、觀察時(shí)間較短的實(shí)驗(yàn)較適用。優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省樣本，控制條件容易。其有三種形式：1. 每個(gè)觀察對(duì)象（單位）進(jìn)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(duì)兩組結(jié)果進(jìn)行比較。2. 第一次是A處理，第二次是B處理，以兩次結(jié)果的差值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。3. 將試驗(yàn)對(duì)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(duì)兩組結(jié)果進(jìn)行比較。二、組間比較設(shè)計(jì)組間比較設(shè)計(jì)是直接進(jìn)行兩組或多組之間的比較。在研究工作中最常用的是實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組之間的比較。在設(shè)計(jì)時(shí)，除了要遵循前述的均衡原則外，還要注意兩組樣本數(shù)盡量相同。若把對(duì)照組的數(shù)量減少，不利于顯著性差異的呈現(xiàn)。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，對(duì)比明顯。缺點(diǎn)是處理因素單一，在一次試驗(yàn)中只能做一個(gè)因素的比較，所以它不能滿足多因素的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。三、正交設(shè)計(jì)正交設(shè)計(jì)是一種研究多因素試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，它是利用“正交表”來(lái)安排試驗(yàn)并分析結(jié)果。其中正交表是正交設(shè)計(jì)的核心，它是根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理歸納得到，作為合理安排實(shí)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一種工具。利用正交設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，按照安排好的正交表科學(xué)地安排實(shí)驗(yàn)，使設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、分析三者有機(jī)地結(jié)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(shí)驗(yàn)效能，是一種高效、快速和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。四、配對(duì)設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的特點(diǎn)，將受試對(duì)象合理配對(duì)后，再隨機(jī)分組；通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較兩組的差別，稱為配對(duì)設(shè)計(jì)。有兩種方法：1. 直接配對(duì) 按照要求直接配對(duì)，每對(duì)中的一個(gè)是“實(shí)驗(yàn)”，另一個(gè)是“對(duì)照”。2. 分層配對(duì) 按一定的條件將實(shí)驗(yàn)對(duì)象分成不同的層次后配對(duì)，再隨機(jī)分組。是解決均衡性的一個(gè)較好的方法。缺點(diǎn)是延長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，對(duì)子間的條件也易于發(fā)生變化，且樣本的例數(shù)易于減少。五、拉丁方設(shè)計(jì)拉丁方設(shè)計(jì)也是一種研究多因素試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，如果實(shí)驗(yàn)中有三個(gè)以上的因素，且各處理因素的水平數(shù)相同并無(wú)交互作用，則可采用拉丁方設(shè)計(jì)，拉丁方是以拉丁字母排列成方陣的簡(jiǎn)稱。其實(shí)際上是輪換設(shè)計(jì)的擴(kuò)大。優(yōu)點(diǎn)是效率較高，均衡性較好。六、析因設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)中各因素之間往往是相互影響的，當(dāng)一個(gè)因素發(fā)生變化時(shí)，另