生物統(tǒng)計學(xué)與試驗設(shè)計：第十章 試驗設(shè)計原理與方法

第十章試驗設(shè)計原理與方法

試驗方案的擬訂

試驗設(shè)計的原則和要求

試驗設(shè)計的基本概念

常用的試驗設(shè)計方法在生物學(xué)科的各項調(diào)查、生產(chǎn)實踐和科學(xué)研究中，試驗設(shè)計都是一個不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重要工具由于試驗設(shè)計與生產(chǎn)實踐和科學(xué)研究緊密結(jié)合，因此在理論和方法上不斷地得以豐富和發(fā)展，被廣泛地應(yīng)用于生物學(xué)科的各個領(lǐng)域為了達到預(yù)期的試驗?zāi)康?，試驗實施前首先要根?jù)生物統(tǒng)計學(xué)原理制定出一整套完整的試驗方案合理、科學(xué)的試驗設(shè)計可取得事半功倍的效果，能更好地說明試驗所要解決的問題，因此試驗設(shè)計是生物學(xué)科各領(lǐng)域進行科學(xué)研究的必要條件英國統(tǒng)計學(xué)家Fisher在他的著作中多次強調(diào)，統(tǒng)計學(xué)家與科學(xué)研究者的合作應(yīng)該在試驗設(shè)計階段，而不是在需要數(shù)據(jù)處理的時候。他精辟地指出：Tocallinthestatisticianaftertheexperimentisdonemaybenomorethanaskinghimtoperformapostmortemexamination:hemaybeabletosaywhattheexperimentdiedof.RAFisher（1890－1962）

現(xiàn)代統(tǒng)計學(xué)與現(xiàn)代進化論的奠基者之一第一節(jié)試驗設(shè)計的基本概念1.試驗設(shè)計

廣義的試驗設(shè)計：指整個研究課題的設(shè)計、試驗方案的擬訂、資料的收集整理和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析狹義的試驗設(shè)計：指試驗方案的擬訂，即根據(jù)試驗?zāi)康暮鸵蟠_定試驗的處理數(shù)以及相應(yīng)的排列方法（試驗的因素、水平）等試驗設(shè)計（exprimentaldesign）的概念有廣義和狹義之分2.試驗指標

試驗指標（experimentalindex）指在生物學(xué)科中，用來衡量試驗結(jié)果的標準生物學(xué)中試驗指標一般又稱為性狀

在任何一個生物學(xué)試驗中都必須明確試驗指標，沒有試驗指標就無法衡量試驗結(jié)果的好壞

生物學(xué)科中的試驗指標根據(jù)性質(zhì)可以分為定量指標、定性指標，與之相對應(yīng)的性狀就是數(shù)量性狀和質(zhì)量性狀定量指標：指能用連續(xù)性的數(shù)值表示的指標產(chǎn)量指標（如產(chǎn)蛋量等）生長指標（如體重、日增重）生理指標（如血糖濃度、總膽固醇含量等）定性指標：指不能用連續(xù)性的數(shù)值來表示、只能用感官來判別的指標魚的體色（胭脂魚幼魚：桃紅、墨綠、銀灰或淡紫等）形狀（有角、無角）

性別（公、母）定性指標可以用評分法、等級法進行量化為定量指標3.試驗因素

試驗因素（factor）試驗因素一般可分為可控因素和不可控因素兩類：

可控因素：指試驗中可以人為地加以調(diào)節(jié)和控制的因素品種（吉富羅非魚、尼羅羅非魚、莫桑比克羅非魚、奧利亞羅非魚）藥物的劑量放養(yǎng)密度■可控因素往往是我們試驗研究的對象，因此我們所說的試驗因素一般都是指可控因素指對試驗指標產(chǎn)生影響、在試驗中需加以考察的條件

不可控因素是指在生物學(xué)試驗中不能或暫時不能人工調(diào)節(jié)和控制的因素氣候因素環(huán)境因素在野外調(diào)查或野外大面積試驗時，不可控因素很多，這也是生物學(xué)科試驗有較大難度的原因之一

在確定試驗因素時，可結(jié)合試驗?zāi)康?、試驗任?wù)（試驗要解決的問題）、試驗特點綜合考慮■原則：在能正確解決問題的前提下，試驗方案要力求簡單、易行，這樣一方面便于試驗的順利實施和結(jié)果的統(tǒng)計分析，另一方面也可以節(jié)省試驗成本4.水平

一個試驗因素可劃分成不同的等級，這種不同的等級就稱為水平（level）水平一般可分為數(shù)量水平和質(zhì)量水平：

數(shù)量水平：因素的不同狀態(tài)可用數(shù)量來表示，而且可以根據(jù)不同的試驗?zāi)康?、要求進行調(diào)整，水平之間的距離也可以根據(jù)試驗的要求而作寬、窄的調(diào)整質(zhì)量水平：因素的不同狀態(tài)不能用數(shù)量來表示，只有質(zhì)的區(qū)別，而且這種區(qū)別無寬窄多少之分飼養(yǎng)密度動物品種水平設(shè)置的多少、水平的取值及水平間的距離都應(yīng)該根據(jù)專業(yè)知識和具體情況來確定

水平的多少

一個因素的水平最好在3個以上當(dāng)對某一因素的研究已經(jīng)較深入時，可以適當(dāng)減少水平數(shù)，簡化試驗當(dāng)對所研究的因素所知甚少時，應(yīng)拉大兩極端水平間的距離，加大水平數(shù)，以防漏掉最佳水平

水平的距離

水平的距離應(yīng)根據(jù)具體情況而定，不能太大，也不能太小

水平的劃分

通常情況下，水平是等距離劃分的

可按某種規(guī)律（如黃金分割律）來劃分

當(dāng)水平是按幾何級數(shù)或?qū)?shù)分布時，則水平的劃分應(yīng)按幾何級數(shù)或?qū)?shù)來進行4.試驗處理

處理（treatment）：對試驗單元施加的不同措施在單因素試驗中，處理即為因素的水平

在多因素試驗中，處理即為不同水平間的組合品種觀測值A(chǔ)12317202120A21816191421A32425262822A42721231924飼料品種A1A2A3B10.981.231.071.121.570.971.221.481.12B21.551.261.521.371.161.341.271.311.46第二節(jié)試驗設(shè)計的原則和要求1.試驗設(shè)計的原則

在動物試驗中，誤差主要是由于供試動物個體之間的差異和飼養(yǎng)管理不一致所造成

在試驗實施過程中，采取切實有效的措施，力求避免系統(tǒng)誤差，降低隨機誤差

在試驗設(shè)計時，要通過合理的試驗設(shè)計，獲得試驗處理效應(yīng)與試驗誤差的無偏估計值，將其他非試驗因素所引起的變異從誤差效應(yīng)中剔除，控制和降低隨機誤差，提高試驗的精確性1.1重復(fù)原則（replication）

重復(fù)：試驗中在同一處理內(nèi)設(shè)置2個或2個以上的獨立供試單位設(shè)置重復(fù)的作用

■估計試驗誤差

■降低試驗誤差■準確地估計處理效應(yīng)只有當(dāng)同一處理內(nèi)有2個或2個以上的獨立供試單位，獲得2個或2個以上的觀測值時，才能估計出試驗誤差平均數(shù)抽樣誤差的大小與重復(fù)次數(shù)的平方根成反比，所以同一處理內(nèi)重復(fù)次數(shù)越多，試驗誤差就越小重復(fù)次數(shù)越多，所得到的平均數(shù)越能真實地反映出處理的效應(yīng)值1.2隨機化原則（randomization）隨機化：總體中任何一個獨立供試單位都有同等的機會進入試驗樣本，試驗樣本中任何一個獨立供試單位都有相同的機會接受任何一個處理可以最大限度地排除非試驗因素的干擾，使得試驗誤差的估計不會發(fā)生偏移，可以獲得無偏的誤差估計量貫徹隨機化原則的作用◆重復(fù)加隨機可以最大限度地消除系統(tǒng)誤差，但隨機誤差有可能被擴大

隨機化分組方法（3）計算器或計算機的隨機數(shù)字（1）抽簽（2）隨機數(shù)字表1.3局部控制原則（potioncontrol）局部控制：將整個試驗劃分成幾個區(qū)組，每一區(qū)組內(nèi)非處理因素盡量控制在同一水平內(nèi)遇到的問題：試驗環(huán)境或供試單位的差異較大，僅根據(jù)重復(fù)和隨機化兩原則進行設(shè)計不能將試驗環(huán)境或供試單位差異所引起的變異從試驗誤差中分離出來解決的辦法：可將整個試驗環(huán)境或試驗單位分成若干個小環(huán)境或小組，在小環(huán)境或小組內(nèi)使非處理因素盡量一致，這樣區(qū)組（單位組）之間的差異可在方差分析時從試驗誤差中分離出來局部控制原則的作用：能較好地降低試驗誤差消除系統(tǒng)誤差估計隨機誤差估計和降低隨機誤差與隨機化結(jié)合分離系統(tǒng)誤差降低隨機誤差估計效應(yīng)設(shè)置重復(fù)局部控制試驗設(shè)計三大原則的作用與關(guān)系圖隨機化提高準確度和精確度，保證統(tǒng)計推斷的可靠性2.試驗設(shè)計的基本要求（1）試驗?zāi)康囊忻鞔_性（2）試驗對象要有代表性■生物學(xué)代表性：作為主要研究對象的動物品種、個體的代表性，并要有足夠的數(shù)量

■環(huán)境條件代表性：代表將來計劃推廣此項試驗結(jié)果的地區(qū)的自然條件和生產(chǎn)條件

（3）試驗條件應(yīng)相對一致（4）試驗結(jié)果要有可靠性（5）試驗結(jié)果應(yīng)有重演性重演性：在相同條件下，重復(fù)進行同一試驗，能夠獲得與原試驗相類似的結(jié)果，即試驗結(jié)果必須經(jīng)受得起再試驗的檢驗第三節(jié)試驗方案的擬訂1.應(yīng)廣泛收集資料2.要有主攻方向3.應(yīng)設(shè)置對照組任何一個試驗都必須設(shè)置對照，不設(shè)置對照的試驗是不完整的試驗空白對照：不施加任何影響的一組或一個組合實驗動物實驗對照（基準對照）：施加基礎(chǔ)條件的一組或一個組合的實驗動物標準對照：施加標準條件的一組或一個組合的實驗動物國家標準（強制標準、推薦標準）、行業(yè)標準、企業(yè)標準、自定義標準自身對照：一個試驗期內(nèi)，動物自身前一階段或試驗開始時的生理狀況作為對照相互對照：試驗中組與組、組合與組合之間的比較■上述對照，均和試驗組在同一個試驗中出現(xiàn)，是一個試驗中不可缺少的部分，可以在作統(tǒng)計分析時進行比較（這種比較應(yīng)出現(xiàn)在論文的“結(jié)果與分析”部分）歷史對照和文獻對照：自己或別人在前一階段的試驗結(jié)果由于這一對照與自己當(dāng)前的試驗不可能具有完全相同的試驗條件和試驗環(huán)境，因此這一類對照與當(dāng)前試驗沒有可比性，這種對照不能出現(xiàn)在論文的“結(jié)果與分析”中，只能出現(xiàn)在論文的“討論”部分■不能將這種對照與自己的試驗結(jié)果進行統(tǒng)計學(xué)比較，只能進行描述性比較（即定性比較）4.水平間應(yīng)適當(dāng)拉開距離水平間距離過小■組內(nèi)誤差容易掩蓋組間差異，使處理效應(yīng)得不到反映■由于增多了組數(shù)而造成了浪費水平間距離太大容易疏漏掉最佳點或關(guān)鍵點，特別是當(dāng)處理效應(yīng)與水平的關(guān)系為曲線關(guān)系時更是如此5.設(shè)置預(yù)試期預(yù)試期：在某一正式試驗之前安排的一個準備階段，為正式試驗做好準備工作預(yù)試的時間可根據(jù)具體試驗來確定，—般為5-l0天或更長些預(yù)試的目的

（1）及早發(fā)現(xiàn)試驗中存在的不足和問題，及時修正試驗方案（2）使試驗動物有一個適應(yīng)過程，同時在這一階段做好供試動物的驅(qū)蟲、預(yù)防、去勢等工作（3）使參加試驗的工作人員有一個熟悉試驗的過程，以明了試驗的目的，掌握試驗的操作過程、方法、關(guān)鍵點和中心環(huán)節(jié)（4）對供試動物進一步調(diào)整、剔除和補充6.應(yīng)遵循唯一差異原則在試驗中，只允許所研究的因素之間有差異，而其余條件必須完全一致1.完全隨機設(shè)計

第四節(jié)試驗設(shè)計方法完全隨機設(shè)計（completelyrandomizeddesign）是最簡單的一種試驗設(shè)計方法根據(jù)試驗要求從一個大群體內(nèi)隨機地抽取具有代表性的、符合試驗要求的個體或供試單位若干1.1設(shè)計方法隨機地分為若干組或組合，每一組的供試動物頭數(shù)盡量一致，分組后應(yīng)對每組進行檢查，必要時應(yīng)作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整每一獨立供試單位應(yīng)在組間隨機排列（1）隨機抽樣、隨機分組、隨機接受處理1.2特點（2）優(yōu)點設(shè)計容易，方法簡單，限制條件少采樣比較自由，適用于試驗條件、環(huán)境、試驗動物差異較小的試驗統(tǒng)計分析簡單、明確（3）缺點精確性低，試驗誤差較大

當(dāng)設(shè)計為2群體或2個組時，可用t-檢驗法進行比較1.3統(tǒng)計分析

當(dāng)設(shè)計有2個以上組時，可以用單因素方差分析法進行統(tǒng)計分析比較

如果同時考慮2個因素或多個因素，可采用兩因素或多因素方差分析

質(zhì)量性狀資料可采用χ2檢驗【例1】為了研究舍飼條件下綿羊的關(guān)鍵飼養(yǎng)技術(shù)，現(xiàn)配制了3種不同配方的日糧，進行飼養(yǎng)試驗。請制訂一個完全隨機設(shè)計方案。（1）試驗綿羊的選擇隨機選擇相同性別、相同月齡、體重相近的健康薩?？搜?8只，依次編為1-18號（2）產(chǎn)生隨機數(shù)字從隨機數(shù)字表第12行第7列的16開始向右連續(xù)抄下18個隨機數(shù)字填入表第二行（3）分組事先規(guī)定將較小隨機數(shù)字的6只綿羊分入第1組，中間隨機數(shù)字的6只綿羊分入第2組，最大隨機數(shù)字的6只綿羊分入第3組（4）隨機處理處理分組個體號飼料13組4512131618飼料21組126101115飼料32組37891417飼料觀測值123172021202121816191421193242526282227（4）正式試驗（5）統(tǒng)計分析采用單因素方差分析（1）對照設(shè)置1.4注意事項完全隨機設(shè)計必須設(shè)置對照組，對照組的基本條件必須與其他各處理組完全一致（2）隨機化隨機化是完全隨機設(shè)計的最大特點，從抽樣至試驗的實施，都應(yīng)充分貫徹隨機的原則在完全隨機設(shè)計中，一個獨立供試單位可以是一個供試動物，也可以是一群供試動物（3）群飼的處理當(dāng)獨立供試單位是一群供試個體時，由于個體內(nèi)不相互獨立，因而方差分析時，一群只能算一個供試單位，應(yīng)以群間的差異（群體平均數(shù)）來估計試驗誤差，而不能用個體間的差異來估計試驗誤差

在設(shè)計及試驗時，每一水平（式、組）中應(yīng)包含有兩個或以上的供試單位，而不能是一個群（內(nèi)含若干個供試個體）作為一個水平的處理對象

隨機區(qū)組設(shè)計（randomizedblockdesign）也稱為隨機單位組設(shè)計2.隨機區(qū)組設(shè)計

2.1設(shè)計方法當(dāng)試驗規(guī)模擴大到一定程度后，完全隨機設(shè)計有時很難使試驗條件完全一致，特別是整個試驗在不同的地方進行時更是如此可以把整個試驗分成若干個相對獨立、比較均勻的單元，每一單元內(nèi)進行一套完整的試驗一個單元即被稱為一個區(qū)組，它可以是一幢畜舍，一個養(yǎng)殖場，也可以是一個家系

（1）區(qū)組內(nèi)的供試單位各項條件應(yīng)盡可能一致，而區(qū)組之間應(yīng)有適當(dāng)?shù)木嚯x和差異

區(qū)組的要求（2）每一區(qū)組可以容納1套或2套完整的試驗，即同一區(qū)組內(nèi)可以有重復(fù)（3）同一區(qū)組內(nèi)供試動物的隨機分組要獨立進行，每種處理在一個區(qū)組內(nèi)只能出現(xiàn)一次配對設(shè)計是隨機區(qū)組設(shè)計的一種特殊形式，而隨機區(qū)組設(shè)計也可以認為是配對設(shè)計的擴展和延伸（1）優(yōu)點2.2特點

試驗處理水平數(shù)與區(qū)組數(shù)無嚴格的限制

有效地降低了試驗誤差，試驗的精確性較高

統(tǒng)計分析簡單（2）缺點

各區(qū)組內(nèi)較一致的供試個體有時不易找到，特別是試驗要求較高時

有時很難確定區(qū)組因素與試驗因素之間是否存在互作（1）配對設(shè)計僅有2個區(qū)組，可以用t-檢驗分析2.3統(tǒng)計分析（2）單因素隨機區(qū)組設(shè)計，分析時將區(qū)組也看成一個因素，連同試驗因素一起，按兩因素方差分析法進行2.4注意事項（1）因素內(nèi)各水平反應(yīng)的相似性一個水平在某一區(qū)組內(nèi)表現(xiàn)得較好，那么在所有的區(qū)組內(nèi)均應(yīng)表現(xiàn)得較好否則將會出現(xiàn)互作

利用區(qū)組把系統(tǒng)誤差從隨機誤差中分離出去，有助于提高試驗和統(tǒng)計分析的精確性（2）自由度與誤差均方的關(guān)系在分離區(qū)組平方和即減少誤差平方和的同時，誤差項自由度也相應(yīng)減小了，誤差項自由度的減小，又有使誤差項均方即隨機誤差有增大的可能，因而又有減少精確度的可能（3）各區(qū)組內(nèi)的因素水平數(shù)應(yīng)當(dāng)設(shè)置完全每一區(qū)組內(nèi)應(yīng)含有所有水平，而每一水平又存在于所有區(qū)組缺區(qū)的估計是不得已而為之的做法，不能依賴它■

養(yǎng)殖場、畜舍（4）區(qū)組的設(shè)置方法■試驗日期■窩僅適用于多胎動物或雙胎動物單胎動物可配置半同胞區(qū)組可以發(fā)揮養(yǎng)殖場、畜舍間的協(xié)作及相互間的比較必須有較大的把握認為供試個體的試驗數(shù)據(jù)有時間上的重演性交叉設(shè)計（crossoverdesign）亦稱反轉(zhuǎn)試驗設(shè)計，是指在同一試驗中將試驗單位分期進行、交叉反復(fù)二次以上的試驗設(shè)計方法3.交叉設(shè)計

在動物試驗中，為了提高試驗的精確性，要求選用在遺傳及生理上相同或相似的試驗動物，但這在實踐中往往不易滿足為了較好地消除試驗動物個體之間以及試驗時期間的差異對試驗結(jié)果的影響，可采用交叉設(shè)計法3.1設(shè)計模式群別時

期III1處理對照2對照處理2×2交叉設(shè)計群別時

期IIIIII1處理對照處理2對照處理對照2×3交叉設(shè)計3.2統(tǒng)計分析2×2交叉設(shè)計就是兩組試驗動物分兩期一次交叉的試驗設(shè)計

2×2交叉設(shè)計采用單因素二水平差值d的方差分析法或t檢驗法進行分析

例2：檢測某種新藥對血糖含量的影響，設(shè)A1為對照，A2為新藥，隨機抽取了2組黃牛，每組3頭，分別用B1、B2表示，并設(shè)置了2個試驗期C1、C2，