1、第八章 实验设计及学生自行设计实验的程序第一节 科学实验研究的基本程序科学实验研究有一定的程序，基本程序包括立题、实验设计、实验及观察、实验结果的处理分析、研究结论。一.立题立题即确定将要研究的课题，是每一项科学实验研究的前提，决定着科研的方向和总体内容，是科学实验研究过程中极其重要的一个环节。立题的过程是创造性思维的过程，该过程包括选题和建立假说。（一）选题 确定一个好的选题应该遵从以下原则：1. 目的性：选题必须具有明确的理论或实践意义，并明确、具体地提出要解决的问题，最好集中解决 12 个问题，切忌包罗万象。2. 创新性：创新性是指提出新规律、新见解、新技术和新方法，或是对原有的规律、技
2、术或方法的修改和补充。没有新意的课题毫无价值。3. 科学性：选题应有充分的科学依据，应与已证实的科学理论和科学规律及定律相符合，而不是毫无根据的胡思乱想。4. 可行性：选题时应充分考虑实验者的主、客观条件，选择经努力后能够完成的课题，如果盲目地求大、求全、求新，主客观条件不能保证课题的实施，最终只能纸上谈兵。如要符合以上选题的 4 个原则，需要在选题的过程中搜集大量的文献资料和实践资料，充分了解有关课题已作的工作、取得的成果和尚未解决的问题、目前该研究领域的进展和动向，对该研究领域的概况进行综合分析的基础上，找出拟进行研究的关键所在，进而建立假说，确定研究课题。（二）建立假说所谓假说是设计者根
3、据实践积累的经验和知识，查阅文献资料和学习访问中所获得的间接知识等，对该设计预先假定的答案或解释，也是实验的预期结果。假说的建立需要运用对立统一的观点进行类比、归纳和演绎等一系列逻辑推理过程。二. 实验设计实验设计即制定实验研究的计划和方案。根据实验的研究目的、不同专业和统计学的要求，对研究的具体内容、方法和计划做出周密计划和安排。实验设计是实验过程的依据、数据处理的前提，是提高实验研究质量的保证。实验设计的基本要素和基本原则详见后文。三. 实验和观察（一）实验准备和预试实验实验准备包括实验理论准备和实验实施准备。理论准备主要包括实验的理论基础、假说的理论基础、实验方法和技术等的参考文献等；实
4、施准备指仪器设备的选择配套、药物及试剂的配制与剂量的初步选定、实验方法与指标的建立、实验对象的准备等。预试实验即对所选课题进行初步实验。通过预试实验可熟悉实验技术，确定正式实验动物的种类和例数，改进实验方法和指标，调整处理因素的强度或确定用药的剂量等，为正式实验提供补充、修正意见和宝贵经验，是完备实验设计和保证正式实验成功的必不可少的重要环节。（二）实验及其结果的观察记录1. 实验的过程和基本要求：（1）按照预试实验确定的步骤进行实验，及时、准确、客观地观察并记录实验结果；（2）熟练掌握实验方法，药物及试剂的用量准确，实验操作严肃认真；（3）实验过程中发现存在错误的操作或出现不合理的结果，应及
5、时进行调整，并重新进行实验；（4）仔细、耐心地观察整个实验过程中出现的现象（结果）并进行思考：发生了什么现象；该现象发生的时间和在什么情况下发生；该现象后来的转归如何；为什么会发生这些现象；该现象有何意义（生理、病理或临床意义） ；有否出现非预期结果或“ 反常”现象；排除了错误结果和干扰现象后，重复验证实验中有否新的发现，甚至得出新的结论或理论。2. 实验结果的观察记录观察记录时一定要重视原始记录，即要保持记录的原始性和真实性，严禁撕页或涂改，或用整理后的记录代替原始记录。原始记录要及时、完整、精确和整洁， 就必须预先拟定记录方式和内容。记录的方式有文字、数字、表格、图形、照片、录像及影片等；
6、实验记录的项目和内容有：（1）实验名称、实验日期、实验者；（2）受试对象：动物种类、品系、编号、体重、性别、来源、合格证号、健康状况、饲料或离体器官名称等；（3）实验药物或试剂的名称、来源（生产厂） 、剂型、批号、规格、含量、浓度等，给药体积、给药剂量、给药时间、给药间隔、疗程等；（4）主要实验仪器名称、生产厂家、型号、规格等；（5）实验条件：实验时间、室温、动物饲养环境、恒温条件等；（6）实验方法及步骤：动物麻醉、固定、分组、手术部位及过程、施加刺激的强度、各种插管、给药方法、测量方法等；（7）实验指标的名称、单位、数值及不同时间的变化等；如有实验曲线，应注明实验项目、刺激物名称及强度（或药
7、物剂量与给药途径） 、标本名称、实验方法或主要仪器、指标及单位等。（8）实验数据处理：实验结果的整理、统计方法选择与统计处理的结果等。四. 实验结果的处理分析处理分析实验结果的基本步骤是：整理核实原始数据或资料，计算各组数据的均值、标准差或率等，并制成一定的统计表或统计图；选择正确的统计学方法作相应的统计学显著性检验或计算某些特征参数等。分析和判断实验结果时的注意事项有：绝对不能参杂研究者的主观偏见，或者在计算均数或率时任意取舍原始实验资料； 必须遵循实事求是的准则，不能人为地强求实验结果符合自己的假说，而应该根据得到的实验结果去修正提出的假说，使假说上升成为理论。五. 研究结论研究结论是审慎
8、地对实验结果进行深入、由表及里的分析后，概括或归纳出来的判断，判断原先建立的假说是否正确，并对实验选题时所提出的问题做出解答，对实验中发现的现象和搜集到的资料做出理论解释。结论内容要严谨、精炼、准确。（董伟华）第二节 实验设计实验设计包括专业设计和统计设计。实验设计时需明确研究目的（即立题，见前述） 、抓住三个基本要素、贯彻三个基本原则以及选好设计方案。一. 实验设计的基本要素（一）处理因素实验研究的特点之一就是研究者可以人为地设置处理因素（study factor） 。可供设置的处理因素很多，如物理因素（电刺激、射线、温度、外伤、手术等） 、化学因素（药物、毒物、营养物、缺氧等） 、或生物因
9、素（细菌、真菌、病毒、寄生虫等） 。确定处理因素时的注意事项有：1. 抓住实验的主要因素 实验的主要因素是根据实验假说和目的确定的，可以是单因素或多因素。一个实验的处理因素不宜过多，以避免实验的分组过多，受试对象增多，实验方法繁杂，实验时难以控制。但处理因素过少又使实验的广度、深度及效率难以提高。因此，如实验确实需要多种处理因素时，可采用几个小实验构成系列实验。2. 确定处理因素的强度 强度是指量的大小，如电刺激的强度、药物的剂量等。同一处理因素可以设置几个不同的强度，如一个试验药物可以设高、中、低几个剂量，但也应注意设置的强度或浓度的水平不要过多。3. 处理因素的标准化 标准化即维持处理因素
10、在整个实验过程中保持不变，以免影响实验结果的评判。例如在实验过程中电刺激的强度（电压、持续时间、频率等） 、药物的质和量（来源、成分、纯度、生产厂、批号、配制方法和使用的剂量等）应始终一样。4. 重视非处理因素的控制 非处理因素即干扰因素，这些因素会影响实验结果，应当加以控制。如离体器官实验时的恒温、恒压等，临床研究中病人的病种、病情（轻重） 、病程（急慢） 、年龄、性别等。（二）受试对象 受试对象（object）包括动物和人。1. 实验动物 实验研究中往往选择动物作为实验对象，复制人类疾病的模型，并进行有关的研究。选择动物作为受试对象的要求和需要注意的事项详见 第四章 。2. 人 临床实验选
11、择人作为受试对象，包括病人和健康受试者。应选择依从性好（如能按时用药） 、能真实反映主观感受（如治疗后症状的改变） 、退出试验的可能性小的受试人作为实验对象。病人应选择诊断已经明确的患者。（三）实验效应实验效应（effect）或反应（reaction）是处理因素作用于受试对象引起的效应或反应。实验效应是经过一定的实验方法并通过具体的实验指标来反映的，因此必须正确选定实验方法和实验指标。1. 实验方法 实验方法种类繁多，分类的方式也有别。按性质可将实验方法分为机能学方法、形态学方法等；按学科可分为生理学方法、生物化学方法、生物物理学方法、免疫学方法等；按范围可分为整体综合方法（清醒动物、麻醉动物
12、、病理模型动物的方法） 、局部分析法；按水平可分为整体、器官、细胞、亚细胞、分子、量子水平等。2. 实验指标 医学实验指标是反映实验对象所发生的生理现象或病理现象的标志，即实验中受试对象发生的某些可被检测仪器或研究者感知的特征或现象标志，如血压、呼吸、心率的变化，皮肤颜色的改变等。（1）实验指标的分类：实验指标可以分为主观指标和客观指标、功能学指标和形态学指标、直接指标和间接指标、绝对指标和相对指标、综合性指标和专一性指标等。根据实验资料的性质则可以分为以下两类：计量资料（measurement data）：指实验效应发生连续量变（量反应，graded response）的资料，如血压、尿量、
13、检验值、收缩力、身高、体重、年龄、体温等。计量资料实验效率较高，要求的实验例数可较少，其统计描述主要为平均数、标准差。统计检验主要为 t 检验、F 检验。计数资料（enumeration data）：指实验效应只是出现与否（质反应， all-or-none response）的资料。如有效或无效、中毒或未中毒、死亡或存活、阳性或阴性等。实验效率较低，实验要求的例数较多。其统计描述主要为率。统计检验主要为 检验。还有一类等级资料，如把药物的疗效分为（无效） 、+ （显效） 、+（近控） 、+ （治愈） ，病理改变的程度分为、+ 、+、+、+（“”为正常， “+”为病变最严重）等。等级资料一般可归
14、入计数资料内。（2）选择实验观察指标的基本条件：特异性：即能特异地反映某一特定的现象，不与其他现象相混淆。如研究高血压病时采用动脉压（尤其舒张压）作指标，急性肾炎以尿液和肾功能的改变作指标优于采用血压指标。特异性低的指标容易造成“假阳性” （即观察到了本不应出现的现象） 。客观性：尽量选用客观指标，即可用具体数字或图形表达的指标，如心电图、脑电图、血压、呼吸等的描记，化验检查的数据等。一般来说这些指标受主观因素的干扰较小。而主观指标如目力比色、患者自觉症状（疼痛、饥饿、疲倦、全身不适、咳嗽等）等感觉性指标，由于个体差异的原因，其客观性、准确性则较差。灵敏度：指标的灵敏度极其重要，灵敏度高的指标
15、能使处理因素引起的微小效应显示出来，灵敏度低的指标使本应出现的变化不出现，造成“假阴性” 结果。指标的灵敏度与实验的技术方法和使用仪器的灵敏度有关。精确度：指精密度与准确度。精密度指重复观察时观察值与其均值的接近程度，其差值属于随机误差。准确度指观察值与其真值的接近程度，主要受系统误差的影响。实验指标要求既精密又准确。重现性：重现性好的指标一般表示无偏差或偏差小。误差小的指标能真实地反映实际情况。重现性的好坏与仪器的稳定性、操作误差、受试者的功能状态和实验环境条件的影响有关。可行性：指研究者的技术水平和实验室的设备能够完成选定的实验指标，即技术和设备的可能性。认可性：经典的（公认的）实验测定方
16、法必须有文献依据；自己创立的指标测定方法必须经过与经典方法作系统比较并有优越性，方能获得学术界的认可。二. 实验设计的基本原则（一）对照原则实验结论在于科学的比较，对照（control）是比较的基础，没有对照就不能说明处理因素与实验效应的关系。对照原则要求处理组和对照组除处理因素以外的其他可能影响实验的因素力求一致（即齐同比较） 。对照的形式有：1.空白对照 即不对受试对象作任何处理。严格地说，这种对照组与处理组缺乏齐同性，例如当处理因素是给药，除用药外，还有给药操作（如注射）或手术的差异，因此这种对照通常少用。2假处理对照 对照组的动物和处理组的动物同样实施麻醉、注射、假手术（切开、分离）等
17、，但不用药或不进行关键处理，其他条件（如液体的 pH、渗透压、溶媒等）也与处理组相同，因而可比性好。3安慰剂对照 安慰剂是一种在形状、颜色、气味均与药物相同，但不含生物活性主药的制剂。安慰剂通过“用药” 心理因素对病人产生 “药效”，对某些疾病如头痛、心绞痛、神经官能症等可产生一定的（30%50%）疗效。安慰剂也能产生某些“ 不良反应” ，如思睡、乏力、头痛、头晕等。主持研究者应掌握用药组和安慰剂对照组的病人名单，必要时采用适当措施，以保证病人的安全。4历史对照 即使用以往的研究结果或历史文献资料作为对照，可在癌症、狂犬病等难治性疾病的疗效研究中采用。如某种肿瘤以往的治愈率为 0，现应用某种新
18、药有 2 例治愈，可认为这种药物有效。但由于不同时代的医护水平、病情轻重等不同，干扰因素难以控制。5自身对照 对照与处理在同一受试对象中进行。如以病人用药前的血压值作为对照，比较服药后血压的变化；记录给予强心药物前动物的心率，比较给药后心率的改变等。这种对照简单易行，但它不是随机分配的，如实验前后时间不同、某些因素发生改变并且会影响结果时，就难以说明问题，故在实验中仍需单独设立对照组。6标准（或阳性）对照 用已有的标准方法或典型的同类药物作为对照，比较实验中采用的处理方法或使用的药物（或新方法、新药物）对实验对象的影响或作用与标准方法（或典型药物）的差异。某些实验必须设立标准（或阳性）对照。7
19、相互对照 指各处理组间互为对照。如几种药物治疗某一种疾病，可观察几种药物的疗效，并进行各给药组间的相互对照。以上（1）（5）属于阴性对照， （6）属于阳性对照。并非每个实验和科研课题均需设置上述所有对照，应视不同实验的具体情况而定。（二）随机原则各组间的均衡性（即各组间除处理因素不同外，其他非处理因素保持一致）是统计推断的前提。贯彻随机化原则是提高均衡性的一个重要手段。随机化包括随即抽样和随即分配。随即抽样的目的是提高受试对象的代表性，而随即分配可以提高各组间的均衡性。例如将 30 只动物（雌雄各半）分为 3 组，可先把动物分为雌 15 只、雄 15 只，再分别于不同性别中各随机分为 3 组，
20、这样比把 30 只动物不管性别随机分在 3 组为好。（三）重复原则重复（replication ）的含义是重现性与重复数，指可信的实验应能在相同条件下重复出来（重现性） ，还要求实验要有一定的例数（重复数，即样本含量） 。重现性的好坏可用统计学中显著性检验的值来衡量：p0.05 差异在统计学上有显著意义，不可重现的概率小于或等于 5%，重现性好。p0.01 差异在统计学上有非常显著意义，不可重现的概率小于或等于 1%，重现性非常好。重复数（实验例数或样本含量）应适当，例数太少难以排除偶然性和巧合的影响，而且容易出现假阴性，实验例数也不宜过多，以免增加实验难度和经济负担。样本含量可以用公式计算或
21、查表确定。动物实验时每组例数的设置可参考表8-1。表 8-1 动物实验每组基本例数 *计量资料 计数资料小动物（小鼠、大鼠、蛙） 10 30中等动物（豚鼠、兔） 6 20大动物（猫、猴、犬） 5 10*某药物分为 35 个剂量组时例数可适量减少。三、常用的实验设计方案设计方案的选择主要依据研究目的、处理因素的多少、处理因素间有无交互作用等确定。（一）完全随机设计完全随机设计（completely random design）又称单因素设计，一般仅涉及一个处理因素（可有多个水平） ，把符合研究目的的受试对象随机地分配到各个实验组和对照组中，各组例数可以不等，但相等时效率较高。本设计的优点是简单易
22、行，但处理因素较多时分组太多，需要较大的样本含量，效率太低。（二）配对设计配对设计（paired design）是先把受试对象按相似条件两两配对，然后把每个对子中的两个受试对象随机分配到实验组和对照组中。配对是按非处理因素进行的，如在动物实验中常将同胎、同性别、相近体重的两个动物配成对子，其目的是提高实验组和对照组间的均衡性。（三）配伍设计也称随机区组设计（randomized block design） 。配伍设计是配对设计的扩大，是先把受试对象分成若干个配伍组，各个配伍组的例数等于所要分的组数。配伍的条件同配对，依据非处理因素进行。本设计涉及 2 个处理因素，又称为双因素设计。（四）析因设
23、计当实验研究涉及两个或多个处理因素，而且相互之间可能存在交互作用时，以上三种设计均难以进行。析因设计是将两个或多个处理因素的各个水平进行排列组合，交叉分组。实验结束后即可以分析各个处理因素的单独作用，又可以分析各处理因素间的交互作用，并可找出各因素间不同水平的“最佳组合” 。例如比较两种新药对某病的疗效时，设两药分别为 A、B ，比较二者的单独疗效和交互作用，设计方案见表 8-2。将 36 名受试对象随机分到甲、乙、丙、丁四组中，甲组两药均不用，乙组仅用 A 药，丙组仅用 B 药，丁组两药均用。表 8-2 药物 A、B 对某病的疗效A 药不用 用B药不用用甲组丙组乙组丁组（五）正交设计正交设计
24、（orthogonal design）是一种高效快速的多因素实验设计方法，特别适用于多因素实验。设计时利用一套规格化的正交表，将各处理因素与各水平之间组合均匀搭配、合理安排。具体使用时可参考有关统计书籍。（六）其他设计其他尚有拉丁方设计、序贯实验设计等。序贯实验具有节约样本、可迅速得出结论等优点，尤其适用于临床上少见病的研究。（董伟华）第三节 学生自行设计的探索性实验的程序一学生自行设计的探索性实验的内容和步骤经过基本技能训练、基础实验和综合性实验三个程序之后，学生基本具备了进行自行设计实验（或探索实验）的能力。自行设计实验由几个部分组成：教师讲解实验设计的基本理论知识和基本程序（2 学时） ；学生选题、查阅资料，提交初步设计方案（课余时间） ；择优选择设计方案，通过教师评讲和同学间的辩论后，确定科学性和可行性较好的方案（2 学时） ；实验方案的实施（46 学时） ；论文撰写，由学生课余时间进行； 论文答辩和评讲（2 学时） 。（一）选题
