生命科学研究方法学--12.11实验研究法

1、实实 验验 研研 究究 法法Experimentation 一、实验研究法概述一、实验研究法概述 实验研究（experimental study）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。 实验法的主要特点 控制 简化、强化与模拟 揭示因果关系二、实验的三要素二、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）（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（treatment fa

2、ctor）。 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。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 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）。 磷肥（kg/a） 0 5 10 氮肥（kg/a） 0 N0P0 N0P5 N0P10 5 N5P0 N5P5 N5P10 10 N10P0 N10P5 N10P10氮肥3个水平与磷肥3个水平

3、组合的9个处理（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。2. 总体、样本和实验单位 总体（population） 样本（sample） 实验单位（experimental unit） 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。（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。 2. 实验指标的要求 重要要求 关联性（correlation）客观性（obje

4、ctivity）灵敏性（sensitivity）特异性（specificity）准确性（accuracy）精密性（precision） 关联性 切合研究目的 确切反映实验效应 客观性 主观指标：由主观感受判定 客观指标：由仪表指示 灵敏性 示值增量/被测量增量（斜率） 鉴别阈（分辨力，检出下限） 特异性 针对性或区分度 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 （coefficient of bias, CB ） 真值测量结果 CB（%）= % 真值R：回收率（percent recovery） VPVB R（%）= 100% VS VP：加入标准量后的测定值 VB

5、：加入标准量前的测定值 VS：加入标准量 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% 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 （standard deviation, s） ( XX ) 2 s = n 1 Good accuracyPoor precisionGood accuracyGood precisionPoor accuracyPoor precisionPoor acc

6、uracyGood precision 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、新三、实验设计三、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 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（二）实验设计的统计学原则 A control is a reference against which the results of an experimental manipulation can be compared. 1. 对照（control） 对照的含义：参照基准做对比 对照

7、的要求：差异唯一 All variables are controlled in the control group, while the independent variable is changed or manipulated in the treatment group. 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。 T 1 + S1 E1 + e1 T 2 + S2 E2 + e2

8、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。 对照的形式： 阴性对照（negative control） “阴性”是指无预期效应。 blank control vehicle control placebo control sham control 阳性对照（positive control） “阳性”是指有预期效应。 The positive control group is the set of individuals exposed to th

9、e treatment known to cause an effect, based on previous, established and accepted research. comparative control 对照的有效运用： 尽可能设置并行对照 Concurrent control 必要时设置多个对照 Multiple control 必要时使用盲法 Blinding procedure 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 随机化的主要作法 随机数法 抽签法 随

10、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。 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 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000，001，002，003299 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。 随机数法分组的基本步骤 实验

11、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15只动物随机分成A、B、C三组动物编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15随机数字 33 35 72 67 47 77 34 55 45 70 08 18 27 38 90余 数 0 2 0 1 1 2 1 1 0 1 2 0 0 2 0初步分组 A C A B B C B B A B C A A C A 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

12、动物（即12号）编入C组。 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。 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 样本含量的影响因素 效应大小 实验误差 计量或计数结果 检验水准 检验效能 检验的单双侧 实验设计的类型 样本大小的估计方法 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）：515只/组 中等动物（兔、猫等）：1020只/组 小动物（大鼠、小鼠等）：1530只/组 计算法 例如，两个样

13、本均数比较的样本含量： (t t2 ) S n1=n2= 22 (t2 t2 ) S n1=n2= 22单侧双侧 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 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。Block 1Block 2Block 3Block 3Treat. 1Treat. 2Treat. 3Tre

14、at. 4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。（四）几种常用的实验设计 1. 完全随机设计 完全随机设计（completely randomized design）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。16只小鼠随机分成A、B两组动物编号 1 2 3 4 5 6

15、 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16随机数字 6 9 1 7 9 1 4 1 9 4 6 2 5 9 0 3初步分组 B A A A A A B A A B B B A A B A继续查得3之后的随机数依次为6、2动物编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16随机数字 6 9 1 7 9 1 4 1 9 4 6 2 5 9 0 3调整分组 B A B A A A B B A B B B A A B A2. 随机区组设计 概念 随机区组设计（randomized block design）是指两个以上相似的实验单位组成区组，每个区组的实验

16、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。 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20随机数字 15 50 75 25 71 38 86 58 95 98 56 85 99 83 21 62 除 数 5 4 3 2 5 4 3 2 5 4 3 2 5 4 3 2 余 数 5 2 3 1 1 2 2 2 5 2 2 1 4 3 3 2 添 加 剂 A5 A2

17、A4 A1 A3 A1 A3 A4 A5 A2 A5 A2 A3 A1 A4 A4 A3 A5 A2 A1 3. 配对设计 配对设计（paired design）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。 例例 随机抽取随机抽取1010份乳酸饮料，分别用脂肪份乳酸饮料，分别用脂肪酸水解法与歌特里酸水解法与歌特里- -罗紫法测定饮料中脂肪含罗紫法测定饮料中脂肪含量。量。 两种方法测定乳酸饮料中脂肪含量的结果 1 0.840 0.580 0.260 0.0676 2 0.591 0.509 0.082 0.0067 3 0.674 0.500 0.174 0.0303 4 0.632 0.316 0.316 0.0999 5 0.687 0.337 0.350 0.1225