抽样调查与试验设计

抽样调查与试验设计第1页，共70页，2023年，2月20日，星期五

科研设计的质量直接影响着实验结果的准确性、可靠性、严密性和代表性，是实验数据的前提，决定着科学研究的成败。一个完整的科研设计包括专业设计和统计设计。二者相互结合，缺一不可。第2页，共70页，2023年，2月20日，星期五专业设计：指研究者对专业知识的把握能力，直接影响着实验的深度和水平。统计设计：指研究者对统计知识的正确应用，直接影响着科学实验的质量。统计设计的任务是从研究的部署、实施、直到研究结果的解释，进行系统的安排，要做到以最少的人力和物力来获得可靠的结论与信息。第3页，共70页，2023年，2月20日，星期五根据搜集资料的方法，可将科学研究分为两大类：调查研究：研究者只是“被动”地观察客观实际情况，不对研究对象施加任何干预措施。

----调查设计实验研究：研究者给研究对象人为地施加干预因素，然后观察这种干预因素产生的效应。

----实验设计第4页，共70页，2023年，2月20日，星期五第一节调查设计的基本含义及意义一、抽样调查的基本概念普查（masssurvey）抽样调查（samplingsurvey）调查是对所要研究的总体中的每个个体都作为调查对象，普查得到的结果真实全面。就是指从某一总体抽取若干个体组成样本，通过对样本的统计分析来对总体进行估计、推断。第5页，共70页，2023年，2月20日，星期五第一节调查设计的基本含义及意义

进行抽样调查就面临着抽样的问题。

抽样（sampling）指从总体中抽取样本的过程。无论是在调查研究中，还是在试验研究中，抽样问题都存在，其目的都是用样本来推测总体，用样本的统计量来估计总体参数。样本的好坏，即抽样的质量是调查的关键环节，因此我们必须重视抽样工作。第6页，共70页，2023年，2月20日，星期五第一节调查设计的基本含义及意义抽样必须遵循以下两个原则：1．样本必须来自于被研究的总体在被调查畜种的分布范围内进行抽样，所得的资料仅用来估测、推断该地区该畜种的基本情况，而不能作跨地区、跨畜种的估测和推断。2．样本必须具有很强的代表性在抽样前，—般要对总体有一个大致的、全面的了解，以便抽样时有针对性，以免由于代表性不强而得出错误的结论，产生误导作用。第7页，共70页，2023年，2月20日，星期五第一节调查设计的基本含义及意义二、抽样调查的意义（1）节省人力、财力和物力。（2）当所调查的总体是破坏性性状时，抽样调查就是唯一的调查办法。（3）当总体是无限的或是抽象的，我们无法对总体进行调查，因此此时抽样调查就是唯一的调查方法。（4）由于抽样调查的样本含量比总体要小得多，因此对样本进行调查研究，可以获得更高的质量和更好的效果。第8页，共70页，2023年，2月20日，星期五第二节抽样方案的制订

在进行抽样调查前，为了确保调查任务的顺利完成、调查结果的真实可靠，我们必须先制订一个切实可行的抽样方案。万事，预则立，不预则废第9页，共70页，2023年，2月20日，星期五第二节抽样方案的制订

制订一个合理的抽样调查方案必须从以下几个方面进行考虑。1、抽样调查的目的在制订抽样方案前，首先应弄清抽样调查的目的及要解决的问题。2、抽样调查的对象在明确抽样调查的目的后，要划定一个调查总体的范围作为调查研究的对象。抽样单位的大小应根据抽样调查的具体目的、研究的对象、问题的性质以及可支配的经费等来确定。第10页，共70页，2023年，2月20日，星期五第二节抽样方案的制订3、抽样调查的指标对调查总体的了解要通过一些具体指标的量化、统计和分析来实现。例如在进行传染病的流行病学调查时，需要统计发病动物数、死亡动物数和预防接种动物数等，然后计算感染率、发病率、患病率、死亡率和淘汰率等指标。抽样调查指标的确定一定要具体、合理、容易度量。第11页，共70页，2023年，2月20日，星期五第二节抽样方案的制订4、抽样调查的方法抽样调查方法的选择应根据具体调查的目的、研究的对象和问题的性质，结合各种抽样方法的特点，并考虑抽样费用、工作难易和估计值的精确度等综合因素作出决定。另外，抽样调查方法的选择还要考虑到人力、物力、时间及其他因素，确保抽样调查工作如期按质完成。第12页，共70页，2023年，2月20日，星期五第二节抽样方案的制订5、抽样调查的规模

样本含量与调查结果的精确度密切相关，样本含量越大，抽样误差越小，结果的精确度越高，统计推断的可靠性越高，但随着样本含量的增加，调查研究的成本也会迅速增加，势必将造成人力、财力、物力的耗费和时间的浪费。样本含量与置信度也有关，置信度要求较低时样本含量可适当小些，否则样本应适当大些。第13页，共70页，2023年，2月20日，星期五第二节抽样方案的制订6、抽样调查的表格为了确保抽样调查的规范进行、原始数据的真实可靠，在抽样调查前，要根据调查内容、调查的指标编制各种表格，以便调查时记录各种原始数据。7、抽样调查的组织抽样调查的组织主要包括抽样调查工作的领导、时间与进度、人员分工、经费核算、统计分析等。第14页，共70页，2023年，2月20日，星期五第三节抽样调查的方法一、随机抽样

随机抽样（randomsampling），又称简单抽样（simplesampling）根据随机的原则，从一个总体中抽得若干个个体进行观测。在随机抽样中每个个体都有同等的机会或相等的概率被抽中。第15页，共70页，2023年，2月20日，星期五第三节抽样调查的方法随机抽样的特点是：不会产生系统抽样误差，统计分析简单，但不能利用任何事先所了解的总体分布特征的信息。随机抽样适用于个体变异小、群体比较均匀的总体，它是最简单也是最常用的一种抽样调查方法。第16页，共70页，2023年，2月20日，星期五第三节抽样调查的方法二、整群抽样

整群抽样（clustersampling）

将总体分成若干个单位群（畜群），直接抽取单位群，然后对每一抽得的单位群作全面的调查。第17页，共70页，2023年，2月20日，星期五第三节抽样调查的方法与随机抽样法相比较，整群抽样法可以提供更为精确的总体估计值，如每一单位群内的个体数相等时，整群抽样可以无偏地估计总体平均值、百分率及群体的变异情况。整群抽样的特点是：组织调查比较方便，但抽取群数过少易产生偏性。整群抽样适用于群间差异较小的总体。第18页，共70页，2023年，2月20日，星期五第三节抽样调查的方法关于整群抽样的几种情况★

如果抽取的单位群是家系或是有血缘关系的亲属，则可以对遗传性疾病、血型、某些基因型作更详细的调查和分析。由于具有血缘关系的个体间可具有概率较大的相同基因型或蛋白型，因而试验结果会更有说服力。★当以地区为单位群进行抽样调查时，应注意被抽取地区的代表性，因而在作整群抽样时应作预初调查，在掌握了全面、初步的情况后再抽取具有代表性的地区作为被调查的单位群，以保证结果的正确性和无偏性。第19页，共70页，2023年，2月20日，星期五第三节抽样调查的方法关于整群抽样的几种情况★就抽样单位数而言，整群抽样法抽取的单位数要比随机抽样法少得多，但被调查个体数或投入试验的个体数则应当是相等的。★当整群抽样所得到的每一单位群很大，因而无法对抽样单位群进行全面调查或研究时，可以在抽得的单位群内再进行一次抽样，对抽得的样本进行调查研究；在抽得的样本单位群内进行再抽样，成为二次抽样。必要的时候还可以进行三次、四次抽样。第20页，共70页，2023年，2月20日，星期五第三节抽样调查的方法三、分层抽样

分层抽样（stratifiedsampling）就是将研究的总体分成若干个不同的层次，然后根据需要对每个层次进行完全随机抽样，再整合到一起构成样本。分层抽样的特点是：能有效地降低抽样误差，样本代表性好，各层次间也可进行分析比较。分层抽样适用于总体内个体差异较大的情况。第21页，共70页，2023年，2月20日，星期五第三节抽样调查的方法

进行抽样时，可能会减小样本的精确性的原因：①由于偶然的原因，使得样本偏于总体的某一隅。例如个体编号问题②是当总体不是均质时，某一部分与其他部分有明显的不同，或总体本身就可分为若干不同的部分，如果我们对总体进行随机抽样，所得样本往往受各种因素影响而少有代表性，甚至某些部分不被抽到，即使抽得也会由于样本内各部分的比例与总体内各部分的比例不相同而使样本所得调查结果不能用来很好地说明问题而失去准确性。第22页，共70页，2023年，2月20日，星期五分层的原则：每一层区内所调查研究的性状，应尽可能地均匀同质，所抽样本的含量，应根据各层区的大小及总体内所占大致比例来设定，每一层区内的抽样则应是完全随机的。应根据总体分布的实际情况进行分层。层区可适当多一些，每一层区的抽样单位数最少不得低于2个，在具体的试验或调查中，还应结合当时当地的具体条件而决定分层的形式和层区数，当分层还牵涉到经费、人力时，则应以既恰到好处地分层、又能节省经费、人力为分层原则。第三节抽样调查的方法第23页，共70页，2023年，2月20日，星期五第三节抽样调查的方法四、顺序抽样顺序抽样（ordersampling），又叫等距抽样法，是将总体中全部抽样单位按某种规律（例如按和目标性状有关的或无关的某一标志的大小等）排列顺序，依次编号，再根据总体容量N和样本容量n确定一个抽样距m（N/n），先从中取出一个抽样单位

（d称为随机起点），然后按抽样距m等距地抽取样本

，i=0,1,2,…。第24页，共70页，2023年，2月20日，星期五顺序抽样法的特点是：抽样比较简单，事先不需作随机的准备工作。在有限总体内，顺序抽样可以使样本分布得更均匀、广泛，因而具有更好的代表性和较高的精确度。当总体内出现周期性交替且抽样顺序（即抽样距）与之相合或近似时，容易产生“共振”现象，即抽取的样本反而易失去代表性。顺序抽样法所得数据不能得出一个正确的抽样误差，即无法估计其置信区间。第三节抽样调查的方法第25页，共70页，2023年，2月20日，星期五第四节抽样规模的确定一、样本含量的确定原则样本含量的确定应遵循以下原则：

（1）当总体有限且很大时，只要注意代表性，样本大小可占总体的1/1000～1/100；总体不是很大时，以5％为宜。第26页，共70页，2023年，2月20日，星期五第四节抽样规模的确定一、样本含量的确定原则（2）当调查性状为质量性状，所估计的往往是百分数、率或某一比例，样本含量一般要求大一些。家畜某传染病或寄生虫病的流行病学调查、散发性疾病调查（散发性疾病的分布往往呈泊松分布），遗传病调查（估测基因频率）等等，样本含量应大于500甚至上千才能较好地对总体进行估计。第27页，共70页，2023年，2月20日，星期五一、样本含量的确定原则（3）当调查性状为数量性状时，则样本含量可小一些，数量性状资料也有计算百分率的，但这一类百分率与前面所述质量性状的百分率（率或构成比）不是同一概念，因此，这一类资料的取样可少取一些。第四节抽样规模的确定第28页，共70页，2023年，2月20日，星期五一、样本含量的确定原则（4）当抽样调查不会对生产产生明显的不利影响时，可适当加大样本含量，甚至可对整群动物进行调查。（5）试验样本规模的确定是在满足试验准确性的前提下，尽量减少样本含量，使试验造成的损失达到最小。第四节抽样规模的确定第29页，共70页，2023年，2月20日，星期五二、样本含量的确定方法1．平均数抽样调查的样本含量确定方法

当样本含量还较小时，随着样本量的增大，标准误即抽样误差将迅速趋小；但当样本含量增大到一定程度后，抽样误差的缩减速度就很缓慢了，即此时再增大样本含量，一方面会迅速增大经费开支，另一方面对提高抽样的精确性已起不到多大的作用。第四节抽样规模的确定第30页，共70页，2023年，2月20日，星期五

根据以往的研究或经验人为地定出一个样本平均值与总体平均值的离差，即允许误差L，同时选定一个大致的标准差s，一般情况下，我们取95%的置信度，即α=0.05，则第四节抽样规模的确定第31页，共70页，2023年，2月20日，星期五【例】

某品种猪6月龄平均血红蛋白的含量为12g/100mL，标准差为1g/100mL，希望允许抽样误差在0.2g/100mL以内，确定α=0.05，求抽样调查所需的样本含量。这里，已知s＝1，允许误差L＝0.2，则所需样本含量为

即在95％的置信度下，需至少调查100个个体才能较好地说明问题。第四节抽样规模的确定第32页，共70页，2023年，2月20日，星期五

当所得的n值较小时，要用和n进行多次试求，直至得到一稳定的n值为止，一般试求l～2次即可完成；当所得n≤5时，说明所设L值太大，或s值太小，应适当调整L和s。第四节抽样规模的确定第33页，共70页，2023年，2月20日，星期五【例】标准差为s=15.9，允许抽样误差为L=10，确定α=0.05，求抽样调查所需的样本含量。这里，已知s=15.9，

L＝10，α=0.05，根据公式,可得样本含量：

显然这一样本含量太小，故应重求n值。我们再将自由度df＝10时的值直接代人公式第四节抽样规模的确定第34页，共70页，2023年，2月20日，星期五，则，则此时样本含量已稳定在n＝12，说明这次抽样调查的最佳样本含量约为12。第四节抽样规模的确定，则第35页，共70页，2023年，2月20日，星期五2．百分率抽样调查的样本含量确定方法百分率数据与平均值数据的算法基本一样。百分率的标准误为允许误差故当置信度为95%时的样本含量为：第四节抽样规模的确定第36页，共70页，2023年，2月20日，星期五

【例】样本百分率p＝0.7，规定允许误差L＝0.04，α=0.05，求抽样调查所需的样本含量。根据公式，可得

说明至少需要调查525个个体。百分率抽样时，样本含量一般不能太小，否则所得结果不具或少具代表性，所得百分率越小，所需样本含量就应越大，以保证样本百分率能很好地估计总体百分率，应注意缩小允许误差L值。第四节抽样规模的确定第37页，共70页，2023年，2月20日，星期五【例】抽样调查猪的某一罕见疾病，该疾病根据以往的调查在猪群中的比例为0.1%，如果规定允许误差为0.001，则所需样本大小为：但是这样不大合适，因为允许误差一般应小于发病率，故取L＝0.0005，则：第四节抽样规模的确定第38页，共70页，2023年，2月20日，星期五第五节实验设计概述实验设计是科研计划的具体实施方案，是进行实验和统计分析的依据，是科学研究顺利进行以达到预期目标的重要保障。一个科学合理的实验设计应该包括：根据研究目的确定研究内容、技术路线和研究方法，特别是如何用较少的人力、物力、财力和时间，最大限度地减少误差来进行实验、获得可靠的结果。第39页，共70页，2023年，2月20日，星期五第五节实验设计概述1、

实验研究的特点：（1）处理因素是研究者人为设置的；（2）受试对象接受何种处理因素或水平是由随机分配而定的，因此各组的非处理因素均衡性好，组间具有可比性。（3）能使多个实验因素包含在较少次数的实验中，能有效地控制误差。第40页，共70页，2023年，2月20日，星期五第五节实验设计概述2、实验研究的分类：

(1)实验室研究（experimentinlaboratory）

(2)临床试验（clinicaltrial）

(3)社区干预试验(communityinterveningtrial)

以实验动物或某些标本为实验对象，容易随机化，研究者可以主动地施加任何干预措施。通常为一些探索性研究，例如毒物的致畸、致癌、致突变实验，一些药理实验等。

以临床上的病畜为实验对象。目的多为研究某种药物或某项疗法的疗效，且多为证实性研究。以社区中的健康人群为研究对象，目的往往是观察某项保护性措施对疾病的防治效果。由于社区干预试验难以对研究对象进行良好的随机分配，因此又称半实验研究（quasi-experiment）。第41页，共70页，2023年，2月20日，星期五第五节实验设计概述第42页，共70页，2023年，2月20日，星期五第五节实验设计概述第43页，共70页，2023年，2月20日，星期五第五节实验设计概述3、实验设计的基本原则：（一）重复(replication)的原则重复是指试验中同一处理实施在两个或两个以上的试验单位上。重复的主要作用有四个：一是试验中如没有系统误差只有随机误差，则可用同一处理内多次重复间的参差不齐程度来估计随机误差，如果只有一次观测，则无法估计随机误差；二是同一处理的多次观测值的平均值可以作为真值的估计值，但由于随机误差的存在，每次试验的平均值都有所不同，设置重复可以估计出试验结论的可靠性；三是增加重复次数可以缩小随机误差，提高试验的精确度，没有重复，没有误差作相对的参照，就不会得出可靠的结论；四是为随机化和局部控制的原则创造条件。第44页，共70页，2023年，2月20日，星期五第五节实验设计概述（二）随机化(randomization)原则随机化（randomization）指试验单元在各处理中的分配和各个试验处理进行的次序都是随机的。随机的意义是使研究对象具有相同的机会进入任何一个处理。随机不是随意。随机化是正确使用统计方法的前提。在试验规模较小的情况下，随机化也有可能造成偏差，为了更好的消除系统误差，必须考虑采用局部控制的方法。

第45页，共70页，2023年，2月20日，星期五（三）局部控制（localcontrol）原则试验时为控制或降低非试验因素对试验结果的影响采取一定的技术措施或方法称为局部控制（localcontrol）。由于试验规模和试验条件的限制，不可能做到所有试验单元完全一致，试验环境也不可能完全统一。在此情况下，将试验空间（试验单元或试验环境）或时间分成若干个各自相对均匀的局部，每一个局部构成一个区组，在区组间可存在较大差异，而区组内各单元则应尽可能一致。第五节实验设计概述第46页，共70页，2023年，2月20日，星期五第五节实验设计概述第47页，共70页，2023年，2月20日，星期五(四)对照的原则医学实验的目的是能够得到处理因素(treatment,T)的实验效应(effect,E)，即TE。但在实验中，不可能是单纯的处理因素在起作用，非处理因素(S)也会起作用，即T+Se+s。如何得到T产生的效应e，就要有一个实验设计，设计的主要手段是通过设立对照组对S加以控制和抵销，从而显示出处理因素的作用。第五节实验设计概述第48页，共70页，2023年，2月20日，星期五处理组

处理因素+非处理因素处理效应+非处理效应对照组

(无)非处理因素(无)非处理效应比较结果

处理因素

处理效应

排除“非处理因素”的影响，从而衬托出“处理因素”的作用。第五节实验设计概述第49页，共70页，2023年，2月20日，星期五常用的对照形式（1）空白对照

对照组不施加任何处理因素（2）实验对照

对照组不施加处理因素，但施加某种实验因素。（3）标准对照

不设立专门的对照组，而是用现有标准值/正常值作对照。实验研究一般不用标准对照，因为实验条件不一致。第五节实验设计概述第50页，共70页，2023年，2月20日，星期五（4）自身对照对照与实验在同一受试者身上进行（5）相互对照各实验组间互为对照，如比较新药与旧药的疗效（6）历史对照以本人过去的研究/他人研究结果与本次研究结果作对照常用的对照形式第五节实验设计概述第51页，共70页，2023年，2月20日，星期五第六节完全随机设计

完全随机设计（completelyrandomizeddesign）是根据试验处理数将全部供试动物随机地分成若干组，然后再按组实施不同处理的设计。这种设计保证每头供试验动物都有相同机会接受任何一种处理，而不受试验人员主观倾向的影响。这种设计应用了重复和随机化两个原则，因此能使试验结果受非处理因素的影响基本一致，真实反映出试验的处理效应。随机分组的方法有抽签法和用随机数字表法

第52页，共70页，2023年，2月20日，星期五一、完全随机的分组方法（一）两个处理比较的分组【例】

现有同品种、同性别、同年龄、体重相近的健康绵羊18只，试用完全随机的方法分成甲、乙两组。绵羊编号123456789101112131415161718随机数字组别16乙07甲44乙99甲83甲11甲46乙32乙24乙20乙14乙85甲88乙45甲10乙93甲72乙88乙随机数字表（Ⅰ）第12行第7列的16开始向右连续抄下18个随机数字填入表第二行。

甲组：2456121416

乙组：13789101113151718第六节完全随机设计第53页，共70页，2023年，2月20日，星期五

甲组比乙组少4只，需要从乙组调整两只到甲组。仍用随机的方法进行调整。在前面18个随机数字后再接着抄下两个数字：71、23，分别除以11（调整时乙组的绵羊只数）、10（调整1只绵羊去甲组后乙组剩余的绵羊只数），余数为5、3，则把分配于乙组的第5只绵羊（9号）和余下10只的第3只绵羊（7号）分到甲组。甲组245679121416乙组138101113151718第六节完全随机设计绵羊编号123456789101112131415161718随机数字组别调整组别16乙07甲44乙99甲83甲11甲46乙甲32乙24乙甲20乙14乙85甲88乙45甲10乙93甲72乙88乙第54页，共70页，2023年，2月20日，星期五第六节完全随机设计（二）三个以上处理比较的分组【例】

设有同品种、同性别、体重相近的健康仔猪18头，按体重大小依次编为1、2、3、…、18号，试用完全随机的方法，把它们等分成甲、乙、丙三组。由随机数字表（Ⅱ）第10列第2个数94开始，向下依次抄下18个数，填入下表第2横行。第55页，共70页，2023年，2月20日，星期五

一律以3（处理数）除各随机数字，若余数为1，即将该动物归于甲组；余数为2，归入乙组；商为0或余数为0，归入丙组。结果归入甲组者8头，乙组5头，丙组5头。各组头数不等，应将甲组多余的2头调整1头给乙组、1头给丙组。调整甲组的2头动物仍然采用随机的方法。从随机数字25后面接下去抄二个数63、62，然后分别以8（甲组原分配8头）、7除之，得第一个余数为7，第二个余数为6，则把原分配在甲组的8头仔猪中第7头仔猪即14号仔猪改为乙组；把甲组中余下的7头仔猪中的第6头仔猪即12号仔猪改为丙组。第六节完全随机设计第56页，共70页，2023年，2月20日，星期五调整后各组的仔猪编号如下：组别仔猪编号甲组1234718乙组5910141516丙组6811121317第六节完全随机设计第57页，共70页，2023年，2月20日，星期五

完全随机设计的优缺点（一）完全随机设计的主要优点

1、设计容易处理数与重复数都不受限制，适用于试验条件、环境、试验动物差异较小的试验。

2、统计分析简单无论所获得的试验资料各处理重复数相同与否，都可采用t检验或方差分析法进行统计分析。第六节完全随机设计第58页，共70页，2023年，2月20日，星期五

完全随机设计的优缺点（二）完全随机设计的主要缺点

1、由于未应用试验设计三原则中的局部控制原则，非试验因素的影响被归入试验误差，试验误差较大，试验的精确性较低。

2、在试验条件、环境、试验动物差异较大时，不宜采用此种设计方法。第六节完全随机设计第59页，共70页，2023年，2月20日，星期五第七节随机单位组设计

随机单位组设计（randomizedblockdesign）也称为随机区组（或窝组）设计。它是根据局部控制的原则，如将同窝、同性别、体重基本相同的动物划归一个单位组，每一单位组内的动物数等于处理数，并将各单位组的试验动物随机分配到各处理组，这种设计称为随机单位组设计。第60页，共70页，2023年，2月20日，星期五第七节随机单位组设计一、随机单位组设计方法（一）随机单位组设计的分组方法把初始条件相同的动物如同窝仔畜划为同一单位组外，还可根据实际情况，把不同试验场、同一场内不同畜舍、不同池塘等划分为单位组。【例】

前面提到的5种中草药饲料添加剂分别以A1、A2、A3、A4、A5表示，供试4窝仔猪分别按体重依次编号为：1-5号为第Ⅰ组，6-10号为第Ⅱ组，11-15号为第Ⅲ组，16-20为第Ⅳ组。试按随机单位组设计将试验仔猪分组。第61页，共70页，2023年，2月20日，星期五第七节随机单位组设计5种饲料添加剂试验随机单位组设计表

先从随机数字表（Ⅱ）第15行、第11列15开始，向下依次抄下16个随机数字（舍弃00），每抄4个数字留一空位，见表第2行。再将同一单位组内前4个随机数字依次除以5、4、3、2（最大数5为处理数），根据余数（余数为0者，以除数代之）确定每一单位组内各供试仔猪喂给的添加剂种类。第62页，共70页，2023年，2月20