生命科學研究方法學--12.11實驗研究法

1、實實 驗驗 研研 究究 法法Experimentation 一、實驗研究法概述一、實驗研究法概述 實驗研究（experimental study）是指根據(jù)一定的研究目的，在人為控制一些條件和因素的基礎上，給予研究對象干預或處理措施，觀測和分析所產生的效應，從而認識事物本質和揭示客觀規(guī)律的一種研究方法。 實驗法的主要特點 控制 簡化、強化與模擬 揭示因果關系二、實驗的三要素二、實驗的三要素 被試因素（factor） 實驗要素 受試對象（object） 實驗效應（effect）（一）被試因素1. 被試因素的定義 被試因素是根據(jù)研究目的給受試對象施加的處理內容，也稱處理因素（treatment fa

2、ctor）。 被試因素多數(shù)是由外界作用于受試對象的，也可以是受試對象本身的某些特征。2. 被試因素的水平 被試因素的強度級別或性質區(qū)別稱為水平。 數(shù)量水平 質量水平 水平選定的主要作法： 根據(jù)研究目的 參照他人的研究結果 進行預實驗3. 被試因素與水平的組合 單因素單水平 多因素單水平 單因素多水平 多因素多水平 一定水平的被試因素或不同水平的各被試因素的組合稱為實驗處理，簡稱處理（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個水平與磷肥3個水平

3、組合的9個處理（二）受試對象1. 受試對象的概念 受試對象是處理因素作用的客體。 受試對象應對研究目標總體具有代表性。2. 總體、樣本和實驗單位 總體（population） 樣本（sample） 實驗單位（experimental unit） 一個樣本由若干個實驗單位組成。 任何兩個實驗單位各自獨立地受到處理 因素的作用。（三）實驗效應 1. 概念 實驗效應（experimental response）是受試對象受處理因素作用的反應和結果，通過實驗指標來反映。 實驗指標選擇的恰當是關系到實驗研究質量的重要環(huán)節(jié)。 2. 實驗指標的要求 重要要求 關聯(lián)性（correlation）客觀性（obje

4、ctivity）靈敏性（sensitivity）特異性（specificity）準確性（accuracy）精密性（precision） 關聯(lián)性 切合研究目的 確切反映實驗效應 客觀性 主觀指標：由主觀感受判定 客觀指標：由儀表指示 靈敏性 示值增量/被測量增量（斜率） 鑒別閾（分辨力，檢出下限） 特異性 針對性或區(qū)分度 準確度 定義：測量值與真值的接近程度。 準確度的衡量指標之一偏差系數(shù) （coefficient of bias, CB ） 真值測量結果 CB（%）= % 真值R：回收率（percent recovery） VPVB R（%）= 100% VS VP：加入標準量后的測定值 VB

5、：加入標準量前的測定值 VS：加入標準量 例如，血清某物質在未加標準量時，5 次測定的均值為100mg/L，向血清中加入該物質標準量50mg后，該物質的測定均值為145mg/L，其回收率為： 145 100 R = 100% 50 = 90% 精密度 定義：進行多次重復測量時，測量值與平均測量值的接近程度。 精密度的衡量指標之一 標準差 （standard deviation, s） ( XX ) 2 s = n 1 Good accuracyPoor precisionGood accuracyGood precisionPoor accuracyPoor precisionPoor acc

6、uracyGood precision 3. 實驗指標選擇應注意的幾點 將可靠性放在首位 不搞“單打一” 力爭高、精、尖、新三、實驗設計三、實驗設計 （一）實驗設計的含義和意義 專業(yè)設計 DOE 統(tǒng)計學設計 實驗設計的意義： 實驗的統(tǒng)計學設計是指實驗單位編排和分組，將處理因素進行分組分配。 控制誤差 提高效率（二）實驗設計的統(tǒng)計學原則 A control is a reference against which the results of an experimental manipulation can be compared. 1. 對照（control） 對照的含義：參照基準做對比 對照

7、的要求：差異唯一 All variables are controlled in the control group, while the independent variable is changed or manipulated in the treatment group. 對照的作用：凸顯實驗效應 T + S1 E + e1 0 + S2 0 + e2 T E T：處理因素， E：T 的效應； 0：處理因素為0， 0：0 的效應； S1：處理組非處理因素，e1：S1的效應； S2：對照組非處理因素，e2：S2的效應。 T 1 + S1 E1 + e1 T 2 + S2 E2 + e2

8、Td Ed T1：處理1， E1：T1 的效應； T2：處理2， E2：T2 的效應； S1：處理組1的非處理因素， e1：S1 的效應； S2：處理組2的非處理因素， e2：S2 的效應。 對照的形式： 陰性對照（negative control） “陰性”是指無預期效應。 blank control vehicle control placebo control sham control 陽性對照（positive control） “陽性”是指有預期效應。 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 對照的有效運用： 盡可能設置并行對照 Concurrent control 必要時設置多個對照 Multiple control 必要時使用盲法 Blinding procedure 2. 隨機（randomization） 隨機原則的含義 隨機化原則是指各個實驗單位受到每一個處理的概率相等。 抽樣隨機 隨機化 分組隨機 實驗順序隨機 隨機化的主要作法 隨機數(shù)法 抽簽法 隨

10、機化的作用 控制偏倚 偏倚：由系統(tǒng)誤差造成的測量值對 真值的偏離。 隨機數(shù)法抽樣的基本步驟 將 N 個實驗對象編號 取 n 個隨機數(shù) 抽取編號與隨機數(shù)相同的實驗對象 舉例：從300只家兔抽取16只用于實驗： 1. 給300只家兔進行三位數(shù)編號，編號為000，001，002，003299 2. 從隨機數(shù)表中任選某行某列位置的一個數(shù)字為開始抽樣的數(shù)字 3. 從選定的數(shù)向右（或左、或上、或下）同一個方向三位，三位讀下去，得到一系列三位數(shù)隨機數(shù)，去掉大于299的，重復的只取一個，取夠16個隨機數(shù)（如246，223，162，061） 4. 編號與所取隨機數(shù)相同的家兔被抽樣。 隨機數(shù)法分組的基本步驟 實驗

11、單位編號 預先規(guī)定組別的對應數(shù)字 取隨機數(shù)并依先后次序與實驗單位 編號相配，或再對隨機數(shù)做除法運 算，取余數(shù) 按對應數(shù)字進行實驗單位分組 調整樣本含量15只動物隨機分成A、B、C三組動物編號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15隨機數(shù)字 33 35 72 67 47 77 34 55 45 70 08 18 27 38 90余 數(shù) 0 2 0 1 1 2 1 1 0 1 2 0 0 2 0初步分組 A C A B B C B B A B C A A C A 查隨機數(shù)表，用已用“90”之后的隨機數(shù)“16”，除以初分A組的動物數(shù)“6”，得余數(shù)“4”，將該組的第4號

12、動物（即12號）編入C組。 3. 重復（replication） 重復原則的含義 相同實驗條件下的獨立重復實驗次數(shù)應足夠多。 獨立重復實驗：在相同的處理條件下，對不同實驗單位做多次實驗，一個實驗單位只為樣本含量提供一個觀測數(shù)據(jù)或結果。 重復的統(tǒng)計學表達 樣本含量 重復的主要作用 降低抽樣偶然性 樣本含量的影響因素 效應大小 實驗誤差 計量或計數(shù)結果 檢驗水準 檢驗效能 檢驗的單雙側 實驗設計的類型 樣本大小的估計方法 經驗推測法 例如，動物實驗樣本含量的粗估法： 大動物（犬、豬等）：515只/組 中等動物（兔、貓等）：1020只/組 小動物（大鼠、小鼠等）：1530只/組 計算法 例如，兩個樣

13、本均數(shù)比較的樣本含量： (t t2 ) S n1=n2= 22 (t2 t2 ) S n1=n2= 22單側雙側 盡量避免偽重復 偽重復（pseudoreplication）是指 以為的樣本含量（重復實驗次數(shù)，n） 多于真實的樣本含量。 單個實驗單位的重復測量 被試個體不具統(tǒng)計學獨立性 4. 區(qū)組（blocking） 區(qū)組原則是指根據(jù)實驗單位之間的已知差異（或相似性）分組，每一組實驗單位盡可能齊同，并隨機分配到各個實驗組和對照組。 區(qū)組原則又稱分層（stratification）原則。Block 1Block 2Block 3Block 3Treat. 1Treat. 2Treat. 3Tre

14、at. 4組間處理不同組間非處理因素齊同減小誤差凸顯效應對照隨機重復區(qū)組單因素實驗方案多因素實驗方案完全方案不完全方案按因素數(shù)量（三）實驗設計的類型 1. 按因素數(shù)量2. 按組數(shù) 單組比較實驗 自身前后配對設計、自身左右配對設 計、序貫設計等。 兩組比較實驗 異體配對設計、交叉設計等。 多組比較實驗 析因設計、正交設計、均勻設計等。（四）幾種常用的實驗設計 1. 完全隨機設計 完全隨機設計（completely randomized design）用于兩組實驗無法配對或多組 實驗無法配伍（區(qū)組）的情況。 適用面寬，但所需樣本含量較大。16只小鼠隨機分成A、B兩組動物編號 1 2 3 4 5 6

15、 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16隨機數(shù)字 6 9 1 7 9 1 4 1 9 4 6 2 5 9 0 3初步分組 B A A A A A B A A B B B A A B A繼續(xù)查得3之后的隨機數(shù)依次為6、2動物編號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16隨機數(shù)字 6 9 1 7 9 1 4 1 9 4 6 2 5 9 0 3調整分組 B A B A A A B B A B B B A A B A2. 隨機區(qū)組設計 概念 隨機區(qū)組設計（randomized block design）是指兩個以上相似的實驗單位組成區(qū)組，每個區(qū)組的實驗

16、單位隨機分配而組成不同的處理組。隨機區(qū)組設計亦稱配伍組設計。 處理組內受試對象或非處理因素不一致，但處理組間卻是極其一致的。 例如，將5種飼料添加劑A1、A2、A3、A4、A5供試4窩共20只仔豬，設計成5個處理組。仔豬編號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20隨機數(shù)字 15 50 75 25 71 38 86 58 95 98 56 85 99 83 21 62 除 數(shù) 5 4 3 2 5 4 3 2 5 4 3 2 5 4 3 2 余 數(shù) 5 2 3 1 1 2 2 2 5 2 2 1 4 3 3 2 添 加 劑 A5 A2

17、A4 A1 A3 A1 A3 A4 A5 A2 A5 A2 A3 A1 A4 A4 A3 A5 A2 A1 3. 配對設計 配對設計（paired design）是將實驗單位按其某些特征配成對子，每對中的兩個實驗單位分配到兩處理組中，可視為隨機區(qū)組設計的特例。 例例 隨機抽取隨機抽取1010份乳酸飲料，分別用脂肪份乳酸飲料，分別用脂肪酸水解法與歌特里酸水解法與歌特里- -羅紫法測定飲料中脂肪含羅紫法測定飲料中脂肪含量。量。 兩種方法測定乳酸飲料中脂肪含量的結果 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