生命科學(xué)研究方法學(xué)--12.11實(shí)驗(yàn)研究法

1、實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 研研 究究 法法Experimentation 一、實(shí)驗(yàn)研究法概述一、實(shí)驗(yàn)研究法概述 實(shí)驗(yàn)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(chǔ)上，給予研究對(duì)象干預(yù)或處理措施，觀(guān)測(cè)和分析所產(chǎn)生的效應(yīng)，從而認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)和揭示客觀(guān)規(guī)律的一種研究方法。 實(shí)驗(yàn)法的主要特點(diǎn) 控制 簡(jiǎn)化、強(qiáng)化與模擬 揭示因果關(guān)系二、實(shí)驗(yàn)的三要素二、實(shí)驗(yàn)的三要素 被試因素（factor） 實(shí)驗(yàn)要素 受試對(duì)象（object） 實(shí)驗(yàn)效應(yīng)（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(duì)象施加的處理內(nèi)容，也稱(chēng)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(duì)象的，也可以是受試對(duì)象本身的某些特征。2. 被試因素的水平 被試因素的強(qiáng)度級(jí)別或性質(zhì)區(qū)別稱(chēng)為水平。 數(shù)量水平 質(zhì)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(jié)果 進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)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(chēng)為實(shí)驗(yàn)處理，簡(jiǎn)稱(chēng)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(gè)水平與磷肥3個(gè)水平

3、組合的9個(gè)處理（二）受試對(duì)象1. 受試對(duì)象的概念 受試對(duì)象是處理因素作用的客體。 受試對(duì)象應(yīng)對(duì)研究目標(biāo)總體具有代表性。2. 總體、樣本和實(shí)驗(yàn)單位 總體（population） 樣本（sample） 實(shí)驗(yàn)單位（experimental unit） 一個(gè)樣本由若干個(gè)實(shí)驗(yàn)單位組成。 任何兩個(gè)實(shí)驗(yàn)單位各自獨(dú)立地受到處理 因素的作用。（三）實(shí)驗(yàn)效應(yīng) 1. 概念 實(shí)驗(yàn)效應(yīng)（experimental response）是受試對(duì)象受處理因素作用的反應(yīng)和結(jié)果，通過(guò)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)來(lái)反映。 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)選擇的恰當(dāng)是關(guān)系到實(shí)驗(yàn)研究質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。 2. 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的要求 重要要求 關(guān)聯(lián)性（correlation）客觀(guān)性（obje

4、ctivity）靈敏性（sensitivity）特異性（specificity）準(zhǔn)確性（accuracy）精密性（precision） 關(guān)聯(lián)性 切合研究目的 確切反映實(shí)驗(yàn)效應(yīng) 客觀(guān)性 主觀(guān)指標(biāo)：由主觀(guān)感受判定 客觀(guān)指標(biāo)：由儀表指示 靈敏性 示值增量/被測(cè)量增量（斜率） 鑒別閾（分辨力，檢出下限） 特異性 針對(duì)性或區(qū)分度 準(zhǔn)確度 定義：測(cè)量值與真值的接近程度。 準(zhǔn)確度的衡量指標(biāo)之一偏差系數(shù) （coefficient of bias, CB ） 真值測(cè)量結(jié)果 CB（%）= % 真值R：回收率（percent recovery） VPVB R（%）= 100% VS VP：加入標(biāo)準(zhǔn)量后的測(cè)定值 VB

5、：加入標(biāo)準(zhǔn)量前的測(cè)定值 VS：加入標(biāo)準(zhǔn)量 例如，血清某物質(zhì)在未加標(biāo)準(zhǔn)量時(shí)，5 次測(cè)定的均值為100mg/L，向血清中加入該物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)量50mg后，該物質(zhì)的測(cè)定均值為145mg/L，其回收率為： 145 100 R = 100% 50 = 90% 精密度 定義：進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，測(cè)量值與平均測(cè)量值的接近程度。 精密度的衡量指標(biāo)之一 標(biāo)準(zhǔn)差 （standard deviation, s） ( XX ) 2 s = n 1 Good accuracyPoor precisionGood accuracyGood precisionPoor accuracyPoor precisionPoor acc

6、uracyGood precision 3. 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)選擇應(yīng)注意的幾點(diǎn) 將可靠性放在首位 不搞“單打一” 力爭(zhēng)高、精、尖、新三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) （一）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的含義和意義 專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì) DOE 統(tǒng)計(jì)學(xué)設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的意義： 實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)設(shè)計(jì)是指實(shí)驗(yàn)單位編排和分組，將處理因素進(jìn)行分組分配。 控制誤差 提高效率（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的統(tǒng)計(jì)學(xué)原則 A control is a reference against which the results of an experimental manipulation can be compared. 1. 對(duì)照（control） 對(duì)照的含義：參照基準(zhǔn)做對(duì)比 對(duì)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(duì)照的作用：凸顯實(shí)驗(yàn)效應(yīng) T + S1 E + e1 0 + S2 0 + e2 T E T：處理因素， E：T 的效應(yīng)； 0：處理因素為0， 0：0 的效應(yīng)； S1：處理組非處理因素，e1：S1的效應(yīng)； S2：對(duì)照組非處理因素，e2：S2的效應(yīng)。 T 1 + S1 E1 + e1 T 2 + S2 E2 + e2

8、Td Ed T1：處理1， E1：T1 的效應(yīng)； T2：處理2， E2：T2 的效應(yīng)； S1：處理組1的非處理因素， e1：S1 的效應(yīng)； S2：處理組2的非處理因素， e2：S2 的效應(yīng)。 對(duì)照的形式： 陰性對(duì)照（negative control） “陰性”是指無(wú)預(yù)期效應(yīng)。 blank control vehicle control placebo control sham control 陽(yáng)性對(duì)照（positive control） “陽(yáng)性”是指有預(yù)期效應(yīng)。 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(duì)照的有效運(yùn)用： 盡可能設(shè)置并行對(duì)照 Concurrent control 必要時(shí)設(shè)置多個(gè)對(duì)照 Multiple control 必要時(shí)使用盲法 Blinding procedure 2. 隨機(jī)（randomization） 隨機(jī)原則的含義 隨機(jī)化原則是指各個(gè)實(shí)驗(yàn)單位受到每一個(gè)處理的概率相等。 抽樣隨機(jī) 隨機(jī)化 分組隨機(jī) 實(shí)驗(yàn)順序隨機(jī) 隨機(jī)化的主要作法 隨機(jī)數(shù)法 抽簽法 隨

10、機(jī)化的作用 控制偏倚 偏倚：由系統(tǒng)誤差造成的測(cè)量值對(duì) 真值的偏離。 隨機(jī)數(shù)法抽樣的基本步驟 將 N 個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象編號(hào) 取 n 個(gè)隨機(jī)數(shù) 抽取編號(hào)與隨機(jī)數(shù)相同的實(shí)驗(yàn)對(duì)象 舉例：從300只家兔抽取16只用于實(shí)驗(yàn)： 1. 給300只家兔進(jìn)行三位數(shù)編號(hào)，編號(hào)為000，001，002，003299 2. 從隨機(jī)數(shù)表中任選某行某列位置的一個(gè)數(shù)字為開(kāi)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(gè)方向三位，三位讀下去，得到一系列三位數(shù)隨機(jī)數(shù)，去掉大于299的，重復(fù)的只取一個(gè)，取夠16個(gè)隨機(jī)數(shù)（如246，223，162，061） 4. 編號(hào)與所取隨機(jī)數(shù)相同的家兔被抽樣。 隨機(jī)數(shù)法分組的基本步驟 實(shí)驗(yàn)

11、單位編號(hào) 預(yù)先規(guī)定組別的對(duì)應(yīng)數(shù)字 取隨機(jī)數(shù)并依先后次序與實(shí)驗(yàn)單位 編號(hào)相配，或再對(duì)隨機(jī)數(shù)做除法運(yùn) 算，取余數(shù) 按對(duì)應(yīng)數(shù)字進(jìn)行實(shí)驗(yàn)單位分組 調(diào)整樣本含量15只動(dòng)物隨機(jī)分成A、B、C三組動(dòng)物編號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15隨機(jī)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(jī)數(shù)表，用已用“90”之后的隨機(jī)數(shù)“16”，除以初分A組的動(dòng)物數(shù)“6”，得余數(shù)“4”，將該組的第4號(hào)

12、動(dòng)物（即12號(hào)）編入C組。 3. 重復(fù)（replication） 重復(fù)原則的含義 相同實(shí)驗(yàn)條件下的獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)次數(shù)應(yīng)足夠多。 獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)：在相同的處理?xiàng)l件下，對(duì)不同實(shí)驗(yàn)單位做多次實(shí)驗(yàn)，一個(gè)實(shí)驗(yàn)單位只為樣本含量提供一個(gè)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)或結(jié)果。 重復(fù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)表達(dá) 樣本含量 重復(fù)的主要作用 降低抽樣偶然性 樣本含量的影響因素 效應(yīng)大小 實(shí)驗(yàn)誤差 計(jì)量或計(jì)數(shù)結(jié)果 檢驗(yàn)水準(zhǔn) 檢驗(yàn)效能 檢驗(yàn)的單雙側(cè) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的類(lèi)型 樣本大小的估計(jì)方法 經(jīng)驗(yàn)推測(cè)法 例如，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)樣本含量的粗估法： 大動(dòng)物（犬、豬等）：515只/組 中等動(dòng)物（兔、貓等）：1020只/組 小動(dòng)物（大鼠、小鼠等）：1530只/組 計(jì)算法 例如，兩個(gè)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(cè)雙側(cè) 盡量避免偽重復(fù) 偽重復(fù)（pseudoreplication）是指 以為的樣本含量（重復(fù)實(shí)驗(yàn)次數(shù)，n） 多于真實(shí)的樣本含量。 單個(gè)實(shí)驗(yàn)單位的重復(fù)測(cè)量 被試個(gè)體不具統(tǒng)計(jì)學(xué)獨(dú)立性 4. 區(qū)組（blocking） 區(qū)組原則是指根據(jù)實(shí)驗(yàn)單位之間的已知差異（或相似性）分組，每一組實(shí)驗(yàn)單位盡可能齊同，并隨機(jī)分配到各個(gè)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。 區(qū)組原則又稱(chēng)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(yīng)對(duì)照隨機(jī)重復(fù)區(qū)組單因素實(shí)驗(yàn)方案多因素實(shí)驗(yàn)方案完全方案不完全方案按因素?cái)?shù)量（三）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的類(lèi)型 1. 按因素?cái)?shù)量2. 按組數(shù) 單組比較實(shí)驗(yàn) 自身前后配對(duì)設(shè)計(jì)、自身左右配對(duì)設(shè) 計(jì)、序貫設(shè)計(jì)等。 兩組比較實(shí)驗(yàn) 異體配對(duì)設(shè)計(jì)、交叉設(shè)計(jì)等。 多組比較實(shí)驗(yàn) 析因設(shè)計(jì)、正交設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)等。（四）幾種常用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 1. 完全隨機(jī)設(shè)計(jì) 完全隨機(jī)設(shè)計(jì)（completely randomized design）用于兩組實(shí)驗(yàn)無(wú)法配對(duì)或多組 實(shí)驗(yàn)無(wú)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(jī)分成A、B兩組動(dòng)物編號(hào) 1 2 3 4 5 6

15、 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16隨機(jī)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(jī)數(shù)依次為6、2動(dòng)物編號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16隨機(jī)數(shù)字 6 9 1 7 9 1 4 1 9 4 6 2 5 9 0 3調(diào)整分組 B A B A A A B B A B B B A A B A2. 隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì) 概念 隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)（randomized block design）是指兩個(gè)以上相似的實(shí)驗(yàn)單位組成區(qū)組，每個(gè)區(qū)組的實(shí)驗(yàn)

16、單位隨機(jī)分配而組成不同的處理組。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)亦稱(chēng)配伍組設(shè)計(jì)。 處理組內(nèi)受試對(duì)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(shè)計(jì)成5個(gè)處理組。仔豬編號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20隨機(jī)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(duì)設(shè)計(jì) 配對(duì)設(shè)計(jì)（paired design）是將實(shí)驗(yàn)單位按其某些特征配成對(duì)子，每對(duì)中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)單位分配到兩處理組中，可視為隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)的特例。 例例 隨機(jī)抽取隨機(jī)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(cè)定飲料中脂肪含羅紫法測(cè)定飲料中脂肪含量。量。 兩種方法測(cè)定乳酸飲料中脂肪含量的結(jié)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