1、第一節實驗設計的基本原理和方法一實驗設計的基本程序實驗設計是通過學生自行設計實驗去了解科學研究的基本過程，其主要功能是訓練學生的實驗研究能力。 它對加深理解課堂講授的已知規律和應用已知規律去探討研究未知世界有重要作用。 因此指導學生完成一個好的實驗設計對培養研究型、創造型人才有重要的意義。實驗研究基本程序大致包括立題、實驗設計、實驗和觀察、實驗結果處理和分析及得出研究結論。（一）立題立題是確定所要研究的課題，是研究設計的前提，決定研究方向和內容。創造性的思維過程，它包括選題和建立假說。立題的過程是1選題一個好的選題應該具有目的性、創新性、 科學性及可行性。目的性是指選題應明確、具體地提出要解決

2、的問題，必須具有明確的理論或實際意義。選題越具體明確，說明選題者的思維越清楚。創新性是指發現新的規律和現象，提出新見解、新技術、新方法和新理論，或是對原有的規律、技術或方法進行修改完善。科學性是指選題應有充分的科學依據，要與已證實的科學理論和科學規律相符合。一個好的選題必須符合自然科學的基本原理，不應脫離科學規律作無根據的胡思亂想。可行性是指選題應考慮研究者的技術水平和所在實驗室客觀條件， 去選擇力所能及的課題。要綜合考慮研究者的學術水平、技術水平和實驗室條件及研究基礎，盲目地求大、求全和求新最終只能紙上談兵，無從下手。因此，選題過程中要查閱大量的文獻資料和實驗資料并進行分析研究，了解前人和別

3、人對有有關課題已做的工作、取得的成果和尚未解決的問題。只有充分了解最新的研究進展和動向，在進行綜合分析的基礎上，找出研究課題的關鍵，從而建立假說及確定研究課題。2假說的建立假說是預先假定的答案或解釋，也是實驗研究的預期結果。科學的假說是關于事物現象的原因、 性質或規律的推測， 其建立需要運用對立統一的觀點進行類比、 歸納及演繹等一系列邏輯推理過程。一旦課題選定后，就要建立這個課題的假說，假說是課題研究重要的思想理論準備，是實驗設計的前提和依據， 在假說的指導下，實驗設計就更具有目的性、 計劃性和預見性，就可全方位的周密、細致地安排實驗設計的各個方面。假說是實驗設計中最重要的環節之一。假說是未經

4、實踐證明的理論，理論則是經過實踐證明的假說。建立科學的假說，一要詳細的占有材料，集古今中外的資料和論點、本人先前的實踐和認識。不但要掌握該課題的國內外研究動態和趨勢，而且要廣泛涉獵有關理論認識。二要積極進行思維活動，即進行邏輯思維、辯證思維和創造性思維活動。活躍的思維活動不但選題時需要，建立假說時更需要。通過積極的思維活動要使問題從“模糊”到“清晰”、從“片面”到“全面” ，從非邏輯性到邏輯性。三要把積極的思維活動和活躍的實踐活動結合起來。假說形成是一個過程，有一個理論想法后可先做一些探索試驗來幫助研究者進一步思索，這樣可形成“原始假說” 。有了原始假說，就可在它的指導下進行預試驗的實驗設計。

5、通過預試驗，對原始假說作非正式的驗證，以便對原始假說作必要的修訂或改進，以使其上升為工作假說。最終，在工作假說的指導下進行正式實驗設計。（二）實驗設計實驗設計是指實驗研究計劃和方案的制定。實驗設計必須根據研究目的，結合專業和統計學的要求， 做出周密具體的研究內容、 方法和計劃， 它是實驗過程的依據和數據處理的前提，也是提高實驗研究質量的保證。實驗設計的任務是有效地控制干擾因素，保證實驗數據的可靠性和準確性；節省人力、物力和時間；盡量安排多因素、多劑量、多指標的實驗，以提高實驗效率。實驗設計包括實驗材料和對象、實驗的例數和分組、技術路線和觀察指標、數據的收集和處理方法等。（三）實驗和觀察1實驗準

6、備包括實驗理論準備和實驗實施準備。前者主要包括實驗的理論基礎、假說的理論基礎、實驗方法和技術、 參考文獻等的準備； 后者指儀器設備、 藥物和試劑的準備和藥物劑量的選定、實驗方法與指標的建立、實驗對象的準備等。2實驗操作及其結果的觀察記錄1）按照預備實驗確定的步驟進行實驗。2）熟練掌握實驗方法，用藥量準確，認真操作。3）經分析屬于錯誤操作或不合理的結果應重新實驗。4）仔細、耐心地觀察實驗過程中出現的結果。發生了什么現象、發生時間和轉歸，發生這些現象的機制及其意義。 有無出現非預期結果， 在排除了錯誤的不合理的結果后， 應對其進行分析，是否有新的發現和得出新理論。5）要重視原始記錄，預先擬定原始記

7、錄方式和內容。記錄的方式有文字、數字、圖形、照片、表格和錄像等。原始記錄應及時、完整、準確和整潔。嚴禁撕頁或涂改，不能用整理后的記錄代替原始記錄，要保持記錄的原始性和真實性。通常實驗記錄的項目和內容：（ 1）實驗名稱、實驗日期、實驗者。（ 2）受試對象：動物種類、品系、性別、體重、健康狀況、飼料及離體組織器官名稱等。（ 3）實驗藥物或試劑：名稱、來源、劑型、批號、規格、含量或濃度，給藥的劑量、時間及療程等。（ 4）實驗儀器：主要儀器名稱、生產廠家、型號、規格等。（ 5）實驗條件：實驗室的室溫、飼養環境等。（ 6）實驗方法和步驟：動物固定、麻醉、分組、手術方法、施加的刺激強度、給藥方法、測定方法

8、等。（ 7）實驗指標：指標的單位、數據及不同時間的變化等。（ 8）數據處理：對實驗結果進行整理的統計分析。（四）實驗結果的處理將原始數據或資料整理，計算出各組數據的均值和標準差等，并制成一定的統計表或統計圖。其次， 做統計學顯著性檢驗等。在分析和判斷實驗結果時，決不能帶有研究者的偏見，對數據任意取舍。必須實事求是，不能強求實驗結果服從自己的假說，而應該根據實驗結果去修正提出的假說，使假說上升為理論。（五）研究結論科學研究經過實驗設計、實驗和觀察、數據處理后，就可做出研究總結、得出結論及寫出論文。 這個結論要回答原先建立的假說是否正確， 從而對所提出的問題做出解答。 研究結論是從實驗結果中概括或

9、歸納出來的判斷，要嚴謹、精練和準確。二、實驗設計的三大要素實驗設計包括三個基本要素，即受試對象，處理因素，觀察指標。（一）受試對象受試對象 (study subjects)包括動物和人。1實驗動物隨著科學技術的發展，無損傷技術、 遙控技術和微量技術等現代化檢測技術使某些實驗直接在人體上進行的可能性越來越大， 但基于人道和安全等原因， 往往用動物作為實驗對象。（ 1）動物實驗的道德準則1）凡使用實驗動物的實驗室應配備相應的專職或兼技術人員負責實驗動物的管工作。工作人員應接受專業培訓，自覺遵守實驗動物管理的各項制度，熟悉、掌握操作規程。2）為了增進實驗動物的敏感性、準確性和實驗結果的可重復性，醫學

10、實驗必須使用合格動物并使之逐步達到標準化。拒絕已經死亡或患傳染病的動物進實驗室。3）應當在麻醉下進行動物外科操作，嚴禁在不使用麻醉劑下使用肌肉松弛劑進行實驗。4）必須愛護實驗動物，不得戲弄或虐待。對處死后的動物或動物的器官組織應按照實驗室規定做適當處理，不可隨便亂拋亂棄。（ 2）實驗動物的選擇選擇合的實驗動物對實驗的成功有重要的意義，選擇的條件如下：1）要選擇生物學特征接近人類而又經濟易得的動物。靈長類動物最接近人類，但價格昂貴，但有時實驗需用大動物完成，可選用犬、羊、猴。一般常選用的動物為家兔、大鼠、小鼠，它們比較接近于人類而價格又比較便宜。2）根據實驗要求選擇動物的品種和純度。其中以純種動

11、物為佳，且應健康和營養良好的動物。3）動物年齡、體重、性別最好一致。一般選擇發育成熟的年幼動物，對性別要求不高的動物可雌雄混用，但分組時應雌雄搭配。與性別有關的實驗，只能用某種性別的動物。常用實驗動物有：1）小鼠：繁殖力強，價廉，易于飼養，廣泛用于需要大量動物的實驗。如藥物篩選實驗、急性毒性實驗；鎮痛、抗感染、抗腫瘤、避孕實驗；生物制品和遺傳性疾病研究等。2）大鼠：在醫學研究中，用量僅次于小鼠，如心血管系統、神經系統、內分泌系統及長期毒性實驗、致畸實驗；免疫學、關節炎實驗、腫瘤學研究等。3）蛙：用于神經肌肉系統和心血管系統實驗等。4）豚鼠：用于過敏、抗感染實驗等。5）兔：用于心血管實驗、離體耳

12、實驗、發熱實驗、生殖生理研究等。6）貓：用于神經系統實驗、嘔吐實驗等。7）豬：用于燒傷實驗、腫瘤實驗、心血管系統實驗、泌尿系統實驗等。8）犬：用于神經系統、心血管系統、消化系統和毒性實驗及外科實驗等。同一藥物對不同動物的同一器官系統的效應可以不同，如嗎啡對人、猴、神經系統產生抑制效應，而對虎、貓、小鼠的中樞神經系統則引起興奮。犬、兔的中樞2. 人人體實驗， 是以人體為對象， 采取實驗手段， 有效地對人體進行觀察和研究的行為過程。人體實驗是醫學發展到實驗醫學后遇到的新課題，常常涉及到道德和法律問題。1946 年，赫爾辛基宣言問世，規定了人體實驗的道德原則。主要有以下四條：（ 1）醫學目的原則人體

13、實驗的目的必須與醫學的目的相一致，通過人體實驗研究疾病發生的原因和發病機理，提高預防和診療技術水平， 從而更好地為人類的健康利益服務， 任何以醫學科研為名而進行的離開醫學目的的人體實驗， 都是不道德的， 是不允許的。 要保證人體實驗的嚴肅性和科學性，實驗前要進行論證，并經過上級有關部門批準后才能實施。（ 2）維護受試者利益原則 人體實驗必須以維護受試者利益為前提和出發點，其內容包括 ： 1）實驗前要反復權衡利弊，充分估計實驗中可能發生的問題和困難并制定有關措施。必須先經過動物實驗獲取無危害的符合科學的良好效果后再做人體實驗，不能只顧醫學科研而犧牲病人的根本利益。2）在實驗過程中要有充分的安全措

14、施，以保證受試者身心受到的不良影響減少到最低限度；實驗中一旦出現嚴重意外要立即終止實驗。3）實驗必須具有相當學術水平的醫學科研工作者和豐富經驗的實驗室人員共同參與或在其指導、監督下進行。（ 3）知情同意原則知情同意原則，包括知情和同意兩個方面。受試者及其家屬在實驗前有權了解實驗的目的、方法、預期好處和潛在危險，在知情以后表示同意接受人體實驗并履行承諾手續， 才能實施人體實驗。受試者隨時都有權撤消其承諾。任何采取欺騙性、強迫性或半強迫性手段而實施的人體實驗，或利用經濟誘惑而取得“同意” 的做法，都是違背醫學科研道德的，因此是應當絕對禁止的。4實驗對照原理為保證實驗結果的客觀性，人體實驗必須正確設

15、置對照組，并注意對照組和實驗組的齊同性和可比性，一般采用隨機化分組的方法。實驗對照組的操作方法主要是安慰劑和雙盲劑，二者相互交聯，必須嚴格限制在不損害受試者利益的范圍之內。（二）處理因素處理因素 (study factor) 是指對實驗對象施加的某種外部干預。 處理因素可以是物理因素，如電刺激、溫度、射線、外傷、手術等；可以是化學因素，如藥物、毒物、營養物、缺氧等，也可以是生物因素，如細菌、病毒、真菌等。處理實驗對象的目的有兩個，一是復制人類疾病的動物模型，觀察其發病機制；二是進行實驗治療，觀察藥物或其他治療手段的療效。1確定主要處理因素根據所提出假設的目的和可能性， 實驗主要處理因素可確定為

16、單因素或多因素。 一次實驗的處理因素不宜過多， 否則會分組過多，受試對象增多，實驗時難以控制。而處理因素過少又難以提高實驗廣度、深度和效率。2確定因素的強度處理因素的強度是因素的量的大小， 如電刺激強度、 藥物劑量等。 處理的強度適當，同一因素有時可以設置幾個不同的強度， 如一種藥設幾個劑量 （處理因素的水平也不要過多） 。3處理因素的標準化處理因素在整個實驗過程中應保持不變， 否則會影響實驗結果的評價。 例如電刺激的強度（電壓或電流、持續時間、頻率等） 、藥物的質量（來源、純度、生產廠家、批號、配制方法等）應一致。4重視非處理因素非處理因素（干擾因素）可能會影響實驗結果，應加以控制，如動物的

17、年齡、性別、飼養環境，離體實驗時的恒溫或灌流條件等。（三）觀察指標觀察指標是反映實驗對象在經過處理前后發生生理或病理變化及藥物效應的客觀指標，是可被儀器檢測或研究者感知的特征或現象。實驗指標選擇的基本原則如下：1特異性指標應能特異性地反映某一特定的現象而不至于與其他現象相混淆。如研究心律失常和心肌缺血應用心電圖做指標。研究心功能不全， 以室內壓變化和心輸出量作為指標比用心電圖做指標好。特異性低的指標容易造成“假陽性”。2客觀性應避免受主觀因素干擾造成誤差。盡可能選用具體數字或圖形表示客觀指標，如心電圖、腦電圖、血壓、心率、室內壓、血液生化指標等。而用疼痛、饑餓、疲倦、全身不適、咳嗽等癥狀和研究

18、者目測等主觀指標則較差。3靈敏度指處理因素引起某種變化的靈敏程度，靈敏高的指標能使微小效應顯示出來。靈敏度低的指標可使本應出現的變化不出現，造成“假陰性”。4精確度精確度包括精密度和準確度。精密度指重復觀察時觀察值與其均值的接近程度，其差值屬隨機誤差。準確度指觀察值與其真實值的接近程度，主要受系統誤差的影響。實驗指標要求既精密又準確。5重現性指在相同條件下所測指標的結果可以重現。重現性高的指標一般意味著誤差小，能較真實地反映實際情況。為提高重現性，需注意儀器的穩定性，減少操作誤差，控制實驗動物的機能狀態和實驗條件。6可行性7認可性指研究者的技術水平和實驗室的設備條件能夠完成本實驗指標測定。指現

19、成指標必須有文獻依據，自己創立的指標必須經過專門的實驗鑒定，方被認可。實驗資料可以分為計量資料（ graded response，量反應）和計數資料 (all-or-none response，質反應 )。有連續量變的資料為計量資料(measurement data)，如血壓、尿量、檢驗值、收縮力、身高、體重、體溫等。計量實驗效率較高，實驗要求的例數可較少，其統計主要為均數和標準差，常用t 檢驗或 F 檢驗。只有出現與否（全或無，陽性或陰性）的資料為計數資料(enumeration data)，如有效或無效、死與活等，其實驗效率較低，要求的例數較多，其統計描述主要為率，統計檢驗主要為 X 2

20、檢驗。另一為等級資料， 如病理改變的程度一、 +、+、+ 、+（“ -”為正常，“+ ” 為病變最嚴重） ；也有人把藥物的療效分為 -（無效）、+（顯效）、+（有效）、+ （治愈），等級資料一般可歸入計數資料。 計數資料的“數”也是一種量表達， 計數資料不意味著是定性研究的資料。三、實驗設計的三大原則實驗設計三大原則是對照、 隨機、重復。 這些原則是為了避免和減少實驗誤并及取得實驗可靠結論所必須和始終遵循的。（ 一）對照原則要比較就要有對照（control ），以確定處理因素對實驗指標的影響，如無對照就不可能說明問題。實驗分組可分為處理組和對照組。對照原則要求處理組和對照組除處理因素以外，其他

21、可能影響實驗的因素應力求一致。對有自然痊愈傾向的疾病研究尤其要有對照，心理因素影響藥物療效時也必須有對照。對照形式有：1空白對照空白對照指不對受試對象做任何處理。嚴格地說，這種對照組與處理組缺乏“齊同”如處理因素是給藥，除用藥外，有給藥操作如注射的差異，因此，這種對照通常少用。，2假處理對照經過同樣的麻醉、注射、 甚至進行假手術，但不用藥或不進行關鍵的處理。 假處理所用的液體 PH、滲透壓、溶媒等均與處理組相同，因而可比性好。在做藥物實驗時，常將動物做成一定的病理模型，然后才用藥，不用藥的做模型組，這對于評價藥物的作用是必需的。3安慰劑對照安慰劑是一種在形狀、顏色、氣味等方面均與藥物相同而不含

22、主藥的制劑。安慰劑通過心理因素對病人產生“藥效”，對某些疾病如頭痛、神經官能癥等可以產生30% 50%的療效。安慰劑也可產生“不良反應”，如嗜睡、乏力、頭暈等。在新藥研究中，應盡量采用雙盲法，即病人及醫務人員均不能分辨治療藥品和對照品（安慰劑），以確定其真實療效。安慰劑在新藥臨床研究雙盲對照中極為重要，可用以排除假陽性療效或假陽性不良反應。研究者應掌握用藥組和安慰劑對照組的病人，必要時采用適當措施，以保證病人的安全。4自身對照對照與處理在同一受試對象中進行， 如以給藥前的血壓值作為對照。 這種對照簡單易行，但它不是隨機分配的， 如實驗前后某些因素發生改變會影響結果， 這就難以得到正確的結論。故

23、在實驗中常仍需單獨設立對照組，通常分別比較處理組和對照組前后效應的差異。5標準對照用現有的標準方法或用同類典型的藥物作為對是，現用方法（或現用藥物） 。其目的是比較標準方法或典型藥物與6相互對照指各處理因素間互為對照，如幾種藥物治療某種疾病時，觀察幾種藥物的療效，各給藥組間互為對照。（二）隨機原則隨機（ randomization ）是使每個實驗對象在接受分組處理（用藥、 化驗、分組、 抽樣等）時均具有相等的機會， 隨機遇而定。 隨機化有兩個作用， 一是盡量使抽取的樣本能夠代表總體，減少抽樣誤差； 二是使各組樣本的條件盡量一致，消除或減小組間人為的誤差，從而使處理因素產生的效應更加客觀， 以便得出正確的實驗結論。 隨機化手段可采取隨機數字表或小計算機上的隨機數字鍵。上述的隨機方法為完全隨機或稱絕對隨機，雖然能使每個實驗對象在接受處理時都有相等的機會， 但不能保證主要因素在各組中分配均衡，故近年來提倡 “均衡隨機”的方法處理實驗對象，即先將能控制的因素（如性別、體重、年齡、感染程度等）先行均衡地分檔，然后在每一檔中隨機取出等量的動物分配到各組， 使那些難以控制的因素 （活潑程度、 饑飽程度、疲勞程度等）得到隨機安排。（三