1、第一節(jié)實驗設計的基本原理和方法一實驗設計的基本程序?qū)嶒炘O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(guī)律和應用已知規(guī)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(yǎng)研究型、創(chuàng)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(jié)果處理和分析及得出研究結(jié)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(nèi)容。創(chuàng)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(chuàng)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?qū)嶋H意義。選題越具體明確，說明選題者的思維越清楚。創(chuàng)新性是指發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律和現(xiàn)象，提出新見解、新技術(shù)、新方法和新理論，或是對原有的規(guī)律、技術(shù)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(jù)，要與已證實的科學理論和科學規(guī)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(guī)律作無根據(jù)的胡思亂想。可行性是指選題應考慮研究者的技術(shù)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(shù)水平、技術(shù)水平和實驗室條件及研究基礎(chǔ)，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(guān)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(chǔ)上，找出研究課題的關(guān)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(jié)果。科學的假說是關(guān)于事物現(xiàn)象的原因、 性質(zhì)或規(guī)律的推測， 其建立需要運用對立統(tǒng)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(jù)， 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(huán)節(jié)之一。假說是未經(jīng)

4、實踐證明的理論，理論則是經(jīng)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(nèi)外研究動態(tài)和趨勢，而且要廣泛涉獵有關(guān)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(chuàng)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(jié)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(jù)研究目的，結(jié)合專業(yè)和統(tǒng)計學的要求， 做出周密具體的研究內(nèi)容、 方法和計劃， 它是實驗過程的依據(jù)和數(shù)據(jù)處理的前提，也是提高實驗研究質(zhì)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(shù)據(jù)的可靠性和準確性；節(jié)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(shù)和分組、技術(shù)路線和觀察指標、數(shù)據(jù)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(chǔ)、假說的理論基礎(chǔ)、實驗方法和技術(shù)、 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(jié)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(jīng)分析屬于錯誤操作或不合理的結(jié)果應重新實驗。4）仔細、耐心地觀察實驗過程中出現(xiàn)的結(jié)果。發(fā)生了什么現(xiàn)象、發(fā)生時間和轉(zhuǎn)歸，發(fā)生這些現(xiàn)象的機制及其意義。 有無出現(xiàn)非預期結(jié)果， 在排除了錯誤的不合理的結(jié)果后， 應對其進行分析，是否有新的發(fā)現(xiàn)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(nèi)容。記錄的方式有文字、數(shù)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(nèi)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(guī)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(chǎn)廠家、型號、規(guī)格等。（ 5）實驗條件：實驗室的室溫、飼養(yǎng)環(huán)境等。（ 6）實驗方法和步驟：動物固定、麻醉、分組、手術(shù)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(shù)據(jù)及不同時間的變化等。（ 8）數(shù)據(jù)處理：對實驗結(jié)果進行整理的統(tǒng)計分析。（四）實驗結(jié)果的處理將原始數(shù)據(jù)或資料整理，計算出各組數(shù)據(jù)的均值和標準差等，并制成一定的統(tǒng)計表或統(tǒng)計圖。其次， 做統(tǒng)計學顯著性檢驗等。在分析和判斷實驗結(jié)果時，決不能帶有研究者的偏見，對數(shù)據(jù)任意取舍。必須實事求是，不能強求實驗結(jié)果服從自己的假說，而應該根據(jù)實驗結(jié)果去修正提出的假說，使假說上升為理論。（五）研究結(jié)論科學研究經(jīng)過實驗設計、實驗和觀察、數(shù)據(jù)處理后，就可做出研究總結(jié)、得出結(jié)論及寫出論文。 這個結(jié)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(jié)論是從實驗結(jié)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(shù)的發(fā)展，無損傷技術(shù)、 遙控技術(shù)和微量技術(shù)等現(xiàn)代化檢測技術(shù)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(shù)人員負責實驗動物的管工作。工作人員應接受專業(yè)培訓，自覺遵守實驗動物管理的各項制度，熟悉、掌握操作規(guī)程。2）為了增進實驗動物的敏感性、準確性和實驗結(jié)果的可重復性，醫(yī)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(jīng)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(guī)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(jīng)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(jù)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(yǎng)良好的動物。3）動物年齡、體重、性別最好一致。一般選擇發(fā)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(guān)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(yǎng)，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(zhèn)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(yī)學研究中，用量僅次于小鼠，如心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)及長期毒性實驗、致畸實驗；免疫學、關(guān)節(jié)炎實驗、腫瘤學研究等。3）蛙：用于神經(jīng)肌肉系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)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(fā)熱實驗、生殖生理研究等。6）貓：用于神經(jīng)系統(tǒng)實驗、嘔吐實驗等。7）豬：用于燒傷實驗、腫瘤實驗、心血管系統(tǒng)實驗、泌尿系統(tǒng)實驗等。8）犬：用于神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)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(tǒng)的效應可以不同，如嗎啡對人、猴、神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生抑制效應，而對虎、貓、小鼠的中樞神經(jīng)系統(tǒng)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(yī)學發(fā)展到實驗醫(yī)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(guī)定了人體實驗的道德原則。主要有以下四條：（ 1）醫(yī)學目的原則人體

13、實驗的目的必須與醫(yī)學的目的相一致，通過人體實驗研究疾病發(fā)生的原因和發(fā)病機理，提高預防和診療技術(shù)水平， 從而更好地為人類的健康利益服務， 任何以醫(yī)學科研為名而進行的離開醫(yī)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(jīng)過上級有關(guān)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(fā)點，其內(nèi)容包括 ： 1）實驗前要反復權(quán)衡利弊，充分估計實驗中可能發(fā)生的問題和困難并制定有關(guān)措施。必須先經(jīng)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(yī)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(xiàn)嚴重意外要立即終止實驗。3）實驗必須具有相當學術(shù)水平的醫(yī)學科研工作者和豐富經(jīng)驗的實驗室人員共同參與或在其指導、監(jiān)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(quán)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(xù)， 才能實施人體實驗。受試者隨時都有權(quán)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(jīng)濟誘惑而取得“同意” 的做法，都是違背醫(yī)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(jié)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(lián)，必須嚴格限制在不損害受試者利益的范圍之內(nèi)。（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(shù)等；可以是化學因素，如藥物、毒物、營養(yǎng)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(fā)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(jù)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(jié)果的評價。 例如電刺激的強度（電壓或電流、持續(xù)時間、頻率等） 、藥物的質(zhì)量（來源、純度、生產(chǎn)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(jié)果，應加以控制，如動物的

17、年齡、性別、飼養(yǎng)環(huán)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(jīng)過處理前后發(fā)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(xiàn)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(xiàn)象而不至于與其他現(xiàn)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(nèi)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(shù)字或圖形表示客觀指標，如心電圖、腦電圖、血壓、心率、室內(nèi)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(xiàn)的變化不出現(xiàn)，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(tǒng)誤差的影響。實驗指標要求既精密又準確。5重現(xiàn)性指在相同條件下所測指標的結(jié)果可以重現(xiàn)。重現(xiàn)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(xiàn)性，需注意儀器的穩(wěn)定性，減少操作誤差，控制實驗動物的機能狀態(tài)和實驗條件。6可行性7認可性指研究者的技術(shù)水平和實驗室的設備條件能夠完成本實驗指標測定。指現(xiàn)

19、成指標必須有文獻依據(jù)，自己創(chuàng)立的指標必須經(jīng)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(shù)資料 (all-or-none response，質(zhì)反應 )。有連續(xù)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(shù)可較少，其統(tǒng)計主要為均數(shù)和標準差，常用t 檢驗或 F 檢驗。只有出現(xiàn)與否（全或無，陽性或陰性）的資料為計數(shù)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(shù)較多，其統(tǒng)計描述主要為率，統(tǒng)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(shù)資料。 計數(shù)資料的“數(shù)”也是一種量表達， 計數(shù)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(jié)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(jīng)過同樣的麻醉、注射、 甚至進行假手術(shù)，但不用藥或不進行關(guān)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(chǎn)生“藥效”，對某些疾病如頭痛、神經(jīng)官能癥等可以產(chǎn)生30% 50%的療效。安慰劑也可產(chǎn)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(yī)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(fā)生改變會影響結(jié)果， 這就難以得到正確的結(jié)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(xiàn)有的標準方法或用同類典型的藥物作為對是，現(xiàn)用方法（或現(xiàn)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(chǎn)生的效應更加客觀， 以便得出正確的實驗結(jié)論。 隨機化手段可采取隨機數(shù)字表或小計算機上的隨機數(shù)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