实验设计方案experimentaldesign原理及基本原则.ppt
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1、实验设计方案experimentaldesign原理及基本原则 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望实验的基本要素处理因素受试对象实验效应处理因素的性质处理因素的性质 化学:药物、毒物、激素、营养素等化学:药物、毒物、激素、营养素等 有机和无机的化学物质;有机和无机的化学物质;物理:电、磁、射线、温度、湿度、物理:电、磁、射线、温度、湿度、乏氧等;乏氧等;生物:细菌、真菌、病毒、寄生虫等;生物:细菌、真菌、病毒、寄生虫等;其他:本体因素。其他:本体因素。
2、处理因素的数目和水平处理因素的数目和水平 单因素设计:单因素设计:每次实验只观察1个因素的效应。优点:目标明确,简单易行,条件容 易控制,结果一目了然。缺点:每次解决的问题少,如果有多 种因素等待实验,则进度慢。单因素多水平设计单因素多水平设计:处理因素只有处理因素只有1 1个,但可从几个水平进行个,但可从几个水平进行观察。观察。“水平水平”是指同一因素在量上的不是指同一因素在量上的不同程度。如药物剂量有高、中、低。单因同程度。如药物剂量有高、中、低。单因素多水平的设计也可看成是多因素设计。素多水平的设计也可看成是多因素设计。多因素设计:多因素设计:在一次实验中同时观察几种因素的效应。在一次实
3、验中同时观察几种因素的效应。处理因素的强度处理因素的强度 量的概念量的概念 如剂量的大小,射线的强弱,温度的高如剂量的大小,射线的强弱,温度的高低等。处理因素的强度应适宜,低等。处理因素的强度应适宜,过强则过强则伤害受试对象,过弱则观察不出应有的伤害受试对象,过弱则观察不出应有的效应。效应。处理因素的标准化处理因素的标准化 要保证在整个实验过程中处理因素始终要保证在整个实验过程中处理因素始终如一,保持不变。如一,保持不变。受试对象受试对象 (study subjects)(study subjects)指处理因素所作用的对象。亦称实验对指处理因素所作用的对象。亦称实验对象、研究对象或观察对象。
4、象、研究对象或观察对象。受试对象的标准化受试对象的标准化 动物:动物:用国际上承认的种属、品系。窝别、用国际上承认的种属、品系。窝别、体重、龄期等。体重、龄期等。人:人:种族、地域、性别、年龄等自然条件,种族、地域、性别、年龄等自然条件,应考虑社会因素(如职业、爱好、生活应考虑社会因素(如职业、爱好、生活 习惯、经济条件、居住环境、家庭状习惯、经济条件、居住环境、家庭状 况、心理状态)。况、心理状态)。离体器官、组织、细胞:离体器官、组织、细胞:采样部位、采取条采样部位、采取条 件、新鲜程度、保存方式、培养方式等。件、新鲜程度、保存方式、培养方式等。病理模型:病理模型:要考虑病理的强度,病理模
5、型的要考虑病理的强度,病理模型的 病情不宜过重,病程不宜过长。病情不宜过重,病程不宜过长。受试对象的例数受试对象的例数 要有一定的例数才能说明问题要有一定的例数才能说明问题 资料的性质:资料的性质:计数资料计数资料3030100100例,例,计量资料计量资料10102020例。例。实验效应实验效应(experimental effectexperimental effect)处理因素作用于受试对象后出现以某种处理因素作用于受试对象后出现以某种指标形式表示的效应。指标形式表示的效应。以计数指标表达的资料为以计数指标表达的资料为计数资料计数资料,大多以,大多以研究对象中出现或不出现某一属性的研究对
6、象中出现或不出现某一属性的“率率”或或“比比”来表达,故又称来表达,故又称定性资料定性资料,以计量,以计量指标表达的资料为指标表达的资料为计量资料计量资料,计量资料比计,计量资料比计数资料精确,多次重复测量所得结果变异较数资料精确,多次重复测量所得结果变异较小,可得出较精确可靠的结论,由于较精确、小,可得出较精确可靠的结论,由于较精确、误差小,故所需样本数量和观察次数较少。误差小,故所需样本数量和观察次数较少。选择指标的原则:选择指标的原则:有效、合理、勿滥、客观。有效、合理、勿滥、客观。指标应具备的条件:指标应具备的条件:(1 1)关联性)关联性:与研究目的有本质的联系,与研究目的有本质的联
7、系,能确切的反映处理因素的效能确切的反映处理因素的效 应。即有效性。应。即有效性。(2 2)灵敏性)灵敏性:能敏感的反映效应。能敏感的反映效应。(3 3)稳定性)稳定性:一致性要好,变异大的指标一致性要好,变异大的指标 测试结果不可能正确,测试结果不可能正确,也不具有可重复性。也不具有可重复性。(4 4)特异性)特异性 是指指标的专一性,只对是指指标的专一性,只对 某种或某几种处理因素产某种或某几种处理因素产 生效应反应。特异性越生效应反应。特异性越 强越能揭示事物的本质。强越能揭示事物的本质。(5 5)精确性)精确性 即精确度。即精确度。二种含义:二种含义:一是指标本身的精确度一是指标本身的
8、精确度,二是所用仪器设备的精确度二是所用仪器设备的精确度。(6 6)可行性)可行性 是否具备测试所选指标的是否具备测试所选指标的 条件和设备。条件和设备。一一.对照原则对照原则 1.1.1.1.对照的意义对照的意义对照的意义对照的意义 通过对照鉴别处理因素与非处理因素的差异通过对照鉴别处理因素与非处理因素的差异通过对照鉴别处理因素与非处理因素的差异通过对照鉴别处理因素与非处理因素的差异 消除和减少实验误差。消除和减少实验误差。消除和减少实验误差。消除和减少实验误差。2.2.2.2.对照种类:对照种类:对照种类:对照种类:(1 1 1 1)空白对照:对照组不加任何处理。)空白对照:对照组不加任何
9、处理。)空白对照:对照组不加任何处理。)空白对照:对照组不加任何处理。(2 2 2 2)实验对照:对照组施加与试验组等同的非)实验对照:对照组施加与试验组等同的非)实验对照:对照组施加与试验组等同的非)实验对照:对照组施加与试验组等同的非 处理因素。处理因素。处理因素。处理因素。实验设计基本原则实验设计基本原则 (3 3 3 3)标准对照:对照组用公认的标准方法处理)标准对照:对照组用公认的标准方法处理)标准对照:对照组用公认的标准方法处理)标准对照:对照组用公认的标准方法处理 作为标准对照组。作为标准对照组。作为标准对照组。作为标准对照组。(4 4 4 4)自身对照:对照与试验在同一受试对象
10、)自身对照:对照与试验在同一受试对象)自身对照:对照与试验在同一受试对象)自身对照:对照与试验在同一受试对象 身上进行(部位,先后)。身上进行(部位,先后)。身上进行(部位,先后)。身上进行(部位,先后)。(5 5 5 5)相互对照:不设空白对照及标准对照,而)相互对照:不设空白对照及标准对照,而)相互对照:不设空白对照及标准对照,而)相互对照:不设空白对照及标准对照,而 是几个实验组互相比较。是几个实验组互相比较。是几个实验组互相比较。是几个实验组互相比较。(6 6 6 6)其它:)其它:)其它:)其它:历史对照、配对对照、克隆对照历史对照、配对对照、克隆对照历史对照、配对对照、克隆对照历史
11、对照、配对对照、克隆对照 等。等。等。等。二、均衡原则二、均衡原则1均衡(均衡(balancebalance)的意义)的意义 指实验组与对照组在非处理因素方面指实验组与对照组在非处理因素方面 尽可能一致。尽可能一致。越均衡一致其可比性越好,就越能显示出实越均衡一致其可比性越好,就越能显示出实验的处理因素的作用,从而减少非处理因素验的处理因素的作用,从而减少非处理因素对实验结果的影响。如动物的种属、品系、对实验结果的影响。如动物的种属、品系、窝别、性别、年龄、体重等保持基本一致;窝别、性别、年龄、体重等保持基本一致;临床上病人的病种、病期、病型、性别、年临床上病人的病种、病期、病型、性别、年龄等
12、保持一致。龄等保持一致。组内的非处理因素条件不一定一致但组间的组内的非处理因素条件不一定一致但组间的非处理因素必须一致非处理因素必须一致。2 2均衡化方法:均衡化方法:交叉均衡:交叉均衡:交叉均衡:交叉均衡:是在实验单元中各设立实验组和对是在实验单元中各设立实验组和对是在实验单元中各设立实验组和对是在实验单元中各设立实验组和对 照组,以使两组的非处理因素均衡一致。照组,以使两组的非处理因素均衡一致。照组,以使两组的非处理因素均衡一致。照组,以使两组的非处理因素均衡一致。如,实验某一新药预防肠道传染病的效果观察的如,实验某一新药预防肠道传染病的效果观察的如,实验某一新药预防肠道传染病的效果观察的
13、如,实验某一新药预防肠道传染病的效果观察的 实实实实 验设计:验设计:验设计:验设计:不均衡方法:甲幼儿园不均衡方法:甲幼儿园不均衡方法:甲幼儿园不均衡方法:甲幼儿园100100100100名名名名服新药服新药服新药服新药发病率下降发病率下降发病率下降发病率下降 乙幼儿园乙幼儿园乙幼儿园乙幼儿园100100100100名名名名不服新药不服新药不服新药不服新药发病率上升发病率上升发病率上升发病率上升 分层均衡:分层均衡:分层均衡:分层均衡:用分层方法使各处理中的非处理因素得到均衡。它用分层方法使各处理中的非处理因素得到均衡。它用分层方法使各处理中的非处理因素得到均衡。它用分层方法使各处理中的非处
14、理因素得到均衡。它是将非处理因素按不同水平分为若干单位组,然后是将非处理因素按不同水平分为若干单位组,然后是将非处理因素按不同水平分为若干单位组,然后是将非处理因素按不同水平分为若干单位组,然后在每个单位组内安排处理因素。在每个单位组内安排处理因素。在每个单位组内安排处理因素。在每个单位组内安排处理因素。例:例:例:例:4 4 4 4种处理后种处理后种处理后种处理后8 8 8 8名受试者的皮肤温度变化实验的设名受试者的皮肤温度变化实验的设名受试者的皮肤温度变化实验的设名受试者的皮肤温度变化实验的设计:计:计:计:第一种方案:每天一种处理的设计 实验天数 受试者数 处理因素 d1 8 A d2
15、8 B d3 8 C d4 8 D 第二种方案:每天4种处理的设计 处理因素 A B C D d1 2 2 2 2 d2 2 2 2 2 d3 2 2 2 2 d4 2 2 2 2 实验天数 三、随机原则三、随机原则 1 1随机的意义随机的意义 随机(随机(randomrandom)是指没有主观成见地将每个是指没有主观成见地将每个研究对象安排到某个试验单位中去研究对象安排到某个试验单位中去,使每个受使每个受试对象接受处理的机会完全相等。试对象接受处理的机会完全相等。随机是保证实验中非处理因素均衡一致的随机是保证实验中非处理因素均衡一致的又一重要手段,同时也是数据处理、统计推又一重要手段,同时也
16、是数据处理、统计推断和假设检验同的前提。断和假设检验同的前提。随机原则随机原则 通过随机可以克服研究者的主观随意性、主通过随机可以克服研究者的主观随意性、主观意识及受试对象个体差异性对实验研究的观意识及受试对象个体差异性对实验研究的影响。影响。大样本可完全用随机化法分组大样本可完全用随机化法分组,小样本采用小样本采用人为加随机法分组。人为加随机法分组。2 2 随机化(随机化(randomization)randomization)方法:方法:模球法或抽签法:模球法或抽签法:随机数字表法:随机数字表法:是实验研究中广泛采是实验研究中广泛采 用的方法,按随机数表某段连续出现用的方法,按随机数表某段
17、连续出现 的数字与事先将受试对象的编号对应的数字与事先将受试对象的编号对应 分组。分组。(在(在ExcelExcel中可利用随机数字发生器生成中可利用随机数字发生器生成任意随机数字表任意随机数字表,RAND()*(b-a)+a,RAND()*(b-a)+a)3 3分组方法分组方法 配对设计配对设计 将实验对象按其相似的将实验对象按其相似的性质或条件进行配对,然后将每对中性质或条件进行配对,然后将每对中的两个实验对象分别随机分配给实验的两个实验对象分别随机分配给实验组与对照组。组与对照组。配对形式可分为:配对形式可分为:同源配对同源配对 同源性质较高。同源性质较高。非同源配对非同源配对 同源性质
18、较低。同源性质较低。分层设计分层设计 要研究某一现象在一个总体要研究某一现象在一个总体的不同层次之间存在的差别。是多因素的不同层次之间存在的差别。是多因素的比较。的比较。如如“小细胞癌治疗的观察小细胞癌治疗的观察”的病例可分成的病例可分成年龄、肿瘤大小、病程年龄、肿瘤大小、病程3个层次:个层次:A-40岁以上岁以上 a-40岁以下岁以下 B-大瘤大瘤 b-小瘤小瘤 C-6个月以上个月以上 c-6个月以下个月以下 这这3个层次即个层次即3个因素,每个因素均个因素,每个因素均2个个水平,可组成水平,可组成8个小群,见表:个小群,见表:对子号 分层 对子号 分层 1 A B C 5 a B C 2
19、A b c 6 a B c 3 A b C 7 a b C 4 A b c 8 a b c 区组形成的原则基本与配对的要求区组形成的原则基本与配对的要求相同,尽量将多方面条件相同或相近的相同,尽量将多方面条件相同或相近的个体放在一起,形成一个个个体放在一起,形成一个个“组内一致组内一致”或或“基本一致基本一致”的区组。的区组。在动物实验中,常将同窝别、同年在动物实验中,常将同窝别、同年龄、同性别、体重相近的几个动物作为龄、同性别、体重相近的几个动物作为一个区组,再将区组内的个体随机分配一个区组,再将区组内的个体随机分配到个处理中去。到个处理中去。四、重复原则四、重复原则 在试验中,同一处理设置
20、的试验单位数,称在试验中,同一处理设置的试验单位数,称为重复为重复(replication)(replication)。重复是消除非处理因素。重复是消除非处理因素影响的又一重要手段。影响的又一重要手段。设置重复的最主要作用是估计试验误差,另设置重复的最主要作用是估计试验误差,另一主要作用是降低误差(标准误与重复次数一主要作用是降低误差(标准误与重复次数平方根成反比)。为克服个体差异、操作误平方根成反比)。为克服个体差异、操作误差及各种偶然因素的影响,实验必须有足够差及各种偶然因素的影响,实验必须有足够的重复。的重复。五、其它五、其它 组间比较设计组间比较设计单因素多水平设计单因素多水平设计:处
21、理因素只有处理因素只有1 1 个,个,但可从几个水平进行观察。但可从几个水平进行观察。“水平水平”是是指同一因素在量上的不同程度。如药物指同一因素在量上的不同程度。如药物的剂量有高、中、低。的剂量有高、中、低。多因素设计多因素设计:在一次实验中同时观察几在一次实验中同时观察几种因素的效应。种因素的效应。各组例数应尽量相等,并应科学地合理各组例数应尽量相等,并应科学地合理地设计对照组。地设计对照组。单因素多水平例:单因素多水平例:研究一新药(单因素)的药效,需将该药分研究一新药(单因素)的药效,需将该药分成高、中、低三个剂量(多水平),再设一成高、中、低三个剂量(多水平),再设一个实验对照组,一
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