实验设计(科研方法)课件.ppt
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1、实验设计(experimental design)原理及基本原则 陈 磊中国医科大学中国医科大学实验的基本要素实验的基本要素n处理因素n受试对象n实验效应处理因素的性质处理因素的性质 n n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;n n 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;n n 生物:细菌、真菌、病毒、寄生虫等;生物:细菌、真菌、病毒、寄生虫等;n n 其他:本体因素。其他:本体因素。处理因素的数目和水平 单因素设计:单因素设计:n每次实验只观察1个因素的效应。n优点:目标明确,
2、简单易行,条件容 易控制,结果一目了然。n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。n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,但可从几个水平进个,但可从几个水平进行观察。行观察。“水平水平”是指同一因素在量上是指同一因素在量上的不同程度。如药物剂量有高、中、低。的不同程度。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单因素多水平的设计也可看成是多因素设计。设计。n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。在一次实验中同时观察几种因素的效应。n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
3、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。n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(study subjects)n n指处理因素所作用的对象。亦称实验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。对象、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n n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、
4、体重、龄期等。体重、龄期等。n n 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、家庭状况、心习惯、经济条件、居住环境、家庭状况、心理状态)。理状态)。n n 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。n n 病理模型:病理模型:要考虑病理的强度,病理模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。n n 受试对象的例数受
5、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 n n 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 effect)n n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。n n以计数指标表达的资料为以计数指标表达的资料为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计数资料计数资料,大多以研究,大多以研究,大多以研究,大多以研究对象中出现或不出现某一属性的对象中出现或不出现某一属性的对象中出现或不
6、出现某一属性的对象中出现或不出现某一属性的“率率率率”或或或或“比比比比”来表达,故又称来表达,故又称来表达,故又称来表达,故又称定性资料定性资料定性资料定性资料n n以计量指标表达的资料为以计量指标表达的资料为以计量指标表达的资料为以计量指标表达的资料为计量资料计量资料计量资料计量资料,计量资料比,计量资料比,计量资料比,计量资料比计数资料精确,多次重复测量所得结果变异较小,计数资料精确,多次重复测量所得结果变异较小,计数资料精确,多次重复测量所得结果变异较小,计数资料精确,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、误差小,可得出较精确可靠的结论,由于较精确、误差小,
7、可得出较精确可靠的结论,由于较精确、误差小,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。故所需样本数量和观察次数较少。故所需样本数量和观察次数较少。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)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)灵敏性)灵敏性:能敏感地反映效应。能敏感地反映效应。(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
8、 测试结果不可能正确,测试结果不可能正确,也不具也不具有可重复性。有可重复性。n n(4)特异性)特异性 指标的专一性,只对指标的专一性,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。n n(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。n n(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n n1.1.对照的意义对照的意义 通过对照
9、鉴别处理因素与非处理因素的差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。异,消除和减少实验误差。n n2.2.对照种类:对照种类:(1 1)空白对照:对照组不加任何处理。)空白对照:对照组不加任何处理。(2 2)实验对照:对照组施加与试验组等同的)实验对照:对照组施加与试验组等同的非处理因素。非处理因素。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:
10、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)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:历史对照、配对对照、克隆对照等。)其它:历史对照、配对对照、克隆对照等。)其它:历史对照
11、、配对对照、克隆对照等。)其它:历史对照、配对对照、克隆对照等。二、均衡原则二、均衡原则n n1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尽可能指实验组与对照组在非处理因素方面尽可能一致。一致。n n越均衡一致其可比性越好,就越能显示出实验的越均衡一致其可比性越好,就越能显示出实验的越均衡一致其可比性越好,就越能显示出实验的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对实验结处理因素的作用,从而减少非处理因素对实验结处理因素的作用,从而减少非处理因素对实验结处理因素的作用,从而减少非处理因素对实验结果的影响。如动物
12、的种属、品系、窝别、性别、果的影响。如动物的种属、品系、窝别、性别、果的影响。如动物的种属、品系、窝别、性别、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;临床上病人的病种、年龄、体重等保持基本一致;临床上病人的病种、年龄、体重等保持基本一致;临床上病人的病种、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、年龄等保持一致。病期、病型、性别、年龄等保持一致。病期、病型、性别、年龄等保持一致。病期、病型、性别、年龄等保持一致。n n组内的非处理因素条件不一定一致但组间组内的非处理因素条件不一定一致但组间组内的非处理因素条件不一定一致但组间组内的非处理因素条件不
13、一定一致但组间 的非处的非处的非处的非处理因素必须一致理因素必须一致理因素必须一致理因素必须一致。n n 2 2均衡化方法:均衡化方法:n n 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实如实验某一新药预防肠道传染病的效果观察的实如实验某一新药预防肠道传染病的效果观察的实如实验某一新药预防肠道传染
14、病的效果观察的实 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n n 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。用分层方法使各处理中的非处理因素得到均衡。用分层方法使各处理中的非处理因素得到均衡。用分层方法使各处理中的非处理因素得到均衡。它是将非处理因素按不
15、同水平分为若干单位组,然它是将非处理因素按不同水平分为若干单位组,然它是将非处理因素按不同水平分为若干单位组,然它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。后在每个单位组内安排处理因素。后在每个单位组内安排处理因素。后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 实验日期 受试者数 处理 1 8 A 2 8 B 3 8 C 4 8 D 第二种
16、方案:第二种方案:每天每天4 4种处理的设计种处理的设计 处处 理理 A B C DA B C D 1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 2 2 2 2 3 2 2 2 2 4 2 2 2 2 4 2 2 2 2 实验日期 三、随机原则n n1随机的意义 随机(random)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,使每个受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又一重要手段,同时也是数据处理、统计推断和假设检验的前提。n n随机原则 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
17、的影响。大样本可完全用随机化法分组,小样本采用人为加随机法分组。n2 随机化(随机化(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。n n(在(在Excel中可利用随机数字发生器生中可利用随机数字发生器生成任意随机数字表成任意随机数字表,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
18、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
19、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 A b c 6 a B c 3 A b C 7 a b C 4 A b c 8 a b c 区区组组形形成成的的原原则则基基本本与与配配对对的的要要求求相相同同,尽尽量量将将多多方方面面条条件件相相同同或或相相近近的的个个体体放放在在一一起起,形形成成一一个个个个“组组内内一一致致”或或“基本一致基本一致”的区组。的区组。在在动动物物实实验验中中,常常
20、将将同同窝窝别别、同同年年龄龄、同同性性别别、体体重重相相近近的的几几个个动动物物作作为为一一个个区区组组,再再将将区区组组内内的的个个体体随随机机分分配配到到个个处处理中去。理中去。四、重复原则四、重复原则n n 在试验中,同一处理设置的试验单位数,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)。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。n n 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
21、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n n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,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。n n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。n n 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
22、科学地合理地设计对照组。地设计对照组。n n单因素多水平例:单因素多水平例:n n 研究一新药(单因素)的药效,需将该药分成高、研究一新药(单因素)的药效,需将该药分成高、研究一新药(单因素)的药效,需将该药分成高、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),再设一个实验对照中、低三个剂量(多水平),再设一个实验对照中、低三个剂量(多水平),再设一个实验对照中、低三个剂量(多水平),再设一个实验对照组,一个阳性药对照组,共组,一个阳性药对照组,共组,一个阳性药对照组,共组,一个阳性药对照组,共5 5 5 5个实验组。用大白个实验组。用大白个实验组。用大白个实验组。用大
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