机能学实验设计

实验设计：是研究者在实验前根据研究目的拟定的实验计划及方法策略。

主要包括研究题目、项目、方法和预期实验结果等内容。

目的是培养学生发现问题、研究问题、分析与解决问题以及科学研究的能力。

实验设计的一般原则一、基本原理创新性实验的一个重要组成部分是实验设计，其基本原理是运用统计学的知识和方法，使实验因素在其他所有因素都被严格控制的条件下，实验效应(作用)能够准确地显示出来，最大限度地减少实验误差，使实验达到高效、快速和经济的目的。

因此实验设计是关于实验研究的计划和方案的制订，是对实验研究所涉及的各项基本问题的合理安排，使实验研究能获得预期结果的重要保证。

二、基本要素医学实验研究，无论是在动物身上进行实验，还是在医院里以患者为对象的临床试验，都包括最基本的三大要素，即处理因素、实验对象与实验效应。

1，处理因素实验中根据研究目的确定的由实验者人为施加给受试对象的因素称为处理因素，如药物、某种手术、某种护理等。

在设置处理因素时，应注意以下几个问题：(1)抓住实验中的主要因素：因因素不同及同一因素水平不同，造成因素的多样性，故在实验设计时，有单因素及多因素设计之分。

所谓单因素设计是指给一种处理因素(如药物)，观察处理前后的变化，它便于分析，但花费较大。

多因素设计是指给几种处理因素同时观察，用析因分析法进行设计，它能节省经费和时间。

但一次实验涉及的因素不宜过多，否则会使分组增多，受试对象的例数增多，在实际工作中难以控制。

但处理因素过少，又难以提高实验的广度和深度。

因此，需根据研究目的确定几个主要的、带有关键性的因素。

(2)明确非处理因素：非处理因素虽然不是我们的研究因素，但其中有些可能会影响实验结果，产生混杂效应，所以这些非处理因素又称混杂因素。

如用两种降压药治疗高血压病人，非处理因素可能有年龄、性别等。

若两种降压药组的年龄，性别构成不同，则可能影响降压药疗效的比较。

设计时明确了这些非处理因素，才能设法消除它们的干扰作用。

(3)处理因素的标准化：处理因素在整个实验过程中应做到标准化，即保持不变，否则会影响实验结果的评价。

如实验的处理因素是药物，那么药物的质量(成分、出厂批号等)必须保持不变。

2．受试对象受试对象的选择十分重要，对实验结果有着极为重要的影响。

机能学实验的受试对象包括人和动物。

为了避免实验给人带来损害或痛苦，除了一些简单的观察，如血压、脉搏、呼吸、尿量的实验可以在人体进行以外，主要的实验对象应当是动物，选择动物的条件如下：(1)必须选用健康动物。

动物的健康状态可以从动物的活动情况和外观加以判断，如犬、家兔等动物有病时，常表现为精神萎靡不振、行动迟缓、毛蓬乱、无光泽、鼻部皮肤干燥、流鼻水、眼有分泌物或痂样积垢、身上腥臭气味浓重、肛门及外生殖器有稀便、分泌物等。

(2)动物的种属及其生理、生化特点是否合适复制某一模型。

例如鸡、犬不适合做发热模型，家兔则适合；大鼠、小鼠、猫不适合做动脉粥样硬化模型，猪、兔、鸡、猴则合适；大白鼠没有胆囊；猫和鸽有灵敏的呕吐反射，而家兔和其他啮齿动物则不发生呕吐；豚鼠耳蜗较发达，常用于引导耳蜗微音器电位；呈一束的减压神经仅见于家兔，多用于减压反射或减压神经放电实验等。

(3)动物的生物学特征是否比较接近人类而又较经济易得。

例如，猩猩、猴子有许多基础生物学特征与人类十分接近，用猩猩、猴子复制人类疾病模型进行实验研究，所得的结果比较接近人的情况，然而因为这些动物价昂难得，饲养、管理的要求也较高，故常采用其他价廉易得的动物，如需用大动物完成，可选用犬、羊、猴，一般常选择的实验动物为家兔、大鼠、小鼠等，只在某些关键性的实验时才使用这些昂贵难得的动物。

(4)动物的品系和等级是否符合要求。

不同的实验研究有不同的要求。

原发性高血压大鼠适合高血压实验研究，裸鼠适合做肿瘤病因学实验研究，一般清洁动物适合学生实验，无菌动物适合高要求的实验研究。

(5)动物的年龄、体重、性别最好相同，以减少个体间的生物差异。

动物年龄可按体重大小来估计。

大体上，成年小鼠为20一30g；大白鼠为180～250g；豚鼠为450～700g；兔为2．O～2．5kg；狗为9～15kg。

急性实验选用成年动物，慢性实验最好选择年轻健壮的雄性动物。

对性别要求不高的实验，雌雄应搭配适当；与性别有关的实验研究，要严格按实验要求选择性别。

3．实验效应实验效应主要是指选用什么样的标志或指标来表达处理因素对受试对象的某种作用的有无及大小的问题。

这些指标包括计数指标(定性指标)和计量指标(定量指标)，主观指标和客观指标等。

指标的选定需符合以下原则：(1)特异性：即能反映某一特定的现象而不致与其他现象相混淆，如高血压中的血压(尤其是舒张压)可作为高血压病的特异指标；尿生化检测中的尿素氮和肌酐可作为肾衰竭的特异指标。

(2)客观性：即不受主观偏性的干扰，选用易于量化的、经过仪器测量和检验而获得的指标，如心电图、脑电图、血气分析等化验室的检查结果、病理学的诊断意见、细菌学培养结果等。

(3)重复性：即在相同条件下，指标可以重复出现。

为提高重现性，需注意仪器的稳定性，减少操作的误差，控制动物的机能状态和实验环境条件。

在注意到上述条件的情况下，重现性仍然很小，说明这个指标不稳定，不宜采用。

(4)灵敏性：即能根据实验的要求，相应显示出微小的变化。

它是由实验方法和仪器的灵敏度共同决定的。

如果灵敏性差，对已经发生的变化不能及时检测出，或往往得到假阴性结果，这种指标应该放弃。

(5)精确性：精确性包括准确度和精密度两层意思。

准确度是指观察值与真值的接近程度，主要受系统误差的影响。

精密度是指重复观察时，观察值与其均数的接近程度，其差值属随机误差。

实验效应指标要求既准确又精密。

(6)可行性：即指标既有文献依据或实验鉴定，又符合本实验室和研究者的技术设备和实际水平。

在选择指标时，还应注意以下关系：①客观指标优于主观指标；②计量指标优于计数指标。

将计数指标改为半定量指标也是一大进步；③变异小的指标优于变异大的指标；④动态指标优于静态指标，如体温、疗效、体内激素水平变化等，可按时、日、年龄等作动态观察。

⑤所选的指标要便于统计分析。

三、基本原则为确保实验设计的科学性，除了对实验对象、处理因素、实验效应作出合理的安排以外，还必须遵循实验设计的三个原则，即对照、随机、重复的原则。

1．对照的原则所谓对照就是要设立参照物。

因为没有对比，就无法鉴别优劣。

在比较的各组之间，除处理因素不同外，其他非处理因素尽量保持相同，从而根据处理与不处理之间的差异，了解处理因素带来的特殊效应。

通常实验应当有实验组和对照组，按统计学要求两者的非处理因素应当完全相同。

如实验动物要求种属、性别、年龄相同，体重相近；实验的季节、时问和实验室的温度、湿度也要一致；操作的手法前后要相同，行为学实验还要求实验者不要更换等。

只有这样，才能消除非处理因素带来的误差，实验结果才能说明问题。

根据实验研究的目的和要求不同，可选用不同的对照形式，常用的对照形式有：(1)空白对照：又称正常对照，是指在不加任何处理的“空白”条件下或给予安慰剂及安慰措施进行观察对照。

例如观察生长素对动物生长作用的实验，就要设立与实验组动物同属、年龄、性别、体重的空白对照组，以排除动物本身自然生长的可能影响。

(2)标准对照：是指用标准值或正常值作为对照，以及在所谓标准的条件下进行观察对照。

如要判断某人血细胞的数量是否在正常范围内，就要通过计数红细胞、白细胞、血小板的数量，将测得的结果与正常值进行对照，根据其是否偏离正常值的范围作出判断。

这时用的正常值就是标准对照。

(3)实验对照：是指在某种有关的实验条件下进行观察对照。

如要研究切断迷走神经对胃酸分泌的影响，除设空白对照外，尚需设假手术组作为手术对照，以排除手术本身的影响。

假手术组就是实验对照。

(4)自身对照：是指用同体实验前资料作为对照，将实验后的结果与实验前的资料进行比较。

这种同体实验前后资料的对比。

称自身对照。

例如用药前、后的对比。

(5)相互对照：又称组问对照。

不专门设立对照组，而是几个实验组、几种处理方法之问互为对照。

例如三种方案治疗贫血，三个方案组可互为对照，以比较疗效的好坏。

2．随机的原则即所研究总体中的每一个个体都有同等的机会被分配到任何一个组中去，分组的结果不受人为因素的干扰和影响。

同时实验操作的顺序也应当是随机的。

通过随机化的处理，可使抽取的样本能够代表总体，减少抽样误差：还可使各组样本的条件尽量一致，消除或减小组间人为的误差，从而使处理因素产生的效应更加客观，便于得出正确的实验结果，例如进行一个药物疗效的实验，观察某种新的抗生素对呼吸道感染的治疗效果，实验组和对照组复制同一程度的呼吸道感染模型，然后给予实验组新的抗生素，对照组给予等量生理盐水。

如果动物的分配不是随机进行，把营养状态好和体格健壮的动物均放在实验组，把营养和体格不好的动物放在盐水对照组，最后得到的阳性实验结果并不能真正反映药物的疗效，很可能是动物体格差异所致。

随机化的方法很多，如抽签法、随机数字表法、随机化分组表法等，具体可参阅医学统计学。

3．重复的原则重复是指各处理组及对照组的例数(或实验次数)要有一定的数量。

若样本量过少，所得的结果不够稳定，其结论的可靠性也差。

如样本过多，不仅增加工作难度，而且造成不必要的人力、财力和物力的浪费。

为此，应该在保证实验结果具有一定可靠性的条件下，确定最少的样本例数，以节约人力和经费。

大学生创新性实验创新性实验是以学生为主体，教师为指导，充分体现自主性、设计性和研究性的一类新型开放式实验，即针对某项与医学有关的未知或未全知的问题(研究目标或问题)，采用科学的思维方法，进行大胆设计、探索研究的一种教学实验。

实验实施的程序与科学研究的过程基本一致，整个过程从选题到实验内容、方法的确定和结果分析，均由学生自己独立完成，所以创新性实验一般实行开放式管理，实验项目开放、设备和环境开放、时间开放等。

通过创新性实验，可使学生初步掌握医学科学研究的基本程序和方法，培养学生的自学能力、科学的创造性思维能力及综合素质。

创新性实验可以完全由学生自发组队、自主完成，但一般都在指导老师的带领下完成。

教师主要指导选题过程，实验依然由学生独立完成。

首先由教师以专题讲座的形式介绍实验设计的目的与意义、如何选题、设计的步骤、注意事项、教研室现有的仪器设备、实验设计书的书写格式及如何进行课堂答辩等。

再以班级为单位，由4或5名学生组成一个实验小组，经过查阅文献资料，调研，选择实验项目，写出实验设计方案即“实验设计书”，交老师审阅修改后再在小组会上进行开题论证，其方案经指导教师审查同意后进行预实验，继而转入正式实验，实验结束后写出总结论文并以班级为单位组织论文总结与答辩。

答辩时，每个实验小组推选一名主讲人，讲解10分钟，答辩10分钟，师生提问，最后综合评分。