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14.1.1基本原则
实验设计的主要作用就是减少非处理因素的干扰，以较少的受试对象取得较为可靠的信息。因此在设计时必须遵循对照原则、随机化原则和重复原则。
1.对照的原则
（1）设立对照的必须性对照原则就是在对实验组做实验干预的同时，设立相对应的对照组。只有设立了对照才能较好地控制非处理因素对实验结果的影响，从而将处理因素的效应充分的显露出来。不设立对照往往会误将非处理因素造成的偏倚当成处理效应，从而得出错误的结论。如研究某药物对上呼吸道感染的疗效，由于上呼吸道感染患者往往具有自愈性，如果没有设立对照，即使该药物没有效果或者疗效甚微，也有可能得到疗效较好的结论。
（2）设立对照的均衡性均衡是指在设立对照时，除给予的处理因素不同外，对照组和试验组的其他重要的、可控制的非处理因素应保持一致。在整个实验过程中，对照组和试验组应始终处于同时同地，即应设立同期对照或平行对照。考查对照组是否满足均衡性，可采用t检验、方差分析卡方检验等方法对实验组和对照组受试对象的非处理因素的差别作均衡性检验。
（3）对照的形式 根据研究目的和内容加以选择。常用如下几种。
1)空白对照（blank control）是一种不给任何处理的对照。在动物实验和实验室方法研究中最常见，常用于评价测量方法的准确度，评价实验是否处于正常状态等。如在实验中设置空白管并同时测定以检测本底值。在临床试验中，空白对照虽然简单易行，但常设计伦理方面的问题，且实施过程中容易引起试验组和对照组在心理上的差异，从而影响结果的可靠性，因此较为少用。
2）实验对照（experiment control）采用与实验组操作条件一致的对照措施。例如，观察某中药烟熏灭菌效果，若仅仅设立空白对照，则不能将各平皿中菌落数的差值全部判为中药的效应，因为可能还包含有单纯烟熏的作用，故该研究应同时设立实验对照组，即安排无中药的烟熏作为实验对照，再设一组空白对照，无烟熏，3组同时观察，可以得到更为合理的结果。
3）安慰剂对照（placebo control）安慰剂是一种无任何药理作用的制剂，不含试验药物的有效成分，但其外观如剂型、大小、颜色、重量、气味及口味等都与试验药物一样，不能为受试对象所识别。设置安慰剂对照的目的在于克服研究者、受试对象等心理因素导致的偏倚，还可消除疾病自然进程的影响，分离出试验药物所引起的真正效应，从而直接度量试验药物和安慰剂之间的差异。安慰剂对照一般与盲法结合使用，同时对于急、重或器质性疾病的研究不宜使用安慰剂对照。
4）标准对照（standard control）采用现有的标准方法或常规方法作为对照。标准对照在临床研究中使用较多，因为很多情况下不给患者任何治疗是不道德的。另外，在实验室研究中常用于某种新检验方法是否能代替传统方法的研究。但是，不设立对照组，仅用现有标准值或参考值作对照是不提倡的，因为，试验组的时间、地点和环境不同于人们现有标准值或参考值产生的时间、地点和环境，违背了同期对照的原则。
5)自身对照（selfcontrol）对照与实验在同一受试对象身上进行，如身体对称部位或实验前后两阶段分别接受不同的实验因素，一个为对照，一个为实验，比较其差异。自身对照简单易行，使用较多。如研究不同进针法的静脉穿刺对血管组织的损伤，对大白兔一侧耳缘静脉采用针尖斜面向上进针法，另一侧耳朵对称部位采用针尖斜面向下进针法。
（2）重复的原则
重复是指在相同实验条件下进行多次实验或多次观察，以提高实验的可靠性和科学性。广义包括三种情形：
1）整个实验的重复：可以确保实验的重现性，从而提高实验的可靠性。不可重复的研究是没有科学性的。重复实验才能估计多次实验结果之间的变异性（精密度）。
2）用多个受试对象进行重复观察：可避免把个别现象误认为普遍的情况，将实验结果错误地推广到群体。多个实验对象的重复才能估计个体之间的变异性（个体差异）。通过一定数量的重复，使结论可信，即研究要有足够的样本量。
3）同一受试对象的重复观察：可以保证观察结果的精密度。相同条件下对同一观测指标进行重复测定，才能估计测量值的变异性（随机误差）。如血压可连续测3次，以3次的平均数作为最终的结果。
（3）随机化的原则
设置对照是为了客观的比较，对照的好坏在于是否均衡，均衡性的实现在于随机化。随机化是指采用随机的方式，使每个受试对象都有同等的机会被抽取或分配到试验组或对照组，或者先后接受处理的机会相同。
随机化应贯穿于实验研究全过程，在受试对象的抽样、分组以及实施过程中均应遵循随机化的原则，随机化体现在如下三个方面：
1）随机抽样即研究总体中的每一个个体都有同等的机会被抽到研究样本中来。它保证了所得样本具有代表性，使实验结论具有普遍意义。
2）随机分组每个受试对象被分配到各组的机会相等。它可保证大量难以控制的非处理因素在对比组间尽可能达到均衡，以提高组间的可比性。常用的随机化法有抽签法，抓阄法，扔硬币法，随机数字表等。具体使用那种方法，应根据实际情况来定。
3）实验顺序随机每个受试对象先后接受试验处理的机会相等，它使实验顺序的影响也达到均衡。
在实验设计中常通过随机数来实现随机化。获得随机数的常用方法有两种：随机数字表和计算机的伪随机数发生器。随机数字表常用于抽样研究及随机分组，具体应用请参看相关书籍。随着计算机的普及，目前普遍推荐的方法是使用计算机进行随机化。值得注意的是，如果不同人将伪随机数发生器的种子数设为一样，则他们产生的伪随机数重现性将完全一样，而这就是伪随机数的可重现性。
上面所述随机抽样、随机分组和随机实验顺序均可通过软件实现，例14-1-1采用SPSS阐述了随机抽样的过程，随机分组和随机顺序实验原理类似。
例14-1-1有20只实验动物，现随机抽取10只进行后续实验。请采用SPSS进行随机选取。详细操作请参见本章SPSS操作部分。
14.1.2基本要素
处理因素（treatment factor）、受试对象（subject）和实验效应（experimentaleffect）是实验设计的三个基本要素，它们贯穿于整个实验研究过程，从不同侧面影响着实验研究的结果，在实验设计中必须予以足够重视。例如，用两种药物治疗糖尿病病人，观察比较两组病人血糖、尿糖的下降情况，这里所用的药物为处理因素、糖尿病病人为受试对象，血糖值、尿糖值为实验效应。如何合理选择这三个要素是实验设计的关键。
（1）处理因素（treatment factor）
在实验过程中，影响实验结果的因素是多方面的，根据研究目的可分为处理因素和非处理因素二类。处理因素是指研究者通过统计研究设计有计划的安排实验，从而科学地考察其作用大小的因素，例如药物的种类、剂量、浓度、作用时间等；非处理因素是指对评价处理因素作用有一定干扰但研究者并不想通过实验考察其作用大小的因素，例如，病人的病情、病程等。当处理因素为单个时，称为单因素；处理要素为多个时称为多因素。每个要素在量或强度可有不同，这种量或强度的不同就称为水平（level）。
依照研究要素与水平的不同，可产生四类实验：单因素单水平实验，如研究教育干预法预防小儿单纯性肥胖的效果；单因素多水平实验，如研究不同含氟的防龋齿制剂的防龋效果；多因素单水平实验，如比较不同治疗方案对椎间盘突出的治疗效果；多因素多水平实验，如研究多种药物不同剂量的联合治疗对消化性溃疡的疗效。在一次科学实验中，安排的处理要素不宜过多，否则会使分组以及所需受试对象的数量增多，致使整个实验难于控制。在选择处理因素时应当遵循以下基本原则。
1）要抓住实验中的主要因素实验效应是多种因素作用的结果，由于研究目的不同，以及人力、物力和时间所限，研究者不可能通过一次或几次实验中把已知的所有因素都进行处理与分析，只能抓主要的，例如我们要改进某种细胞的培养方法，与其有关的因素很多，如温度、PH值、培养液、培养时间等。其中每个因素又分若干水平（或等级），如温度从34℃至38℃，每1℃为一个水平，则有5个水平；PH值从6.5至7.4，每0.1为一个水平，则有10个水平。培养液有两个水平；培养时间有3个水平时，须做5×10×2×3=300种条件的实验，若每种条件的实验重复10次的话，就需要做3000次实验，不可能在一次或几次实验中完成。可根据专业知识和研究目的在众多因素与水平中抓住主要的因素，且因素的水平数不宜过多。
2）要分清处理因素和非处理因素例如，研究综合治疗糖尿病的效果，处理因素为药物治疗加饮食疗法；合理调配作息时间和其它辅助治疗措施也能缓解症状，有助于康复，但不是本次研究的处理因素，而是非处理因素。研究者应采取各种措施，尽可能使非处理因素在所比较的各组中基本相同，以便充分显示处理因素的作用。
3）处理因素必须标准化处理因素标准化就是如何保证处理因素在整个实验过程中始终如一，保持不变。如在进行药物疗效的试验观察中，在整个试验过程中，所使用药物的生产厂家、批号、药品标准等必须一致。所以，在实验设计时，必须制定处理因素标准化的具体措施和方法。
（2）受试对象
受试对象是处理因素的受体，受试对象选择的合适与否，也是一项实验是否成功的重要影响因素。医学研究受试对象有人和动物，一般先做动物实验后再做人体观察，如新药疗效的观察一般是先做动物实验，初步观察其疗效和副作用后，再进一步在患者身上做临床试验，以确定其疗效和副作用。有些实验则可直接在人体进行观察，如生理、生化正常值的测定等。根据受试对象是动物还是人，选择受试对象应遵循以下基本原则。
1）动物的选择实验研究中，动物的选择比较灵活，但要紧紧围绕着实验目的选择动物。研究内容不同对动物的要求也不同，动物的选择，除种类、品系外，年龄、体重、窝别、营养状况等也应该注意。
2）病例的选择临床试验中，病例的选择不像动物选择那样灵活，由于受试对象是人，在选择时必须遵循医德要求，同时还必须明确病例的纳入和排除标准，以保证受试对象的同质性。在医学研究中，所选受试对象必须同时满足两个基本条件：①对处理因素敏感；②反应必须稳定。例如，研究某药物对高血压的治疗效果，常选用Ⅰ、Ⅱ期高血压患者作为受试对象，因为Ⅲ期高血压患者对药物不够敏感。为使研究结果具有普遍性和推广价值，须保证受试对象的同质性和代表性。同时临床试验的受试对象大多数是患者，应选择诊断明确、依从性好的病例，和并注意其性别、年龄、民族、职业、文化程度和经济状况等。
（3）实验效应
实验效应是处理因素作用下，受试对象的反应或结局，它一般通过观察指标来体现。一般是通过某些观察指标，定量或定性地反映实验效应。如果指标选择不当，未能准确反映处理因素的作用，获得的研究结果就缺乏科学性。因此选择恰当的观察指标是关系研究成败的重要环节。选择观察指标应注意以下几点。
1）客观性尽可能选择客观指标，避免一些笼统的、不确切的指标。有时客观指标还具有判断的主观性问题，如X线胸片是客观的，但判断时存在主观性问题，所以，对于这种情况，须制定明确的判断标准。
2）精确性选用的指标应尽量精确。指标的精确性包括准确度和精密度，准确性是指所观察结果的真实程度，即观测值与真值的接近程度，属系统误差；精密度是指所观察结果的深度，即重复观测时，观测值与平均值的接近程度，属随机误差。实验效应指标既要准确又要精密，在实际工作中，应根据研究目的来权衡两者的重要性。
3）灵敏性指标的灵敏度反映其检出真阳性的能力，灵敏度高的指标能够将处理因素高的效应更好的显示出来。例如，研究某药物治疗缺铁性贫血的效果，既可以选择临床症状、体征，也可以选择血红蛋白含量等作为观察指标，但这些指标只有在缺铁比较明显的情况下才有较大的波动，所以不够灵敏。而选用血清铁蛋白作为观察指标，则可灵敏的反映出处理因素的效应。有时高灵敏的指标往往需要高灵敏的仪器进行检测，费用较为昂贵。应根据实验经费，选择既相对廉价，灵敏度又高的测量方法。
4）特异性指标的特异性反映其鉴别真阴性的能力。为了更好地揭示研究问题的本质，观察指标应具备一定的特异性。例如，在诊断糖尿病时，测定血糖的特异性就比测定尿糖的特异性要高。特异度高的指标不易受混杂因素的干扰。
