试验设计.ppt

试验设计,生物统计附试验设计,1.科学的逻辑思维,观察,假设,预测,检验,科学的逻辑思维,方法的重要性,观察,假设,预测,检验,试验设计：根据研究目的，应用数理统计原理，对试验作出周密安排，回答研究假设提出的问题研究方法：野外、实验、模型,2、试验设计的概念,广义：是指试验研究课题设计，也就是整个试验计划的拟定。主要包括课题的名称、试验目的，研究依据、内容及预期达到的效果，试验方案，试验单位的选取、重复数的确定、试验单位的分组，试验的记录项目和要求，试 验 结 果 的 分析方法，经济效益或社 会 效 益 估 计，已 具 备 的 条 件，需要购置的仪器设备，参加研究人员的分工，试验时间、地点、进度安排和经费预算，成果鉴定，学术论文撰写等内容狭义：是指试验单位（如动物试验的畜、禽）的选取、重复数目的确定及试验单位的分组等内容。生物统计中的试验设计主要指狭义的试验设计,3、试验计划的内容及要求,选题（名称、目的）研究依据、内容（文献查阅）试验方案和设计方法试验对象（动物试验的特点与要求）试验记录结果分析已具备条件和研究进度安排所需条件人员分工成果预期,动物试验的特点,试验干扰因素多 动物本身存在差异，这种差异是试验中误差的重要来源。例如，在同一饲养试验中，为使供试动物均匀一致，要选择到遗传来源一致、同年龄、同体重、同性别的动物进行试验是比较困难的；自然环境如温度、湿度、光照、通风等存在差异，不能完全控制一致；饲养管理条件存在差异，如在试验过程中的管理方法、饲养技术、畜舍笼位的安排等不一致；试验人员操作技术上存在差异，如对试验动物的性状、指标进行测量时，时间、人员和仪器等不完全一致。这些差异对试验产生干扰。,动物试验的特点,试验具有复杂性 在畜牧、水产等动物试验中所研究的各种试验对象，它们都有自己的生长发育规律和遗传特性，并 与 环 境、饲养管理等条件密切相关，而 且 这 些因素之间又相互影响，相互制约，共同作用于供试对象，因而动物试验具有复杂性。试验周期长 动物完成一个生活世代的时间较长，特别是大动物、单胎动物、具有明显季节性繁殖的动物更为突出。,动物试验的要求,代表性生物学代表性环境条件代表性正确性精确性和准确性重演性,3、试验计划的内容及要求,选题（名称、目的）研究依据、内容（文献查阅）试验方案和设计方法试验对象（动物试验的特点与要求）试验记录结果分析已具备条件和研究进度安排所需条件人员分工成果预期,实验研究的三个基本要素：处理因素、试验单位和试验效应,4、试验方案的拟定,研究者根据研究目的欲施加或欲观察的，能作用于实验单位并引起直接或间接效应的因素，称为处理因素，又称试验因素。处理因素可以是主动施加的某种外部干预(或措施)，如使用或不使用某种药物等；也可以是客观存在的，如观察培养基在空气中的污染程度与季节的关系，“不同季节”就是该实验的“处理因素”而“季节”这个处理不是人为实施而是客观存在的。另外如不同温度、治疗方法、用药种类、用药剂量等都称为处理因素。,处理因素(treatment factor),试验因素个数与试验因素水平数,研究中，如果只有一个试验因素，则称为单因素，两个以上称为多因素。为了分析试验因素产生的作用，常要将试验因素分为不同的水平下进行。如药物的不同剂量数，不同时间点数等。试验因素个数和水平数常要根据专业而定。建议“少而精”,试验因素与非试验因素,试验因素是研究者希望着重考察的某些条件或方法，而对实验结果有一定影响的因子，其他因素则称为非实验因素，又称干扰因素或混杂因素。研究3种饲料的营养效果的试验中，老鼠的窝别，进食量等为非试验因素。在新药的临床试验中，患者年龄、病历 等为非试验因素。,试验单位是指接受一种处理并作实验观察的基本单位，是处理因素作用的客体，实质上实验单位所代表的就是根据研究目的而确定的研究目标之总体。一般情况下一个试验单位即为一个受试对象。在选择受试对象时，应满足两个基本条件：对处理因素敏感；反应必须稳定。,试验单位(experiment unit),人动物微生物细胞分子基因,试验效应是处理因素作用于受试对象的反应或结果。一般通过实验指标(即变量)来表达。观察指标有主观指标与客观指标之分。客观指标是借助仪器等进行测量来反映研究对象的客观状态或观察结果，主观指标是由受试者回答或研究者定性判断来描述观察结果，,试验效应(experimental effects),拟定实验方案的要点,根据实验目的、任务和条件挑选试验因素单因素试验方案多因素试验方案：完全方案、不完全方案根据各试验因素的性质确定因素的水平数目适当差异合理灵活排列试验方案中必须设置作为比较标准的对照,对照(control)的设置,对照的意义：,区分处理因素与非处理因素的效应，是比较的必要基础,消除和减少实验误差,处理组：,对照组：,比较结果,对照的形式,（1）空白对照(blank control)：对照组不加任何处理因素（实验组动物接种疫苗，对照组不接种疫苗。）。,（2）实验对照(experimental control)：施加基础实验条件（非处理因素）。,（3）标准对照(standard control)：以现有的标准或正常值作对照（某患病动物与正常个体的某生理、生化指标是否相同）。,（4）自身对照：实验在同一受试对象上进行（试验前后变化）。,（5）相互对照：几个实验组互相对照（比较几种药物治疗同一疾病的疗效）,实验组,对照组,拟定实验方案的要点,试验处理之间应遵循唯一差异原则非处理因素的控制有的试验要设置预试期,5、试验设计的基本原则,试验误差在畜牧、水产等科学研究中，试验处理常常受到各种非处理因素的影响，使试验处理的效应不能真实地反映出来，也就是说，试验所得到的观测值，不但有处理的真实效应，而且还包含其它因素的影响，这就出现了实测值与真值的差异，这种差异在数值上的表现称为试验误差。由于产生误差的原因和性质不同，试验误差可分为系统误差（片面误差）、随机误差（抽样误差）两类。系统误差影响试验的准确性，随机误差影响试验的精确性。,5、试验设计的基本原则,试验误差的来源 试验材料固有差异试验实施不一致外界条件差异控制试验误差的途径 选择同质的试验材料统一试验操作技术控制引起误差的主要外界条件,随机化原则（Randomization)重复的原则（Replication)局部控制原则（Local Control),采用这三个基本原则进行设计，配合适当的分析，就能从试验结果中提取可靠的结论。,5、试验设计的基本原则,.随机化原则,随机化原则：随机“随便”,指每个受试对象以机会均等的原则随机地分配到试验组和对照组。目的是使各组非实验因素的条件均衡一致，以消除对实验结果的影响。,随机化分组方法,1.抽签等（简单，如拉丁方）2.随机数字表(附表）3.计算器或计算机,【例】现有同品种、同性别、同年龄、体重相近的健康绵羊18只，试用随机数字表的方法分成甲、乙两组。,随机数字表分组(1),首先将18只绵羊依次编为1，2，18号，然后从随机数字表中任意一个随机数字开始，向任一方向（左、右、上、下）连续抄下18个（两位）数字，分别代表18只绵羊。令随机数字中的单数为甲组，双数为乙组。如从随机数字表（附表）第9行第10列的22开始向下连续抄下18个随机数字填入表第二行。随机分组结果：甲组：2 3 5 7 8 10 12 13 15 16 18 乙组：1 4 6 9 11 14 17,甲组比乙组多4只，需要从甲组调整两只到乙组。仍用随机的方法进行调整。在前面18个随机数字后再接着抄下两个数字：87、31，分别除以11（调整时甲组的绵羊只数）、10（调整1只绵羊去甲组后甲组剩余的绵羊只数），余数为10、1，则把分配于甲组的第10只绵羊（16号）和余下10只的第1只绵羊（2号）分到乙组。调整后的甲、乙两组绵羊编号为：,若余数为0则调整最后一只,计算(器)机随机化分组,例,用电脑产生随机数将,10,头动物随机分到甲、,乙两组,（,1,）,动物编号,（,2,）,产生随机数,（,3,）,事先规定随机数者,小,为甲组，,大,者为乙组,（,4,）,按随机数排序，分组,.重复的原则,重复(replication)是指各处理组与对照组要有一定样本含量(sample sizes)。,无限地增加样本含量，将加大实验规模，延长实验时间，浪费人力物力。样本含量不足，检验效能偏低，导致总体中本来具有的差异无法检验出来。,一是可用同一处理内多次重复间的参差不齐的程度来估计随机误差，如果只有一次观测，则无法估计随机误差；二是同一处理的多次观测值的平均值可以作为真值的估计值，设置重复可以估计出试验结论的可靠性；三是增加重复次数可以缩小随机误差，提高试验的精确度，；四是为其它两个原则创造条件，因为如果没有重复，就谈不上随机化和局部控制。,重复的主要作用,.局部控制的原则,当试验单位之间差异较大时，即存在某种系统干扰因素时，可以将全部试验单位按干扰因素的不同水平分成若干个小组，在小组内部使非实验处理因素尽可能一致，实现试验条件的局部一致性，这就是局部控制。,局部控制通常通过设置区组来实现，相应的试验设计方法以随机区组设计为代表。,局部控制的作用使干扰因素造成的误差从试验误差中分离出来，从而降低试验误差。,三原则的作用关系,6、科研设计方面的问题,1.缺少对照组或对照组选择不恰当 2.未采用随机化方法或随机化方法不正确 3.样本缺乏代表性 4.样本量不足,7、常用的试验设计类型,（一）完全随机设计,（二）配对设计,（三）随机区组设计,（四）交叉设计,（五）析因设计,（六）拉丁方设计,（七）正交设计,完全随机试验设计（completely random experiment design）,将观察单位完全随机地分配到实验组与对照组或几个对比组中去。,【例1】设有同性别的动物12头，要求用随机方法将其分为甲、乙两组。,（1）编号：按动物体重依次编号为1,2,3,12号。（2）产生随机数字：对于每一个编号，依次由计算器（计算机）产生随机数（共12次）。（3）归组：事先规定将较小随机数的6只动物分入甲组，其他6只动物分入乙组。,设计方法,配对试验设计(paired experiment design),配对实验设计的两种情况：1.同源配对：同一受试对象用两种不同的实验方法；受试对象自身实验前后的对比。2.非同源配对：将具有相同条件的实验对象配成对子。,【例2】将已按近似条件配好的10对小白鼠，用随机方法分配到实验组和对照组。,方法（1）编号：对小白鼠进行对子编号，同时每个对子内的二只小白鼠也分别编号。（2）产生随机数字：对于每一组合编号，依次由计算器（计算机）产生随机数（共20个）。（3）归组（对子内两只小白鼠的随机）：事先规定每个对子内随机数字较小者分配到对照组；随机数字较大者分配到实验组。,对子编号,对子内编号,随机数,随机数排序,随机区组试验设计(randomized block experiment design),（1）将多方面条件相近的受试对象配成一组，称作一个区组（block）。（2）每个区组的受试对象个数 取决于 对比组组数。（3）每个区组的受试对象被随机地分配到各处理中。配对设计的扩展，故又称配伍组设计,【例3】将【例1】中的12头动物设计分为三个区组，进行四种处理的比较。,方法（1）编号：对12头动物进行区组编号，同时每个区组内的四头动物也分别编号。（2）产生随机数字：对于每一组合编号，依次由计算器（计算机）产生随机数（共12个）。（3）归组（区组内四头动物的随机）：事先规定每一个区组内随机数字由小到大对应动物分别分配到甲、乙、丙、丁处理组。,区组编号,区组内编号,随机数,区组内随机数排序,8、调查设计,调查目的调查对象与范围调查项目样本含量调查方法完全随机抽样顺序抽样分等比例随机抽样随机群组抽样多级随机抽样,小组作业,每组3-5人以小组为单位选题（专业相关或自己感兴趣的）进行试验设计（或调查设计），试验方案需详细写清楚（试验因素、水平、对照、重复设定，试验或调查流程、方法）作业上交形式：开题报告（研究背景、研究内容研究意义、预期目标、研究方法及步骤）作业上交时间：第7周（4.11）,