二、实验设计的基本原则

实验结果是处理因素和非处理因素共同作用而产生的效应。如何控制和排除非处理因素的干扰，正确评价处理因素的效应，是实验设计的基本任务。如在比较几种饲料对动物体重增加量作用的动物实验中，动物体重增加量是处理因素（饲料）和非处理因素（动物种属、窝别、年龄、雌雄、体重和营养状况与进食量等）共同作用的结果。因此，如何控制和排除动物种属、窝别、年龄、雌雄、体重和营养状况与进食量等非处理因素的干扰，正确评价各种饲料的效应，是该实验应当解决的基本问题，也是该实验设计的基本任务。又如在临床药物试验中，药物的疗效是处理因素（药物）和非处理因素（给药途径、病情、给药时间、患者体质及可能的来自患者及医生的心理因素等）共同作用的结果。因此，如何控制和排除给药途径、给药时间、病情、患者体质及可能的来自患者及医生的心理等非处理因素的干扰，正确评价药物的效应，是该试验中应当解决的基本问题，也是该试验设计的基本任务。

为了使实验能够较好地控制随机误差，避免系统误差，以较少的实验对象取得较可靠的信息，达到经济高效的目的，实验设计时必须遵循随机（randomization）、对照（control）、重复（replication）、均衡（balance）的统计学基本原则。

（一）随机原则

随机原则是指在实验中采用每个受试单位概率均等的原则，使每一个受试单位都有一定的机会被抽中，并被随机分配到实验组与对照组，从而排除主观上有意识地抽取、安排受试单位的可能性。随机原则在具体科研应用中包括随机抽样、随机分组与实验顺序的随机。

随机抽样是指总体中每一个对象都有已知的、非零的概率被选入作为研究的对象，是一种完全依照机会均等的原则进行的抽样，即保证总体中每个单位都有同等机会被抽中作为样本，以保证抽取样本对总体的代表性。随机分组是指每个实验对象分配到不同处理组的机会相同，是在大量未知或不可控制非处理因素存在的情况下，保证实验组与对照组均衡性的手段。只有通过随机分组，才能避免由于各种客观因素与主观因素可能引起的偏倚，减少系统误差，并可使其产生的总效应归于总的实验随机误差之中。实验顺序随机是指每个受试对象接受处理的先后顺序机会相等。实验顺序随机使实验顺序对实验结果的影响也达到均衡。

此外，随机原则也是对资料进行统计推断的前提，只有满足随机原则的资料才能应用各种统计推断方法。

（二）对照原则

在确定接受处理因素的实验组时，应同时设立对照组。只有设立了对照，才能消除非处理因素对实验结果的影响，从而把处理因素的效应分离出来，这是控制各种已知的非处理因素产生的系统误差的基本措施。

1.对照设置的原则　设立对照，应满足“均衡性”原则，即在设立对照时除处理因素不同外，其他对实验结果有影响的因素（常为已知可控制的非处理因素）尽量一致，这是实验成败的关键。例如，在动物实验中，动物的来源、种属、性别、原始体重，健康状态应尽量相同或相近，给药途径、饲料条件、麻醉程度、消毒情况、术后护理等也应一致。又如临床观察中，患者的诊断必须准确可靠，年龄、性别、体质、病情等应力求一致或相近。对于对照是否满足均衡性可采用适当的假设检验方法对基线资料作均衡性检验。

2.常用的对照形式

（1）空白对照（blank control）　指对对照组不施加干预，即对对照组的处理因素为“空白”。例如，在某种可疑致癌物的动物诱癌实验中，设立与实验组动物种属、窝别、性别、体重相同或相近的动物空白对照组，以排除动物本身可能自发肿瘤的影响。空白对照主要用于无损伤、无刺激的实验研究。例如，观察维生素A预防肺癌的作用，试验组的石棉矿工每天口服一定剂量的维生素A，对照组的石棉矿工不服维生素A，追踪观察一定时期后，比较两组工人肺癌的发生率。在临床试验中，因涉及伦理道德问题，不宜用空白对照。

（2）实验对照（experimental control）　是对对照组不施加干预，但施加某种与处理因素有关的实验因素。例如，在赖氨酸添加实验中，实验组儿童的课间餐为加赖氨酸的面包，对照组为不加赖氨酸的面包。这里面包是与处理有关的实验因素，两组儿童除是否添加赖氨酸外，其他条件一致，这样才能显示和分析赖氨酸的作用。由此可见，当处理因素的施加需伴随其他因素（如添加面包），而这些因素又可能影响实验结果时，应设立实验对照，以保证实验组与对照组的均衡。

（3）标准对照（standard control）　是指对对照组的干预采用现有标准方法或常规方法。例如，在研究饲料中核黄素缺乏对尿中氨基氮排出量影响的动物实验中，对照组白鼠以正常饲料喂养，实验组白鼠以缺乏核黄素饲料喂养，这里的正常饲料组就是标准对照组；在临床试验某种新药或治疗方法中，对照组患者采用目前疗效确定的某种药物或治疗方法，试验组患者采用某种新药或治疗方法，前者就是标准对照组。

（4）相互对照（mutual control）　是不专门设立对照组，各实验组间互为对照。例如，比较几种药物对某种疾病的疗效时，若研究的目的是比较其疗效差别，可不必另设对照组，各实验组可以互为对照。

（5）潜在对照（potential control）　是不专门设立对照组，而是以过去的研究结果作为对照，又称历史对照（historical control）。例如断手再植第一次成功的报告，公认是一项了不起的医学成就。它之所以有意义就在于许多人过去所作的众多病例中无一成功，这些众多失败手术就成为这一例成功手术的潜在对照。又如假若现在有一种药物确实能治疗艾滋病，那么过去未治疗而死亡的成千上万的艾滋病患者，就是这种药物服用者的潜在对照。潜在对照形式，除公认的难治性疾病如恶性肿瘤、狂犬病等以外，一般不宜使用。因为，随着时间的推移，医学的进步，历史资料往往不具有可比性。

（三）重复原则

重复（replication）是指研究的实验组和对照组应有一定数量的重复观测，即实验单位要达到一定的数量。重复的意义：①它避免了把个别情况误认为普遍情况，把偶然性或巧合的现象当成必然规律，以致将实验结果错误地推广到群体。②只有在同一实验条件下对同一观测指标进行多次重复观测，才能根据重复观测结果，估计实验单位的变异情况，描述观测结果的统计分布规律。

随机误差是客观存在的，只有在同一实验条件下对同一观测指标进行多次重复测定，才能估计出随机误差的大小；只有实验单位足够多时才能获得随机误差比较小的统计量。因此，重复在统计学上的主要作用是在于控制和估计实验中的随机误差。

研究样本中包含的实验单位数称为样本含量。重复原则的应用就是样本含量的估计，详见第十三章。

（四）均衡原则

均衡（balance）是指除处理因素不同之外，其他对实验结果可能有影响的非处理因素在各对比组之间应分布均衡，保持基本一致。

实验对象的特征基本一致，如年龄、性别、病情轻重、社会地位、文化、收入等。

实验条件保持一致，如实验过程、药品性状、仪器、护理、辅助治疗等。

测定结果和疗效评定确保一致，如调查的地点、询问的方式、疗效的评判标准、指标的测量过程等。

均衡的目的是使实验因素在各个对比组中的受试对象受到的非实验因素的影响完全平衡，确保实验因素不受其他实验因素或重要的非实验因素的不平衡的干扰和影响，以便使所考察的实验因素对观测结果的影响真实地显露出来。