n07第四章 动物营养实验设计

从研究的目的可以分为
探索性研究 验证性研究
从研究的时限可以分为
前瞻性研究 回顾性研究 横断面研究
从研究的指标可以分为
单变量研究 多变量研究
从研究的形式可以分为
实验研究 观察对比研究
动物营养试验分类
实验研究
在人为控制实验的主要条件下进行的,以动物或人为 研究对象、前瞻性、随机对照的验证性研究
精确性
是指试验误差的大小，可用多次测定值的变异程度衡量 试验误差首先是试验材料本身固有的差异造成的变异，其
次是由于在试验环境条件和操作过程中造成的误差
准确性不等于精确性，但要获得高的准确性，必须 首先提高精确性
3.重演性
对于推广试验结果至关重要
要尽量避免人为因素引起的误差
4.一致性
包括遗传背景、年龄、性别、胎次、体重、 生理状态、健康状况等等
研究中重要的随机误差
在抽样研究中最重要的随机误差是抽样误差
抽样误差在生物实验中最主要的来源是个体的变异。
这是一种难以控制的、不可避免的误差。但抽样误差是有 一定规律的。
研究和运用抽样误差的规律，是根据样本估计总体时所必 须领会的基本概念之一，也是统计学的重要内容之一。
试验设计的作用
合理安排试验因素，提高研究质量
对因素A、B分别做单因素试验 对因素A、B做二因素试验 A、B两因素的水平组合中，只做认为合适的部分组合
水平的选取方法
通常选2个或3个水平，只有在特殊场合下才考虑取4个以上水平。超过5个水平 时，试验组数增加，对试验的实施不利
水平梯度设置通常要经过预试验 在多因素试验中、可将水平数错位配置，这样交互作用项的变化范围缩小，采用
部分实施就容易了
2.试验规模的确定
试验规模的大小取决于对试验精度的要求
试验精度的影响因素
最小显著差数 变异程度 误差自由度
(1)最小显著差数
最小显著差数是两个平均数的差异达到显著水平的临界值。 两平均数之差大于、等于此临界值时，判断为差异显著；小 于此临界值时，判断为差异不显著
最小显著差愈小，表明试验愈精细，精度愈高；反之，则表 明试验愈粗放，精度愈差
动物营养实验设计
赵胜军 博士 2007.12.5
主要内容
基本概念 实验设计的基本要素 实验设计的要求 实验设计的基本原则 实验设计的一些共性问题 实验设计类型及随机化方法
一、基本概念
科学研究的基本程序
提出一个欲待研究的问题(发现问题或选题) 科学研究设计(专业设计和统计设计) 获取试验与观察的资料(搜集资料) 数据审核与计算机录入(整理资料) 分析资料(描述性统计和统计推断) 分析结果的合理解释(专业结论)
处理效应+非处理效应 (无) 非处理效应
比较结果 处理因素
处理效应
排除“非处理因素”的影响，从而衬托出 “处理因素”的作用。
对照组的设置时必须具备三个条件
专设
任何一个对照组都是为相应的实验组专门设立的。不得借 用文献上的记载或以往研究的、其它研究的资料作为本研 究之对照组
同步
对照组与实验组设立之后，在整个研究进程中始终处于同 一空间和同一时间
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
实验效应(experimental effects)
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
观察指标可分为
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
因此在确定处理因素的同时，根据专业知识与实验条 件，尽可能找出对研究结果产生影响的非处理因素， 以便进行控制
实验单位(experiment unit)
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
一般情况下一个实验单位即为一个受试对象。
这类误差可以通过实验设计和技术措施来消除或使之减少 观察性研究由于组间不可比性产生的系统误差，又称为偏倚
随机误差
实验或观察条件的随机波动造成的实测值与真值之差。 这种波动是随机的，在一次测定中随机误差的大小、方向无法预言，但在大
量重复测定中，可呈现其统计规律性（如服从正态分布）
常见系统误差及控制方法
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，又称
实验因素
主动施加的某种外部干预(或措施)
如使用或不使用某种添加剂等
客观存在的
如观察羊毛生长程度与季节的关系
非处理因素
除了“处理因素”以外的对实验结果产生影 响的其它影响因素
在非处理因素中，有的是可以控制，有的不能控制
（用统计设计原则控制实验研究中存在的偏倚）
观察研究
对特定动物或人群进行观察、分析比较，从而找出 事物变化的规律，在研究过程中研究者不能对研究 对象的特征进行控制 。
（用统计分析方法分析资料中的混杂因素）
实验研究中存在的误差
误差(error)
即为实际观察值与真值之差。任何实验研究的结果都不可 避免地会出现不同程度的误差
为了有利于实验结果的分析，在实验前就应当根据 统计学的要求制定出一套完整的实验方案
实验过程就是方案的具体实施过程
必要的数据决不可丢失，不必要的数据大胆舍弃
动物营养试验
目的
研究动物对试验日粮的反应程度
程序
立题 查阅文献 拟定开题报告 论证 实施方案 统计分析 提交试验报告
动物营养试验分类
如规定实验组的条件，配置适当的对照组，选择研究方法 等
控制误差，使研究结果保持较好的稳定性
如对混杂因素的处理，对不同来源变异的分析，维护必要 的均衡性等
通过较少的观察例数，获取尽可能丰富信息如采用定量指标，选择线性或非线性回归分析，为使用高效 率设计创造条件等
二、实验设计的基本要素
处理因素(treatment，factor)
生物学实验与统计学
生物学是一门实验性科学，实验是与数据分不开的
有计划地收集数据，经过整理、思考和统计学的分 析，从而得出正确的结论
统计学是分析实验结果的得力工具，但是，如果缺 少系统的资料，统计学工具也是无能为力的
总体和样本
总体
根据研究目的确定的有代表性的、所有研究对象的全体。 (例：断奶仔猪)
最小显著差数的要求
一般情况下，对体重（包括日增重）、体尺等以绝对数表示的指标，其 最小显著差数可用相对相差（差数占平均数的百分比）表示，通常以不 超过5%为宜
象产蛋率、瘦肉率等以百分数表示的指标，其最小显著差数可用绝对相 差表示，通常以不超过3个百分点为宜
在处理以组为重复的前提下，每重复的样本含量可适当少些
种类主要有两类
系统误差(systematic error) 随机误差(random error)
实验设计的主要目的
控制系统误差 尽量减小随机误差
误差的种类
系统误差
在实际观察过程中，由于仪器未校正、测量者感官的某种障碍、研究者掌握 评价指标的标准偏高或偏低等原因，使观察值不是分散在真值两侧，而是有 方向性、系统性或周期性地偏离真值
四、实验设计的基本原则
1. 对照(control)
有比较才有鉴别，比较的基础就是对照，对照设立 正确与否，关系到科研结论的正确性及成果价值
对照的重要意义
可排除或控制自然变化和非处理因素对观察结果的影响 可消除或减少实验误差
对照组的作用
处理组 对照组
处理因素+非处理因素 (无) 非处理因素
组间系统误差无妨，组内系统误差由组内随机配置转化为随 机误差，并且实行区组内条件保持一致（或均等）的管理方 法，即局部控制，尽量缩小随机误差
这样根据需要在各区组内设置重复，即使区组间差异增大， 区组内局部控制的精度可以始终保持不变
五、实验设计的一些共性问题
1.因素与水平的选取
因素的选取方法
在处理以个体为重复的情况下，样本数不应少于6。当然，这也与试验 动物本身的生物学特性有关
（2）变异程度
最小显著差数与变异程度有关。变异程度越大，则试验误差越大，最 小显著差也越大。
察结果
观察指标的选择要求
关联性 指标与研究目的有本质的联系，应能确切反映处理因素的作用
客观性 尽量选用客观指标作为主要观察指标
灵敏性 指标能正确反映效应变化的最小数量或最小水平
可用性
指标能反映效应的特点，与该指标的灵敏度和特异度有关
精确性
包含准确度(效度)和精密度(信度)两个方面
稳定性
变异程度
三、试验设计的要求
1.代表性
试验材料（包括动物）的选择能代表总体（群体） 水平
试验条件应能反映将来推广试验结果所在地区的自 然条件、饲料状况和管理水平等，以便在具体条件 下应用
既要代表目前条件，同时还要看到某些技术将被采 用的可能性
2.正确性
准确性：
试验结果是否接近于真值 由于真值是未知的，所以我们只能用样本的统计数来推断
非处理因素在不同的处理组间保持均衡，从而达到控制实验误差的目 的
随机与随意
随机：random 机会均等，客观性 随意：as will 随主观意愿，主观性
良好的随机化分组，不仅能控制已知的 非处理因素，而且还能控制未知的非处 理因素
随机的三个含义
抽样随机－代表性
每一个符合条件的研究对象被收入研究范畴的机会相同， 即总体中每个个体有相同的机会被抽到样本中来
最小显著差数的大小与试验动物的头（只）数、重复的设置 数、试验指标的变异程度有关
最小显著差的要求
在探索性试验
只要试验结果能反映出某种趋势，为进一步的研究提供必要的线 索和信息即可，至于差异是否显著，不必强求
中试或鉴定性试验
必须首先确定最小显著差数的大小，使试验结果有一个可靠而明 确的结论
选择性偏倚
产生于研究的设计阶段，主要由于纳入研究对象及将研究对象分组所采 用的方法不正确造成的，随机化能有效地控制这类误差的产生。
测量误差
可能发生在研究的全部测定过程或观察过程，主要由于实验条件、操作 标准与方法以及主观方面等因素所造成，严格的盲法能有效控制这类误 差的产生。
混杂偏倚
产生于资料分析阶段，主要由于某些非实验因素与实验因素的效应混在 一起，全部或部分地掩盖或夸大了所研究因素与效应之间真实联系，配 对设计和分层分析能有效消除这类偏倚。
分组随机－均衡性
每个研究对象被分配到不同处理组的机会相同
实验顺序随机－平衡顺序或季节的影响
每个研究对象先后接受处理的机会相同
随机化方法
随机化分组过程
麻将牌分牌过程
随机化工具
抽签、掷骰子（色子）、抽牌、摇号、模球等。 随机数表（使用方便） 计算机软件（可重现性）
3.重复(replication)
样本
从特定的研究总体中，随机选择一部分个体。(例：一个动 物饲养试验中150头断奶仔猪)
统计分析的目的 基于样本资料的信息，推论一个总体的规律
总体和样本
对总体规律的推断
总体
样本
基于样本资料 的推论
例：所有高胆固醇患者
例：在一个临床试验中 150例高胆固醇患者
例：试验药物治疗 降低了胆固醇
实验设计的重要性
应使这些条件尽量相同或相近
5.易行性和经济性
在复制动物模型时，所采用的方法应尽量做到容易执行和合乎 经济原则。
它们容易作到遗传背景明确，体内微生物可加控制、模型性显 著且稳定，年龄、性别、体重等可任意选择，而且价廉易得、 便于饲养管理，因此可尽量采用。
除了在动物选择上要考虑易行性和经济性原则外，而且在模型 复制的方法上、指标的观察上也都要注意这一原则。
是指在相同的实验条件下进 行实验过程的重复
重复是消除或减小非处理因 素影响的重要方法之一
重复程度的表现为样本含量 的大小和重复次数的多少
影响样本含量大小的因素
资料的性质 误差大小 均衡性的好坏 实验效应的强弱 因素的多少
4.局部控制
采用分组之后在组内随机配置，即随机区组设计的办法可把 系统误差分为组间（区组问）和组内（区组内）的系统误差
对等
除研究因素外，对照组具备与实验组对等的一切因素
2.随机化(randomization)
总体中每一个观察单位都有同等机会被抽取为样本成员可能
研究对象均有同等机会被分入试验各组中 随机化的意义
避免有意无意夸大或缩小组间差别所导致的实验结果的偏差
抽样研究的理论和统计分析方法都是以随机化为基础的，要求研究设 计必须遵循的原则