实验设计典型错误辨析
点击次数：3207 发布日期：2017/08/06 来源：华斯泰
了解人们在实验设计中常犯的错误，围绕实验设计的三要素（即实验因素、受试对象、实验效应）和四个基本原则（即对照、随机、重复、均衡）去查找问题，同时，不要忽视人们在实验设计中常用“单因素设计取代多因素设计”和“仅依据专业知识去设计对照组和处理组”的不良习惯。
1只有专业设计，缺乏统计研究设计
很多实际工作者，在开展实验研究之前，只从专业角度考虑问题，很少从统计学角度考虑问题，以至于仅根据“1、2个”动物或患者的观测结果，就作出带有“规律性的结论”来；从一些中高档科研成果的档案中我们不难看到一卷又一卷的“科研流水帐”，但很难寻觅到“完善的实验设计方案”；有些研究工作从表面上看似乎也遵守了实验设计的四个基本原则，但每一个原则都遵守得不严，以至于实验设计“漏洞百出”。显然，在这样的实验方案的指导下，得到的结果和结论恰似“墙上芦苇，头重脚轻根底浅”，有时甚至是“荒唐透顶，颠倒黑白”！
2 临床科研流程倒置
笔者在审阅大量临床研究论文时，产生的印象是很多科研工作的“流程”倒了。按理说，进行一项科研工作，首先应当有科研假设，对科研假设深思熟虑之后，提出研究目标和实现目标的思路。在此基础上，结合专业知识和统计学知识，制定出完善的统计研究设计方案，在方案的指导下，有的放矢、循序渐进地开展科研工作。然而，很多临床科研工作采取的是“回顾性研究策略”。也就是说，临床研究工作已经结束了，因晋升职称等的急需，赶写学术论文，翻阅临床病历，对其加工整理，从而撰写出所谓的“临床科研论文”。这种回顾性的研究工作，往往因事先缺乏完善的统计研究设计，在“随机、对照、重复、均衡”四个实验设计原则方面存在严重问题，以至于推理证据不充分，说理底气不足，其结论难以令人置信。有些科研工作，由于在实验设计方面、资料的统计分析方面存在严重错误，导致其得出了错误的结论。在临床科研工作中，此类问题具有较大的普遍性，应当引起临床科研工作者和有关业务主管部门的高度重视。
3 缺乏完善的实验设计方案
原文题目：静息细胞法研究影响西索米星生物合成因素，原作者需要摸索不同的条件以筛选出较为理想的静息细胞培养基，静息细胞培养基的组成应采用尽可能简单的已知成分的原料，能维持菌种最低限度的生命活动和继续合成西索米星（SISO）的能力。通过表1-1-1列出的不同成分与配比的培养基进行实验，从中可以看出1#、2#配方发酵效价较高但成分较复杂，菌体总核酸（ΔCNA）较大，菌丝生长不符合静息的要求，说明天然成分虽能提高效价，但菌体也增加，一般不采用；3#配方发酵效价较5#低，在促进SISO合成能力方面不理想；4#、6#由于缺乏Mg2+,合成产物能力较差，说明Mg2+与合成产物的酶类的活性有关，并与细胞的通透性有关，Mg2+的存在有利于产物分泌，5#为成分完全已知的较为理想的静息细胞培养基。然后以5#培养基为基础，选择不同种龄（26～42h），均在34℃培养20h后测其生物效价，结果发现种龄不足26h生物效价很低，38～40h达高峰，故确定40h种龄的菌丝为静息培养系统的种子。
表 静息细胞培养基配方的筛选
成分（%） 1# 2# 3# 4# 5# 6#
淀粉 1.0 X X X X X
酵母膏 1.5 X X X X X
玉米浆 1.0 0.5 X X X X
葡萄糖 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 X
硫酸镁 0.1 0.1 0.1 X 0.2 X
氯化钠 1.0 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
硝酸钾 0.5 0.5 0.1 X 0.5 0.1
碳酸钙 0.5 0.5 1.0 0.2 0.5 0.3
生物效价（u/ml） 139.7 68.9 43.6 32.4 64.3 20.1
ΔCNA（g/5L） 2.01 0.73 0.37 -0.15 0.07 -0.18
“X”表示各号配方中未用的左边相应的成分。
为了确定静息培养基的最佳PH，又用5#培养基，40h种龄的菌种固定其他条件，在不同pH下进行发酵，得到结果认为以pH7.0～pH7.2时对SISO合成最有利。又固定其他条件，用不同培养时间进行实验，确定最佳培养时间为20h。在确定了建立静息细胞培养系统的条件后，原作者又采取类似的做法，来摸索影响SISO合成的条件。最佳条件的摸索都是先固定其他条件，然后比较某一因素的不同水平的取值，选择取值最大的所对应的水平为最适的水平。这样依次确定的最适条件为：甲硫氨酸浓度为0.1%，磷酸盐浓度为0.03%，开始合成SISO的时间是培养后30h。
【辨析与释疑】从文章中可以看出原作者的目的主要有两个，一是筛选出建立静息细胞培养系统的最优实验条件，另一个是在此培养系统的基础上进一步找出合成SISO的最适条件。原文涉及的因素众多，而原作者仅做了六批实验，就认为5#方案是最优方案，从某种意义上讲，这只能算是预试验，通过这六批试验，认为不宜采用淀粉、酶母膏等天然成分，这样可以在实验设计中不加天然成分，并可根据预实验的结果，确定各因素不同水平的取值。原作者在确定每个因素最佳水平时，总是先固定其他因素在各自的某个水平上，每次只让该因素的水平变化，等找到该因素的所谓“最佳水平”时就固定不变了，用同样的思路再依次去寻找其他因素的所谓“最佳水平”，最后将全部因素的所谓“最佳水平”组合在一起，就得出所谓“最优实验条件”。这就是人们进行多因素实验研究时习惯的做法，即：“用单因素设计取代多因素设计”。一般说来，当因素之间存在一定程度的交互作用时，各因素不同水平的组合对结果的影响较大，用多次单因素实验所得出的条件组合起来，其结果往往并不是很理想的，有时反而会很糟糕。
实验设计之前最好结合专业知识进行一定规模的预试验，来确定实验所需要的因素及各因素不同水平的具体取值，这样可以在设计时做到“有的放矢”，胸中有数，通过完善的实验设计，可节省人力物力，通过较少的实验得到较为可靠的结果，针对本实验，可以采用正交实验，确定要考虑的实验因素及各因素的具体取值，选择合适的正交表，按照配套的表格收集数据，这样可以分析出各因素的主效应及部分因素之间交互作用的效应。如果试验次数太多，可使用均匀设计或分式析因设计，进行探索和因素筛选。在此基础上，将具有统计学意义的因素进一步作正交设计或析因设计，以便获得较为稳定的实验结果。
