第四章 研究性实验的基本程序和要求
生理学不仅是一门理论性很强的基础性学科，而且是实验性很强的学科，它的许多理论都来自科学实验结果。因此，在学生经过了一段时间的生理学理论的学习和一定的实验基本技术操作训练及经典性实验实践之后，进一步进行有关的生理学研究性实验的基本训练是非常必要的。通过实验设计、探索性实验过程，使学生充分认识实验在科学理论产生和发展中的作用，培养学生的创新精神及观察和发现问题的能力、解决实际问题和分析、综合实验结果的能力。通过撰写研究性论文使学生学会用逻辑性语言表达研究结果的能力，为今后独立进行科学研究打下良好的基础。
4.1 实验设计
4.1.1 实验设计的基本程序
实验设计（experimental design）是科学研究的一个组成部分，是根据立题而提出的实验方法和实验步骤，这是完成课题的实施方案。实验设计包括立题→实验动物选择与分组→实验动物处理方案→选择观察指标→数据收集和分析→实验结果的处理和研究报告的撰写。
立题在实验设计中具有第一位重要性，立题时需要注意科学性、先进性、可行性和实用性。科学性是指选题有充分的科学依据；先进性指选题对已知的规律有所发现和创新；可行性指立题时考虑已具备的主、客观条件；实用性指立题有明确的目的和意义。
4.1.2 实验设计的三大要素
实验研究立题后，通常可从题目中反映研究内容最基本的三大要素：即实验对象、处理因素、观察指标。
（1）实验对象的选择 在生理医学研究中，实验对象包括动物、离体脏器或游离肢体、分离而得的活细胞成分或在实验室中已长期培养的细胞或细菌。生理学实验课程中的实验的对象以实验动物为主。实验动物选择合适与否与实验成败及误差大小有很大关系。其选择要点是：①动物种类尽量选择接近于人类而又经济的动物；②根据实验要求进行品种和纯度的选择。在有些实验中，需用纯种（近交系）动物；③动物的健康状态和营养状况良好；④最好选用年龄一致或接近的动物，体重一致或相近的动物。在年龄大小一般应选择发育成熟的年轻动物；⑤动物的性别最好相同。如对性别要求不高的实验可雌雄混用，分组时应雌雄搭配开。与性别有关者，只能用某一性别的动物。
（2）处理因素 实验中根据研究目的，由实验者人为地施加给实验对象的因素称为处
理因素，如药物、某种刺激及手术、某种护理等。在设置处理因素时应注意以下几个问题：
①抓住实验的主要因素 由于因素不同和同一因素不同水平造成因素的多样性，因此在实验设计时有单因素和多因素之分。一次实验只观察一个因素的效应称为单因素。一次实验中同时观察多种因素的效应称为多因素。一次实验的处理因素不宜过多，否则会使分组过多、方法繁杂，受试对象增多，实验时难以控制。而处理因素过少又难以提高实验的广度、深度和效率，同时所需时间较长，费用也很高。因此根据研究目的确定几个主要的、带有关键性的因素。
②处理因素的强度 处理因素的强度就是因素量的大小，如电刺激的强度、药物的剂量等，处理的强度应适当。同一因素有时可以设置几个不同的强度，如一实验药设几个剂量（高、中、低），即有几个水平，但处理因素的水平也不要过多。
③处理因素的标准化 处理因素在整个实验过程中应保持不变，即应标准化，否则会影响实验结果的评价。例如电刺激的强度（电压、持续时间、频率等）、药物质量（来源、成分、纯度、生产厂、批号以及配制方法等）、仪器的参数等应作出统一的规定，并在实验的过程中严格按照这一个规定实施，研究结果才有可比性，最终得出结论。实行处理因素标准化的有效方法是建立和实施每一类实验的标准操作规程，这将保证每个实验都能够按照统一的标准进行，减少因标准不一造成的失败或误差。
④重视非处理因素的控制 非处理因素（干扰因素）会影响实验结果，应加控制，如离体实验时的恒温、恒压、供氧等非处理因素。
（3）观察指标的选择 指标是在实验观察中用来指示（反映）研究对象中某些特征（如对药物的效应）的可被研究者或仪器感知的一种现象标志，也就是说，实验指标是反应试验对象所发生的生理现象或病理现象的标志。指标可分为计数指标和计量指标，或主观指标和客观指标等等。
所选定的指标，至少要符合下述基本条件：
①特异性 指标应特异地反映所观察的事物（现象）的本质，即指标特异地反映某一特定的现象，不致于与其他现象的混淆。如高血压中的血压尤其是舒张压就可作为高血压病的特异指标。
②客观性 最好选用可具体数值或图形表达的指标（脑电图、心电图、血压和呼吸描记、化验检查等等）。因为主观指标（如肝脾触诊、目力比色等）易受主观性因素的影响而造成较大的误差。
③重现性，一般来说，客观性指标在相同条件下可以重现，重现性高的指标一般意味
着无偏性或偏性小，误差小，从而较正确的反映实际情况。重现性小可能与仪器稳定性、操作误差，受试动物的机能状态和实验环境条件影响有关。若非这些因素影响而重现性小的指标不宜采用。
④灵敏性：指标测量的技术方法或仪器灵敏是极其重要的。方法不灵敏，该测出的变化测不出来，就会得出“假阴性结果”，仪器不精密，所获阴性数值不真实。
此外，在选择指标时应注意：客观指标优于主观指标，计量指标优于计数指标，变异小的指标优于变异大的指标，动态指标优于静态指标，如体温、体内激素水平变化等可按时、日、年龄等作动态观察。所选的指标要便于统计分析。
4.1.3 实验设计的三大原则
为了确保实验设计的科学性，除对实验对象、处理因素和观察指标做出合理排外，还必须遵循实验设计的3个原则，即对照、随机和重复原则。这些原则是为了避免和减少实验误差，取得可靠结论所必需的要求。
（1）对照（control）原则 即设立参照物，使处理因素和非处理因素的差异有一个科学的对比。一般来说，实验都应有实验组（处理组）和对照组，对照组与实验组具有同等重要的意义。这是因为在实验中很难避免非实验因素的干扰而造成误差。用对照组的方法能比较有效地消除各种非实验因素的干扰所造成的误差。
对照可分为①同体对照：即同一动物实验前后（或施加特定影响的前后）获得的结果及数据作对照。这种对照可以最大限度地减少抽样误差。②异体对照：在动物实验中，一般是选用体重相近，性别相同者进行配对或分组。③空白对照：指不给任何处理的对照。但在大多数情况下，都必须给对照组一个与实验组条件相同但不加特定影响的处理。④)资料对照：即以文献资料或历史的、他人的资料作为对照。但由于时间、地点和条件不同，差异相当大，动物实验一般不采用。
（2）随机（randomization）原则 随机不是随便而是随机遇而定，也就是指被研究的样本是由总体中任意抽取的，即在抽取时要使每一样本有同等机会被抽取，随机抽样是缩小抽样误差的基本方法。
在实验中，对照组与实验组除某种特定处理因素不同外，其他非特定因素最好是完全一样、均衡。事实上完全一致和绝对均衡是不可能的，只做到基本上的一致和均衡，这主要通过随机抽样来完成。随机抽样方法很多，如抽签法、摸球法等，也可查随机数字来确定，详细方法可参考有关书刊。
（3）重复（replication）原则 每一实验应有足够数量的例数和重复数，样本所含的
数目越大或重复的次数越多，则越能反映机遇变异的客观真实情况，因此重复可反映实验结果的可靠性。但是样本例数很多或实验重复次数很大，非但在实验上有一定困难而且也是不必要的，实验设计就是要使样本的重复次数减少到不影响实验结果的最小限度。
实验结果的重现率至少要超过95%，这样做出假阳性的错误判断的可能性小于5%（P
4.2 实验观察和记录
观察和记录在科学实验活动中，占有十分重要的地位。实验观察应注意对实验的整个过程的观察，实验记录时严谨、细致，实事求是，力戒主观偏性。
要重视原始记录，在实验设计中应预先规定或设计好原始记录方式。原始记录要及时、完整、正确和整洁，不管是什么记录方式都必需写明实验题目、实验对象、实验方法、实验条件、实验者、实验日期、记录好观察测量的结果和数据。图形、图片一定要整理保存。严禁撕页或涂改。
4.3 实验结果的处理
研究者不仅要设法取得原始资料或数据，而且要应用数理统计学原理和方法来处理数据和对数据进行分析判断，从中揭示其变化的规律性。
实验中得到的结果数据称原始资料，分为两大类：计量资料和计数资料。计量资料以数值大小来表示某种变化的程度，如血压值、呼吸频率、尿量、血流量等，这些资料可从测量仪器中读出，也可通过测量所描记的曲线得到。计数资料是清点数目所得到的结果，如动物存活或死亡的数目、有效或无效的数目等。
首先必须把实验中的原始资料或数据完整地收集起来，经过归纳、整理使之系统化、标准化。在取得一定数量标本的原始资料后，即可进行统计学处理，得到可用来对实验某些规律性进行评价的数值。有些数值如率、平均值、标准差、标准误、相关系数等被称为统计指标。经统计学处理的结果数据可制成一定的统计表或统计图，以便研讨所获得的各种变化规律。其次还可作相应的统计学显著性检验或计算某些特征参数等。
在分析判断实验结果时，决不能有研究者的偏见，或者在计算均数或比率时任意将资料取舍。必须实事求是，不能人为地强求实验结果符合自己的假说，而应该根据实验结果去修正假说，使假说上升为理论。
随着计算机生物信号记录分析系统的使用，现代生理学实验已普遍实现了计算机化。有关实验结果数据的测量、统计分析及统计图的绘制均可在计算机上一气呵成，大大提高了工作效率。能实现这些功能的计算机软件有很多种，如Microsoft Execel、SigmaPlot等，作为一名医学生及医学科学工作者，掌握这些都是我们应具备的基本能力，具体方法可参阅相关软件的使用说明。
4.4 研究的结论和研究论文的撰写
科学研究经过实验设计、实验与观察、数据处理，对实验结果进行由表及里的分析，就可做出研究总结、得出结论，并写出论文。这个结论要回答原先建立的假说是否正确，并对实验中发现的现象用所搜集的资料做出理论解释。研究结论是从实验观察结果概括为归纳出来的判断。结论内容要严谨、精炼、准确。
撰写科研论文是科研工作者的重要工作，是以作者自己设计和实施的实验中获得的原始资料为依据而写出的研究论文。一篇高质量的科研论文可以全面概括科研工作的过程，体现研究者工作的新发现、新方法、新观点及其研究价值。并体现研究者的科研水平及科学态度。科研论文写作既是一个阶段研究工作的总结，也是下一个阶段研究的基础。科学价值和表达形式是构成研究论文的两大要素，科研设计和实验结果确定科学价值，表达形式则通过资料整理和写作来反映。由此可见，严密的科研设计和真实、有效的实验结果是高水平研究论文的基础，而准确、完美的表达形式则能充分体现科研的水平与意义。因此，如何撰写高质量的研究论文，除了需要深厚的科研功底外，还有较强的逻辑表达能力，注重科学性、创新性与可读性，做到多读、多思考、多请教、多写、多修改。
实验研究论文的书写与一般的实验报告有所不同，要求按正式论文的格式。具体格式和要求参见1.5节和其他相关书刊。
4.5 实验设计的初步练习
高等医学院校学生应初步具有对生理过程或疾病进行实验研究的能力。学生自行设计生理学科实验是根据已掌握的理论知识和技能，经过逻辑推理，拟出在课程时间范围内的实际条件允许下主要以动物为对象的实验方法，来验证某一问题，以培养初步掌握实验设计原则，以提高教学质量。
在学生完全独立进行生理实验前，或在某些实验章节之后，根据学生已掌握一定的生理知识和实验手段，教师可以提出一些难度不太大，比较切实可行的实验题目，让学生逐步学习实验设计，为学生完全独立进行实验设计打下良好基础。
本实验教程中，在每一个生理实验后面都附有一些与该实验内容相关的探索性问题，以激发学生进一步思考和探索的兴趣，学生可选择其中一些问题，进行实验设计的初步练习。
第四章 研究性实验的基本程序和要求
生理学不仅是一门理论性很强的基础性学科，而且是实验性很强的学科，它的许多理论都来自科学实验结果。因此，在学生经过了一段时间的生理学理论的学习和一定的实验基本技术操作训练及经典性实验实践之后，进一步进行有关的生理学研究性实验的基本训练是非常必要的。通过实验设计、探索性实验过程，使学生充分认识实验在科学理论产生和发展中的作用，培养学生的创新精神及观察和发现问题的能力、解决实际问题和分析、综合实验结果的能力。通过撰写研究性论文使学生学会用逻辑性语言表达研究结果的能力，为今后独立进行科学研究打下良好的基础。
4.1 实验设计
4.1.1 实验设计的基本程序
实验设计（experimental design）是科学研究的一个组成部分，是根据立题而提出的实验方法和实验步骤，这是完成课题的实施方案。实验设计包括立题→实验动物选择与分组→实验动物处理方案→选择观察指标→数据收集和分析→实验结果的处理和研究报告的撰写。
立题在实验设计中具有第一位重要性，立题时需要注意科学性、先进性、可行性和实用性。科学性是指选题有充分的科学依据；先进性指选题对已知的规律有所发现和创新；可行性指立题时考虑已具备的主、客观条件；实用性指立题有明确的目的和意义。
4.1.2 实验设计的三大要素
实验研究立题后，通常可从题目中反映研究内容最基本的三大要素：即实验对象、处理因素、观察指标。
（1）实验对象的选择 在生理医学研究中，实验对象包括动物、离体脏器或游离肢体、分离而得的活细胞成分或在实验室中已长期培养的细胞或细菌。生理学实验课程中的实验的对象以实验动物为主。实验动物选择合适与否与实验成败及误差大小有很大关系。其选择要点是：①动物种类尽量选择接近于人类而又经济的动物；②根据实验要求进行品种和纯度的选择。在有些实验中，需用纯种（近交系）动物；③动物的健康状态和营养状况良好；④最好选用年龄一致或接近的动物，体重一致或相近的动物。在年龄大小一般应选择发育成熟的年轻动物；⑤动物的性别最好相同。如对性别要求不高的实验可雌雄混用，分组时应雌雄搭配开。与性别有关者，只能用某一性别的动物。
（2）处理因素 实验中根据研究目的，由实验者人为地施加给实验对象的因素称为处
理因素，如药物、某种刺激及手术、某种护理等。在设置处理因素时应注意以下几个问题：
①抓住实验的主要因素 由于因素不同和同一因素不同水平造成因素的多样性，因此在实验设计时有单因素和多因素之分。一次实验只观察一个因素的效应称为单因素。一次实验中同时观察多种因素的效应称为多因素。一次实验的处理因素不宜过多，否则会使分组过多、方法繁杂，受试对象增多，实验时难以控制。而处理因素过少又难以提高实验的广度、深度和效率，同时所需时间较长，费用也很高。因此根据研究目的确定几个主要的、带有关键性的因素。
②处理因素的强度 处理因素的强度就是因素量的大小，如电刺激的强度、药物的剂量等，处理的强度应适当。同一因素有时可以设置几个不同的强度，如一实验药设几个剂量（高、中、低），即有几个水平，但处理因素的水平也不要过多。
③处理因素的标准化 处理因素在整个实验过程中应保持不变，即应标准化，否则会影响实验结果的评价。例如电刺激的强度（电压、持续时间、频率等）、药物质量（来源、成分、纯度、生产厂、批号以及配制方法等）、仪器的参数等应作出统一的规定，并在实验的过程中严格按照这一个规定实施，研究结果才有可比性，最终得出结论。实行处理因素标准化的有效方法是建立和实施每一类实验的标准操作规程，这将保证每个实验都能够按照统一的标准进行，减少因标准不一造成的失败或误差。
④重视非处理因素的控制 非处理因素（干扰因素）会影响实验结果，应加控制，如离体实验时的恒温、恒压、供氧等非处理因素。
（3）观察指标的选择 指标是在实验观察中用来指示（反映）研究对象中某些特征（如对药物的效应）的可被研究者或仪器感知的一种现象标志，也就是说，实验指标是反应试验对象所发生的生理现象或病理现象的标志。指标可分为计数指标和计量指标，或主观指标和客观指标等等。
所选定的指标，至少要符合下述基本条件：
①特异性 指标应特异地反映所观察的事物（现象）的本质，即指标特异地反映某一特定的现象，不致于与其他现象的混淆。如高血压中的血压尤其是舒张压就可作为高血压病的特异指标。
②客观性 最好选用可具体数值或图形表达的指标（脑电图、心电图、血压和呼吸描记、化验检查等等）。因为主观指标（如肝脾触诊、目力比色等）易受主观性因素的影响而造成较大的误差。
③重现性，一般来说，客观性指标在相同条件下可以重现，重现性高的指标一般意味
着无偏性或偏性小，误差小，从而较正确的反映实际情况。重现性小可能与仪器稳定性、操作误差，受试动物的机能状态和实验环境条件影响有关。若非这些因素影响而重现性小的指标不宜采用。
④灵敏性：指标测量的技术方法或仪器灵敏是极其重要的。方法不灵敏，该测出的变化测不出来，就会得出“假阴性结果”，仪器不精密，所获阴性数值不真实。
此外，在选择指标时应注意：客观指标优于主观指标，计量指标优于计数指标，变异小的指标优于变异大的指标，动态指标优于静态指标，如体温、体内激素水平变化等可按时、日、年龄等作动态观察。所选的指标要便于统计分析。
4.1.3 实验设计的三大原则
为了确保实验设计的科学性，除对实验对象、处理因素和观察指标做出合理排外，还必须遵循实验设计的3个原则，即对照、随机和重复原则。这些原则是为了避免和减少实验误差，取得可靠结论所必需的要求。
（1）对照（control）原则 即设立参照物，使处理因素和非处理因素的差异有一个科学的对比。一般来说，实验都应有实验组（处理组）和对照组，对照组与实验组具有同等重要的意义。这是因为在实验中很难避免非实验因素的干扰而造成误差。用对照组的方法能比较有效地消除各种非实验因素的干扰所造成的误差。
对照可分为①同体对照：即同一动物实验前后（或施加特定影响的前后）获得的结果及数据作对照。这种对照可以最大限度地减少抽样误差。②异体对照：在动物实验中，一般是选用体重相近，性别相同者进行配对或分组。③空白对照：指不给任何处理的对照。但在大多数情况下，都必须给对照组一个与实验组条件相同但不加特定影响的处理。④)资料对照：即以文献资料或历史的、他人的资料作为对照。但由于时间、地点和条件不同，差异相当大，动物实验一般不采用。
（2）随机（randomization）原则 随机不是随便而是随机遇而定，也就是指被研究的样本是由总体中任意抽取的，即在抽取时要使每一样本有同等机会被抽取，随机抽样是缩小抽样误差的基本方法。
在实验中，对照组与实验组除某种特定处理因素不同外，其他非特定因素最好是完全一样、均衡。事实上完全一致和绝对均衡是不可能的，只做到基本上的一致和均衡，这主要通过随机抽样来完成。随机抽样方法很多，如抽签法、摸球法等，也可查随机数字来确定，详细方法可参考有关书刊。
（3）重复（replication）原则 每一实验应有足够数量的例数和重复数，样本所含的
数目越大或重复的次数越多，则越能反映机遇变异的客观真实情况，因此重复可反映实验结果的可靠性。但是样本例数很多或实验重复次数很大，非但在实验上有一定困难而且也是不必要的，实验设计就是要使样本的重复次数减少到不影响实验结果的最小限度。
实验结果的重现率至少要超过95%，这样做出假阳性的错误判断的可能性小于5%（P
4.2 实验观察和记录
观察和记录在科学实验活动中，占有十分重要的地位。实验观察应注意对实验的整个过程的观察，实验记录时严谨、细致，实事求是，力戒主观偏性。
要重视原始记录，在实验设计中应预先规定或设计好原始记录方式。原始记录要及时、完整、正确和整洁，不管是什么记录方式都必需写明实验题目、实验对象、实验方法、实验条件、实验者、实验日期、记录好观察测量的结果和数据。图形、图片一定要整理保存。严禁撕页或涂改。
4.3 实验结果的处理
研究者不仅要设法取得原始资料或数据，而且要应用数理统计学原理和方法来处理数据和对数据进行分析判断，从中揭示其变化的规律性。
实验中得到的结果数据称原始资料，分为两大类：计量资料和计数资料。计量资料以数值大小来表示某种变化的程度，如血压值、呼吸频率、尿量、血流量等，这些资料可从测量仪器中读出，也可通过测量所描记的曲线得到。计数资料是清点数目所得到的结果，如动物存活或死亡的数目、有效或无效的数目等。
首先必须把实验中的原始资料或数据完整地收集起来，经过归纳、整理使之系统化、标准化。在取得一定数量标本的原始资料后，即可进行统计学处理，得到可用来对实验某些规律性进行评价的数值。有些数值如率、平均值、标准差、标准误、相关系数等被称为统计指标。经统计学处理的结果数据可制成一定的统计表或统计图，以便研讨所获得的各种变化规律。其次还可作相应的统计学显著性检验或计算某些特征参数等。
在分析判断实验结果时，决不能有研究者的偏见，或者在计算均数或比率时任意将资料取舍。必须实事求是，不能人为地强求实验结果符合自己的假说，而应该根据实验结果去修正假说，使假说上升为理论。
随着计算机生物信号记录分析系统的使用，现代生理学实验已普遍实现了计算机化。有关实验结果数据的测量、统计分析及统计图的绘制均可在计算机上一气呵成，大大提高了工作效率。能实现这些功能的计算机软件有很多种，如Microsoft Execel、SigmaPlot等，作为一名医学生及医学科学工作者，掌握这些都是我们应具备的基本能力，具体方法可参阅相关软件的使用说明。
4.4 研究的结论和研究论文的撰写
科学研究经过实验设计、实验与观察、数据处理，对实验结果进行由表及里的分析，就可做出研究总结、得出结论，并写出论文。这个结论要回答原先建立的假说是否正确，并对实验中发现的现象用所搜集的资料做出理论解释。研究结论是从实验观察结果概括为归纳出来的判断。结论内容要严谨、精炼、准确。
撰写科研论文是科研工作者的重要工作，是以作者自己设计和实施的实验中获得的原始资料为依据而写出的研究论文。一篇高质量的科研论文可以全面概括科研工作的过程，体现研究者工作的新发现、新方法、新观点及其研究价值。并体现研究者的科研水平及科学态度。科研论文写作既是一个阶段研究工作的总结，也是下一个阶段研究的基础。科学价值和表达形式是构成研究论文的两大要素，科研设计和实验结果确定科学价值，表达形式则通过资料整理和写作来反映。由此可见，严密的科研设计和真实、有效的实验结果是高水平研究论文的基础，而准确、完美的表达形式则能充分体现科研的水平与意义。因此，如何撰写高质量的研究论文，除了需要深厚的科研功底外，还有较强的逻辑表达能力，注重科学性、创新性与可读性，做到多读、多思考、多请教、多写、多修改。
实验研究论文的书写与一般的实验报告有所不同，要求按正式论文的格式。具体格式和要求参见1.5节和其他相关书刊。
4.5 实验设计的初步练习
高等医学院校学生应初步具有对生理过程或疾病进行实验研究的能力。学生自行设计生理学科实验是根据已掌握的理论知识和技能，经过逻辑推理，拟出在课程时间范围内的实际条件允许下主要以动物为对象的实验方法，来验证某一问题，以培养初步掌握实验设计原则，以提高教学质量。
在学生完全独立进行生理实验前，或在某些实验章节之后，根据学生已掌握一定的生理知识和实验手段，教师可以提出一些难度不太大，比较切实可行的实验题目，让学生逐步学习实验设计，为学生完全独立进行实验设计打下良好基础。
本实验教程中，在每一个生理实验后面都附有一些与该实验内容相关的探索性问题，以激发学生进一步思考和探索的兴趣，学生可选择其中一些问题，进行实验设计的初步练习。