2 随机对照实验设计

设计一个实验研究的首要的目标是确定这个实验将证明解释变量对应变量的作用效果。简单的设计是

常常出于混杂作用的原因而不能够完成这个工作。下面是一项严格设计实验的一个例子。

例6 镰刀形红细胞贫血病 。镰刀形红细胞贫血病是一种红细胞遗传紊乱疾病，在美国，它主要影响黑人居民。这种病可以导致剧烈的疼痛和许多并发症。1992年，美国国立卫生院（The National Institute of Health，NIH）开始一项用药物羟（基）脲治疗镰刀形红细胞贫血病的研究。受试者是300名成年病人，他们在上一年中至少有3次发作由于镰刀形红细胞贫血病所导致的疼痛的经历。

简单地给所有的300名受试者进行羟（基）脲药物治疗将会混杂安慰剂效应的治疗作用，若受试者知道他们是一个实验研究中的受试者，也将产生混杂。若一半受试者接受羟（基）脲药物治疗，而另外一半受试者服用一种看起来和尝起来都与治疗药物一样的安慰剂。对于所有的受试者，除了他们服用药物的成分不同外，其他的处理都完全相同（例如，相同的医学检查计划）。这样那些暗藏变量对两个组受试者的影响作用是相同的，因此在他们的平均应答结果之间将不会导致任何差异。服用安慰剂的组被称为 对照组 ，这是因为它具有控制暗藏变量的作用。

这两个组的受试者在开始服用药物之前必须在所有的方面都相似。正如抽样过程，避免在选择受试者服用羟（基）脲药物过程中出现偏性的最佳方法是按非人为（客观）的机率做出选择。由一个由150名受试者组成的SRS样本形成了服用羟（基）脲药物组；剩下的150人构成了对照组。下面是这项实验研究设计的概括：

1995年1月，这项实验研究相对原来的计划提前结束，因为服用羟（基）脲药物组受试者疼痛发作次数仅仅是对照组受试者发作次数的一半。这是一个令人注目的证据，它表明羟（基）脲药物是治疗镰刀形红细胞贫血病的一种有效治疗方法，同时对于那些遭受这种严重疾病痛苦的人来说也是一个好消息。

例6演示了最简单的 随机对照实验 研究是如何设计的。在这个研究中，对比了2种治疗方法。上面的简略图概括了有关这种设计的必要信息：随机分配；每一种治疗方法是一个组；每一组中受试者的数目（一般保持各个组具有相同的人数是最佳的）；每一组受试者的治疗方法是什么；将要比较的应变量。如何完成将受试者随机分配到各个组中去的工作？那就是将这300名受试者标记为001～300的数字，然后从随机数字表（附录1表1）中阅读3位数字一组的数，一直到为第一组选择出了150名受试者，剩下的150名受试者组成第二组。

如果要对比2个以上的治疗方法的效果，可以将获得的实验个体或者受试者随机地分配到与治疗方法数量同样多的组中。

例7 补充肌酸。 肌肉力量是运动员一切素质的基础，因此与绝大多数项目运动员的运动能力高低存在着密切的联系。许多运动营养品公司研发出各种各样的营养补剂促进运动员训练过程中骨骼肌力量的增长。一家运动营养品公司新开发出了肌酸和谷氨酰胺胶囊，旨在增加运动员骨骼肌力量。这两个新产品在增加运动员骨骼肌力量方面的效果如何呢？这家公司决定设计一个实验研究这个问题。

这项实验研究对这两种营养补剂（肌酸和谷氨酰胺）进行了相互比较，同时也包括一个对照组。两个实验组的运动员在他们进行力量训练的过程中分别按照规定的剂量补充肌酸或者谷氨酰胺。对照组的运动员在他们进行力量训练的过程中没有得到任何营养补剂的帮助。其应变量是运动员在补充营养补剂前后肌肉力量的增长。这家公司选取了60名举重运动员参加这项研究，随机分配20名运动员到这三种处理方法所对应的每一个组中。这个实验设计的概要如下：

为了完成受试者随机分配的工作，将这60名运动员编号为01～60。然后进入附录1表1中，并选择一个包含20名运动员的SRS样本在力量训练过程中补充肌酸。继续在附录1表1中查找，选择出另外20名运动员补充谷氨酰胺。剩下的20名运动员形成对照组。

实验设计的逻辑性

随机对照实验设计 是最重要的统计思想之一。它的这种设计可以得到原因和结果关系的结论。所以务必确保理解下面的这些逻辑关系：

▶随机过程所产生的各个组中的实验个体在使用有关的处理方法前在各个方面应该是相似的。

▶对照设计确保了除实验处理因素外任何其他的影响对各组的作用是相同的。

▶应变量的差异一定是由于不同的处理方法作用的结果。

使用机率来选择各个组的目的是为了在分配受试者到各个组的过程中消除任何系统的偏性。例如，在镰刀形红细胞的研究中，医生可能会下意识地将病情最严重的病人分配到羟（基）脲药物治疗组，以希望这个未经过检测的药物有助于他们病情的好转。这将使这个实验偏向于不利于羟（基）脲药物治疗的方向。选择一个受试者的SRS成为第一组的方法就给予了每一位受试者成为任何一个组中一员的相同机会。这两个组在所有的方面都应相同，它们包括：年龄、患病的严重程度、吸烟或者不吸烟等方面。例如，即使受试者是吸烟者的情况不明，机率也会倾向于向两个组中分配相等数量的吸烟者。

然而随机分配并不能够保证各个组在所有方面都相似。虽然在选择各个组的时候不存在任何偏性，但是可能由于坏运气而导致将所有的吸烟者都分配到同一个组中。如果只有少数几个受试者，上述这种情况是很容易出现的。但每个组只有2名受试者的实验研究的结果是不可相信的。对于每个组有150个受试者的实验研究来说，吸烟者几乎会在各个组之间平均分配。正如在抽样过程中更倾向于大样本那样，实验研究也倾向于许多受试者。一项随机实验研究的结果像一个随机抽样的结果那样取决于机率。然而，在这两种情况下，概率的有关法则描述了在这些过程中存在的机率的变化范围。更多的受试者意味着在不同处理方法的各个组之间更小的机率变化，同时意味着这项实验研究结果的更小的机率变化。“使用足够的受试者”结合“处理方法的对比”和“随机化”已经作为实验研究的统计学设计的一条基本的原则。

统计学上的显著性

机率变化的存在要求我们更加密切地关注随机对照实验的逻辑关系。在羟（基）脲药物治疗组和对照组间疼痛发作平均次数的任何差异并不能说明一定是由于这种药物的作用。即使是两个治疗方法是相同的，两个组在疼痛发作方面仍然存在一些差异，这是因为受试者总会存在一些的个体差异。即使是随机化过程消除了各个组间的系统差异，但仍然可能存在机率差异。当然，我们应该坚持在应答上如此大的一个差异的出现不太可能仅仅是因为机率变化所导致的。

羟（基）脲药物治疗组受试者疼痛发作平均次数与对照组受试者疼痛发作的平均次数间的差异是“高统计学显著水平”。这意味着为为此一个巨大差异仅仅是机率的原因几乎是从来不会发生的。有强有力的证据表明羟（基）脲药物在帮助遭受镰刀形红细胞贫血病痛苦的患者方面胜过安慰剂的作用。在许多领域中的研究的报告中，“统计学显著”这个短语会经常出现，它告诉我们，研究人员找到了支持他们研究结果的有力证据。

练习2

2.10 假设你正在测验一个被用于预防一种疾病的病毒疫苗。有10只大白鼠作为研究对象（它们的名字如下），你将把它们暴露在病毒中，感染后未受保护的大白鼠常常死亡。

（a）请简要列出一个实验设计来测验这个疫苗的效果。利用例6中的图形作为一个模型。

（b）利用附录1表1中第140行完成这个随机分配过程。

2.11 钙与血压。一些医学研究人员想证明在饮食中增加钙是否可以降低血压。现在有40名高血压患者愿意充当受试者。

（a）概括一个合理的实验设计，同时要考虑安慰剂的作用效果。利用例6中的简图作为一个模型。

（b）受试者的名字如下。利用附录1表1中第111行来完成实验设计中所要求的随机化过程。请列出你将要给药的受试者名单。

2.12 作为数据资料的医学记录。一项大型的研究利用加拿大国家医疗系统的记录对比了治疗前列腺疾病的两种方法的效果。这两种治疗方法分别是传统的手术治疗方法和一种不需要手术的新治疗方法。这个记录描述了许多病人的医生选择了某一种治疗方法。研究发现，用这种新方法治疗的病人在8年内死亡的可能性比传统手术方法高。

（a）对这些数据资料的进一步研究表明，这个结论是错误的。接受新治疗方法的病人额外死亡情况的发生可以被一些隐藏变量解释。可能与医生选择手术治疗或者非手术治疗混淆在一起的隐藏变量是什么？

（b）假如你有300名前列腺疾病患者愿意充当一项对比这两种治疗方法好坏的实验的受试者。请利用一个示意图概括一个随机对照实验的设计。

（c）利用附录1表1选择手术组受试者的前5位受试者。请解释你是如何使用这个表格的。

2.13 你希望比较3种治疗方法在预防流行性感冒中的效果：（1）一种流感疫苗；（2）每天1克（g）维生素C；（3）每天服用一种安慰剂。请描述你将在一个设计好的实验研究中如何利用600名志愿者比较这三种治疗方法的作用效果。（不需做任何随机化过程，但是一定要有一个图解显示你的实验设计。一定要指定你的应变量。）

2.14 为了演示随机化是如何降低混淆作用的，我们来考虑下面的几种情形：一位营养学实验组织者试图比较刚断奶的雄性大鼠用饮食A喂养和用饮食B喂养所导致的体重增加。为了进行对比，她分别用每一种饮食方案喂养10只大鼠。她有10只遗传品系1的大鼠和10只遗传品系2的大鼠。品系1大鼠相对更加有活力，所以如果10只品系1大鼠用饮食A喂养，那么品系的作用效果和饮食的作用效果将发生混淆，因此这个实验的结果将偏向于饮食A。

（a）将这些大鼠标记为00，01，…，19。利用附录1表1将10只大鼠随机分配到饮食A组。利用这个表中不同的部分做4次这种分配，并记录下来分配到饮食A的这4组。

（b）假如你并不知道标记为00，02，04，06，08，10，12，14，16和18的10只大鼠是品系1大鼠。那么在你所选择的4组饮食A组大鼠中的每一组中这样的大鼠有多少只？被分配到饮食A组中的品系1大鼠平均有几只？

2.15 单独比较本身并不能够使一项研究成为一个实验。在本章的第一个部分中的例2是一个比较两组的观察研究，但是它并不是一个实验。请描述清楚一项比较观察研究与一项比较实验之间的差异。比较实验研究相对比较观察研究的优点是什么？

2.16 你在一个学术期刊中读到“严格对照的科学研究表明，太极拳运动对于改善或者治疗诸如高血脂、失眠、糖尿病和哮喘等疾病是有效的。”请用简单的语言解释这篇文章中“严格对照的科学研究”的含义和这样的研究为什么可以表明太极拳运动对于一些医学问题是有效的治疗方法。

2.17 钙和高血压。一项随机对照实验检测了在饮食中补充钙是否能够降低健康男性的血压。受试者接受一种钙补充剂或者一种安慰剂12周的补充。研究人员得出结论，“钙补充组的血压比安慰剂补充组的血压显著低。”在这个结论中的，“显著”是指统计学上的显著性。解释在这个实验中，统计学上的显著性的含义是什么？在解释的过程中感觉就好像你在对一位不懂统计学的医生解释。

2.18 某医院的运动医学科调查了国家体操队运动员的损伤情况。这项研究报告称，“对于竞技体操运动员来说，研究发现损伤次数在不同训练年限的运动员之间存在统计学上的显著性差异，训练年限越长的运动员损伤发生的次数越多；在男运动员和女运动员损伤发生的次数之间没有显著性的差异。”请使用通俗的语言解释训练年限和性别对体操运动员损伤次数影响的结论。

2.19 理解新闻。下面的有关内容是摘自报纸中的一个联合新闻专电。

联合新闻专电：

对于肥胖的男人来说，减轻体重是比运动更加明智的选择

一项新的研究建议，对于心脏最好的运动就是将自己从办公桌前推开。

一项对肥胖男性的研究发现，减轻体重本身相对有氧运动在降低心脏疾病发生危险性方面将更好地起作用。

美国马里兰州立大学医学院的Leslie I. Katzel博士和她的同事们对111名年龄在46～60岁的安静肥胖的男性进行了研究，他们发生了20％～60％的肥胖，否则他们是健康的。

这些男性受试者被分为几个组：其中一个组进行减体重但不运动；第二个组运动但不减体重；第三个组既不运动也不减体重。

研究人员惊奇地发现，减体重明显产生了比单纯运动更好的效果：

减体重组血液中“好的”胆固醇水平增加了13％，而运动组中实际上没有变化。

与运动组2％～3％的血压降低相比较，减体重组血压降低了8％。

Katzel说“基于这些结果，我们感觉到如果你是肥胖的，那么你真的需要进行减体重来降低你发生心脏疾病的机会。”

Katzel说，我们希望这些结果在女性中是相似的。

（a）这个实验比较了什么治疗方法？它提到了什么应变量？

（b）关于这个实验的设计有什么重要信息出现在了这篇文章中？

（c）有没有被省略掉的重要信息？如果有，它们是什么？

（d）基于这篇文章中所提供的信息和你对合理实验设计的知识，概括你对这个实验设计好坏的看法。 az2gk4ySW7gKArnQW7v3TzqcsdzTiQdziIr6UfEEae7J1T3oTmUlADfu1JLjBc5A