2025年大學(xué)《生物統(tǒng)計學(xué)》專業(yè)題庫——生物統(tǒng)計學(xué)專業(yè)的實驗設(shè)計方法討論考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述生物統(tǒng)計學(xué)中實驗設(shè)計的基本原則，并說明隨機(jī)化和重復(fù)在實驗設(shè)計中的具體作用。二、比較完全隨機(jī)設(shè)計與隨機(jī)區(qū)組設(shè)計的區(qū)別，指出隨機(jī)區(qū)組設(shè)計主要解決了什么問題？在什么情況下優(yōu)先考慮使用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計？三、解釋什么是析因設(shè)計。說明析因設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是什么？在進(jìn)行析因設(shè)計的數(shù)據(jù)分析時，為什么需要考慮交互作用？四、某研究旨在比較三種不同肥料（A,B,C）對某種作物產(chǎn)量的影響。試驗在五塊土壤性質(zhì)相似的田地上進(jìn)行。每塊田地分為三個小區(qū)，隨機(jī)施用一種肥料。請描述這個試驗的實驗設(shè)計類型，并說明其設(shè)計思路。五、簡述嵌套設(shè)計與析因設(shè)計的區(qū)別。在什么情況下會采用嵌套設(shè)計而不是析因設(shè)計？六、在生物實驗中，處理效應(yīng)的估計往往需要一定的樣本量。簡述樣本量估計的基本原理，并影響樣本量大小的主要因素有哪些？七、什么是阻塞效應(yīng)？在存在阻塞效應(yīng)的情況下，采用完全隨機(jī)設(shè)計可能存在什么問題？如何通過實驗設(shè)計來控制阻塞效應(yīng)？八、某研究人員想研究兩種不同光照強(qiáng)度（高I,低I）和兩種不同溫度（熱T,冷C）對某種植物種子發(fā)芽率的影響。他們計劃進(jìn)行試驗，請?zhí)岢鲆粋€合適的實驗設(shè)計方案，并簡要說明理由。如果除了光照和溫度外，還想知道光照和溫度之間是否存在交互作用，你的設(shè)計需要如何調(diào)整？九、在動物實驗中，常常需要設(shè)置對照組。簡述設(shè)置對照組的幾種主要形式，并說明為什么對照組在實驗設(shè)計中至關(guān)重要。十、在進(jìn)行一項涉及人類參與者的生物醫(yī)學(xué)研究時，實驗設(shè)計需要特別考慮倫理問題。請列舉至少三項在實驗設(shè)計階段需要遵守的倫理原則。試卷答案一、答案：實驗設(shè)計的基本原則包括：重復(fù)（Replication）、隨機(jī)化（Randomization）、局部控制（LocalControl）和配對（Blocking，有時被視為局部控制的特例或其結(jié)果）。重復(fù)是指在相同條件下重復(fù)進(jìn)行試驗單元的處理，目的是估計試驗誤差，提高結(jié)果的可靠性。隨機(jī)化是指試驗單元接受何種處理完全由機(jī)會決定，目的是排除主觀因素對試驗結(jié)果的影響，確保處理效應(yīng)與試驗誤差估計的獨(dú)立性。隨機(jī)化和重復(fù)共同作用，有助于減少系統(tǒng)誤差，使試驗結(jié)果更準(zhǔn)確地反映處理的真實效應(yīng)。解析思路：本題考察對實驗設(shè)計四大基本原則的掌握。首先需列出所有基本原則，然后對隨機(jī)化和重復(fù)的概念進(jìn)行詳細(xì)解釋，并闡明它們各自在控制誤差、減少偏倚方面的作用及兩者結(jié)合的重要性。二、答案：完全隨機(jī)設(shè)計是將所有試驗單元隨機(jī)分配到各個處理組中。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計是將試驗單元按某種相似性（或稱為“區(qū)組”）分組，然后在每個區(qū)組內(nèi)隨機(jī)分配處理。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計主要解決了完全隨機(jī)設(shè)計中可能存在的區(qū)組間系統(tǒng)性差異（即阻塞效應(yīng)）問題，通過將相似單位劃歸一組（區(qū)組），并在區(qū)組內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)化，使得區(qū)組內(nèi)變異被控制在設(shè)計階段，從而更有效地分離處理效應(yīng)和區(qū)組效應(yīng)，提高了試驗的精度。當(dāng)存在明顯的、可識別的系統(tǒng)性差異（區(qū)組效應(yīng)）時，優(yōu)先考慮使用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。解析思路：首先需清晰定義兩種設(shè)計。然后重點(diǎn)闡述隨機(jī)區(qū)組設(shè)計的核心思想——利用區(qū)組控制已知或可識別的變異來源。解釋其相比完全隨機(jī)設(shè)計的優(yōu)勢在于提高了試驗效率（精度），即更有效地分離了處理效應(yīng)和誤差。最后說明適用前提是存在明顯的區(qū)組效應(yīng)。三、答案：析因設(shè)計是一種同時研究兩個或多個因素及其交互作用的試驗設(shè)計。析因設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)在于可以在一次試驗中同時考察多個因素的主效應(yīng)以及這些因素之間是否存在交互作用，大大提高了試驗的效率（用較少的試驗次數(shù)獲得更多的信息）。在析因設(shè)計的數(shù)據(jù)分析時，需要考慮交互作用，因為交互作用表示一個因素的效應(yīng)依賴于另一個因素的水平。如果忽略交互作用進(jìn)行分析，可能會得出錯誤的結(jié)論，掩蓋真實的處理效應(yīng)關(guān)系。解析思路：定義析因設(shè)計的核心內(nèi)容（多因素及其交互作用）。強(qiáng)調(diào)其最核心的優(yōu)點(diǎn)是“效率高”，體現(xiàn)在能同時研究主效應(yīng)和交互作用。解釋為何要分析交互作用，說明交互作用本身的含義（一個因素的效應(yīng)隨另一個因素水平變化），以及忽略交互作用可能導(dǎo)致的錯誤結(jié)論。四、答案：這個試驗的實驗設(shè)計類型是隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。其設(shè)計思路是：首先，根據(jù)土壤性質(zhì)相似這一特征將五塊田地劃分為五個區(qū)組。然后，在每個區(qū)組（即每塊田地）內(nèi)，將三個小區(qū)隨機(jī)分配給三種不同的肥料（A,B,C）。這樣做的目的是控制土壤性質(zhì)這一可能影響作物產(chǎn)量的因素（區(qū)組效應(yīng)），使得每種肥料都能在相對相似的土壤條件下進(jìn)行比較，從而更準(zhǔn)確地評估不同肥料對產(chǎn)量的真實影響。解析思路：識別設(shè)計類型的關(guān)鍵在于判斷是否存在區(qū)組（Blocking）。題目明確提到田地土壤性質(zhì)相似，暗示了可以將其作為區(qū)組。因此判斷為隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。然后描述具體操作：先劃分區(qū)組（按田地），再在區(qū)組內(nèi)隨機(jī)分配處理（肥料到小區(qū)）。最后說明這樣設(shè)計的目的是為了控制土壤差異帶來的影響，提高肥料效果評估的準(zhǔn)確性。五、答案：嵌套設(shè)計是一種特殊的分組試驗設(shè)計，其中較低級別的試驗單位（處理單元）是較高級別試驗單位的一部分。在一個嵌套設(shè)計中，每個高級別試驗單位的處理組合可能只出現(xiàn)在一個高級別試驗單位中，而不會出現(xiàn)在其他高級別試驗單位中。析因設(shè)計則是在每個試驗單元上都可以施加所有可能的處理組合。兩者的區(qū)別在于處理組合的分配方式：嵌套設(shè)計的處理組合是嵌套在試驗單位結(jié)構(gòu)中的，而析因設(shè)計的處理組合是可以在所有試驗單元中任意組合的。當(dāng)試驗因素之間存在明顯的層級關(guān)系，或者低級別因素的試驗單位受高級別因素試驗單位的影響非常大且不可控時，會采用嵌套設(shè)計而不是析因設(shè)計。例如，研究不同飼料（A,B）對豬生長的影響，但每個飼料只在特定的豬舍（S1,S2）中進(jìn)行，且每個豬舍只有有限的空間只能容納部分飼料，這時可采用嵌套設(shè)計。解析思路：首先清晰定義嵌套設(shè)計和析因設(shè)計的核心區(qū)別，重點(diǎn)在于處理組合的分配結(jié)構(gòu)和層級關(guān)系。用簡潔的語言概括差異。然后說明嵌套設(shè)計的適用場景，即當(dāng)存在明顯的、不可忽視的層級結(jié)構(gòu)或試驗單位間的依賴性時，使得析因設(shè)計的處理組合無法或不宜在所有單元中實現(xiàn)時。六、答案：樣本量估計的基本原理是根據(jù)預(yù)期的效果大小（效應(yīng)量）、試驗允許的誤差范圍（或置信區(qū)間的寬度）、顯著性水平（α）和統(tǒng)計功效（1-β）以及試驗單元間的變異程度（方差）等因素，計算出為達(dá)到預(yù)定精度所需的最低試驗單元（或樣本）數(shù)量。影響樣本量大小的主要因素包括：預(yù)期的處理效應(yīng)大?。ㄐ?yīng)量越小，所需樣本量越大）、試驗允許的誤差或置信區(qū)間寬度（允許誤差越小，所需樣本量越大）、顯著性水平α（通常α設(shè)為0.05，α越小，所需樣本量越大）、統(tǒng)計功效（要求的功效越高，所需樣本量越大）以及試驗單元的方差（方差越大，所需樣本量越大）。解析思路：先解釋樣本量估計的基本概念和依據(jù)（考慮的因素）。然后列出影響樣本量大小的主要因素，并簡要說明每個因素的作用方向（越大需要越多樣本，越小需要越少樣本）。需要涵蓋基本原理和關(guān)鍵影響因素。七、答案：阻塞效應(yīng)（BlockingEffect）是指試驗單元內(nèi)部存在的、與處理因素?zé)o關(guān)的系統(tǒng)性差異，這種差異會影響試驗結(jié)果，使得處理效應(yīng)的估計不準(zhǔn)確。在存在阻塞效應(yīng)的情況下，采用完全隨機(jī)設(shè)計可能存在的問題是，這些無法控制的系統(tǒng)性差異會被混入試驗誤差中，導(dǎo)致試驗誤差估計偏大，從而降低了處理效應(yīng)檢測的精度（即增加了I型錯誤或降低了II型錯誤的把握度）。通過實驗設(shè)計來控制阻塞效應(yīng)的主要方法是采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計（或配對設(shè)計）。即將具有相似特征的試驗單元劃歸同一個區(qū)組，在區(qū)組內(nèi)部隨機(jī)分配處理，這樣可以有效地分離出區(qū)組效應(yīng)，從而減少誤差，提高對處理效應(yīng)估計的精度。解析思路：首先定義阻塞效應(yīng)。然后說明完全隨機(jī)設(shè)計在存在阻塞效應(yīng)時的主要弊端（誤差估計不準(zhǔn)確、精度降低）。最后提出解決方案，即采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，并解釋其原理（通過分組控制變異，分離區(qū)組效應(yīng)以減少誤差）。八、答案：一個合適的實驗設(shè)計方案可以是析因設(shè)計。具體方法是：準(zhǔn)備一批植物種子，將它們隨機(jī)分成若干組（每組數(shù)量需足夠進(jìn)行重復(fù)和區(qū)組，如果考慮其他因素如批次或容器影響，也可設(shè)置更多區(qū)組）。然后在每個組內(nèi)，隨機(jī)分配處理兩種光照強(qiáng)度（高I,低I）和兩種溫度（熱T,冷C）的所有可能組合（即高光高溫、高光低溫、低光高溫、低光低溫）共四種處理。每種處理設(shè)置多個重復(fù)（例如，每個處理種100粒種子）。這樣的設(shè)計可以在一次試驗中同時評估光照、溫度各自的主效應(yīng)，以及它們之間是否存在交互作用。如果除了光照和溫度，還想知道光照和溫度之間是否存在交互作用，這個析因設(shè)計本身就是需要考慮交互作用的，分析時需要檢查F檢驗結(jié)果，判斷P值是否小于顯著性水平，以確定是否存在顯著的交互作用。如果交互作用顯著，則意味著光照和溫度的效果不是獨(dú)立的，一個因素的效應(yīng)依賴于另一個因素的水平。解析思路：首先根據(jù)因素數(shù)量（2因素）提出最直接的設(shè)計類型——析因設(shè)計。描述具體的實施步驟：準(zhǔn)備種子、分組、隨機(jī)分配處理組合、設(shè)置重復(fù)。解釋該設(shè)計如何同時考察主效應(yīng)和交互作用。針對第二個問題，說明析因設(shè)計天然具備考察交互作用的能力，分析時需關(guān)注交互作用的統(tǒng)計檢驗結(jié)果及其含義。九、答案：設(shè)置對照組的幾種主要形式包括：空白對照（BlankControl，未施加任何處理或施加安慰劑）、陰性對照（NegativeControl，施加已知無效的處理）、陽性對照（PositiveControl，施加已知有效的處理或標(biāo)準(zhǔn)方法）、歷史對照（HistoricalControl，與過去的研究結(jié)果比較）和自身對照（Self-Control，同一試驗單元在處理前后的比較）。對照組在實驗設(shè)計中至關(guān)重要，因為它提供了一個基準(zhǔn)，用于比較處理效果?？瞻讓φ沼兄谂袛嗵幚肀旧硎欠裼行Щ蚴欠翊嬖诜翘幚硪蛩匾鸬男?yīng)。陰性對照用于確認(rèn)處理確實無效。陽性對照用于確認(rèn)試驗系統(tǒng)有效且處理有潛力。歷史對照和歷史自身對照則用于在缺乏傳統(tǒng)對照組的情況下提供比較基礎(chǔ)。通過設(shè)置合適的對照組，可以排除其他因素的干擾，驗證處理效果的可靠性，從而得出更科學(xué)、更有說服力的結(jié)論。解析思路：先列舉常見的對照組類型，并簡要說明每種類型的含義。然后重點(diǎn)闡述對照組的核心作用——提供比較基準(zhǔn)，排除干擾，驗證效果。通過強(qiáng)調(diào)其重要性，說明其在確保實驗結(jié)論科學(xué)性方面的價值。十、答案：在進(jìn)行一項涉及人類參與者的生物醫(yī)學(xué)研究時，實驗設(shè)計需要特別考慮的倫理原則至少包括：知情同意（InformedConsent），確保參與者在充分了解研究目的、過程、風(fēng)險、收益、保密措施以及有權(quán)隨時退出后，自愿做出決定并簽署同意書；風(fēng)險最小化與受益最大化（MinimizingRiskandMaximizingBenefit），試驗設(shè)計應(yīng)確保對參與者的風(fēng)險（生理、心理、社會等）降至最低，并努力使研究帶來的潛在社會利益最大化；公平與選擇（JusticeandSelection），參與者的招募應(yīng)公平，避免針對特定弱勢群體的剝削，確保選擇標(biāo)準(zhǔn)合理；隱私與保密