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将一组随机抽取的实验对象随机分配到两组或多种处理组，观察比较不同处理因素的效应（或结果），这种研究称为实验研究（experimental study）。
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实验设计是关于实验研究的计划、方案的制定，良好的实验设计是顺利进行实验和统计分析数据结果的先决条件，也是使实验研究获得预期结果的重要保证。
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实验研究的基本要素包括处理因素、受试对象和实验效应三部分。
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1．处理因素
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在实验过程中，影响实验结果的因素是多方面的，根据研究目的可分为处理因素和非处理因素二类。处理因素是指研究者通过统计研究设计有计划的安排实验，从而科学地考察其作用大小的因素，例如刺激的性质、大小、作用时间等；非处理因素是指对评价处理因素作用有一定干扰但研究者并不想通过实验考察其作用大小的因素，例如，动物的性别、年龄等。选择处理因素应遵循以下基本原则：
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（1）由于研究目的不同，以及人力、物力和时间所限，研究者不可能通过一次或几次实验中把已知的所有因素都进行处理与分析。可根据专业知识和研究目的在众多因素与水平中抓住主要的因素，因素的水平数不宜过多，否则使分组增多，在实际工作难以控制；处理因素过少，又难以提高实验的广度和深度。
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（2）要分清处理因素和非处理因素。研究者应采取各种措施，尽可能使非处理因素在所比较的各组中基本相同，以便充分显示处理因素的作用。同时，处理因素的强度要适当。
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（3）处理因素必须标准化。处理因素标准化就是如何保证处理因素在整个实验过程中始终如一，保持不变。如在进行药物疗效的试验观察中，在整个试验过程中，所使用药物的生产厂家、批号、药品标准等必须一致。所以，在实验设计时，必须制定处理因素标准化的具体措施和方法。
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2．受试对象
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实验动物的选择，因研究课题不同，对动物的要求也不同。动物的选择要注意动物的种类及品系、年龄、性别、体重、窝别和营养状况等。
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生理心理学实验中被试的选择，被试可分为病人和健康人。病例的选择应该有明确的纳入和排除标准，被试的依从性好，能真实可靠地反映主观感受。依从性是指被试在实验过程中对于处理因素的服从程度。同时，要尊重被试的权利，必须遵守实验的伦理要求。
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3．实验效应
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一般是通过某些观察指标，定量或定性地反映实验效应。研究者应当对欲研究的问题有较为全面的了解，在实验设计中千万不要遗漏了某些重要的观察指标，以免实验结果不可靠。选择观察指标的基本原则如下：
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（1）客观性。可以选择客观指标，避免一些笼统的、不确切的指标。有时，客观指标还具有判断的主观性问题，如猫的假怒行为是客观的，但判断时存在主观性问题，所以，对于这种情况，须制定明确的判断标准。
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（2）精确性。选用的指标应尽量精确。指标的精确性包括准确性和精密性，准确性是指所观察结果的真实程度，即观测值与真值的接近程度，属系统误差；精密性是指所观察结果的深度，即重复观测时，观测值与平均值的接近程度，属随机误差。实验效应指标既要准确又要精密，而首先是准确可靠。
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（3）灵敏性。应尽量选择高灵敏性的指标，即选择能够显著提高灵敏性的仪器对观察指标进行测量。但也要考虑实验经费问题，灵敏度高的仪器，往往费用昂贵，应根据实验经费，选择既相对廉价，灵敏度又高的测量方法。
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（4）指标的观察。对实验效应的观察应避免偏倚，例如，实验者都期望阳性结果出现。可以采用双盲设计来进行控制。
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三、实验设计的基本原则
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实验设计除了对实验对象、处理因素、观察指标做出合理的安排以外，还必须遵循实验设计的四个原则，即对照原则、随机原则、重复原则和均衡原则。
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1．对照原则
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有比较才有鉴别，对照是比较的基础。所谓对照就是要设立参照物，在实验分组时必须设立处理组和对照组。对照原则要求处理组和对照组除了处理因素外其他可能影响实验的因素应力求一致。对照形式有：
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（1）空白对照，又称正常对照，指不对受试对象做任何处理的对照。例如，实验组动物给药，而对照组动物不给药。
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（2）假处理对照，又称实验对照，指不进行实验特定的处理，其余处理相同的对照。例如，实验组动物做手术摘除卵巢，假处理对照组的动物只做开腹手术再缝合，而不摘除卵巢。
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