Bài giảng Thiết kế thí nghiệm - Chương 3: Một số khái niệm về thiết kế thí nghiệm

Chương 3<br /> <br /> M t s khái ni m v thi t k thí nghi m<br /> <br /> Thi t k thí nghi m là l p k ho ch nghiên c u nh m tìm ra nh ng v n ñ m i ho c kh ng<br /> ñ nh l i ho c bác b k t qu c a nh ng nghiên c u trư c ñó. Thông qua thí nghi m, ngư i<br /> nghiên c u có th tìm ñư c câu tr l i cho m t s v n ñ ñ t ra ho c rút ra ñư c k t lu n v<br /> m t hi n tư ng nào ñó. Theo m t nghĩa h p, thí nghi m ñư c thi t k trong m t môi trư ng<br /> qu n lý nh m nghiên c u nh hư ng c a m t hay nhi u y u t lên các quan sát.<br /> <br /> 3.1.<br /> <br /> Phân lo i thí nghi m<br /> <br /> Theo b n ch t c a thí nghi m, các thí nghi m có th chia thành hai lo i : 1) thí nghi m quan<br /> sát, 2) thí nghi m th c nghi m. Trong ph n thi t k thí nghi m c a giáo trình này, chúng tôi<br /> s t p trung vào các thí nghi m th c nghi m.<br /> Trong chăn nuôi, thú y, các thí nghi m thư ng t p trung vào 2 lĩnh v c : 1) các nghiên c u<br /> trong thú y v tình hình d ch b nh và các bi n pháp phòng, ñi u tr b nh ; 2) các nghiên c u<br /> trong chăn nuôi v dinh dư ng, năng su t và di truy n v t nuôi.<br /> 3.1.1.<br /> <br /> Thí nghi m quan sát<br /> <br /> Trong thí nghi m quan sát, ta ch ñơn thu n quan sát các ñ ng v t thí nghi m và ghi l i các<br /> d li u liên quan ñ n các tính tr ng quan tâm. Chúng ta không tác ñ ng ñ can thi p vào s<br /> t n t i c a ñ i tư ng quan sát. Trong lo i thí nghi m quan sát, các ñ ng v t không th b trí<br /> m t cách ng u nhiên v các nghi m th c.<br /> ði u tra là m t trư ng h p ñ c bi t c a thí nghi m quan sát. Trong ñi u tra, chúng ta ti n<br /> hành ki m tra toàn b ho c m t nhóm ñ ng v t ñ tìm ra các giá tr c a nh ng tham s khác<br /> nhau trong qu n th . ði u tra có th là m t trong các trư ng h p sau :<br /> 1) ði u tra qu n th - ti n hành ki m tra t t c các ñ ng v t trong qu n th<br /> 2) ði u tra m u - ti n hành ki m tra nh ng nhóm ñ ng v t ñ i di n và d a vào k t qu<br /> ñi u tra ta có th rút ra k t lu n cho c qu n th .<br /> 3.1.2.<br /> <br /> Thí nghi m th c nghi m<br /> <br /> Trong thí nghi m th c nghi m, chúng ta can thi p vào nghiên c u b ng cách áp d ng các<br /> công th c thí nghi m khác nhau lên các nhóm ñ ng v t nghiên c u. Sau ñó chúng ta ti n hành<br /> quan sát nh hư ng c a các công th c thí nghi m lên ñ i tư ng nghiên c u. ð i v i lo i thí<br /> nghi m này, các ñ ng v t ñư c b trí m t cách ng u nhiên ñ i v i các công th c thí nghi m<br /> trong quá trình thi t k .<br /> <br /> 34 Thi t k thí nghi m<br /> <br /> 3.2.<br /> <br /> M t s khái ni m trong thi t k thí nghi m<br /> <br /> 3.2.1.<br /> <br /> Y u t thí nghi m<br /> <br /> Y u t thí nghi m là m t bi n ñ c l p g m hàng lo t các ph n t có chung m t b n ch t mà<br /> có th so sánh trong quá trình th c hi n thí nghi m. Ví d như m t gi ng v t nuôi, ki u gen<br /> Halothane l n, hàm lư ng protein trong kh u ph n, thu c kháng sinh, v c xin trong phòng<br /> và ñi u tr b nh,…<br /> M t thí nghi m có th có m t ho c nhi u y u t thí nghi m và các y u t thí nghi m này có<br /> th là y u t c ñ nh ho c y u t ng u nhiên.<br /> 3.2.2.<br /> <br /> M c<br /> <br /> Các ph n t riêng bi t khác nhau trong cùng m t y u t thí nghi m ñư c g i là m c. Ví d ta<br /> có m t y u t thí nghi m là ki u gen Halothane l n thì ta s có 3 ph n t khác nhau tương<br /> ng v i 3 ki u gen (NN, Nn, nn) hay còn ñư c g i là 3 m c. Ho c khi nghiên c u nh hư ng<br /> c a protein ñ n s n lư ng s a bò ta có th nghiên c u 3 m c protein khác nhau. Trong thú<br /> y, các nhà nghiên c u hi u qu ñi u tr b nh c a các lo i thu c khác nhau ; có th coi m i<br /> lo i thu c tương ñương v i 1 m c.<br /> 3.2.3.<br /> <br /> Nghi m th c (công th c thí nghi m)<br /> <br /> M t t h p các m c c a các nhân t ñư c g i là m t nghi m th c hay công th c thí nghi m.<br /> Ví d nghiên c u nh hư ng c a protein 3 m c khác nhau ñ n s n lư ng s a bò, trong<br /> trư ng h p này ta s có 3 công th c. Ta xét m t hoàn c nh tương t nhưng có thêm y u t th<br /> 2 là th c ăn tinh 2 m c, lúc này s có t t c 6 công th c thí nghi m.<br /> 3.2.4.<br /> <br /> ðơn v thí nghi m<br /> <br /> ðơn v th c hi n nh nh t ng v i m t công th c ñư c g i là ñơn v thí nghi m. ðơn v thí<br /> nghi m trong chăn nuôi, thú y thư ng là t ng ñ ng v t nhưng ñôi khi là m t nhóm ñ ng v t,<br /> ví d nghiên c u tiêu t n th c ăn ñ i v i m t kg tăng tr ng, trong th c t ta không th theo<br /> dõi ñư c lư ng th c ăn thu nh n c a t ng v t nuôi mà ta ch bi t ñư c s th c ăn thu nh n<br /> ñư c c a m t nhóm g m nhi u cá th khác nhau. T c là t m t nhóm cá th như v y ta ch<br /> có m t quan sát duy nh t, ñây cũng chính là ñi u mà các nhà nghiên c u c n ph i chú ý.<br /> 3.2.5.<br /> <br /> D li u (s li u)<br /> <br /> N u ñơn v thí nghi m là m t cá th thì sau khi cân, ño ta ñư c m t d li u (data) hay m t<br /> quan sát (observation). N u ñơn v là m t nhóm g m nhi u cá th thì có th cân, ño chung cho<br /> c nhóm ho c l y m t s cá th nh t ñ nh trong nhóm ñ cân, ño sau ñó suy ra m t d li u<br /> chung cho ñơn v thí nghi m. Các s li u c a các nhóm có th lưu tr ñ ñánh giá sai s c a<br /> ñơn v thí nghi m.<br /> 3.2.6.<br /> <br /> Kh i<br /> <br /> T p h p các ñơn v thí nghi m có chung m t hay nhi u ñ c tính ñư c g i là kh i.<br /> 3.2.7.<br /> <br /> L pl i<br /> <br /> M i công th c, tr trư ng h p ñ c bi t , ñ u ñư c l p l i m t s l n nh t ñ nh. S l n l p l i<br /> thư ng ch n b ng nhau vì nhìn chung, ñ i v i nhi u mô hình, khi các l n l p c a các công<br /> th c b ng nhau có th ñưa ra các công th c tính khá thu n ti n và ñơn gi n. N u s l n l p<br /> <br /> Chương 3 M t s khái ni m v thi t k thí nghi m 35<br /> <br /> không b ng nhau thì ph i s d ng cách tính theo mô hình h i quy nhi u bi n t ng quát khá<br /> ph c t p, kèm theo ñó vi c ki m ñ nh các gi thi t, ñ c bi t vi c tính các kỳ v ng c a các<br /> trung bình bình phương, cũng g p r t nhi u khó khăn.<br /> Trong th c t , s l n l p b ng nhau nhưng trong quá trình thí nghi m ta ít khi thu th p ñư c<br /> ñ y ñ d li u vì có m t s ñ ng v t b ch t ho c b lo i th i do không ñáp ng ñư c các yêu<br /> c u c a thí nghi m. S lư ng ñ ng v t thí nghi m s ng sót ñ n khi k t thúc thí nghi m ph<br /> thu c vào t ng lo i thí nghi m và loài v t nuôi khác nhau. N u m t ít d li u, có th tìm cách<br /> thay th d li u b m t b ng t h p c a các d li u còn l i theo m t công th c c th , kèm<br /> theo s ñi u ch nh c a các b c t do tương ng ; ngư c l i, ph i coi như s l n l p khác nhau<br /> và dùng mô hình h i quy t ng quát.<br /> 3.2.8.<br /> <br /> Nh c l i<br /> <br /> Nh c l i là làm l i thí nghi m trong ñi u ki n tương t có th ñ k t lu n ñ t m c ñ tin c y.<br /> 3.2.9.<br /> <br /> Nhóm ñ i ch ng<br /> <br /> Là nhóm ñ ng v t thí nghi m ñư c t o ra trong quá trình b trí thí nghi m nhưng ñư c nuôi<br /> dư ng, chăm sóc trong ñi u ki n bình thư ng hi n có.<br /> <br /> 3.3.<br /> <br /> Các bư c ti n hành thí nghi m<br /> <br /> M t thí nghi m thư ng ñư c b trí và có th mô t qua các bư c sau : 1) ð t v n ñ , 2) Phát<br /> bi u gi thi t, 3) Mô t thi t k thí nghi m, 4) Th c hi n thí nghi m (thu th p s li u), 5) Phân<br /> tích s li u thu th p ñư c t thí nghi m và 6) Gi i thích k t qu liên quan ñ n gi thi t.<br /> L p k ho ch cho m t thí nghi m b t ñ u b ng vi c nêu lên nh ng v n ñ c p thi<br /> ñó là t p h p các tài li u liên quan bao g m c nh ng nghiên c u trư c ñó; ti p ñ<br /> hư ng gi i quy t v n ñ . Sau nh ng v n ñ v a nêu, m c ñích nghiên c u ñư<br /> M c ñích nghiên c u ph i rõ ràng b i vì các bư c ti p theo trong quá trình thi t k<br /> ñ u ph thu c vào m c ñích ñ t ra.<br /> <br /> t ; bên c nh<br /> n là nêu lên<br /> c xác ñ nh.<br /> thí nghi m<br /> <br /> Bư c ti p theo là xác ñ nh nguyên li u và phương pháp phương pháp nghiên c u. Thi t k thí<br /> nghi m ph i mô t s li u ñư c thu th p như th nào. S li u có th thu th p t các nghiên<br /> c u quan sát t các quá trình t nhiên ho c t các thí nghi m ñư c b trí trong môi trư ng thí<br /> nghi m. N u chúng ta bi t thông tin nào ñư c thu th p và b ng cách nào s ñư c s d ng ñ<br /> thu th p các s li u này, thì vi c rút ra k t lu n s d dàng và hi u qu hơn r t nhi u. ði u này<br /> ñúng v i c thí nghi m quan sát và thí nghi m th c nghi m ; ñ ng th i cũng r t quan tr ng ñ<br /> phát hi n ra nh ng thông tin b t ng d n ñ n nh ng k t lu n m i.<br /> ð<br /> m<br /> th<br /> th<br /> <br /> i v i các nhà th ng kê, thi t k thí nghi m là ñ t ra các tiêu chu n ñ s d ng khi ch n<br /> u. ð i v i thí nghi m th c nghi m vi c thi t k thí nghi m bao g m: xác ñ nh các nghi m<br /> c, xác ñ nh các ñơn v thí nghi m, s l n l p l i, vi c b trí các ñơn v vào các nghi m<br /> c, các sai s thí nghi m có th m c ph i.<br /> <br /> Gi thi t th ng kê thư ng ñi theo sau gi thi t nghiên c u. Ch p nh n hay bác b gi thi t<br /> th ng kê giúp tìm ñư c câu tr l i cho m c ñích nghiên c u. Trong ki m ñ nh gi thi t các<br /> nhà th ng kê s d ng mô hình th ng kê. Mô hình th ng kê theo sau mô hình thí nghi m<br /> thư ng ñư c gi i thích v i các công th c toán h c.<br /> Thu th p s li u ñư c th c hi n theo thi t mô hình thi t k thí nghi m. Phân tích th ng kê<br /> ñư c ti n hành sau khi thu th p ñư c s li u bao g m phân tích, miêu t và gi thích k t qu .<br /> <br /> 36 Thi t k thí nghi m<br /> <br /> Mô hình s d ng trong phân tích ñư c xây d ng d a trên m c ñích và mô hình thí nghi m.<br /> Thông thư ng cách phân tích s li u ñư c xác ñ nh trư c khi thu th p s li u ; ñôi khi l i<br /> ñư c xác ñ nh sau khi thu th p s li u n u ngư i nghiên c u tìm ñư c m t cách t t hơn ñ rút<br /> ra k t lu n ho c xác ñ nh ñư c m t khía c nh m i liên quan ñ n v n ñ nghiên c u.<br /> Cu i cùng, ngư i nghiên c u ph i có kh năng rút ra k t lu n ñ hoàn thi n m c tiêu nghiên<br /> c u. K t lu n ph i rõ ràng và chính xác. Ngư i nghiên c u ph i th o lu n các ng d ng vào<br /> th c t c a nghiên c u ñ ng th i nêu ra nh ng kh năng ñ t ra trong tương lai liên quan ñ n<br /> v n ñ tương t .<br /> <br /> 3.4.<br /> <br /> Sai s thí nghi m<br /> <br /> B n ch t c a v t li u sinh h c là s bi n ñ ng. Toàn b s bi n ñ ng này có th phân chia<br /> thành ph n bi n ñ ng có th gi i thích ñư c và không gi i thích ñư c. M i ñơn v thí nghi m<br /> (yij) có th ñư c bi u di n như sau :<br /> yij = µi + eij<br /> Trong ñó, µ là giá tr ư c tính miêu t s nh hư ng gi i thích ñư c c a nhóm th i và eij nh<br /> hư ng không gi i thích ñư c. Vì v y, các quan sát (yij) khác nhau nguyên nhân là do nh<br /> hư ng gi i thích ñư c c a các nhóm (i) khác nhau và các nh hư ng không gi i thích ñư c<br /> (eij) khác nhau. Ư c tính µi ñư c gi i thích do nh hư ng c a nhóm i, nhưng s khác nhau<br /> gi a các ñơn v thí nghi m trong cùng m t nhóm thì không th gi i thích ñư c. Bi n ñ ng này<br /> thư ng ñư c g i là sai s thí nghi m.<br /> Sai s thí nghi m có th bao g m 2 d ng sau ñây : sai s ng u nhiên và sai s h th ng. Sai s<br /> h th ng là các nh hư ng nh t ñ nh làm l ch các giá tr ño ñư c trong m t nghiên c u. Sai s<br /> này có th xu t phát t s thi u ñ ng nh t trong quá trình th c hi n thí nghi m, có th do<br /> d ng c thí nghi m không ñư c hi u ch nh, do nh hư ng c a nhi t ñ không n ñ nh, do<br /> thiên l ch trong quá trình s d ng thi t b . N u s thiên l ch này ñư c phát hi n thì hi u ch nh<br /> là bi n pháp hi u qu nh t. Chúng cũng ñ c bi t khó gi i quy t n u không phát hi n ñư c vì<br /> chúng nh hư ng lên các giá tr m t cách có h th ng nhưng không bi t theo xu hư ng nào.<br /> Sai s ng u nhiên xu t hi n do các tác ñ ng ng u nhiên, không d ñoán ñư c. Chúng t o ra<br /> các bi n ñ ng không gi i thích ñư c. Kỳ v ng c a bi n ñ ng này b ng 0 vì v y khi có m t<br /> lo t các quan sát thì các tính toán d a vào trung bình s không b thiên l ch v m t hư ng.<br /> Trong sinh h c luôn t n t i sai s ng u nhiên ví d trong chăn nuôi, các ñ ng v t khi ño hay<br /> phân tích m t ch tiêu nào ñó, luôn cho các k t qu khác nhau tuy có th không l n l m.<br /> ð gi m ñư c sai s có h th ng và s thiên l ch ta xem xét 2 gi i pháp sau ñây:<br /> 1) B trí ñ ng v t vào các nghi m th c và<br /> 2) Phương pháp làm mù<br /> <br /> 3.5.<br /> <br /> B trí ñ ng v t vào các nghi m th c<br /> <br /> 3.5.1.<br /> <br /> S c n thi t c a phân chia ng u nhiên<br /> <br /> S thiên l ch có th xu t hi n trong quá trình phân chia ñ ng v t vào các nghi m th c. S<br /> thiên l ch này có th do y u t ch quan. Ví d chúng ta phân chia các ñ ng v t vào các<br /> nghi m th c theo s thích ch quan (thích nghi m th c nào thì b trí các ñ ng v t ‘t t ‘,<br /> <br /> Chương 3 M t s khái ni m v thi t k thí nghi m 37<br /> <br /> không thích thì b trí ñ ng x u’) ho c có s khác nhau có h th ng gi a nhóm ñ i ch ng và<br /> nhóm thí nghi m, lúc ñó chúng ta không th k t lu n ñư c s sai khác sau khi th c hi n thí<br /> nghi m là do nh hư ng c a nghi m th c hay do s khác nhau có h th ng .<br /> M t phương pháp ti p c n hay ñư c s d ng ñ lo i b s thiên l ch này là b trí ng u nhiên<br /> hay còn g i là ng u nhiên hoá các ñ ng v t thí nghi m vào các nghi m th c. Trong quá trình<br /> b trí chúng ta phân ñ ng v t vào các nghi m th c v i các yêu c u sau :<br /> a) T t c các ñ ng v t thí nghi m ñ u có cơ h i nh n ñư c m t nghi m th c b t kỳ.<br /> b) Vi c b trí ñ ng v t vào nghi m th c này không nh hư ng ñ n vi c b trí ñ ng v t<br /> vào nghi m th c khác.<br /> c) Chúng ta không bi t trư c nghi m th c mà t ng ñ ng v t ñư c phân vào.<br /> Ng u nhiên hoá có m t s ưu ñi m sau :<br /> a) Lo i b ñư c s thiên l ch trong quá trình b trí ñ ng v t thí nghi m<br /> b) T o ñư c s gi ng nhau gi a các nhóm<br /> 3.5.2.<br /> <br /> Các phương pháp phân chia ng u nhiên<br /> <br /> T t nh t là tránh s d ng các phương pháp cơ h c như tung ñ ng xu ho c ném con súc s c ñ<br /> b trí ñ ng v t v các nghi m th c. M c dù các phương pháp này v m t xác su t v n ñư c<br /> ch p nh n ñ t o ra s ng u nhiên, nhưng nó c ng k nh và không ki m tra ñư c. Thông<br /> thư ng, b ng s ng u nhiên ñư c s d ng ñ phân ñ ng v t v v i nghi m th c. Ngoài ra ta<br /> có th s d ng máy tính ñ t o ra các s ng u nhiên. Khi thi t k thí nghi m, s ñơn v thí<br /> nghi m thư ng b ng nhau các nghi m th c.<br /> a)<br /> <br /> Phân chia ng u nhiên ñơn gi n<br /> <br /> ðây là cách ng u nhiên hoá cơ b n không có s phân bi t ho c h n ch . Ví d ti n hành phân<br /> 12 ñ ng v t thí nghi m ñư c ñánh s t 1 ñ n 12 v 2 công th c thí nghi m (ñ i ch ng - C và<br /> thí nghi m - T). Ti n hành ch n s ng u nhiên t b ng s ng u nhiên ph n ph l c. Gi s ta<br /> l y 10 s có 1 ch s<br /> hàng ñ u tiên ; như v y ta s ñư c dãy s ng u nhiên sau<br /> 813766407765. N u s ng u nhiên là s ch n ñ ng v t s phân v v i C và s l v v i T.<br /> ðơn v thí nghi m s<br /> <br /> 1<br /> <br /> 2<br /> <br /> 3<br /> <br /> 4<br /> <br /> 5<br /> <br /> 6<br /> <br /> 7<br /> <br /> 8<br /> <br /> 9<br /> <br /> 10<br /> <br /> 11<br /> <br /> 12<br /> <br /> S ng u nhiên<br /> <br /> 8<br /> <br /> 1<br /> <br /> 3<br /> <br /> 7<br /> <br /> 6<br /> <br /> 6<br /> <br /> 4<br /> <br /> 0<br /> <br /> 7<br /> <br /> 7<br /> <br /> 6<br /> <br /> 5<br /> <br /> Công th c<br /> <br /> C<br /> <br /> T<br /> <br /> T<br /> <br /> T<br /> <br /> C<br /> <br /> C<br /> <br /> C<br /> <br /> C<br /> <br /> T<br /> <br /> T<br /> <br /> C<br /> <br /> T<br /> <br /> Có th ti n hành các bư c tương t ñ i v i thí nghi m có s nghi m th c nhi u hơn 2. Ví d<br /> có 3 nghi m th c A, B và C, ch n các s 1-3, 4-6 và 7-9 tương ng v i các nghi m th c và<br /> b qua s 0. Tương t như ví d trên ta có dãy s ng u nhiên 8137664077652 và k t qu thu<br /> ñư c CAACBBBCCBBA. Trong trư ng h p này, s ng u nhiên ñã không ñư c tuân th vì<br /> có 3A, 5B và 4C. Cách phân chia ng u nhiên h n ch ñư c ñưa ra nh m kh c ph c nh ng<br /> h n ch này.<br /> <br />