動物實驗與其他學科的實驗相比，既有相同的基本規則和要求，又有自身的特點。從共性上看，所有的實驗都是模擬實際應用的條件，觀察特定處理產生的效果。在動物實驗研究中，就是通過控製實驗條件，觀察受試物對機體產生的作用以及作用機製。但是，動物實驗又與其他學科有顯著不同，具有自身的特點和規律，因此需要根據受試物的特點設計動物實驗，以達到通過實驗解決問題的目的。
動物實驗設計首先要遵循一般科學研究的基本原則，即隨機、重複、對照3個基本原則。在此基礎上，充分考慮受試物特點，設計出科學合理的實驗方案，以取得準確可靠的結果，並盡可能通過簡單的實驗，解決複雜的問題。
第一節 動物實驗設計的基本知識
一、實驗設計的基本原則
動物實驗的目的是通過動物實驗來認識受試物作用的特點和規律，為評價受試物可能產生的臨床作用提供科學依據。由於動物實驗的對象是特定的生物體，其個體之間存在著一定的差異性，為了保證實驗結果的準確、可靠，必須對要開展的實驗進行設計，以便控製可能影響實驗結果的各種條件。進行實驗設計必須遵循的基本原則是隨機、對照和重複。
（一）隨機原則
隨機是減少實驗材料差異的最基本的方法，通過隨機的方法，將客觀存在的各種差異對實驗結果的影響降低到最小。在生物實驗中，雖然可以通過不同的方法控製實驗條件，但仍然不可避免由於各種差異造成的影響，特別是在動物實驗中，動物間的個體差異是無法排除的客觀存在，對這種差異，就可以通過隨機的方法，分配到各實驗組中，使這種差異不至於影響到實驗結果。
1.隨機原則的應用在動物實驗中，隨機原則的應用非常廣泛，凡是具有客觀差異存在的各種物質分配，如動物的分組、時間的先後、操作人員、不同的儀器等，都應該應用隨機原則。
所謂隨機，是指在進行物質分配或分組的過程中，完全排除實驗者主觀因素的影響或其他可能的偏性誤差的影響，使這種分配完全在非人為條件下進行。隨機不是隨便和隨意，而是根據一定的方法進行的工作程序。
在實際動物實驗研究中，隨機原則應用最為普遍的是動物的分組，實驗動物存在著不可避免的個體差異，而且分組方法不同得到的結果也不一樣，因此隨機原則的應用也受到重視。例如，采取抓取動物的方法對同一批動物進行分組，可能產生的結果是多樣的。如果按照先後分組，首先抓到的動物可能是體弱和運動不良的動物，而最後抓到的動物則是體格強壯的動物，這樣分組的結果必然產生顯著的組間差異。因此，隻有采用隨機的方法，才能夠將這種體質差異以及動物個體之間其他方麵的差異按隨機的原則分配到各組中。
在實際動物實驗研究中，隨機原則不僅體現在動物的分組方麵，而且存在於實驗過程各種環節中。由於對這些方麵討論較少，而且由此產生的影響一般不易被人發現，許多實驗人員在實際工作中往往忽視了隨機原則。
例如，在進行動物實驗中，雖然采用隨機法進行了分組，但是由於條件的限製，實驗過程需要一隻動物一隻動物的逐個進行。如果實驗過程需要一定的時間，第一隻參加實驗的動物與最後一隻參加實驗的動物可能會有數小時的差別，這種差別必然會影響到實驗結果。尤其是行為學實驗，時間不同，動物的活動狀態不同，對受試物的反應也必然產生差別。要消除這種影響，就要考慮采取隨機的方法。
動物實驗過程中產生差異的因素很多，如果要避免這些因素對實驗結果造成影響，就需要適當采用隨機的方法，將客觀差異產生的影響降到最小程度。近年來提倡“均衡下的隨機”，即先將能控製的主要因素（如體重、性別等）先行均衡後歸類分檔，然後在每一檔中隨機地取出等量動物分配到各組，使那些難控製因素（如活潑、饑飽、疲勞程度及性周期等）得到隨機化的安排。
2.隨機的方法在實驗過程中實施隨機原則，可以根據具體實驗的特點，采取不同的隨機分組方法，實現實驗設計和實施過程的隨機化。動物隨機分組的方法很多，常用的隨機分組方法主要有以下幾種。
（1）原始的抽簽法這種方法的特點是操作簡便，但在實際應用中受到一定的限製，特別是實驗規模較大時，抽簽的方法就受到了限製。
（2）投硬幣法這種方法的特點是操作簡便，但一般隻能在2種因素中確定一種。因此，對於複雜的實驗設計，這種方法有很大的局限性。
（3）隨機數字表法這種方法是預先將隨機產生的數字列表，隨機數字表上所有數字是按隨機抽樣原理編製的，表中任何一個數字出現在任何一個地方都是完全隨機的，使用時可以從任意地方開始，向任意方向按順序取得數據，每個數據代表一個被分配的個體，然後根據數據確定分配的組別。這種方法適用範圍廣，使用方便。在動物實驗的分組過程中，可以減少實驗者主觀因素及其他因素所造成的實驗誤差，是常用的方法。
（4）隨機數字法這種方法是應用計算機自動生成隨機數字的方法，由這些數字代表每一個待分配的個體，根據數字確定分配的組別。這種方法適用性強，使用方便，是實驗中常用的方法。
隨機原則的應用並非僅僅依靠上述幾種方法，重要的是通過對隨機原則的理解，將隨機原則應用於實驗設計和實驗過程中，以求得最大限度地降低各種客觀因素產生的影響，而選擇何種隨機地方法，或者是否一定按照現有的方法進行分組，則不是最重要的問題。
（二）對照原則
在實驗研究中，為準確表現出特定因素產生的左右，必須設立對照。比較研究是科學實驗不可少的條件，沒有比較，就難以鑒別，也就缺乏科學性，所以實驗設計必須設立對照組。
在特定的情況下，有時需要設立多種對照，以限定實驗的條件，客觀反映出所需的變化。在動物實驗中，就是要通過設立各種對照，排除各種無關因素可能產生的影響，以便準確觀察受試物產生的作用。設立對照應符合“齊同對比”的原則，即對照組與實驗組之間除用以實驗的受試物、處理的區別之外，其他一切條件如實驗動物、方法、儀器、環境及時間等均應相同，動物的種屬、品係、性別、窩別、年齡、體重、健康狀況等方麵盡量一致，以減少誤差。一般將“齊同對比”歸納為“同時、同地、同環境、同種、同重、同批號”等幾個方麵。對照一般可分為以下幾種類型。
1.自身對照即在同一個個體（如動物）觀察給藥前後某種觀測指標的變化，或者2種受試物一前一後交叉比較，這樣可以減少個體差異的影響，自身對照比組間對照效率高，且個體差異的影響較小，是比較有效的對照比較方法。
2.組間對照組間對照是指在實驗中，設立若幹與研究組相平行的組，以便將實驗組的結果與其相比較。這種與實驗組相平行的組別稱為對照組。對照組可以根據數據處理方法不同，分為空白對照、實驗對照、陽性對照等。組間對照是動物實驗中最常用的對照方法。組間對照可以是兩兩對照，也可以是多組對照，要根據實際工作需要確定。
（1）空白對照是設立不給受試物處理的對照組，用於觀察不給藥（或不加處理）時實驗對象的反應和觀察指標的變化。
（2）實驗對照是對實驗對象進行與實驗組同樣的實驗處理，但是不給予受試物，這樣對照設立的目的在於消除實驗過程對實驗結果的影響，如麻醉、注射、手術等處理過程。特別是在製備動物病理模型時，必須考慮設立實驗對照組。
（3）陽性對照在動物實驗中應用非常普遍，所謂陽性對照，就是在同樣實驗條件下，設立給予同類受試物已知標準品的實驗組，以檢查實驗方法及技術的可靠性。
3.其他除自身對照和組間對照外，還有其他對照方法，如正常值對照，文獻值對照等。雖然這些數值有時僅作為參考值，但在同類可比條件下，是衡量實驗條件的重要參考數據，也是不容忽視的內容。
在實驗設計中，必須認真全麵考慮應該設立的對照組，在一項實驗中，可以同時設立多種對照，如空白對照、實驗對照、陽性對照，以便準確有效地獲得實驗結果，達到實驗目的，以保證整個實驗的成功。
（三）重複原則
重複是保證實驗結果可靠性的重要措施之一。重複具有兩方麵的含義，即重現性和重複數。
1.重現性是指在同樣的條件下，可以得到同樣的實驗結果。隻有能夠重現的實驗結果，才是科學可靠的實驗結果；不能重現的結果可能是偶然現象，偶然獲得的結果，是沒有科學價值的。實驗中偶然結果可見於2種情況，一是由於某些非常規因素引起的假象，是錯誤的結果，這種結果必然不可能重現；二是由於尚未認識的影響因素導致的客觀表現，但由於對影響因素缺乏足夠的認識，暫時不能獲得重複的結果。對於前者，要及時排除，減少假象的幹擾；而對於後者，如果獲得結果確實具有重要價值，而且符合邏輯，則應該認真研究影響因素，以求實現結果的重現。無論何種情況，不可重現的結果都是沒有價值的結果。
2.重複數是指實驗要有足夠的次數或例數。如進行動物實驗，在每一次實驗中需要使用一定數量的動物，對於其他實驗，也應該有一定次數的重複。
在實驗中要求一定的重複數，具有兩方麵的意義，一方麵是消除個體差異和實驗誤差，提高實驗結果的可靠性。在生物學實驗中，僅僅根據一次實驗或一個樣本所得的結果，往往很難下結論。在適當的範圍內重複愈多，獲得的結果就愈可靠。另一方麵是對實驗結果的重現性驗證。因此，在實驗中設置一定的重複數，是動物實驗的基本要求。
對於重複數的數值大小，即究竟用多少動物或多大的樣本進行動物實驗，是研究者遇到的首要問題。樣本過少不符合重複原則的要求，而重複數過多則增加實際工作中的困難，提高研究成本，而且單純加大樣本量並不能完全排除實驗的偏差。所以，在實驗設計時要對樣本大小進行估計，爭取以最小的實驗例數獲得可靠的實驗結論。
二、常用的實驗設計方法
動物實驗設計的方法很多，最常用的實驗設計方法是分組實驗設計，此外，常用的方法還有序貫設計和拉丁方設計等。對於實驗組別的設置，需要根據實際工作的需要和實驗基本原則確定。
1.單組比較設計單組比較設計是以動物做自身對照，即在同一個體上觀察給受試物前後某種觀測指標的變化，例如比較給藥前後，藥物對動物血壓、血脂、體重的影響。本法的優點是能消除個體生物差異，但不適用於在同一個體上多次進行實驗和觀察的情況，還應注意有時生理鹽水等陰性對照也可能在前後2次測量時出現一定差異（如體重、血壓等）。
2.配對比較設計配對比較設計是實驗前將動物按性別、體重或其他有關因素加以配對，以基本相同的2個動物為一對，配對若幹對，然後將一對動物隨機分配於2組中。2組的動物數、體重、性別等情況基本相同，取得均衡，減少誤差及實驗動物的個體差異。
3.隨機區組設計隨機區組設計是配對比較設計法的擴大，將全部動物按體重、性別及其他條件等分為若幹組，每組中動物數目與擬劃分的組數相等，體質條件相似，再將每個區組中的每一隻動物進行編號，利用隨機數字法將其分到各組。
4.完全隨機設計完全隨機設計是將每個實驗對象隨機分配到各組，並從各組實驗結果的比較中得出結論。通常用隨機數法進行完全隨機化分組，此法的優點是設計和統計的處理都較簡單，但在實驗對象例數較少時往往不能保證組間的一致性。
5.拉丁方設計拉丁方設計指由拉丁字母所組成的正方形排列，在同一橫行與同一直列中都沒有重複的字母，適用於多因素的均衡隨機。如比較某藥與陽性、陰性對照組的作用，要求用4種藥物編成A、B、C、D 四個號碼，再按4×4拉丁方進行，每個動物（縱列）沒有重複使用的藥物，同一日期（橫行）也沒有重複使用的藥物，這樣既可以控製動物間的個體差異，也可避免了注射日期先後帶來的實驗誤差，若樣本是5、6……個，則可采用5×5或5×6拉丁方等。
近年來又提出“優化拉丁方設計”，該法除了具有拉丁方的全部特點外，還考慮了先後用受試物時每一受試物與先後受試物的順序關係，使每種受試物的前麵各用其他受試物一次。在進行受試物間兩對比時，每對受試物間均符合AB、BA；AOB，BOA的對應關係，因此優化拉丁方不僅適用於一般拉丁方的實驗，而且特別適用於1隻動物先後幾次用受試物的實驗。
6.正交設計正交設計是用正交表作為因素分析的一種高效設計法，其特點是利用一套規範化的表格——正交表來安排實驗，適用於多因素、多水平、實驗誤差大、周期長等一類實驗的設計。在實驗設計過程中隻要根據實驗條件直接套用正交表即可，而不需要另行編製。正交表在統計學書上都可查到。