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編者按：
做科學(xué)研究，首先要學(xué)習(xí)做研究工作的方法。所謂 “工欲善，必先利其器”，這句話就是講改進(jìn)和完善自己工作方法的重要性。
作者蔣百川博士后期間，因教授Flom “世界上有多少事沒人做過，你做得過來嗎？這不能成為你要做這個研究的理由”的反問，開始認(rèn)識到學(xué)習(xí) “研究方法” 的重要性。之后蔣百川進(jìn)行了相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，并在實踐中不斷改進(jìn)，逐步掌握了這方面的知識。2013年他退休后開始陸續(xù)撰文分享積累的經(jīng)驗、心得體會，并匯聚成一本《科學(xué)研究的方法》?！吨R分子》獲作者授權(quán)，將陸續(xù)為大家分享書中內(nèi)容，此為該系列的第三篇。
撰文 | 蔣百川（美國諾瓦東南大學(xué)教授）
責(zé)編 | 鄧志英
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4.
如何提出研究問題和研究假設(shè)？
（1、2節(jié)請見本系列第一篇）
（3節(jié)請見本系列第二篇）
在這一部分，要講述實驗的設(shè)計方法。由于研究領(lǐng)域的不同，做實驗的方法也不一樣，所以不像閱讀文獻(xiàn)、綜述寫作一樣有比較共通的方法和規(guī)律可循，也不象在學(xué)術(shù)會議作報告及寫作科技論文那樣有比較刻板的模式。基于我本人專業(yè)的關(guān)系，這里介紹的方法主要用于醫(yī)學(xué)研究。對于其他領(lǐng)域，或許有參考價值，或許沒有，取決于你的具體問題。
1. 研究設(shè)計的含義和作用
在知道了想研究什么（what）以后，下一步是如何來（how）得到研究問題的答案。
傳統(tǒng)的研究設(shè)計是一份詳細(xì)的工作計劃：選擇可以測量的變量，決定所需的樣本大小，數(shù)據(jù)的收集（實驗設(shè)計）、統(tǒng)計分析，以及結(jié)論。研究設(shè)計是為了保證研究程序是妥適的，可以得到確實的（valid）、客觀的（objective）、精確的（accurate）關(guān)于所研究的問題的答案。
2. 在研究設(shè)計中對外部變量的考慮
一般的醫(yī)學(xué)研究（或某些其他研究）都是為了尋找一個原因。例如某種疾病的原因，某種藥物的療效。在上述第一種情況，產(chǎn)生疾病的原因就是自變量，而疾病則是因變量；在第二種情況，某藥物是自變量，而療效則是因變量。但是研究工作不會是那樣地簡單，因為在尋找這種自變量與因變量的關(guān)系時，還參雜著許多外部變量 （如下圖的一個例子所示）。所以設(shè)計實驗時，首先必須清醒意識到有哪些外部變量，再采取如下的措施，或者排除、或者控制、或者包括進(jìn)測量中。
圖1. 一個研究吸煙與肺癌關(guān)系的例子。此時還有許多因素作為中介變量影響研究結(jié)果，如果不對于這些因素采取適應(yīng)措施，本研究結(jié)果可能沒有意義。
措施一：保證外部變量對于對照組和實驗組有相同的影響。
這里先提到一下對照組，下面還會詳細(xì)講。
（1）隨機(jī)化－保證兩組在各項外部變量方面是有可比性的。
（2）匹配－這是另一種保證兩組有可比性的方式。
措施二：減少外部變量。
有時候可將外部變量作為一個因素考慮在實驗條件內(nèi)，或者消除這個外部變量對結(jié)果的影響。
（1）將外部變量包括在實驗設(shè)計中。例如，要研究兒童健康服務(wù)對兒童死亡率的影響，由于兒童營養(yǎng)供給對嬰兒死亡率也有很大影響，所以設(shè)計了2X2 因子的研究。在這樣設(shè)計中，既可以研究外部變量單獨的，以及與自變量聯(lián)合的對因変量的影響。
（2）消除外部變量。例如文化背景可能對健康（因變量）有很大影響，可選擇有相同文化背景的受試者，使問題簡化。
3. 不同的研究設(shè)計
若以實驗者接觸受試對象的次數(shù)分類，可有：
(1) 一次: 橫向研究 （cross-sectional study）；
(2) 二次: 前后對照（before-after study）；
(3) 三次或以上: 縱向研究（longitudinal study）。
若以研究所選擇的參照時間分類，可有：
(1) 回顧性（retrospective study）；
(2) 前瞻性（prospective study） ；
(3) 回顧-前瞻 （retrospective-prospective study）。
若以研究性質(zhì)分類，可有：
(1) 實驗性 （experimental study）；
(2) 非實驗性（non-experimental study）；
(3) 半實驗性（semi-experimental study） 。
此外還有根據(jù)實驗者（主要是收集數(shù)據(jù)的人員）以及實驗對象對于實驗情況（實驗的因変量，如在藥物療效的實驗中對于服用藥物還是安慰劑的了解程度），可分為：
(1) 單盲研究（實驗對象或受試者不了解以上情況）；
(2) 雙盲研究（實驗對象及上述的實驗者均不了解以上情況）。
現(xiàn)將幾種主要方式再詳細(xì)介紹如下：
(1) 一次：橫向研究（cross-sectional study）
用于發(fā)現(xiàn)人群中某個現(xiàn)象、情形、問題、態(tài)度等的分布情況。橫向研究適合描述變量和它們分布模式的研究目的。也可以用于檢查自變量（predictor）和因變量（outcome）之間的相關(guān)性。
研究者若根據(jù)橫向研究的結(jié)果來討論自變量與因變量的因果關(guān)系，往往會犯錯誤。例如在有一次國際會議上，新加坡一位資深同行根據(jù)兒童IQ與近視程度的相關(guān)性，下結(jié)論說IQ高的兒童因為書讀得多所以容易近視。她講完后，我上去質(zhì)疑，我說IQ高的兒童，聰明，所以往往可以不讀書就考第一，你如何證明IQ高的兒童一定讀書多？說得滿堂大笑。這里她至少犯了兩個錯誤，一是這樣一個橫向研究結(jié)果，僅說明兩件事情的相關(guān)性，無法證明它們有因果關(guān)系；二是她在IQ及近視眼外，又引入了另一個變量，即讀書時間，并且不加證明地將讀書多與IQ劃上等號。這是搞科研工作不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋憩F(xiàn)。
橫向研究的設(shè)計 （見下圖）
橫向研究的設(shè)計步驟約為：
（1）確定研究問題；
（2）受試對象的取舍標(biāo)準(zhǔn)及取樣方法，得到樣本（sample）；
（3）在這個取樣樣本中，需要觀察或測量哪方面的數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)分解為下圖中的四塊；
（4）確立測量方法。
樣本的確定是研究設(shè)計的重要一步。如果實驗對象太少，實驗結(jié)果出來后會發(fā)現(xiàn)無法得出需要的統(tǒng)計結(jié)果；如果太多，則無疑增加實驗成本，浪費人力物力。樣本數(shù)的估算需要使用統(tǒng)計方法和公式，特別是要知道（或估計）你的測量誤差，所以要作預(yù)實驗。詳細(xì)的計算樣本大小的公式可在統(tǒng)計學(xué)書籍或相關(guān)程序中找到。
橫向研究的優(yōu)缺點
優(yōu)點：一次性測量，快速、省錢，它的結(jié)果可以提示流行程度。這個方法可以作為縱向研究的第一步，測量結(jié)果可以作為被試對象的基線（baseline），并揭示橫向的變量的相關(guān)性。
缺點：從所收集的數(shù)據(jù)中，無法得出因果關(guān)系。對于少見病的研究，這種方法在一般人群中取樣便不現(xiàn)實。但可以在有疾病的人群中取樣。例如在1000位有AIDS的病人中，727人有同性戀性行為，236人有吸毒行為，于是甚至不必有對照組，可以認(rèn)為這兩件事對于AIDS的發(fā)病率是有高度危險的。
（2）二次: 前后對照研究 （before – after study）
優(yōu)點：這是兩組橫向研究的數(shù)據(jù)。對于相同實驗對象，可以發(fā)現(xiàn)在某種干預(yù)之下，他們的某個（些）變量發(fā)生的變化。
缺點：
（1) 要做二次實驗，需相對長的研究時間；
（2）受試者在第二次測量時可能丟失；
（3）測量的是總的變化，不能把因變量和外部變量的因素分離開來；
（4）時間可能改變受試者的某些條件；
（5）受試者的學(xué)習(xí)，稱之為反應(yīng)性效應(yīng)（reactive effect）；
（6）回歸效應(yīng)（regression effect）。在第一次測量時作極端反應(yīng)的受試者在第二次測量時會作趨向中間位置的反應(yīng) （見下圖）。
（3） 縱向研究（longitudinal study or cohort study）
這種研究有兩個基本目的。一是描述在一個時間段內(nèi)某種結(jié)果發(fā)生的情況；另一是分析危險因子（risk factors）與這些結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)。這種研究可以是前瞻性，也可以是回顧性的（如果已有數(shù)據(jù)可以回答研究問題）。
前瞻性的縱向研究：
例如用于分析發(fā)病率和相對危險因子（見下圖）。
縱向研究通常是建立因（predictor）和果（outcome）變量之間的時間序列的唯一方法。最近在網(wǎng)上也經(jīng)常看到關(guān)于科學(xué)研究中對因果關(guān)系的討論，多數(shù)都說得很對。對于經(jīng)典研究而言，其最終目的是為了發(fā)現(xiàn)事物之間的因果關(guān)系。我以為最明了簡單的表述是借助數(shù)學(xué)語言，即原因是結(jié)果發(fā)生的充分必要條件。由于原因的出現(xiàn)，發(fā)生了這個結(jié)果（充分條件）；沒有這個原因，便不發(fā)生這個結(jié)果（必要條件）。同時，從時間序列角度，因必出現(xiàn)在果之前。從醫(yī)學(xué)實驗研究角度，沒有縱向研究，在研究中沒有對照組，是無法確定因果關(guān)系的。
研究步驟：
（1）從群體取樣；
（2）測量預(yù)期變量（危險因子，自變量）；
（3）跟蹤該群體；
（4）測量結(jié)果變量（疾病，因變量）。
優(yōu)點：
這種研究方法很有利于確定發(fā)病情況以及研究潛在的發(fā)病原因，因為危險因子是在發(fā)病前所測量的。
缺點：
對于發(fā)病率很低的疾病的研究，費錢費時。
如果變量之間的相關(guān)性是由于混雜變量（confounding variables）的關(guān)系，研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)的相關(guān)性可能會誤導(dǎo)研究者。
（4）實驗性研究的設(shè)計及對照組問題
下圖表示沒有對照組的一個設(shè)計：
這樣一個實驗性研究的設(shè)計，使得前后的測量數(shù)據(jù)有可比性。但是仍然不能確定任何（因變量）的變化，是否完全由干預(yù)（自變量）引起的。為了克服這個問題，必須引入對照組。
實驗組與對照組的設(shè)定必須是隨機(jī)的，并且保證其他外部變量在兩組之間無統(tǒng)計差異。
在一項研究工作中，可靠的實驗結(jié)果是基于縝密的實驗設(shè)計，所以實驗設(shè)計是科學(xué)研究工作中重要的環(huán)節(jié)之一。有些學(xué)生急于著手實驗，沒有很好注意這個環(huán)節(jié)，等到結(jié)果做出來以后，發(fā)現(xiàn)出了問題，還得從頭再來過。
更有人急于求成，違反科學(xué)道德，制造數(shù)據(jù)作假。需知你的工作若要真正有成就，首先是需要經(jīng)得起同行的重復(fù)與認(rèn)可，一旦作假被戳穿或者有人提出相反的證據(jù)，都會對你的學(xué)術(shù)名譽造成損害。國內(nèi)目前對這種事情的處理太輕，也是造成某些人膽大妄為的原因。其實這樣的事情，還要從中學(xué)、大學(xué)里學(xué)生考試或作業(yè)作弊之類事情抓起，在美國新生入學(xué)時，便對他們說清楚校規(guī)對作弊的處理，即一旦發(fā)現(xiàn)，立即開除。
下一篇，將講述《科學(xué)研究的方法》中“數(shù)據(jù)的采集和處理”。
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