在明确实验目的，充分考虑课题的科学性、创新性及可行性的基础上，需制定具体的实验研究计划或方案，包括实验对象的选择、实验分组、观察指标、实验手段及实验步骤等方面。在进行实验设计时，要遵守以下要素和原则。

（一）实验设计的基本要素

实验设计的基本要素包括处理因素、受试对象及实验效应三个方面。

1．处理因素

处理因素一般是指由实验者人为地施加给受试对象的因素，如药物、手术、电刺激、细菌和病毒等。实验研究的目的就是要阐明处理因素作用于受试对象而产生的效应。在选择确定处理因素时，应注意以下四点：

（1）找出实验的关键因素：一次实验的处理因素不宜过多，否则会使实验分组增加，受试对象样本增大，实验过程难以控制；同时处理因素也不宜过少，否则难以提高实验的广度和深度。

（2）确定处理因素的强度：处理因素的强度大小可结合预试验确定，也可根据以往研究或参考文献确定，如设计几个不同药物剂量或电刺激参数等。

（3）处理因素应标准化：处理因素在整个实验过程中应始终保持不变，否则会影响实验结果的评价。如各组实验药品的厂家、批号及给药剂量应保持一致。

（4）控制非处理因素：非处理因素（干扰因素）会对实验结果产生影响，应予以控制。在设计实验及实验进程中应尽量减少这些干扰因素，如受试对象的性别、年龄，病人病情的轻重、病程的急慢，甚至病人曾经接受过的前期治疗等差异都应予以考虑。

2．受试对象

机能学实验的受试对象包括人和动物。以人体作为受试对象的实验，有多个实验指标可供观察，如血压、呼吸、心音、心电及尿量等。为避免实验对人体造成损害，大部分有关疾病的实验不能直接在人体进行。一般受试对象多采用动物，在选择动物时要注意以下几点：

（1）动物的种属及生理、生化特点要适合于复制人类疾病的可靠模型。实验机能学常用的动物是蟾蜍（蛙）、家兔、大鼠、小鼠及猫、狗等，这些动物可用于复制多种病理过程和疾病模型。但由于动物种属特性与人体仍有很大差异，在选用时要充分考虑到。如家兔系草食动物，不适合于建立消化系统研究模型，而适合于发热研究。大鼠垂体-肾上腺系统发达，适合于内分泌及应激反应研究。狗不宜建立发热模型，却适合做休克模型。小鼠对疾病有易感性，适用于药物筛选、急性毒理实验、镇痛、抗感染、抗肿瘤药物及遗传病疾病的研究。两栖类动物因其内环境条件较易控制，多用于离体组织器官实验。

（2）动物的品系、等级符合研究要求。品系是指动物的遗传背景，包括近交系动物（纯种动物）、突变系动物、系统杂交动物等。等级指微生物背景，分为Ⅰ级普通动物、Ⅱ级清洁动物、Ⅲ级无特异性病源体动物及Ⅳ级无菌动物，可根据实验目的予以选择。

（3）动物年龄、体重、性别最好一致，健康状态良好，尽量减少动物的个体差异。

3．实验效应

实验效应是指处理因素对受试对象作用的有无或强弱，这与实验指标的选择和实验方法的选择有关。

（1）实验指标的选择：实验指标是指那些可被研究者或仪器感知的、能反映处理因素对受试对象作用的特征或现象标志。这些指标包括计数（质反应）指标和计量（量反应）指标、主观指标和客观指标、功能学指标和形态学指标等。实验指标的选择应符合以下基本条件：

1）特异性  指标能特异地反映某一特定现象，而不易与其他现象相混淆。

2）客观性  尽可能选用具体数字或图形表达的客观指标，最好选用经过仪器测量而获得的指标。

3）灵敏性  灵敏度高的指标可使微小的实验效应显示出来，这与测定方法或仪器的灵敏度有关。

4）认可性  经典的实验指标必须有参考文献为依据。而新创立的指标，则必须经过实验鉴定方可使用。

（2）实验方法的选择：实验方法种类繁多，按研究水平可分为整体水平、组织和器官水平以及细胞、分子水平研究方法。按性质可分为功能学方法和形态学方法。按学科又可分为生理学、分子生物学、生物化学、免疫学、生物物理学等方法。对于实验方法的选择应根据实验目的、研究经费及现有设备条件进行选择，并注意实验方法的先进性、经典性、协同性及创造性，尽量做到不同实验方法所得结果的相互印证和补充。

（二）实验设计的基本原则

为有效的控制干扰因素，保证实验数据的真实性、可靠性和准确性，实验设计必须遵守对照（Comparison）、随机（Randomization）、重复（Replication）和均衡（Balance）原则。

1．对照原则

在设计实验组的同时必须设立对照组，使实验组与对照组的非处理因素基本处于相同状态，消除或减少实验误差。设计对照时可选用以下方法：

（1）空白对照  对照组不加任何处理因素和非处理因素，包括麻醉、注射等。但严格说，这种对照组与实验组相比，非处理因素太多，如手术、注射药物的操作等均可能对实验结果产生影响，而非仅仅由于药物本身的作用，因此这种对照很少采用。

（2）正常对照  在对照组与实验组之间，除待测处理因素不同外，其它非处理因素均相同，在麻醉、注射、手术方法，溶液的pH、渗透压及溶媒等均应相同。如实验组注射的是药物溶于等量的溶媒中，而对照组不同的是注射等量的溶媒而不加药物。又如，在进行冠状动脉结扎对心功能影响的实验时，实验组实施冠状动脉结扎，而对照组则在冠状动脉下穿线不结扎，进行假手术。这种对照可比性好，是常用的对照方法。

（3）自身对照  对照与实验在同一动物上进行，观察某指标用药前后的变化等。

（4）标准对照  实验不设立专门对照组，而是用实验组数据与标准值或正常值进行比较。

（5）相互对照  相互对照也不专门设立对照组，只是将各实验分组之间进行比较，即互为对照、比较几种药物或处理因素的作用强弱，又称为组间对照。

此外，尚有历史对照、安慰剂（Placebo）对照等方法，在设计实验时，也可予以考虑。

2．随机原则

各实验组实验对象只能在总体中抽取一定数量的样本，而此样本的选择可采用抽签、随机数字表等方法，使每一个研究对象均有对等的机会被选择，同时也有均等的机会被分配到实验组或对照组中，使各组样本条件尽可能一致，消除组间人为误差。

3．重复原则

重复是指实验结果可在多个个体相同条件下，或不同实验者在相同条件下，实验结果能保持在一个相对稳定的范围之内，即重现性。实验重复的次数、即样本大小，取决于实验的性质、内容及资料的离散程度，一般计量资料的样本数为10~20例，计数资料约30~100例。

4．均衡原则

均衡，就是使对照组与实验组中的非处理因素尽量达到均衡一致，使处理因素的实验效应能更真实地反映出来。