Methodologies Associated with Scientific Research

統計學在生物性研究上是一種很重要之工具，因它可以提供客觀且無偏差之分析，在統計上我們利用數學方法估算試驗結果是否受試驗因子影響，統計可以計算樣本內及樣本間之變異，如此方便研究者選擇最佳之處理。因此，統計方法需包括重要之試驗設計及如何解釋試驗之結果。

    

Hypothesis
科學研究為以邏輯性及客觀之方法尋求問題之解答，我們經由試驗以證實假設之理論，假設之證實需具客觀性之試驗，其結果可能和先前之認知相同或推翻假設，在統計上常利用「空」假設（H0）來試驗結果之反應，當試驗結果符合 H0 表示試驗之處理具相同反應，但若試驗結果推翻 H0，表示試驗之處理呈現不同反應。
What is the Problem
在試驗設計前，研究者需瞭解所欲解答之問題所在，如此規劃之試驗才能解出正確解答，事實上客觀之一組試驗就如抽絲剝繭般，依序地解答出問題，一連串之處理可提供研究者研究問題所在，而處理之選擇是建立於以往對問題之瞭解及其他相關性之研究。
Define the Treatments
植物組織培養研究之試驗材料，如培養試管、培養基、培養環境等，都可視為和試驗目標相關之因子而列為處理之一種，以往對試驗之認知，不論是成功或失敗都很重要，因可做為試驗時材料及處理之選擇依據
Define the Observational Units and Replicates
當試驗之處理及材料決定後，則可開始設計試驗之觀測單位數、每處理之重複數及選擇何種逢機試驗設計。在植物組織培養試驗，培殖體可視為試驗之觀測單位，培殖體之形式及來源可能影響試驗之結果，故多數之植物組織培養研究皆把培養之試管設為試驗單位或重複，這是因為培養試管如其內之培殖體群組，此群組為一觀測結果，當培養試管內只有一個培殖體，則培殖體或試管皆可視為重複；而若培養試管內具多數個培殖體，則試管為試驗之重複單位，其內之培殖體為次試驗單位。
Number of Replicates Per Treatment
每處理重複數之選擇是很重要的，因重複數之程度會影響統計之正確性，一般而言，重複數愈多，其結果之正確性愈高，然而，當推估之結果及接近事實時，再增加試驗之重複數將無助於正確性提高。
Randomization
設計一試驗時，樣品的逢機性是一重點，所謂的逢機即每一重複之單位所分配到處理之機率皆相等。
     
     
 

Experimental Designs

    
從事試驗時，對於試驗所用之材料性質、試驗環境及試驗時間是否相同，都會影響試驗之結果，因此正確之試驗設計法必須考慮三項原則。
試驗材料之性質（同質或異質）。
試驗環境（相同或不同）。
試驗時間（全試驗是否同時進行）。
Completely Randomized Design：CRD（完全逢機設計）
試驗材料為同質，且在相同環境下同時進行試驗。
各處理必須逢機排列於試驗單位上。
Randomized Complete Block Design：RCBD（逢機完全區集設計）
試驗材料（試驗單位）為異質，但可明顯分成幾組，每組集合數個變異相近的試驗單位而成一區集，使區集內試驗單位間之變異小，而區集間試驗單位變異大。若參試處理不能於同一時間內完成，則以區集方式分成數時段進行。
每一區集內之試驗單位數必須等於參試處理數
每區集內各處理必須逢機排列於試驗單位中。
     
     
 

Example

    
Designs
目的：欲瞭解 2,4-D 對台灣扁柏成熟胚誘導癒合組織之影響。
試驗材料：台灣扁柏成熟胚（相同時間採於相同母樹，視為均質）。
試驗處理：2,4-D 濃度，0.01、0.1、1 ppm共 3 種濃度，所以為3種處理。
試驗環境：25 ℃，16 小時光週期，MS 培養基，培養 30 天（試驗環境相同）。
試驗單位：50 ml 三角錐型瓶內接種4個胚。
重複數：每一處理分配三個50 ml 三角錐型瓶，故為3個重複。
資料取得之方法：每三角錐型瓶內有誘導癒合組織發生之胚總數 ÷ 4，取百分比。
試驗方法：C R D。
Result（資料是亂掰的）
0.1（75%）
0.01（0%）
1（0%）
1（25%）
0.1（100%）
0.01（0%）
0.1（75%）
1（0%）
0.01（0%）
由於其結果包含 0 - 100 %，所以須將數值轉換成反餘弦角度值，結果如下。
0.1（60）
0.01（0）
1（0）
1（30）
0.1（90）
0.01（0）
0.1（60）
1（0）
0.01（0）
Statistical Analysis
變方分析表
Source
DF
Mean Square
F-value
Pr > F
濃度
2
3900
19.5
0.0024
機差
6
200
總和
8
從Pr > F之數值可看出分析之結果，試驗前，我們定義 H0 假設為各處理所得之結果相同，其可接受之最小範圍為 5 ％ 或 1 ％，因此若分析出之結果各處理反應相同之機率小於 5 % 或 1 %，表示推翻 H0 假設，其結論為各處理之反應具差異。Pr > F 之意義為試驗結果符合 H0 假設成立之機率，0.0024 小於 0.05 或 0.01，所以結論為不同濃度 2,4-D 對台灣扁柏成熟胚誘導癒合組織發生具差異性。