动物实验通常是通过研究某个物种、品系或性别动物模型的生物学特性，间接推断人或其他研究对象是否存在类似生物学特性，这种哲学外推往往会带来一定误差，甚至是严重的偏倚。为了降低这种风险，使动物实验结果能够合理外推到人，缜密的动物实验设计就显得尤为重要。人类疾病动物模型正确选用是保障动物实验顺利进行的前提。接下来要考虑的就是利用人类疾病动物模型开展生物医学研究必须遵守的原则，包括对照、随机化、重复三原则。

(一)对照原则
对照(control)是动物实验设计的首要原则。动物模型相关实验也需要有对照，有比较才能鉴别，对照是比较的基础。除了受观察处理因素外，其他影响效应指标的一切条件在实验组与对照组中应尽量相同，要有高度的可比性，才能排除混杂因素的影响，对实验观察的项目做出科学结论。对照的种类有很多，常用的有以下几种：

1．空白对照  对照组不施加任何处理因素。这种对照往往用于动物造模成功与否的评价实验。这种方法简单易行，但可能引起实验组与对照组动物心理上差异，从而影响实验效应测定。在一些利用成熟动物模型进行相关科学实验时，有时可根据具体情况不设空白对照组。

2．实验条件对照  对照组不施加处理因素，但施加某种与处理因素相同实验条件。实验条件包括操作技术、被试因素的溶媒或容量等。如在一些外科相关动物实验中。往往设一个假手术组。凡对实验效应产生影响的实验条件，宜采用此法。

3．标准对照  也称阳性对照。用现有的标准方法或常规方法作对照。如，在药理学研究中，用已知的有效药物、有效疗法或公认的标准疗法作对照。

(二)随机化原则
在动物实验中要求各组间除了处理因素外，其他可能产生混杂效应的非处理因素，在各组中(对照和实验组)尽可能保持一致，保持各组的均衡性。贯彻随机化(randomization)原则是提高组间的均衡性的一个重要手段，也是资料统计分析时，进行统计推断的前提。随机化抽样目的就是要使总体中每一个研究对象都有同等机会被抽取分配到实验组或对照组。在动物实验研究时，一般采用完全随机分配或分层随机分配。小动物实验大多数先配对或配伍组，然后“对”内或“伍”内进行随机分配，但大动物多半先分层，然后再层内随机分配。随机化抽样的基本方法有随机数学表、计算器随机数学法和抽签法等，研究者可视具体情况而定。
下面，举一随机分层分组例子说明分层分组的重要性。为了利用家兔研究某种药物抗动脉粥样硬化特性，拟将家兔分为对照组和实验组。诱导动脉粥样硬化模型将选用高胆固醇饮食法(0.3％高胆固醇饮食16周)。我们选用24只家兔进行实验，先用较高浓度高胆固醇饲料(如0.5％高胆固醇饲料)饲喂家兔1周，检测家兔血浆胆固醇水平，排除对高胆固醇饮食不敏感或过于敏感动物(根据具体实验确定标准，如淘汰血浆胆固醇水平低于300mg/ dl和高于600mg/dl的家兔)。符合标准家兔有16只，根据胆固醇水平从低(314mg/dl)到高(590mg/ dl)排序(表4-1)。为了更均衡，我们根据血浆胆固醇水平高低分了8层(区组号)。然后用随机数字表在层内随机分组(如随机数字小者为对照组)。分组后结果显示：对照组血浆胆固醇水平(439mg/ dl±94mg/dl)与实验组(438mg/dl±95mg/dl)非常接近，标准差也相当，基本达到了组内均衡，个体变异被均衡地分配到组内。

表4-1  随机分层分组举例

  (三)重复原则
  要使统计量(样本指标)代表参数(总体指标)，除用随机抽样方法缩小误差外，重复(duplication)实验是保证实验结果可靠的另一基本方法。重复原则的内在要求：一是动物实验每个组别要有一定的例数重复及一定的动物只数；二是要进行必要的重复实验。实验要求一定重复数，其目的是使均数逼真，并稳定标准差，只有这样来自样本的统计量才能代表总体的参数，统计推断才具有可靠的前提。重复例数(动物数)决定因素包括处理效果明显性、实验误差大小、动物个体变异大小、资料性质、确定第一类误差(α)和第二类误差(β)大小和实验设计类型。总之，样本例数太多或太少都不利于揭示事物间差别。因此，应该在保证实验结果具有一定可靠性的条件下，确定最低的样本例数，以节约人力和经费、符合3Rs原则。

动物实验设计必须遵循“重复、对照、随机化”统计学原则，即要有一定数量的重复观察样本(动物)、设立对照组、做到随机化分组或随机抽样。随着生物医学水平不断提高，除了以上三原则外，科研人员还要从动物福利的角度出发，遵守3Rs原则，这也是高水平研究的内在要求。另外，盲法(blinding)原则在动物实验中应用也越来越受到重视，这也是避免人为因素带来实验偏倚的可行途径。动物实验设计中引入盲法，也可以避免实验者主观因素带来的偏倚和误差。