实验是一种系统性研究，研究者有意设置或改变条件，并观察由此产生的结果。实验可以检验假说、测量某个量、比较不同方案，或发现此前未被认识的关系。实验是科学方法的重要组成部分，尤其适用于探究改变某个条件会如何影响另一个条件的问题。实验的证据价值取决于比较方式的安排、测量的质量，以及将观察结果与结论联系起来的假设。(itl.nist.gov)
目的与范围
实验研究与纯粹的观察性研究不同：研究者会干预所研究的系统，而不只是记录既有条件。这种干预有助于区分因果关系与相关关系：两个量可能同时变化，但并不意味着其中一个导致另一个发生变化。不过，仅有干预并不足以确立因果效应；实验还必须提供可信的比较，并排除其他可能的解释。(nobelprize.org)
实验可以是探索性的，用于识别值得进一步研究的因素或意料之外的行为；也可以是验证性的，用于评估事先提出的预测。还有一些实验用于优化制造工艺，或确定哪些运行条件能够产生预期的响应。这些目的会影响因素、测量方式和分析方法的选择。因此，实验设计不只是收集数据的程序，而是将研究目标与可解释的证据联系起来的方案。(itl.nist.gov)
变量、处理与实验单位
因素是指研究中考察其影响的条件，因素的水平则是实验所包含的具体数值或类别。一种处理可以由某个因素的一个水平构成，也可以由多个因素的水平组合构成。响应有时称为因变量，是实际测量的结果。例如，一项研究可能改变加工温度，并记录产品产率。需要将关注的因素与干扰因素区分开来；后者会影响响应，但并非研究的主要对象。(itl.nist.gov)
实验单位是被独立分配处理的实体，例如试样、生产批次、个人或农田地块。对同一个单位进行多次测量，并不一定构成处理的独立重复。正确识别实验单位十分重要，因为如果分析夸大了独立观测的数量，就可能低估不确定性。因此，必须统筹考虑测量、处理分配和变异结构。(itl.nist.gov)
对照、随机化与重复
对照条件提供了评价干预效果的参照。根据研究问题的不同，对照可以是不实施干预、采用已有的处理方法，或采用另一种运行条件。如果不同处理组在其他相关方面也存在系统性差异，比较结果就会难以解释。这种混杂会使响应存在多种可能的解释，而不能仅归因于所考察的因素。(nobelprize.org)
随机化利用随机机制分配处理或确定各次实验的进行顺序。它有助于防止处理与未受控制的影响因素之间形成系统性关联，但并不能保证某一次实验中的各组完全相同。区组化则通过将相似的单位分组，并在组内比较不同处理，来应对已知的变异来源。例如，可以在同一生产批次内比较处理，而不是跨越在不同条件下生产的批次进行比较。(itl.nist.gov)
重复是指在多个实验单位上重复施加处理，从而提供有关变异的信息，并提高响应估计的精度。重复的仪器读数可以评估测量变异，而独立进行的实验还能够反映不同单位或不同实验时点之间的差异。重复、随机化和区组化各有不同的用途，通常会结合使用，而不是将其视为可以相互替代的保障措施。(itl.nist.gov)
主要实验设计
完全随机设计不设置区组，直接在可用的实验单位之间分配处理。随机区组设计则纳入由干扰因素界定的分组。析因设计考察多个因素的水平组合，使研究者能够同时研究各因素的单独效应及其交互作用。当一个因素的效应取决于另一个因素的水平时，就存在交互作用。部分析因设计只研究选定的组合，以减少所需的实验次数，但代价是能够单独估计的效应受到限制。(itl.nist.gov)
随机对照试验通过随机分配来比较不同干预，应用领域包括医学、教育和经济学。相比之下，自然实验利用研究者无法控制的外部情境，这些情境造成的暴露差异可能提供有价值的信息。尽管名称中有“实验”，它并不是由研究者分配处理的实验；将其用于因果推断时，需要对这些差异如何产生作出假设。(nobelprize.org)
分析与解释
统计学将实验观测与估计及其不确定性联系起来。根据实验设计的不同，研究者可以使用方差分析、线性回归或其他模型来比较响应。分析必须体现处理分配、区组化、重复，以及观测之间的依赖关系。否则，看似精确的结果可能建立在对实验的不恰当表述之上。(itl.nist.gov)
统计假设检验与置信区间涉及推断的不同方面。P值表示观测结果与某个指定统计模型的不相容程度，而不是所检验假设为真的概率。统计显著性也不衡量效应大小或实际重要性。因此，解释结果时需要综合考虑估计的效应大小、不确定性、实验背景，以及所作假设是否恰当，而不能只看显著性阈值。(doi.org)
验证与伦理约束
详细记录实验程序、材料、数据处理和分析过程，可以使他人审查实验发现。相关术语的用法有所不同，但美国国家科学院体系将可复现性与可重复验证性作了区分：前者指使用相同的数据和方法获得一致的计算结果，后者则指通过收集新数据的研究获得一致的发现。由于实验包含不确定性和变异，结果一致并不一定意味着数值完全相同。(nationalacademies.org)
研究伦理学对哪些实验可以开展、如何对待参与者作出约束。1979年的《贝尔蒙报告》提出，尊重个人、行善和公正是涉及人类受试者的研究应遵循的原则，并将这些原则与知情同意、风险与收益评估，以及公平选择参与者联系起来。动物研究有其独立的规范框架，通常概括为替代、减少和优化：尽可能采用替代方法，在适当限制动物数量的同时获取可靠信息，并尽量减少痛苦、改善动物福利。(hhs.gov)