實驗設計與數據處理

第一章概論一、《實驗設計與數據處理》課程的目的、意義任何自然科學都離不開實驗，大多數學科（化工、化學、輕工、材料、環境、醫藥、熱工等）中的概念、原理和規律大多由實驗推導和論證的。如最佳的配方、工藝條件，產品性能的優化，對產品質量、環境質量作出評價等。“實驗設計與數據處理”課程是以概率論數理統計、專業技術知識和實踐經驗為基礎，經濟、科學地安排試驗，并對試驗數據進行計算分析，最終達到減少試驗次數、縮短試驗周期、迅速找到優化方案的一種科學計算方法。它主要應用于工農業生產和科學研究過程中的科學試驗，是產品設計、質量管理和科學研究的重要工具和方法。通過本課程的教學，使學生掌握試驗數據統計分析的基本原理，并能針對實際問題正確地運用。學好本課程，為將來從事各專業科學研究打下基礎。農業領域道路橋梁

工業產品（一）實驗的分類驗證性實驗：對已知的理論進行驗證，以加深對理論的認識探索性實驗：為了揭示尚未完全認識的事物，發現其發生與發展的規律，以完成工程與科研任務，具有很強的探索性（工程中經常碰到）（二）實驗過程實驗準備→實驗→實驗數據分析處理1．實驗準備①提出問題，弄清實驗目標②設計實驗方案（實驗設計）③擬訂實驗大綱④實驗設備、測試儀器的準備2．實驗（1）測試（2）記錄3．實驗數據的分析、處理通過一定的方法對實驗數據進行整理、分析，去偽存真，提煉出我們需要的信息，以發現事物的規律。4．提交實驗報告或科研報告二、主要內容1．實驗設計①單因素實驗設計（均分法，對分法，0.618法，分數法）②雙因素實驗設計③多因素實驗設計（正交實驗設計）2．數據處理①實驗誤差分析②實驗數據整理③實驗數據分析（直觀分析法、方差分析、回歸分析）參考文獻

①鄭少華、姜奉華《試驗設計與數據處理》，中國建材工業出版社，2004年3月第1版，51.727/Z429（適合材料科學與工程、化工、機械、農業、醫藥等專業）②方萍、何延《試驗設計與統計》，浙江大學出版社，2003年6月第1版（適合環境與資源相關專業、生命科學、農業科學、醫學）③[美]DouglasC.Montgomery著《實驗設計與分析》中國統計出版社，1998年6月第1版（電工等專業）④楊德《試驗設計與分析》，中國農業出版社⑤王萬中《試驗的設計與分析》，高等教育出版社第二章實驗設計第一節概論實驗設計——是指為節省人力、財力、迅速找到最佳條件，揭示事物內在規律，根據實驗中不同問題，在實驗前利用數學原理科學編排實驗的過程。以概率論與數理統計學為理論基礎，為獲得可靠試驗結果和有用信息，科學安排試驗的一種方法論，亦是研究如何高效而經濟地獲取所需要的數據與信息的方法。正確的實驗設計不僅節省人力，物力和時間，并且是得到可信的實驗結果的重要保證。即經過設計的實驗，效果大大提高，與不經過設計的實驗相比，情況大不相同。廣義上說，實驗設計包括明確實驗目的，確定測定參數，確定需要控制或改變的條件，選擇實驗方法和測試儀器，確定實測精度要求，實驗方案設計和數據處理步驟等。1．實驗設計的發展過程

20世紀初：英國生物統計學家費歇爾（1890-1962）首次提出了“試驗設計”術語。實驗設計方法最早應用于農業、生物學、遺傳學方面。在農業方面主要是進行品種對比、施肥對比等。

20世紀40年代，英美兩國開始在工業生產中應用，如改變原料配比或工藝生產條件，尋找最佳工況。50、60年代：日本田口玄—博士創造了正交試驗設計法。日本電訊研究所研制的“線形彈簧繼電器”，使電話機收聽效果大為改進，為日本電訊事業的發展起到了不可估量的作用。50年代：我國中科院數學研究所在正交實驗設計的觀點、理論和方法上有了新的創見，編制了一套較為適用的正交表，簡化了實驗程序和實驗結果分析方法。目前，實驗設計已廣泛應用于各個領域。2．實輸驗設掀計的郊基本浮宗旨①最大坑限度類地提芽高實視驗效率②最脂大限說度地躺提高字實驗精度3．實繡驗設南計基哪本要佛素①指標——用來艇衡量祖試驗霜效果尚好壞漿的特斑征值廢。②因素——對實簽驗指動標有擔影響印的原歐因或底要素歌。③水平——因素形在實站驗中筑所處猴的不適同狀避態，奮可辨能引野起指攀標的增變化嘩。1）指蜜標——用來瓜衡量密試驗古效果婚好壞脈的特晌征值①指標個分類件：a)定量指標榜（數播量指使標，釘如強狠度、佳重量爸、產墓量、泰合格澤率、孫成活原率、圾廢品習率、搏轉化胃率等盡。）b)定性指標擾（固非數舌量指藍標，泉如顏狹色、磁味道嚇、光亮澤等橋）②指睬標的百選擇暗要求產：選擇客觀光性強的指沖標，饒選擇易于既量化即經宰過儀膜器測揭量而呢獲得梁的指灶標；溝選擇靈敏研度高的指撿標，年選擇精確市性強的參鬼數作義為指疫標。2）因蘋素——對實兩驗指揭標有舒影響截的原墳因或宇要素因素仔也稱伴為因車子，情它是浴在進配行實綢驗時尾重點挖考察羞的內墻容。因素什一般途用大泉寫字嚇母AB申C……來標怕記，既如因抵素A、因吵素B、因郊素C等。①因甲素分孫類：a)可控因素躲（溫農度、聰時間弓、種憶類、逆濃度……）b)不可思控因素風（風念速、內氣溫扛、……）②選擇霉因素皺的原丹則a）抓男住主饞要因夾素（注將影吉響較住大的瓶因素億選入筐試驗挨）同鋪時要惡考慮往因素豪之間凱的交燙互作呈用。b）找旁出非虜主要蕉因素邊，并準使其艱在實觀驗中蕉保持態不變奴，以冶消除恢其干即擾作撇用。3）水平——因素訂在實域驗中勺所處殲的不思同狀踏態選擇雜水平援的原責則：①水努平宜趨取三烏水平棕為宜②水陵平應沫是等雞間隔燈的原勵則③水倦平是乒具體旬的④水節平的途選擇姐必須越在技欄術上脾現實及可行勢。舉例例1：某薯化工丹工程侄師欲左研究類化學棉反應盡溫度恩（60網℃、70云℃、80豪℃）、每反應扶時間祥（1h、1.料5h、2h）、縣催化丟劑用籠量（2k殃g、2.蝴5k僵g、3k副g）對受產品躁產量薄（指搞標）燒的影爽響，叨根據君找出僅的規嘗律，且確立航最佳硬生產屠條件尸。例2：考腳察3種不葬同類鉆型的胞電路卻對某主種自憤動開斗關的閉響應月時間腦（ms）的柱影響指標起：響高應時句間聰因效素：帳電路諸類型水平負：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ舉隊例例3：研抵究紙才漿中慨木材金濃度虹的分興率、倚容器鍬的壓筍強、兇煮漿葡時間凳對紙歇張強淚度的壘影響軍。指標：紙兼張強呢度因素京及水諒平：紙漿磚中木鳥材濃預度的悔分率(%躁)番2、4、8容器示的壓描強(k銅Pa恒)陣40科0、50村0、65副0煮漿現時間(h憂)他3、4舉乓例例4：直廚接過薦濾實屢驗中妙，欲枯考察懷混凝胞劑硫小酸鋁即投量墊，助肝劑聚拔丙烯巴酰胺廈投量沙，濾想速對添過濾拍周期端平均談出水嚼濁度蝴的影卵響。實驗指標：過奏濾周滅期平洗均出建水濁苦度因素之及水惱平：混凝棵劑投貞量（mg宅/L）（10、12、1）助凝返劑投作量（mg銷/L）（0.毀08、0.母15、0.私30）濾如速售（m/匪h）穗（8、10、12）4．實鹽驗設男計方統法針對厘不同收的具悉體情秀況，較有不北同的汗實驗稿設計案方法軌。單因吩素試怒驗設顆計雙因宅素試急驗設燈計正交駝實驗劫設計各種鵝試驗滴方法千的目巾的、構出發澇點各婆不相仔同。5．實會驗方呢案設擴計的頭步驟①明確濾實驗刺目的膽，確捕定實薯驗指掘標。②挑氏選因格素，誘選取惠水平餅。③選捎定實午驗設悅計方侍法。④實鎮驗點葵安排相。6．強壩烈推敢薦掌規握的幾類藝實驗以方案招設計1)熱f廢ac潑to砍ri室al紅d輕es輩ig摸n排(F半D)2)施c咱en蓋tr