试验设计基础.

1、食品与生物试验设计食品与生物试验设计与数据分析与数据分析王静静第二章第二章 试验设计基础试验设计基础一一、试验设计的、试验设计的基本术语基本术语二、试验设计二、试验设计的的基本原则基本原则三、试验的三、试验的误差及其来源误差及其来源四、试验数据的四、试验数据的特征数（重点）特征数（重点）五、统计假设五、统计假设检验（重点、难点）检验（重点、难点）六、六、试验设计的试验设计的类型、意义类型、意义一一、试验设计的、试验设计的基本术语基本术语试验设计的基本术语试验设计的基本术语1、 试验因子（试验因数）试验因子（试验因数）影响科学试验结果的因子往往很多，但进行试验影响科学试验结果的因子往往很多，但进

2、行试验时，仅能挑选几个因子进行试验，因此试验中安排时，仅能挑选几个因子进行试验，因此试验中安排的因子称为试验因子（的因子称为试验因子（experimental factor）或试验）或试验因素，而未在此次试验中安排的因子则统称为非试因素，而未在此次试验中安排的因子则统称为非试验因子。验因子。试验设计的基本术语试验设计的基本术语在安排试验中，每个因子的某种具体措施在安排试验中，每个因子的某种具体措施则称为该因子的某种水平（则称为该因子的某种水平（Level），它们有），它们有的是连续变化的定量因子，有的是离散状态的的是连续变化的定量因子，有的是离散状态的定性因子。定性因子。试验设计的基本术语试验

3、设计的基本术语2、试验水平、试验水平试验中试验因素所处的各种状态或取值称为试验中试验因素所处的各种状态或取值称为因数因数水平水平，简称，简称水平水平。若一个因数取。若一个因数取m个水平，则称该因个水平，则称该因素为素为m水平的因素。水平的因素。因素水平可以是定量的，也可以是定性的。如原因素水平可以是定量的，也可以是定性的。如原料品种、食品添加剂、色谱柱不同类别等。料品种、食品添加剂、色谱柱不同类别等。试验设计的基本术语试验设计的基本术语3、试验指标、试验指标在试验设计中把判断试验结果好坏所采用的标准在试验设计中把判断试验结果好坏所采用的标准称为称为试验指标试验指标，简称，简称指标指标。它类似于

4、数学中的。它类似于数学中的因变因变量或目标函数量或目标函数。如：考察加热时间和加热温度对果胶酶活性的影如：考察加热时间和加热温度对果胶酶活性的影响时，果胶酶活性就是试验指标。响时，果胶酶活性就是试验指标。试验设计的基本术语试验设计的基本术语试验指标可以分为定性指标和定量指标，能够试验指标可以分为定性指标和定量指标，能够用数量表示的指标是定量指标，如食品的酸度、用数量表示的指标是定量指标，如食品的酸度、蛋白质、脂肪、碳水化合物、水分含量等；不能蛋白质、脂肪、碳水化合物、水分含量等；不能用数量表示的指标为定性指标，如色泽、风味和用数量表示的指标为定性指标，如色泽、风味和质地、口感等。质地、口感等。

5、在试验设计中，为了便于分析试验结果，常把在试验设计中，为了便于分析试验结果，常把定性指标进行量化，转化为定量指标。定性指标进行量化，转化为定量指标。试验设计的基本术语试验设计的基本术语一个试验中可以选用单指标，也可以选一个试验中可以选用单指标，也可以选用多指标，这由专业知识对试验的要求确用多指标，这由专业知识对试验的要求确定。定。各个专业领域的研究对象不同，试验指各个专业领域的研究对象不同，试验指标各异。标各异。在设计试验时要合理地选用试验指标，在设计试验时要合理地选用试验指标，它决定了观测记载的工作量。过简单则难它决定了观测记载的工作量。过简单则难以全面准确地评价试验结果，功亏一篑；以全面准

6、确地评价试验结果，功亏一篑；过繁琐又增加许多不必要的浪费。试验指过繁琐又增加许多不必要的浪费。试验指标较多时还要分清主次，以便抓住主要方标较多时还要分清主次，以便抓住主要方面。面。试验设计的基本术语试验设计的基本术语4、试验处理、试验处理试验处理是指各试验因素的不同水平之间的试验处理是指各试验因素的不同水平之间的联合搭配，因此，试验处理也称为因素的水平组联合搭配，因此，试验处理也称为因素的水平组合或水平处理。合或水平处理。在单因素试验中，水平和处理是一致的，一在单因素试验中，水平和处理是一致的，一个水平就是一个处理。在多因素试验中。由于因个水平就是一个处理。在多因素试验中。由于因素和水平较多，

7、可以组成若干个水平组合。素和水平较多，可以组成若干个水平组合。试验设计的基本术语试验设计的基本术语5、重复、重复 “重复重复”为同一试验处理所设置的试验单元数。为同一试验处理所设置的试验单元数。当一个试验的每个处理只设置一个试验单元时，称当一个试验的每个处理只设置一个试验单元时，称为为无重复试验无重复试验；当一个试验中部分处理设置两个或；当一个试验中部分处理设置两个或两个以上试验单元时，称为两个以上试验单元时，称为部分处理没重复的试验部分处理没重复的试验；当一个试验的每个处理都设置两个试验单元时称为当一个试验的每个处理都设置两个试验单元时称为试验有两次重复试验有两次重复，以此类推。，以此类推。

8、试验设计的基本术语试验设计的基本术语6、全面试验、全面试验全面试验：全面试验：对全部组合都进行试验。对全部组合都进行试验。 由于全部组合处理等于各试验因素水平数的乘由于全部组合处理等于各试验因素水平数的乘积，所以全面试验的试验次数也就等于各试验因素积，所以全面试验的试验次数也就等于各试验因素水平数的乘积。水平数的乘积。全面试验的优缺点全面试验的优缺点优点：优点：能够掌握每个因素及其每个水能够掌握每个因素及其每个水平对试验结果的影响，无一遗漏。平对试验结果的影响，无一遗漏。缺点：全面试验有局限性，只适合因素缺点：全面试验有局限性，只适合因素和水平不太多的试验。和水平不太多的试验。6、全面试验、全

9、面试验试验设计的基本术语试验设计的基本术语试验设计的基本术语试验设计的基本术语7、部分实施、部分实施 部分实施部分实施：从全面组合处理中，选取有代表性的处：从全面组合处理中，选取有代表性的处理进行实施。理进行实施。在全面试验中，由于试验因素和水平数的增加会使在全面试验中，由于试验因素和水平数的增加会使处理数目急剧增长，有时难以实施。另外，当试验因素处理数目急剧增长，有时难以实施。另外，当试验因素和水平数较多时，全面试验即使能够实施，也不能算作和水平数较多时，全面试验即使能够实施，也不能算作一个经济有效地方法。为此，在实际实验研究中，都采一个经济有效地方法。为此，在实际实验研究中，都采用部分实施

10、的方法。用部分实施的方法。二、试验设计的二、试验设计的基本原则基本原则试验设计的基本原则1、重复原则、重复原则所谓重复，是指在实验中每种处理至少所谓重复，是指在实验中每种处理至少进行进行2 次以上次以上， 其目的是其目的是在对实验结果进在对实验结果进行分析时能定量地评价误差的大小以及行分析时能定量地评价误差的大小以及减减小随机误差小随机误差。独立重复实验 在相同的处理条件下对不同的实验单元做多次实验。这是通常意义下所指的重复实验，其目的是为了降低由样品差异而产生的实验误差，并正确估计这个实验误差。试验设计的基本原则独立重复实验独立重复实验 在相同的处理条件下对不同的实验在相同的处理条件下对不同

11、的实验单元做多次实验单元做多次实验。这是通常意义下所指的重复实验，这是通常意义下所指的重复实验，其其目的是为了降低由样品差异而产生的实验误差目的是为了降低由样品差异而产生的实验误差，并正确并正确估计这个实验误差估计这个实验误差。重复测量重复测量在相同的处理条件下对同一个样品做多在相同的处理条件下对同一个样品做多次重复次重复实验，以排除操作方法产生的误差实验，以排除操作方法产生的误差。试验设计的基本原则A因素因素 A1 A2B因素因素 B1 B2进行实验的目的是为了找出各因子的最佳水进行实验的目的是为了找出各因子的最佳水平，而这样的重复正好使一个因子的各水平都平，而这样的重复正好使一个因子的各水

12、平都组合到，从而更能真实地反映该因子的水平效组合到，从而更能真实地反映该因子的水平效果，为选优提供可靠的依据。果，为选优提供可靠的依据。试验设计的基本原则2、随机化原则、随机化原则指试验条件在各项实验中的配置或各个实验的顺序，不以人的主观意志为转移，按某种有利的方式确定，而是完全以随机的方式进行安排。试验设计的基本原则随机化随机化因素水平的随机化因素水平的随机化实验次序的随机化实验次序的随机化随机化的随机化的目的目的就是就是在实验研究中要避免因主观见解而在实验研究中要避免因主观见解而产生的偏差，消除系统性误差对实验结果的影响。产生的偏差，消除系统性误差对实验结果的影响。试验设计的基本原则在实验

13、中，每一个处理都有同等的机会被安排在在实验中，每一个处理都有同等的机会被安排在某一特定的空间和时间环境中，以消除某些处理可某一特定的空间和时间环境中，以消除某些处理可能占有的能占有的“优势优势”或或“劣势劣势”，保证实验条件在空间和，保证实验条件在空间和时间上的均匀性。时间上的均匀性。随机化可有效排除非实验因素的干扰，从而正确、随机化可有效排除非实验因素的干扰，从而正确、无偏地估计实验误差无偏地估计实验误差。随机化通常采用抽签、查随随机化通常采用抽签、查随机数表等方法来实现机数表等方法来实现。试验设计的基本原则3、局部控制原则、局部控制原则指在实验时采取一定的技术措施减少指在实验时采取一定的技

14、术措施减少非试验非试验因素。因素。实施局部控制的目的在于使各部分内或各区、实施局部控制的目的在于使各部分内或各区、组内的实验环境比较一致或相对稳定，使其差异组内的实验环境比较一致或相对稳定，使其差异尽量表现或局限在各部分之间或各区、组之间，尽量表现或局限在各部分之间或各区、组之间，而不致影响对考察因数的比较和分析。而不致影响对考察因数的比较和分析。局部控制原则通常又称作区、组构成原理。局部控制原则通常又称作区、组构成原理。试验设计的基本原则实验时空范围越大，实验条件之间的差异也就越大。如果把一项实验的时空范围划为几个小的范围如果把一项实验的时空范围划为几个小的范围区区组组(block)，使得每

15、个区组内实验条件尽可能均匀一致使得每个区组内实验条件尽可能均匀一致，每个区组内各项处理的实验顺序随机安排每个区组内各项处理的实验顺序随机安排。这样，这样，每每个个区组内区组内的试验误差减小的试验误差减小，区组间区组间试验条件的差异虽试验条件的差异虽较大较大，但可用适当的统计方法来处理，但可用适当的统计方法来处理。这样安排试验这样安排试验的方法称为局部控制的方法称为局部控制，也称局部管理，也称局部管理。试验设计的基本原则实施局部控制时的区组划分应根据具体情况确定。实施局部控制时的区组划分应根据具体情况确定。如如时间区组时间区组、空间区组、仪器设备区组、空间区组、仪器设备区组、操作人员区组等操作人

16、员区组等。完全随机化设计完全随机化设计每个处理随机地选取实验单元每个处理随机地选取实验单元，适用于实验的例数较大或实验单元差异很小的情况适用于实验的例数较大或实验单元差异很小的情况。例：大豆施肥量的实验中，把实验地块分为例：大豆施肥量的实验中，把实验地块分为100块块，对，对氮肥的氮肥的0、1、2、3 kg这这4种处理，种处理，依次随机地选出依次随机地选出25个地块作为实验单元，个地块作为实验单元，分别实施一种施肥水平分别实施一种施肥水平。例：大豆施肥量的实验中，把实验地块分为100块，对氮肥的0、1、2、3 kg这4种处理，依次随机地选出25个地块作为实验单元，分别实施一种施肥水平。试验设计

17、的基本原则有些实验的实验单元之间本身差异很小或不能事先有些实验的实验单元之间本身差异很小或不能事先判断其差异判断其差异，只能采用完全随机化方法分配实验单元只能采用完全随机化方法分配实验单元。随机化区组设计随机化区组设计在大豆施加氮肥的在大豆施加氮肥的4个水平的实个水平的实验中验中，如果实验地块仅分为如果实验地块仅分为16块，块，这时若采用完全随这时若采用完全随机化设计机化设计，不同处理所分配到的地块土壤不同处理所分配到的地块土壤的性状就会的性状就会好坏不均好坏不均，导致实验的结果不真实导致实验的结果不真实。这时就要采用随这时就要采用随机化区组设计机化区组设计，使好地块和差地使好地块和差地块在几

18、个处理中均衡块在几个处理中均衡分配分配。本实验中地块的好坏是区组因素，在选取的16个实验地块中要分别包含8个好地块和8个差地块，4个施肥量的处理分别随机选取2个好地块和2 个差地块。这种方式就是随机化区组设计，其目的就是把性状不同的实验单元均衡地分配给每个处理。试验设计的基本原则本实验中地块的好坏是区组因素，在选取的本实验中地块的好坏是区组因素，在选取的16个实验地块中要分别包含个实验地块中要分别包含8个好地块和个好地块和8个差地块个差地块，4个施肥量的处理分别随机选取个施肥量的处理分别随机选取2个好地块和个好地块和2 个差个差地块地块。这种方式就是随机化区组设计，这种方式就是随机化区组设计，其目的就是其目的就是把性状不同的实验单元均衡地分配给每个处理把性状不同的实验单元均衡地分配给每个处理。在蛋糕加工工艺研究中，欲考察不同食品添加剂对各种配方蛋糕质量的影响而试验。试验有两个因素，即配方因素A有4个水平，添加剂因素B有3个水平，3次重复，计36（433）次实验。试验设计的基本原则在蛋糕加工工艺研究中，在蛋糕加工工艺研究中，欲考察不同食品添加欲考察不同食品添加剂对各种配方蛋糕质量的影响而试验剂对各种配方