实验设计与数据处理-岳开华(共9页)

1、广西科技(kj)大学实验设计与数据处理论文(lnwn)论文(lnwn)名称 实验设计与数据处理 的应用及分析 学 院 生物与化学工程 专 业 化学工艺 班 级 2013级生化研 学 号 20130401039 姓 名 岳开华 指导教师 黄永春 2014年08月23日摘要(zhiyo)根据实验设计和数据分析课程所学，对实验设计的背景(bijng)，发展以及在各个领域的的应用进行了分析，充分说明了实验设计与数据处理的重要性。对各种实验设计方法进行简单分析优劣，对基本数据处理方法进行讨论，对前沿计算机软件处理进行了简单分析。关键词 实验设计；数据处理；数据处理软件(run jin)一实验设计的背景(

2、bijng)分析 任何自然科学都离不开实验，大多数学科（化工(hugng)、化学、轻工、材料、环境、医药、热工等）中的概念、原理和规律大多由实验推导和论证的。如最佳的配方、工艺条件，产品性能的优化，对产品质量、环境质量作出评价等。 “实验设计与数据处理”是以概率论数理统计、专业技术知识和实践经验为基础，经济、科学地安排试验，并对试验数据(shj)进行计算分析，最终达到减少试验次数、缩短试验周期、迅速找到优化方案的一种科学计算方法。它主要应用于工农业生产和科学研究过程中的科学试验，是产品设计、质量管理和科学研究的重要工具和方法。 20世纪初：英国生物统计学家费歇尔（1890-1962）首次提出了

3、“试验设计”术语。实验设计方法最早应用于农业、生物学、遗传学方面。在农业方面主要是进行品种对比、施肥对比等。20世纪40年代，英美两国开始在工业生产中应用，如改变原料配比或工艺生产条件，寻找最佳工况。50、60年代：日本田口玄博士创造了正交试验设计法。日本电讯研究所研制的“线形弹簧继电器”，使电话机收听效果大为改进，为日本电讯事业的发展起到了不可估量的作用。50年代：我国中科院数学研究所在正交实验设计的观点、理论和方法上有了新的创见，编制了一套较为适用的正交表，简化了实验程序和实验结果分析方法。目前，实验设计已广泛应用于各个领域。 方差分析主要是用来检验两个或者两个以上样本的平均值差异的显著程

4、度，并由此判断样本究竟是否抽自具体同一均值的总体。方差分析对于比较不同生产工艺或者设备条件下产量、质量的差异，分析不同计划方案效果的好坏和比较不同之处、不同人员有关的数量指标差异是否显著时，是非常有用的。 影响实验结果的因素大致上可以分为两类：一类是可以认为加以控制或测试的，称为可控制因素；另一类是人为无法定量控制或直接观测的，称为随机因素。实际问题中要求方差分析鉴别的主要是可控制因素对结果的影响，但随机因素的影响混乱在其中，从而使问题的解决变得比较复杂。如何有目的的安排试验测试，并通过对试验观测数据的分析处理，将这两类影响有效地区分来是问题得以解决的关键。 方差分析的基本原理:方差分析的基本

5、思路是一方面确定因素的不同水平下均值之间的方差，把它作为对由所有试验数据所组成的全部整体的方差的第一个估计值；另一方面再考虑在同一水平下不同实验数据对于这一水平的均值的方差，由此计算出对于由所有试验数据所组成的全部数据的总体方差的第二个估计值。比较上述两个方差的估计值比较接近就说明因素的不同水平下的均值间的差异并不大，就接受零假设；否则，说明因素的不同水平下均值间的差异比较大。实验设计的作用(zuyng)分析1.实验设计的理念(l nin)实验设计的基本(jbn)宗旨：最大限度地提高实验效率最大限度地提高实验精度实验设计基本要素：指标用来衡量试验效果好坏的特征值。因素对实验指标有影响的原因或要

6、素。水平 因素在实验中所处的不同状态，可能引起指标的变化。2实验设计的方法 针对不同的具体情况，有不同的实验设计方法。一般的有单因素试验设计、双因素试验设计、正交实验设计、优选法、均匀设计等。各种试验方法的目的、出发点各不相同。正交试验设计正交试验设计是科学设计多因素试验的一种方法。它利用一套规范化的正交表安排试验，对试验得到的结果采用数理统计方法进行分析处理，使得出科学结论。正交表是正交试验设计的基本工具，它是根据均衡搭配、综合可比的思想，运用组合数学理论构造出的一种表格。正交试验设计的基本步骤：正交试验包括正交试验方案设计、根据正交试验方案进行试验、实验结果的计算与分析以及验证试验四个部分

7、。吴春燕1等人在研究正交设计优化胡萝卜ISSR-PCR 反应体系中选择L16(45) 正交表，对PCR体系各反应成分因素( Mg2+, dNTP, Taq DNA 聚合酶, 引物, 模板DNA)水平及正交试验表见表1 和表2。反应体系中总体积为25滋L。PCR扩增程序为：94 5 min；9430 s，5545 s，7290s，35个循环；7210min；4保存。扩增产物用1%的琼脂糖凝胶在电泳仪上检测，120 V电泳1 h，在自动凝胶成像系统上拍照分析。根据分析结果，找到最佳反应条件，并进行 30次、35次、40次循环反应，找到最佳反应次数。邢德松2等人利用正交试验法确定了利用微乳液高温(g

8、own)法制备超细蓝色荧光体Sr2CeO4 的最佳制备条件 接着利用该最佳条件制备出了超细的Sr2CeO4粉体并对其性能进行了详细的研究。利用正交试验可以迅速的将几个影响因素的主次分出来，而且可以找出最佳的实验条件，利用正交试验不仅可以减少试验次数，将实验工作量降到最少，而且实验结果准确可靠。优选法 优选法是根据生产和科研中的不同问题，以数学原理为指导，合理安排实验点，减少试验次数，以求迅速找到最佳点的一类科学方法，优选法可以解决那些(nxi)实验指标与因素间不能用数学形式表达，或者虽有表达式但很复杂的那些问题。优选法的目标就是尽可能少做试验，尽快地找到生产(shngchn)和科研的最优方案我

9、国从70年代初开始，首先由数学家华罗庚等人推广，随后优选法开始在生产实际中得到大量应用。单因素优选法 如果在试验时，只考虑一个对目标影响最大的因素，其它因素尽量保持不变，则称为单因素问题。一般有黄金分割法，分数法，平分法，抛物线法，一般步骤：（1）首先应估计包含最优点的试验范围如果用a表示下限，b表示上限，试验范围为a，b（2）然后将试验结果和因素取值的关系写成数学表达式不能写出表达式时，就要确定评定结果好坏的方法方便起见，仅讨论目标函数为f（x）的情况。孟丹3等人以Ti(OBu)为前驱体，设计单因素优选实验，通过溶胶凝胶-浸渍提拉法在玻璃基片上制备Ti02纳米薄膜，研究了元水乙醇、浓盐酸、超

10、纯水对其结构和性能的影响，获得了纳米TiO2薄膜的最佳制备条件。多因素优选法多因素优选法通常是将多因素简化为双因素或单因素的情况来处理。一般的有平分平面法，降维法，平行线法等等。 邱菊生4等人运用逐步提高优选法和抛物线优选法制备了高力学性能的玄武岩纤维( BF) 和聚丙烯纤维m(BF)/m(PPE)复合板材料研究了m(BF)/ m(PPF)对复合板材力学性能的影响 。运用逐步提高优选法研究了BF和PPF 的最佳质量比袁 从而使BF/PPF复合板材的力学性能达到最佳，同时运用抛物线优选法检验逐步提高优选法的准确性，并进行了验证对产品优质，省时，节能降耗的深入研究。均匀(jnyn)设计均匀设计属于

11、近年(jn nin)发展起来的“伪蒙特卡罗方法(fngf)”的范筹。将经典的确定的单变量问题的计算方法推广后用于多变量问题的计算时，计算量往往跟变量个数有关，即使电脑再进步很多，这种方法仍无法实际应用，乌拉母（S.Ulam）与冯诺依曼(J.von Neumann)在40年代提出蒙特卡罗方法，即统计模拟方法，这个方法的大意是将一个分析问题化为一个有同样解答的概率问题，然后用统计模拟的方法来处理后面这个问题，这样使一些困难的分析问题反而得到了解决，例如多重定积分的近似计算。蒙特卡罗方法的关键是找一组随机数作为统计模拟之用，所以这一方法的精度在于随机数的均匀性与独立性。均匀设计的结果没有整齐可比性，

12、分析结果不能采用一般的方差分析方法，通常要用回归分析或逐步回归分析的方法。段海婷5等人通过锆硅铝三元无机包膜金红石型钛白粉的U，(75)均匀实验。确定锆硅铝三元无机包膜金红石型钛白粉的最佳工艺条件，研究了包覆过程中，不同包膜剂的反应pH值、分散剂用量、不同包膜剂用量以及转速对金红石型钛白粉包膜效果的影响，并对金红石型钛白粉原料在介质中的分散性，表面包锆、包硅及包铝氧化物的机理和包膜的表面结构进行探讨，最终优选锆硅铝三元无机包膜钛白粉的最佳工艺条件。用均匀实验设计这一统计方法对其工艺条件进行了全面考察，使收率由正交设计时的62提高到83，产品质量也有了较大的改善。陈琳珏6等人在均匀实验设计在4一

13、羟基二苯酮制备工艺中应用中应用均匀实验设计方法，大大减少了实验次数。本实验用正交实验设计，至少需36次实验，而用均匀实验设计，最多只需18次，一般不超过12次，节约了大量的人力、物力和时间。与正交实验设计相比，结果分析更科学、更精确。如初步实验所确定范围不够准确，则用均匀实验设计最佳水平组合，并同时对收率和纯度进行考察，结果更令人满意。数据处理的作用分析数据处理是指从获得数据开始到得出最后结论的整个加工过程，包括数据记录、整理、计算、分析和绘制图表等。数据处理是实验工作的重要内容，涉及的内容很多，这里仅介绍一些基本的数据处理方法。主要方法有列表法，图解法，逐差法，最小二乘法等等。列表(li b

14、io)法 对一个物理量进行多次测量或研究几个量之间的关系时，往往借助于列表法把实验数据列成表格。其优点是，使大量数据表达清晰醒目，条理化，易于检查数据和发现问题，避免(bmin)差错，同时有助于反映出物理量之间的对应关系。图解法 图线能够直观地表示实验数据间的关系，找出物理规律(gul)，因此图解法是数据处理的重要方法之一。逐差法 对于自变量等间距变化的数据组，常采用逐差法处理一元线性拟合问题。逐差法与作图法相比，它不像作图法拟合直线具有较大的随意性，比最小二乘法计算简单而结果相近，在物理实验中是常用的数据处理方法。最小二乘法 用作图法处理实验数据获得直线的斜率和截距等重要参数虽然 简单明了，

15、但是存在相当大的主观成分，结果也往往因人而异。最小二乘法则是一种比较精确的直线拟合方法。它的依据是：对于等精度测量若存在一条最佳拟合直 线，那么各测量值与这条直线上的对应点值之差的平方和应为极小。几种软件在实验数据处理中的应用Matlab在数据处理中的应用Matlab软件具有强大的数值运算功能、数学计算功能、数据可视化功能、2D/3D绘图功能,它们为实验数据处理提供了可靠的保证。利用其自带的函数以及使用者自行编制的程序可完成如曲线拟合、求方差、相关系数等数据计算;利用2D/3D绘图功能可对数据结果进行图像化显示;图像结果处理后利用鼠标拖动可任意变换观察角度以寻找最佳观察角度;其插值函数inte

16、rp2可以进行光滑连线。Excel在数据处理中的应用(yngyng)Excel软件集数据的编辑、整理、统计分析、图表绘制于一身,利用它处理实验数据可以减少枯燥的数据运算,防止运算中的错误;它的图表功能使作图非常容易,并且可以对实验结果进行分析。实验中实验数据的处理、不确定度的计算、绘制表格利实验数据的图示,这些工作可以利用高版本(bnbn)Excel中的内置工作表函数得到很方便地解决。Origin在数据处理中的应用(yngyng)Origin是用于数据分析、项目绘图的软件,其功能强大,具有快速、灵活、使用简便等优点,在学术研究领域里有很广的应用范围。它具有数据排序、调整、统计、频谱变换、曲线拟

17、合等各种完善的数学分析功能以及强大的绘图功能,其最突出的特点就是使出简单、直观、形象和图形化以及面向对象的窗口菜单和工具栏操作等用户环境,且其典型应用不需要用户编写任何一行程序代码;再者是为了扩展功能和三次开发需要,其提供了较广泛的定制功能和各种接口,可利各种数据库软件很方便的连接,得到其它软件(如Excel)无法得到的更加准确的结果和更多附加结果。实验设计与数据处理的重要性对于化工、化学、食品、轻工、制药、生物、材料等需要实验与观测的学科专业，经常需要通过试验来研究对象的变化规律，并通过对规律的研究达到各种实用的目的，如提高产量、降低消耗、提高产品性能或者质量等。这样的试验，是一种有计划的实

18、践。科学的试验设计，能用较少的试验次数，达到预期的试验目标。试验过程中所产生的大量的试验数据，必须要进行合理的分析和处理，才能获得研究对象的变化规律，达到指导生产和科研的目的。参考文献1吴春燕,陈赫楠等.正交设计优化胡萝卜ISSR-PCR 反应体系.分子(fnz)植物育种J.2013, 11(6)838 - 8422邢德松,龚孟濂等.超细Sr2CeO4粉体微乳液高温法制备的正交试验及其发光(f un)性能研究J.无机化学学报,2005,21(5)3孟丹,王和义等.乙醇一盐酸一水体系(tx)中溶胶一凝胶法制备纳米Ti02薄膜的研究.化学研究与应用J.2013.23(5)4邱菊生,钟智丽,刘华武.运用优选法制备高力学性