实验设计与数据处理

实验设计与数据处理第一页，共二十七页，2022年，8月28日

第一章概论一、《实验设计与数据处理》课程的目的、意义任何自然科学都离不开实验，大多数学科（化工、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”课程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。通过本课程的教学，使学生掌握试验数据统计分析的基本原理，并能针对实际问题正确地运用。学好本课程，为将来从事各专业科学研究打下基础。第二页，共二十七页，2022年，8月28日农业领域第三页，共二十七页，2022年，8月28日道路第四页，共二十七页，2022年，8月28日第五页，共二十七页，2022年，8月28日桥梁第六页，共二十七页，2022年，8月28日

工业产品第七页，共二十七页，2022年，8月28日第八页，共二十七页，2022年，8月28日第九页，共二十七页，2022年，8月28日（一）实验的分类验证性实验：对已知的理论进行验证，以加深对理论的认识探索性实验：为了揭示尚未完全认识的事物，发现其发生与发展的规律，以完成工程与科研任务，具有很强的探索性（工程中经常碰到）第十页，共二十七页，2022年，8月28日（二）实验过程实验准备→实验→实验数据分析处理1．实验准备①提出问题，弄清实验目标②设计实验方案（实验设计）③拟订实验大纲④实验设备、测试仪器的准备2．实验（1）测试（2）记录3．实验数据的分析、处理通过一定的方法对实验数据进行整理、分析，去伪存真，提炼出我们需要的信息，以发现事物的规律。4．提交实验报告或科研报告第十一页，共二十七页，2022年，8月28日二、主要内容1．实验设计①单因素实验设计（均分法，对分法，0.618法，分数法）②双因素实验设计③多因素实验设计（正交实验设计）2．数据处理①实验误差分析②实验数据整理③实验数据分析（直观分析法、方差分析、回归分析）第十二页，共二十七页，2022年，8月28日参考文献

①郑少华、姜奉华《试验设计与数据处理》，中国建材工业出版社，2004年3月第1版，51.727/Z429（适合材料科学与工程、化工、机械、农业、医药等专业）②方萍、何延《试验设计与统计》，浙江大学出版社，2003年6月第1版（适合环境与资源相关专业、生命科学、农业科学、医学）③[美]DouglasC.Montgomery著《实验设计与分析》中国统计出版社，1998年6月第1版（电工等专业）④杨德《试验设计与分析》，中国农业出版社⑤王万中《试验的设计与分析》，高等教育出版社第十三页，共二十七页，2022年，8月28日第二章实验设计第一节概论实验设计——是指为节省人力、财力、迅速找到最佳条件，揭示事物内在规律，根据实验中不同问题，在实验前利用数学原理科学编排实验的过程。以概率论与数理统计学为理论基础，为获得可靠试验结果和有用信息，科学安排试验的一种方法论，亦是研究如何高效而经济地获取所需要的数据与信息的方法。正确的实验设计不仅节省人力，物力和时间，并且是得到可信的实验结果的重要保证。即经过设计的实验，效果大大提高，与不经过设计的实验相比，情况大不相同。广义上说，实验设计包括明确实验目的，确定测定参数，确定需要控制或改变的条件，选择实验方法和测试仪器，确定实测精度要求，实验方案设计和数据处理步骤等。第十四页，共二十七页，2022年，8月28日1．实验设计的发展过程

20世纪初：英国生物统计学家费歇尔（1890-1962）首次提出了“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。第十五页，共二十七页，2022年，8月28日2．实验设计的基本宗旨

①最大限度地提高实验效率②最大限度地提高实验精度

第十六页，共二十七页，2022年，8月28日3．实验设计基本要素①指标——

用来衡量试验效果好坏的特征值。②因素——

对实验指标有影响的原因或要素。③水平——

因素在实验中所处的不同状态，可能引起指标的变化。第十七页，共二十七页，2022年，8月28日1）指标——用来衡量试验效果好坏的特征值①指标分类：a)定量指标（数量指标，如强度、重量、产量、合格率、成活率、废品率、转化率等。）b)定性指标（非数量指标，如颜色、味道、光泽等）②指标的选择要求：选择客观性强的指标，选择易于量化即经过仪器测量而获得的指标；选择灵敏度高的指标，选择精确性强的参数作为指标。第十八页，共二十七页，2022年，8月28日2）因素——对实验指标有影响的原因或要素因素也称为因子，它是在进行实验时重点考察的内容。因素一般用大写字母ABC……来标记，如因素A、因素B、因素C等。①因素分类：

a)可控因素（温度、时间、种类、浓度……）

b)不可控因素（风速、气温、……）第十九页，共二十七页，2022年，8月28日②选择因素的原则

a）抓住主要因素（将影响较大的因素选入试验）同时要考虑因素之间的交互作用。b）找出非主要因素，并使其在实验中保持不变，以消除其干扰作用。

第二十页，共二十七页，2022年，8月28日3）水平——因素在实验中所处的不同状态

选择水平的原则：①水平宜取三水平为宜②水平应是等间隔的原则③水平是具体的

④水平的选择必须在技术上现实可行。第二十一页，共二十七页，2022年，8月28日举例例1：某化工工程师欲研究化学反应温度（60℃、70℃、80℃）、反应时间（1h、1.5h、2h）、催化剂用量（2kg、2.5kg、3kg）对产品产量（指标）的影响，根据找出的规律，确立最佳生产条件。例2：考察3种不同类型的电路对某种自动开关的响应时间（ms）的影响指标：响应时间因素：电路类型水平：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ第二十二页，共二十七页，2022年，8月28日举例例3：研究纸浆中木材浓度的分率、容器的压强、煮浆时间对纸张强度的影响。

指标：纸张强度

因素及水平：纸浆中木材浓度的分率(%)2、4、8

容器的压强(kPa)400、500、650

煮浆时间(h)3、4第二十三页，共二十七页，2022年，8月28日举例例4：直接过滤实验中，欲考察混凝剂硫酸铝投量，助剂聚丙烯酰胺投量，滤速对过滤周期平均出水浊度的影响。实验指标：过滤周期平均出水浊度

因素及水平：混凝剂投量（mg/L）（10、12、1）助凝剂投量（mg/L）（0.08、0.15、0.30）滤速（m/h）（8、10、12）第二十四页，共二十七页，2022年，8月28日4．实验设计方法

针对不同的具体情况，有不同的实验设计方法。单因素试验设计双因素试验设计正交实验设计各种试验方法的目的、出发点各不相同。第二十五页，共二十七页，2022年，8月28日5．实验方案设计的步骤①明确实验目的，确定实验指标。②挑选因素，选取水平。③选定实验设计方法。④实验点安排。第