实验设计与数据处理

实验设计与数据处理

教师：邵青1文库专用

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。2文库专用农业领域3文库专用道路4文库专用5文库专用桥梁6文库专用

工业产品7文库专用8文库专用9文库专用（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）10文库专用（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11文库专用二、本课程讲授内容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）12文库专用参考文献

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13文库专用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。14文库专用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。15文库专用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

16文库专用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。17文库专用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。18文库专用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、……）19文库专用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。

20文库专用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。21文库专用举例例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、Ⅲ22文库专用举例例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、423文库专用举例例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）24文库专用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。25文库专用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。26文库专用27文库专用28文库专用29文库专用30文库专用31文库专用32文库专用33文库专用34文库专用35文库专用36文库专用37文库专用38文库专用39文库专用40文库专用41文库专用42文库专用43文库专用44文库专用45文库专用46文库专用47文库专用48文库专用49文库专用50文库专用51文库专用52文库专用53文库专用54文库专用55文库专用56文库专用57文库专用58文库专用59文库专用60文库专用61文库专用62文库专用63文库专用64文库专用65文库专用66文库专用67文库专用68文库专用69文库专用70文库专用71文库专用72文库专用73文库专用74文库专用75文库专用76文库专用77文库专用78文库专用79文库专用80文库专用81文库专用82文库专用83文库专用84文库专用85文库专用86文库专用87文库专用88文库专用89文库专用90文库专用91文库专用92文库专用93文库专用94文库专用95文库专用96文库专用97文库专用98文库专用99文库专用100文库专用101文库专用102文库专用103文库专用104文库专用105文库专用106文库专用107文库专用108文库专用109文库专用110文库专用111文库专用112文库专用113文库专用114文库专用115文库专用116文库专用117文库专用118文库专用119文库专用120文库专用121文库专用122文库专用123文库专用124文库专用125文库专用126文库专用127文库专用128文库专用129文库专用130文库专用131文库专用132文库专用133文库专用134文库专用135文库专用136文库专用137文库专用138文库专用139文库专用140文库专用141文库专用142文库专用143文库专用144文库专用145文库专用146文库专用147文库专用148文库专用149文库专用150文库专用151文库专用152文库专用153文库专用154文库专用155文库专用156文库专用157文库专用158文库专用159文库专用160文库专用161文库专用162文库专用163文库专用164文库专用165文库专用166文库专用167文库专用168文库专用169文库专用170文库专用171文库专用172文库专用173文库专用174文库专用175文库专用176文库专用177文库专用178文库专用179文库专用180文库专用181文库专用182文库专用183文库专用184文库专用185文库专用186文库专用187文库专用188文库专用189文库专用190文库专用191文库专用192文库专用193文库专用194文库专用195文库专用196文库专用197文库专用198文库专用199文库专用200文库专用201文库专用202文库专用203文库专用204文库专用205文库专用206文库专用207文库专用208文库专用209文库专用210文库专用211文库专用212文库专用213文库专用214文库专用215文库专用216文库专用217文库专用218文库专用219文库专用220文库专用221文库专用222文库专用223文库专用224文库专用225文库专用226文库专用227文库专用228文库专用229文库专用230文库专用231文库专用232文库专用233文库专用234文库专用235文库专用236文库专用237文库专用238文库专用239文库专用240文库专用241文库专用242文库专用243文库专用244文库专用245文库专用246文库专用247文库专用248文库专用249文库专用250文库专用251文库专用252文库专用253文库专用254文库专用255文库专用256文库专用257文库专用258文库专用259文库专用260文库专用261文库专用262文库专用263文库专用264文库专用265文库专用266文库专用267文库专用268文库专用269文库专用270文库专用271文库专用272文库专用273文库专用274文库专用275文库专用276文库专用277文库专用278文库专用279文库专用280文库专用281文库专用282文库专用283文库专用284文库专用285文库专用286文库专用287文库专用288文库专用