試驗(yàn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

食品與生物試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析王靜ing1425@126.com第二章試驗(yàn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)一、試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本術(shù)語(yǔ)二、試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則三、試驗(yàn)的誤差及其來(lái)源四、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的特征數(shù)（重點(diǎn)）五、統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)（重點(diǎn)、難點(diǎn)）六、試驗(yàn)設(shè)計(jì)的類型、意義一、試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本術(shù)語(yǔ)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本術(shù)語(yǔ)1、

試驗(yàn)因子（試驗(yàn)因數(shù)）影響科學(xué)試驗(yàn)結(jié)果的因子往往很多，但進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，僅能挑選幾個(gè)因子進(jìn)行試驗(yàn)，因此試驗(yàn)中安排的因子稱為試驗(yàn)因子（experimentalfactor）或試驗(yàn)因素，而未在此次試驗(yàn)中安排的因子則統(tǒng)稱為非試驗(yàn)因子。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本術(shù)語(yǔ)在安排試驗(yàn)中，每個(gè)因子的某種具體措施則稱為該因子的某種水平（Level），它們有的是連續(xù)變化的定量因子，有的是離散狀態(tài)的定性因子。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本術(shù)語(yǔ)2、試驗(yàn)水平試驗(yàn)中試驗(yàn)因素所處的各種狀態(tài)或取值稱為因數(shù)水平，簡(jiǎn)稱水平。若一個(gè)因數(shù)取m個(gè)水平，則稱該因素為m水平的因素。因素水平可以是定量的，也可以是定性的。如原料品種、食品添加劑、色譜柱不同類別等。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本術(shù)語(yǔ)3、試驗(yàn)指標(biāo)在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中把判斷試驗(yàn)結(jié)果好壞所采用的標(biāo)準(zhǔn)稱為試驗(yàn)指標(biāo)，簡(jiǎn)稱指標(biāo)。它類似于數(shù)學(xué)中的因變量或目標(biāo)函數(shù)。如：考察加熱時(shí)間和加熱溫度對(duì)果膠酶活性的影響時(shí)，果膠酶活性就是試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本術(shù)語(yǔ)試驗(yàn)指標(biāo)可以分為定性指標(biāo)和定量指標(biāo)，能夠用數(shù)量表示的指標(biāo)是定量指標(biāo)，如食品的酸度、蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、水分含量等；不能用數(shù)量表示的指標(biāo)為定性指標(biāo)，如色澤、風(fēng)味和質(zhì)地、口感等。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，為了便于分析試驗(yàn)結(jié)果，常把定性指標(biāo)進(jìn)行量化，轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本術(shù)語(yǔ)一個(gè)試驗(yàn)中可以選用單指標(biāo)，也可以選用多指標(biāo)，這由專業(yè)知識(shí)對(duì)試驗(yàn)的要求確定。各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的研究對(duì)象不同，試驗(yàn)指標(biāo)各異。在設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)要合理地選用試驗(yàn)指標(biāo)，它決定了觀測(cè)記載的工作量。過(guò)簡(jiǎn)單則難以全面準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果，功虧一簣；過(guò)繁瑣又增加許多不必要的浪費(fèi)。試驗(yàn)指標(biāo)較多時(shí)還要分清主次，以便抓住主要方面。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本術(shù)語(yǔ)4、試驗(yàn)處理試驗(yàn)處理是指各試驗(yàn)因素的不同水平之間的聯(lián)合搭配，因此，試驗(yàn)處理也稱為因素的水平組合或水平處理。在單因素試驗(yàn)中，水平和處理是一致的，一個(gè)水平就是一個(gè)處理。在多因素試驗(yàn)中。由于因素和水平較多，可以組成若干個(gè)水平組合。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本術(shù)語(yǔ)5、重復(fù)

“重復(fù)”為同一試驗(yàn)處理所設(shè)置的試驗(yàn)單元數(shù)。當(dāng)一個(gè)試驗(yàn)的每個(gè)處理只設(shè)置一個(gè)試驗(yàn)單元時(shí)，稱為無(wú)重復(fù)試驗(yàn)；當(dāng)一個(gè)試驗(yàn)中部分處理設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上試驗(yàn)單元時(shí)，稱為部分處理沒重復(fù)的試驗(yàn)；當(dāng)一個(gè)試驗(yàn)的每個(gè)處理都設(shè)置兩個(gè)試驗(yàn)單元時(shí)稱為試驗(yàn)有兩次重復(fù)，以此類推。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本術(shù)語(yǔ)6、全面試驗(yàn)全面試驗(yàn)：對(duì)全部組合都進(jìn)行試驗(yàn)。由于全部組合處理等于各試驗(yàn)因素水平數(shù)的乘積，所以全面試驗(yàn)的試驗(yàn)次數(shù)也就等于各試驗(yàn)因素水平數(shù)的乘積。全面試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：能夠掌握每個(gè)因素及其每個(gè)水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，無(wú)一遺漏。缺點(diǎn)：全面試驗(yàn)有局限性，只適合因素和水平不太多的試驗(yàn)。6、全面試驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本術(shù)語(yǔ)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本術(shù)語(yǔ)7、部分實(shí)施

部分實(shí)施：從全面組合處理中，選取有代表性的處理進(jìn)行實(shí)施。在全面試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)因素和水平數(shù)的增加會(huì)使處理數(shù)目急劇增長(zhǎng)，有時(shí)難以實(shí)施。另外，當(dāng)試驗(yàn)因素和水平數(shù)較多時(shí)，全面試驗(yàn)即使能夠?qū)嵤?，也不能算作一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效地方法。為此，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)研究中，都采用部分實(shí)施的方法。二、試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則1、重復(fù)原則所謂重復(fù)，是指在實(shí)驗(yàn)中每種處理至少進(jìn)行2次以上，其目的是在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)能定量地評(píng)價(jià)誤差的大小以及減小隨機(jī)誤差。獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)

——在相同的處理?xiàng)l件下對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)單元做多次實(shí)驗(yàn)。這是通常意義下所指的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，其目的是為了降低由樣品差異而產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差，并正確估計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)誤差。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)

——在相同的處理?xiàng)l件下對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)單元做多次實(shí)驗(yàn)。這是通常意義下所指的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，其目的是為了降低由樣品差異而產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差，并正確估計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)誤差。重復(fù)測(cè)量——在相同的處理?xiàng)l件下對(duì)同一個(gè)樣品做多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以排除操作方法產(chǎn)生的誤差。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則A因素A1A2B因素B1B2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的目的是為了找出各因子的最佳水平，而這樣的重復(fù)正好使一個(gè)因子的各水平都組合到，從而更能真實(shí)地反映該因子的水平效果，為選優(yōu)提供可靠的依據(jù)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則2、隨機(jī)化原則指試驗(yàn)條件在各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中的配置或各個(gè)實(shí)驗(yàn)的順序，不以人的主觀意志為轉(zhuǎn)移，按某種有利的方式確定，而是完全以隨機(jī)的方式進(jìn)行安排。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則隨機(jī)化因素水平的隨機(jī)化實(shí)驗(yàn)次序的隨機(jī)化隨機(jī)化的目的就是在實(shí)驗(yàn)研究中要避免因主觀見解而產(chǎn)生的偏差，消除系統(tǒng)性誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則在實(shí)驗(yàn)中，每一個(gè)處理都有同等的機(jī)會(huì)被安排在某一特定的空間和時(shí)間環(huán)境中，以消除某些處理可能占有的“優(yōu)勢(shì)”或“劣勢(shì)”，保證實(shí)驗(yàn)條件在空間和時(shí)間上的均勻性。隨機(jī)化可有效排除非實(shí)驗(yàn)因素的干擾，從而正確、無(wú)偏地估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差。隨機(jī)化通常采用抽簽、查隨機(jī)數(shù)表等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則3、局部控制原則指在實(shí)驗(yàn)時(shí)采取一定的技術(shù)措施減少非試驗(yàn)因素。實(shí)施局部控制的目的在于使各部分內(nèi)或各區(qū)、組內(nèi)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境比較一致或相對(duì)穩(wěn)定，使其差異盡量表現(xiàn)或局限在各部分之間或各區(qū)、組之間，而不致影響對(duì)考察因數(shù)的比較和分析。局部控制原則通常又稱作區(qū)、組構(gòu)成原理。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則實(shí)驗(yàn)時(shí)空范圍越大，實(shí)驗(yàn)條件之間的差異也就越大。如果把一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)空范圍劃為幾個(gè)小的范圍—區(qū)組(block)，使得每個(gè)區(qū)組內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件盡可能均勻一致，每個(gè)區(qū)組內(nèi)各項(xiàng)處理的實(shí)驗(yàn)順序隨機(jī)安排。這樣，每個(gè)區(qū)組內(nèi)的試驗(yàn)誤差減小，區(qū)組間試驗(yàn)條件的差異雖較大，但可用適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)方法來(lái)處理。這樣安排試驗(yàn)的方法稱為局部控制，也稱局部管理。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則實(shí)施局部控制時(shí)的區(qū)組劃分應(yīng)根據(jù)具體情況確定。如時(shí)間區(qū)組、空間區(qū)組、儀器設(shè)備區(qū)組、操作人員區(qū)組等。完全隨機(jī)化設(shè)計(jì)——每個(gè)處理隨機(jī)地選取實(shí)驗(yàn)單元，適用于實(shí)驗(yàn)的例數(shù)較大或?qū)嶒?yàn)單元差異很小的情況。例：大豆施肥量的實(shí)驗(yàn)中，把實(shí)驗(yàn)地塊分為100塊，對(duì)氮肥的0、1、2、3kg這4種處理，依次隨機(jī)地選出25個(gè)地塊作為實(shí)驗(yàn)單元，分別實(shí)施一種施肥水平。例：大豆施肥量的實(shí)驗(yàn)中，把實(shí)驗(yàn)地塊分為100塊，對(duì)氮肥的0、1、2、3kg這4種處理，依次隨機(jī)地選出25個(gè)地塊作為實(shí)驗(yàn)單元，分別實(shí)施一種施肥水平。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則有些實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)單元之間本身差異很小或不能事先判斷其差異，只能采用完全隨機(jī)化方法分配實(shí)驗(yàn)單元。隨機(jī)化區(qū)組設(shè)計(jì)——在大豆施加氮肥的4個(gè)水平的實(shí)驗(yàn)中，如果實(shí)驗(yàn)地塊僅分為16塊，這時(shí)若采用完全隨機(jī)化設(shè)計(jì)，不同處理所分配到的地塊土壤的性狀就會(huì)好壞不均，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不真實(shí)。這時(shí)就要采用隨機(jī)化區(qū)組設(shè)計(jì)，使好地塊和差地塊在幾個(gè)處理中均衡分配。本實(shí)驗(yàn)中地塊的好壞是區(qū)組因素，在選取的16個(gè)實(shí)驗(yàn)地塊中要分別包含8個(gè)好地塊和8個(gè)差地塊，4個(gè)施肥量的處理分別隨機(jī)選取2個(gè)好地塊和2個(gè)差地塊。這種方式就是隨機(jī)化區(qū)組設(shè)計(jì)，其目的就是把性狀不同的實(shí)驗(yàn)單元均衡地分配給每個(gè)處理。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則本實(shí)驗(yàn)中地塊的好壞是區(qū)組因素，在選取的16個(gè)實(shí)驗(yàn)地塊中要分別包含8個(gè)好地塊和8個(gè)差地塊，4個(gè)施肥量的處理分別隨機(jī)選取2個(gè)好地塊和2個(gè)差地塊。這種方式就是隨機(jī)化區(qū)組設(shè)計(jì)，其目的就是把性狀不同的實(shí)驗(yàn)單元均衡地分配給每個(gè)處理。在蛋糕加工工藝研究中，欲考察不同食品添加劑對(duì)各種配方蛋糕質(zhì)量的影響而試驗(yàn)。試驗(yàn)有兩個(gè)因素，即配方因素A有4個(gè)水平，添加劑因素B有3個(gè)水平，3次重復(fù)，計(jì)36（4×3×3）次實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則在蛋糕加工工藝研究中，欲考察不同食品添加劑對(duì)各種配方蛋糕質(zhì)量的影響而試驗(yàn)。試驗(yàn)有兩個(gè)因素，即配方因素A有4個(gè)水平，添加劑因素B有3個(gè)水平，3次重復(fù)，計(jì)36（4×3×3）次實(shí)驗(yàn)。一個(gè)例子：試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則重復(fù)、隨機(jī)化和局部控制三原則的作用和相互關(guān)系圖：試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則圖示說(shuō)明，隨機(jī)化的作用主要在于使試驗(yàn)數(shù)據(jù)服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，以便對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差估計(jì)和統(tǒng)計(jì)判斷。局部控制的作用在于盡量減少和排除系統(tǒng)差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響及干擾，以便于提高實(shí)驗(yàn)精度。重復(fù)性兼?zhèn)潆S機(jī)化和局