生物試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)方法

生物試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)方法第1頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本課程的目的和任務(wù)本門(mén)課程為農(nóng)學(xué)、作物遺傳育種學(xué)、植物保護(hù)學(xué)、生物技術(shù)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，是數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理和方法在生物學(xué)中的應(yīng)用。其主要目的是培養(yǎng)學(xué)生具有生物科學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力和對(duì)試驗(yàn)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理的能力。主要任務(wù)是：1、培養(yǎng)學(xué)生初步掌握開(kāi)展生物及農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)的方法。2、培養(yǎng)學(xué)生掌握常用的生物及農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力。3、培養(yǎng)學(xué)生掌握正確收集、整理試驗(yàn)資料的方法。4、培養(yǎng)學(xué)生掌握生物統(tǒng)計(jì)基本理論、基本技術(shù)和常用方法，能夠使用生物統(tǒng)計(jì)方法和技術(shù)對(duì)試驗(yàn)資料進(jìn)行正確的統(tǒng)計(jì)分析。5、培養(yǎng)學(xué)生掌握必要的計(jì)算技術(shù)，包括使用電子計(jì)算器及統(tǒng)計(jì)分析軟件的方法。第2頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本課程的基本要求

學(xué)生學(xué)完本課程后，應(yīng)達(dá)到如下要求：1、掌握正確收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法以及數(shù)據(jù)資料的整理方法。2、掌握數(shù)據(jù)資料的基本統(tǒng)計(jì)分析方法。3、掌握顯著性檢驗(yàn)的基本理論和常用方法，能對(duì)不同的試驗(yàn)資料應(yīng)用顯著性檢驗(yàn)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和處理。4、掌握相關(guān)分析和回歸分析的常用統(tǒng)計(jì)分析方法。5、掌握常用抽樣調(diào)查技術(shù)和方法。6、具備生物及農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力，能正確應(yīng)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行生物及農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，以及對(duì)試驗(yàn)資料進(jìn)行正確的統(tǒng)計(jì)分析。第3頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章緒論第一節(jié)科學(xué)研究與科學(xué)試驗(yàn)第4頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、農(nóng)業(yè)和生物學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究科學(xué)研究是人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然、改造自然、服務(wù)社會(huì)的原動(dòng)力。農(nóng)業(yè)和生物學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究推動(dòng)了人們認(rèn)識(shí)生物界的各種規(guī)律，促進(jìn)人們發(fā)掘出新的農(nóng)業(yè)技術(shù)和措施。從而不斷提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，改進(jìn)人類(lèi)生存環(huán)境。

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第5頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)科學(xué)：通過(guò)周密的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，解釋各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，探索科學(xué)規(guī)律。理論科學(xué)：主要運(yùn)用推理的方法第6頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、科學(xué)研究的基本方法（一）科學(xué)研究的基本過(guò)程

基礎(chǔ)性或應(yīng)用基礎(chǔ)性研究在于揭示新的知識(shí)、理論和方法；應(yīng)用性研究在于獲得某種新的技術(shù)或產(chǎn)品。農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域的研究包括3個(gè)環(huán)節(jié)：（1）對(duì)所研究的命題形成認(rèn)識(shí)或假說(shuō)；（2）安排相斥性的試驗(yàn)或抽樣調(diào)查；（3）根據(jù)資料推理，肯定或否定或修改假說(shuō)，形成結(jié)論或開(kāi)始新一輪試驗(yàn)以驗(yàn)證修改完善后的假說(shuō)。下一張

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第7頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、科學(xué)研究的基本方法（二）科學(xué)研究的基本方法

1、選題明確意義及重要性

2、文獻(xiàn)大廈頂層

3、假說(shuō)對(duì)象和預(yù)期結(jié)果之間形成某種見(jiàn)解或想法。

4、假說(shuō)的檢驗(yàn)直接或間接檢驗(yàn)

5、試驗(yàn)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)比較試驗(yàn)；試驗(yàn)結(jié)果的代表性和重演性；唯一差異原則；系統(tǒng)誤差和偶然誤差。下一張

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第8頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)試驗(yàn)方案

一、試驗(yàn)因素和水平

試驗(yàn)方案（experimentalscheme）：是指根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康呐c要求而擬定的進(jìn)行比較的一組試驗(yàn)處理的總稱。下一張

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第9頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可變的并設(shè)有待比較的一組處理因子稱為試驗(yàn)因素，簡(jiǎn)稱因素或因子。試驗(yàn)因素的量的不同級(jí)別或質(zhì)的不同狀態(tài)稱為水平。質(zhì)量水平：供試材料具有質(zhì)的區(qū)別，試驗(yàn)因素水平是定性的。數(shù)量水平：供試材料具有量的不同，試驗(yàn)因素水平是定量的。試驗(yàn)方案按供試因素的多少可區(qū)分為單因素試驗(yàn)方案、多因素試驗(yàn)等方案。下一張

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第10頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、單因素試驗(yàn)

單因素試驗(yàn)（singlefactorexperiment）是指整個(gè)試驗(yàn)中只比較一個(gè)試驗(yàn)因素的不同水平的試驗(yàn)。單因素試驗(yàn)方案由該試驗(yàn)因素的所有水平構(gòu)成。這是最基本、最簡(jiǎn)單的試驗(yàn)方案。例如品種比較試驗(yàn)，幾個(gè)品種就是幾個(gè)水平，也即是幾個(gè)處理。又如施肥量試驗(yàn)，幾種施肥量就是幾個(gè)水平。幾個(gè)水平就構(gòu)成了試驗(yàn)方案。下一張

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第11頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、多因素試驗(yàn)方案

多因素試驗(yàn)（multiplefactorsexperiment）是指在同一試驗(yàn)中同時(shí)研究?jī)蓚€(gè)或兩個(gè)以上試驗(yàn)因素的試驗(yàn)。多因素試驗(yàn)方案由該試驗(yàn)的所有試驗(yàn)因素的水平組合（即處理）構(gòu)成。多因素試驗(yàn)方案分為完全方案和不完全方案兩類(lèi)。下一張

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第12頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）完全方案

在列出因素水平組合（即處理）時(shí)，要求每一個(gè)因素的每個(gè)水平都要碰見(jiàn)一次，這時(shí)，水平組合（即處理）數(shù)等于各個(gè)因素水平數(shù)的乘積。例如以3種施肥量對(duì)3個(gè)品種進(jìn)行試驗(yàn)。兩個(gè)因素分別為施肥量（A）、品種（B）。施肥量（A）分為A1、A2、A3水平，品種（B）分為B1、B2、B3水平。共有A1B1、A1B2、A1B3、A2B1、A2B2、A2B3、A3B1、A3B2、A3B3共3×3=9個(gè)水平組合（處理）。這9個(gè)水平組合（處理）就構(gòu)成了這兩個(gè)因素的試驗(yàn)方案。下一張

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第13頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

根據(jù)完全試驗(yàn)方案進(jìn)行的試驗(yàn)稱為全面試驗(yàn)。全面試驗(yàn)既能考察試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，也能考察因素間的交互作用，并能選出最優(yōu)水平組合，從而能充分揭示事物的內(nèi)部規(guī)律。多因素全面試驗(yàn)的效率高于多個(gè)單因素試驗(yàn)的效率。全面試驗(yàn)的主要不足是，當(dāng)因素個(gè)數(shù)和水平數(shù)較多時(shí)，水平組合（處理）數(shù)太多，以至于在試驗(yàn)時(shí)，人力、物力、財(cái)力、場(chǎng)地等都難以承受，試驗(yàn)誤差也不易控制。因而全面試驗(yàn)宜在因素個(gè)數(shù)和水平數(shù)都較少時(shí)應(yīng)用。下一張

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第14頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）不完全方案

它是將試驗(yàn)因素的某些水平組合在一起形成少數(shù)幾個(gè)水平組合。這種試驗(yàn)方案的目的在于探討試驗(yàn)因素中某些水平組合的綜合作用，而不在于考察試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響和交互作用。這種在全部水平組合中挑選部分水平組合獲得的方案稱為不完全方案。根據(jù)不完全方案進(jìn)行的試驗(yàn)稱為部分試驗(yàn)。植物試驗(yàn)的綜合性試驗(yàn)、正交試驗(yàn)都屬于部分試驗(yàn)。下一張

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第15頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

綜合性試驗(yàn)是針對(duì)起主導(dǎo)作用且相互關(guān)系已基本清楚的因素設(shè)置的試驗(yàn)，它的水平組合就是一系列經(jīng)過(guò)實(shí)踐初步證實(shí)的優(yōu)良水平的配套。

正交試驗(yàn)是在全部水平組合中選出有代表性的部分水平組合設(shè)置的試驗(yàn)。下一張

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第16頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

二、試驗(yàn)指標(biāo)與效應(yīng)用來(lái)衡量試驗(yàn)效果的指示性狀稱試驗(yàn)指標(biāo)(experimentalindicator）。試驗(yàn)中可以選用單指標(biāo)也可選用多指標(biāo)，由專(zhuān)業(yè)知識(shí)對(duì)試驗(yàn)要求確定。試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)所起的增加或減少的作用稱為試驗(yàn)效應(yīng)

(experimentaleffect)

。在同一因素內(nèi)兩種水平間試驗(yàn)指標(biāo)的相差屬簡(jiǎn)單效應(yīng)(simpleeffect）。下一張

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第17頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

表1.1為某豆科植物施用氮（N）、磷（P）的2×2種處理組合（N1P1，N1P2，N2P1

，N2P2

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試驗(yàn)因素NIP水平N1N2平均N1-N2P11016136P21824216平均14206P2-P18880,0/2=0簡(jiǎn)單效應(yīng)平均效應(yīng)互作第18頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由表1.1試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可說(shuō)明各種效應(yīng)：（1）一個(gè)因素的水平相同，另一因素不同水平間的產(chǎn)量差異屬簡(jiǎn)單效應(yīng)。（2）一個(gè)因素內(nèi)各簡(jiǎn)單效應(yīng)的平均數(shù)稱平均效應(yīng)，也稱主要效應(yīng)（maineffect）,簡(jiǎn)稱主效。

（3）兩個(gè)因素簡(jiǎn)單效應(yīng)間的平均差異稱為交互作用效應(yīng)（interactioneffect），簡(jiǎn)稱互作。它反映的是一個(gè)因素的各水平在另一因素的不同水平中反應(yīng)不一致的現(xiàn)象。下一張

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第19頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月N1N2P1P23020100ⅠN1N2P1P23020100ⅡN1N2P2P13020100ⅣN1N2P1P23020100Ⅲ圖1.12×2試驗(yàn)的圖示（解釋交互作用）第20頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月因素間的交互作用只有在多因素試驗(yàn)中才能反映出來(lái)?；プ黠@著與否關(guān)系到主效的實(shí)用性?；蚪换プ饔貌伙@著，則各因素的效應(yīng)可以累加，主效就代表的各個(gè)簡(jiǎn)單效應(yīng)。在正互作時(shí)，從各因素的最佳水平推論最優(yōu)組合，估計(jì)值要偏低些，但仍有應(yīng)用價(jià)值。若為負(fù)互作，則根據(jù)互作程度大小而有不同情況。下一張

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第21頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、制訂試驗(yàn)方案的要點(diǎn)

1、明確試驗(yàn)?zāi)康?/p>

2、根據(jù)試驗(yàn)的目的，確定試驗(yàn)因素和水平

擬定方案時(shí)，在正確掌握生產(chǎn)中存在的問(wèn)題后，對(duì)試驗(yàn)?zāi)康摹⑷蝿?wù)進(jìn)行仔細(xì)分析，抓住關(guān)鍵，突出重點(diǎn)。首先要挑選對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響較大的關(guān)鍵因素。若只考察一個(gè)因素，則可采用單因素試驗(yàn)。若是考察兩個(gè)以上因素，則應(yīng)采用多因素試驗(yàn)。如進(jìn)行10個(gè)大豆品種的試驗(yàn)，在擬定試驗(yàn)方案時(shí)，設(shè)置一個(gè)對(duì)照品種，得到一個(gè)包含11個(gè)處理的單因素試驗(yàn)方案；

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第22頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如果再設(shè)置一個(gè)密度試驗(yàn)，那么就得到了不同品種在不同密度下的多個(gè)處理組合，則安排一個(gè)二因素試驗(yàn)方案。應(yīng)該注意，一個(gè)試驗(yàn)中研究的因素不宜過(guò)多，否則處理數(shù)太多，試驗(yàn)過(guò)于寵大，試驗(yàn)干擾因素難以控制。凡是能用簡(jiǎn)單方案的試驗(yàn)，就不用復(fù)雜方案。

各因素水平可根據(jù)不同課題、因素的特點(diǎn)來(lái)確定，以使處理的效應(yīng)容易表現(xiàn)出來(lái)。

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第23頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）水平的數(shù)目要適當(dāng)

水平數(shù)目過(guò)多，不僅難以反映出各水平間的差異，而且加大了處理數(shù)；水平數(shù)太少又容易漏掉一些好的信息，至使結(jié)果分析不全面。（2）水平間的差異要合理

有些因素在數(shù)量等級(jí)上只需少量的差異就反映出不同處理的效應(yīng)。如飼料中微量元素的添加等。而有些則需較大的差異才能反應(yīng)出不同處理效應(yīng)來(lái)，如飼料用量等。下一張

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第24頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3）試驗(yàn)方案中各因素水平的排列要靈活掌握

一般可采用等差法（即等間距法）、等比法和隨機(jī)法3種。我們結(jié)合玉米誘導(dǎo)培養(yǎng)基添加2,4-D為例說(shuō)明。

等差法是指各相鄰兩個(gè)水平數(shù)量之差相等，如2,4-D各水平的排列為：1mg、3mg、5mg，其中3mg為中心水平，向上向下都相隔2mg。

等比法是指各相鄰兩個(gè)水平的數(shù)量比值相同，如2,4-D各水平的排列為1.5mg、3mg、6mg、12mg,相鄰兩水平之比為1:2。下一張

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第25頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

隨機(jī)法是指因素各水平隨機(jī)排列，如2,4-D水平排列為1mg、5mg、3mg、6mg各水平的數(shù)量無(wú)一定關(guān)系。

3、試驗(yàn)方案中必須設(shè)立作為比較標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)照

試驗(yàn)的目的就是通過(guò)比較來(lái)鑒別處理效應(yīng)大小、好壞等。為了達(dá)到這一目的，試驗(yàn)方案應(yīng)當(dāng)包括各試驗(yàn)處理，以及作為比較的對(duì)照。任何試驗(yàn)都不能缺少對(duì)照，否則就不能顯示出試驗(yàn)的處理效果。下一張

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第26頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月各個(gè)處理可互為對(duì)照，不必再設(shè)對(duì)照。在對(duì)某種作物作生理生化指標(biāo)檢驗(yàn)時(shí)，所得數(shù)據(jù)是否異常應(yīng)與作物的正常值作比較，作物的正常值就是所謂的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照。在作物雜交試驗(yàn)中，要確定雜交優(yōu)勢(shì)的大小，必須以親本作對(duì)照，這就是試驗(yàn)對(duì)照。另外，還有一種自身對(duì)照，即處理與對(duì)照在同一作物上進(jìn)行，如作物用藥前與用藥后生理指標(biāo)的比較等。下一張

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第27頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

4、試驗(yàn)處理（包括對(duì)照）之間應(yīng)遵循唯一差異原則

這是指在進(jìn)行處理間比較時(shí)，除了試驗(yàn)處理不同外，其它所有條件應(yīng)當(dāng)盡量一致或相同，使其具有可比性，才能使處理間的比較結(jié)果可靠。下一張

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第28頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

5、正確處理試驗(yàn)因素與試驗(yàn)條件的關(guān)系根據(jù)互作的概念，在一種條件下某種試驗(yàn)因子的最優(yōu)水平，換了條件，便可能不再是最優(yōu)水平。

6、多因素試驗(yàn)提供了比單因素試驗(yàn)更多的效應(yīng)估計(jì)，具有單因素試驗(yàn)無(wú)可比擬的優(yōu)越性。下一張

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第29頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)試驗(yàn)誤差及其控制一、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差通過(guò)試驗(yàn)觀察或測(cè)定獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)往往含有誤差（error），每次所取樣品測(cè)定的結(jié)果稱為一個(gè)觀察值（observation），以y表示。例如測(cè)定大豆種子蛋白質(zhì)。理論上大豆種子蛋白質(zhì)有一個(gè)理論值或真值，以μ表示，誤差用ε表示，則觀察值＝真值＋誤差，即：y=μ+ε下一張

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第30頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如果大豆種子一部分是在冷庫(kù)中保存的，一部分是在常溫下保存的，所測(cè)得的蛋白質(zhì)含量是不同的，常溫下的種子含量會(huì)降低，這種種誤差是可追溯原因的，因而對(duì)于同一塊田地種子，所測(cè)的觀察值存在變異，這種變異可歸結(jié)為兩種情況，一種是完全偶然的，找不出確切原因的，稱為偶然誤差（spontaneouserror）或隨機(jī)誤差（randomerror）；另一種是有原因的稱為偏差（bias）或系統(tǒng)誤差(systemerror).

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第31頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月若以冷庫(kù)中保存的大豆作為比較的標(biāo)準(zhǔn)，其蛋白質(zhì)含量的觀察值可表示為：yA=μ+εA在常溫下保存的大豆蛋白質(zhì)含量觀察值為:yB=μ+αB+εBεA、εB稱為偶然誤差，αB稱為偏差或系統(tǒng)誤差第32頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精確性準(zhǔn)確性(accuracy)也叫準(zhǔn)確度，指在調(diào)查或試驗(yàn)中某一試驗(yàn)指標(biāo)或性狀的觀測(cè)值與其真值接近的程度。設(shè)某一試驗(yàn)指標(biāo)或性狀的真值為μ，觀測(cè)值為

x，若x與μ相差的絕對(duì)值|x－μ|越小，則觀測(cè)值x的準(zhǔn)確性高；反之則低。下一張

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第33頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

精確性(precision)也叫精確度，指調(diào)查或試驗(yàn)中同一試驗(yàn)指標(biāo)或性狀的重復(fù)觀測(cè)值彼此接近的程度。若觀測(cè)值彼此接近，即任意二個(gè)觀測(cè)值xi、xj

相差的絕對(duì)值|xi－xj|越小，則觀測(cè)值精確性高；反之則低。準(zhǔn)確性、精確性的意義見(jiàn)圖1-2。調(diào)查或試驗(yàn)的準(zhǔn)確性、精確性合稱為正確性。

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第34頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖1.2由打靶圖示試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和精確性下一張

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第35頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在調(diào)查或試驗(yàn)中應(yīng)嚴(yán)格按照調(diào)查或試驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行，準(zhǔn)確地進(jìn)行觀測(cè)記載，力求避免人為差錯(cuò)，特別要注意試驗(yàn)條件的一致性，即除所研究的各個(gè)處理外，供試植物的初始條件如品種、生育期、管理措施等應(yīng)盡量控制一致，并通過(guò)合理的調(diào)查或試驗(yàn)設(shè)計(jì)努力提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和精確性。由于真值μ常常不知道，所以準(zhǔn)確性不易度量，但利用統(tǒng)計(jì)方法可度量精確性。下一張

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第36頁(yè)，課件共41頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

三、隨機(jī)誤差與系統(tǒng)誤差

隨機(jī)誤差

也叫抽樣誤差

(samplingerror)，這是由于許多無(wú)法