實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

教師：邵青1文庫專用

第一章概論一、《實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》課程的目的、意義任何自然科學(xué)都離不開實(shí)驗(yàn)，大多數(shù)學(xué)科（化工、化學(xué)、輕工、材料、環(huán)境、醫(yī)藥、熱工等）中的概念、原理和規(guī)律大多由實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)和論證的。如最佳的配方、工藝條件，產(chǎn)品性能的優(yōu)化，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量作出評(píng)價(jià)等?！皩?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理”課程是以概率論數(shù)理統(tǒng)計(jì)、專業(yè)技術(shù)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)、科學(xué)地安排試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，最終達(dá)到減少試驗(yàn)次數(shù)、縮短試驗(yàn)周期、迅速找到優(yōu)化方案的一種科學(xué)計(jì)算方法。它主要應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究過程中的科學(xué)試驗(yàn)，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、質(zhì)量管理和科學(xué)研究的重要工具和方法。通過本課程的教學(xué)，使學(xué)生掌握試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基本原理，并能針對(duì)實(shí)際問題正確地運(yùn)用。學(xué)好本課程，為將來從事各專業(yè)科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。2文庫專用農(nóng)業(yè)領(lǐng)域3文庫專用道路4文庫專用5文庫專用橋梁6文庫專用

工業(yè)產(chǎn)品7文庫專用8文庫專用9文庫專用（一）實(shí)驗(yàn)的分類驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：對(duì)已知的理論進(jìn)行驗(yàn)證，以加深對(duì)理論的認(rèn)識(shí)探索性實(shí)驗(yàn)：為了揭示尚未完全認(rèn)識(shí)的事物，發(fā)現(xiàn)其發(fā)生與發(fā)展的規(guī)律，以完成工程與科研任務(wù)，具有很強(qiáng)的探索性（工程中經(jīng)常碰到）10文庫專用（二）實(shí)驗(yàn)過程實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備→實(shí)驗(yàn)→實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理1．實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備①提出問題，弄清實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)②設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案（實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）③擬訂實(shí)驗(yàn)大綱④實(shí)驗(yàn)設(shè)備、測(cè)試儀器的準(zhǔn)備2．實(shí)驗(yàn)（1）測(cè)試（2）記錄3．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、處理通過一定的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，去偽存真，提煉出我們需要的信息，以發(fā)現(xiàn)事物的規(guī)律。4．提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告或科研報(bào)告11文庫專用二、本課程講授內(nèi)容1．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)①單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（均分法，對(duì)分法，0.618法，分?jǐn)?shù)法）②雙因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)③多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)）2．?dāng)?shù)據(jù)處理

①實(shí)驗(yàn)誤差分析

②實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

③實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析（直觀分析法、方差分析、回歸分析）12文庫專用參考文獻(xiàn)

①鄭少華、姜奉華《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理》，中國(guó)建材工業(yè)出版社，2004年3月第1版，51.727/Z429（適合材料科學(xué)與工程、化工、機(jī)械、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等專業(yè)）②方萍、何延《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)》，浙江大學(xué)出版社，2003年6月第1版（適合環(huán)境與資源相關(guān)專業(yè)、生命科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、醫(yī)學(xué)）③[美]DouglasC.Montgomery著《實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析》中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，1998年6月第1版（電工等專業(yè)）④楊德《試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析》，中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社⑤王萬中《試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與分析》，高等教育出版社13文庫專用第二章實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)第一節(jié)概論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)——是指為節(jié)省人力、財(cái)力、迅速找到最佳條件，揭示事物內(nèi)在規(guī)律，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中不同問題，在實(shí)驗(yàn)前利用數(shù)學(xué)原理科學(xué)編排實(shí)驗(yàn)的過程。以概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)為理論基礎(chǔ)，為獲得可靠試驗(yàn)結(jié)果和有用信息，科學(xué)安排試驗(yàn)的一種方法論，亦是研究如何高效而經(jīng)濟(jì)地獲取所需要的數(shù)據(jù)與信息的方法。正確的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅節(jié)省人力，物力和時(shí)間，并且是得到可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重要保證。即經(jīng)過設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，效果大大提高，與不經(jīng)過設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)相比，情況大不相同。廣義上說，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，確定測(cè)定參數(shù)，確定需要控制或改變的條件，選擇實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)試儀器，確定實(shí)測(cè)精度要求，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理步驟等。14文庫專用1．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的發(fā)展過程

20世紀(jì)初：英國(guó)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)家費(fèi)歇爾（1890-1962）首次提出了“試驗(yàn)設(shè)計(jì)”術(shù)語。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法最早應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、生物學(xué)、遺傳學(xué)方面。在農(nóng)業(yè)方面主要是進(jìn)行品種對(duì)比、施肥對(duì)比等。

20世紀(jì)40年代，英美兩國(guó)開始在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，如改變?cè)吓浔然蚬に嚿a(chǎn)條件，尋找最佳工況。50、60年代：日本田口玄—博士創(chuàng)造了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法。日本電訊研究所研制的“線形彈簧繼電器”，使電話機(jī)收聽效果大為改進(jìn)，為日本電訊事業(yè)的發(fā)展起到了不可估量的作用。50年代：我國(guó)中科院數(shù)學(xué)研究所在正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)、理論和方法上有了新的創(chuàng)見，編制了一套較為適用的正交表，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)程序和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析方法。目前，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。15文庫專用2．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本宗旨

①最大限度地提高實(shí)驗(yàn)效率

②最大限度地提高實(shí)驗(yàn)精度

16文庫專用3．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基本要素①指標(biāo)——

用來衡量試驗(yàn)效果好壞的特征值。②因素——

對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)有影響的原因或要素。③水平——

因素在實(shí)驗(yàn)中所處的不同狀態(tài)，可能引起指標(biāo)的變化。17文庫專用1）指標(biāo)——用來衡量試驗(yàn)效果好壞的特征值①指標(biāo)分類：a)定量指標(biāo)（數(shù)量指標(biāo)，如強(qiáng)度、重量、產(chǎn)量、合格率、成活率、廢品率、轉(zhuǎn)化率等。）b)定性指標(biāo)（非數(shù)量指標(biāo)，如顏色、味道、光澤等）②指標(biāo)的選擇要求：選擇客觀性強(qiáng)的指標(biāo)，選擇易于量化即經(jīng)過儀器測(cè)量而獲得的指標(biāo)；選擇靈敏度高的指標(biāo)，選擇精確性強(qiáng)的參數(shù)作為指標(biāo)。18文庫專用2）因素——對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)有影響的原因或要素因素也稱為因子，它是在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)重點(diǎn)考察的內(nèi)容。因素一般用大寫字母ABC……來標(biāo)記，如因素A、因素B、因素C等。①因素分類：

a)可控因素（溫度、時(shí)間、種類、濃度……）

b)不可控因素（風(fēng)速、氣溫、……）19文庫專用②選擇因素的原則

a）抓住主要因素（將影響較大的因素選入試驗(yàn)）同時(shí)要考慮因素之間的交互作用。b）找出非主要因素，并使其在實(shí)驗(yàn)中保持不變，以消除其干擾作用。

20文庫專用3）水平——因素在實(shí)驗(yàn)中所處的不同狀態(tài)

選擇水平的原則：①水平宜取三水平為宜②水平應(yīng)是等間隔的原則③水平是具體的

④水平的選擇必須在技術(shù)上現(xiàn)實(shí)可行。21文庫專用舉例例1：某化工工程師欲研究化學(xué)反應(yīng)溫度（60℃、70℃、80℃）、反應(yīng)時(shí)間（1h、1.5h、2h）、催化劑用量（2kg、2.5kg、3kg）對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量（指標(biāo)）的影響，根據(jù)找出的規(guī)律，確立最佳生產(chǎn)條件。例2：考察3種不同類型的電路對(duì)某種自動(dòng)開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間（ms）的影響指標(biāo)：響應(yīng)時(shí)間因素：電路類型水平：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ22文庫專用舉例例3：研究紙漿中木材濃度的分率、容器的壓強(qiáng)、煮漿時(shí)間對(duì)紙張強(qiáng)度的影響。

指標(biāo)：紙張強(qiáng)度

因素及水平：紙漿中木材濃度的分率(%)2、4、8

容器的壓強(qiáng)(kPa)400、500、650

煮漿時(shí)間(h)3、423文庫專用舉例例4：直接過濾實(shí)驗(yàn)中，欲考察混凝劑硫酸鋁投量，助劑聚丙烯酰胺投量，濾速對(duì)過濾周期平均出水濁度的影響。實(shí)驗(yàn)指標(biāo)：過濾周期平均出水濁度

因素及水平：混凝劑投量（mg/L）（10、12、1）助凝劑投量（mg/L）（0.08、0.15、0.30）濾速（m/h）（8、10、12）24文庫專用4．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

針對(duì)不同的具體情況，有不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)雙因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)各種試驗(yàn)方法的目的、出發(fā)點(diǎn)各不相同。25文庫專用5．實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的步驟①明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，確定實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。②挑選因素，選取水平。③選定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。④實(shí)驗(yàn)點(diǎn)安排。26文庫專用27文庫專用28文庫專用29文庫專用30文庫專用31文庫專用32文庫專用33文庫專用34文庫專用35文庫專用36文庫專用37文庫專用38文庫專用39文庫專用40文庫專用41文庫專用42文庫專用43文庫專用44文庫專用45文庫專用46文庫專用47文庫專用48文庫專用49文庫專用50文庫專用51文庫專用52文庫專用53文庫專用54文庫專用55文庫專用56文庫專用57文庫專用58文庫專用59文庫專用60文庫專用61文庫專用62文庫專用63文庫專用64文庫專用65文庫專用66文庫專用67文庫專用68文庫專用69文庫專用70文庫專用71文庫專用72文庫專用73文庫專用74文庫專用75文庫專用76文庫專用77文庫專用78文庫專用79文庫專用80文庫專用81文庫專用82文庫專用83文庫專用84文庫專用85文庫專用86文庫專用87文庫專用88文庫專用89文庫專用90文庫專用91文庫專用92文庫專用93文庫專用94文庫專用95文庫專用96文庫專用97文庫專用98文庫專用99文庫專用100文庫專用101文庫專用102文庫專用103文庫專用104文庫專用105文庫專用106文庫專用107文庫專用108文庫專用109文庫專用110文庫專用111文庫專用112文庫專用113文庫專用114文庫專用115文庫專用116文庫專用117文庫專用118文庫專用119文庫專用120文庫專用121文庫專用122文庫專用123文庫專用124文庫專用125文庫專用126文庫專用127文庫專用128文庫專用129文庫專用130文庫專用131文庫專用132文庫專用133文庫專用134文庫專用135文庫專用136文庫專用137文庫專用138文庫專用139文庫專用140文庫專用141文庫專用142文庫專用143文庫專用144文庫專用145文庫專用146文庫專用147文庫專用148文庫專用149文庫專用150文庫專用151文庫專用152文庫專用153文庫專用154文庫專用155文庫專用156文庫專用157文庫專用158文庫專用159文庫專用160文庫專用161文庫專用162文庫專用163文庫專用164文庫專用165文庫專用166文庫專用167文庫專用168文庫專用169文庫專用170文庫專用171文庫專用172文庫專用173文庫專用174文庫專用175文庫專用176文庫專用177文庫專用178文庫專用179文庫專用180文庫專用181文庫專用182文庫專用183文庫專用184文庫專用185文庫專用186文庫專用187文庫專用188文庫專用189文庫專用190文庫專用191文庫專用192文庫專用193文庫專用194文庫專用195文庫專用196文庫專用197文庫專用198文庫專用199文庫專用200文庫專用201文庫專用202文庫專用203文庫專用204文庫專用205文庫專用206文庫專用207文庫專用208文庫專用209文庫專用210文庫專用211文庫專用212文庫專用213文庫專用214文庫專用215文庫專用216文庫專用217文庫專用218文庫專用219文庫專用220文庫專用221文庫專用222文庫專用223文庫專用224文庫專用225文庫專用226文庫專用227文庫專用228文庫專用229文庫專用230文庫專用231文庫專用232文庫專用233文庫專用234文庫專用235文庫專用236文庫專用237文庫專用238文庫專用239文庫專用240文庫專用241文庫專用242文庫專用243文庫專用244文庫專用245文庫專用246文庫專用247文庫專用248文庫專用249文庫專用250文庫專用251文庫專用252文庫專用253文庫專用254文庫專用255文庫專用256文庫專用257文庫專用258文庫專用259文庫專用260文庫專用261文庫專用262文庫專用263文庫專用264文庫專用265文庫專用266文庫專用267文庫專用268文庫專用269文庫專用270文庫專用271文庫專用272文庫專用273文庫專用274文庫專用275文庫專用276文庫專用277文庫專用278文庫專用279文庫專用280文庫專用281文庫專用282文庫專用283文庫專用284文庫專用285文庫專用286文庫專用287文庫專用288文庫專用