《實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基本方法》課件

第七講實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)根本方法

?試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理?研究生課程教學(xué)緒言本將進(jìn)一步明確課程的性質(zhì):試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是一項(xiàng)通用技術(shù)，是當(dāng)代科技和工程技術(shù)人員必須掌握的技術(shù)方法。課程的任務(wù):讓學(xué)生熟悉并掌握近代最常用、最有效的幾種優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的根本原理及其應(yīng)用。緒言什么叫做〔優(yōu)化〕試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法？把數(shù)學(xué)上優(yōu)化理論、技術(shù)應(yīng)用于試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，科學(xué)的安排試驗(yàn)、處理試驗(yàn)結(jié)果的方法。采用科學(xué)的方法去安排試驗(yàn)，處理試驗(yàn)結(jié)果，以最少的人力和物力消費(fèi)，在最短的時間內(nèi)獲得更多、更好的消費(fèi)和科研成果的最有效的技術(shù)方法。緒言優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法起源■上世紀(jì)30年代,由于農(nóng)業(yè)試驗(yàn)的需要,費(fèi)歇〔R.A.Fisher〕在試驗(yàn)設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析方面做出了一系列先驅(qū)工作,從此試驗(yàn)設(shè)計(jì)成為統(tǒng)計(jì)科學(xué)的一個分支?！錾鲜兰o(jì)40年代,在二次世界大戰(zhàn)期間,美國軍方大量應(yīng)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

■隨后,F.Yates,R.C.Bose,O.Kempthome,W.G.Cochran,D.R.Cox和G.E.P.Box對試驗(yàn)設(shè)計(jì)都作出了出色的奉獻(xiàn),使該分支在理論上日趨完善,在應(yīng)用上日趨廣泛?！?0年代,日本統(tǒng)計(jì)學(xué)家田口玄一將試驗(yàn)設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣的正交設(shè)計(jì)表格化,在方法講解方面深化淺出為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的更廣泛使用作出了眾所周知的奉獻(xiàn)。緒言我國優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法■60末期代,華羅庚教授在我國倡導(dǎo)與普及的“優(yōu)選法〞,如黃金分割法、分?jǐn)?shù)法和斐波那契數(shù)列法等。■數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)者在工業(yè)部門中普及“正交設(shè)計(jì)〞法。■70年代中期,優(yōu)選法在全國各行各業(yè)獲得明顯成效。

■1978年,七機(jī)部由于導(dǎo)彈設(shè)計(jì)的要求,提出了一個五因素的試驗(yàn),希望每個因素的程度數(shù)要多于10,而試驗(yàn)總數(shù)又不超過50,顯然優(yōu)選法和正交設(shè)計(jì)都不能用,隨后,方開泰教授〔中國科學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所〕和王元院士提出“均勻設(shè)計(jì)〞法,這一方法在導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中獲得了成效。緒言優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)在科學(xué)研究中的地位與意義:1.試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是一項(xiàng)通用技術(shù)，是當(dāng)代科技和工程技術(shù)人員必須掌握的技術(shù)方法。 2.科學(xué)地安排實(shí)驗(yàn)，以最少的人力和物力消費(fèi)，在最短的時間內(nèi)獲得更多、更好的消費(fèi)和科研成果。簡稱為:多、快、好、省?？蓱?yīng)用于:進(jìn)步試驗(yàn)效率、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、改進(jìn)工藝技術(shù)、強(qiáng)化質(zhì)量管理。緒言試驗(yàn)設(shè)計(jì)在工業(yè)消費(fèi)和工程設(shè)計(jì)及科學(xué)研究中能發(fā)揮重要的作用，例如: ■進(jìn)步產(chǎn)量 ■減少質(zhì)量的波動，進(jìn)步產(chǎn)品質(zhì)量水準(zhǔn) ■大大縮短新產(chǎn)品試驗(yàn)周期 ■降低本錢 ■延長產(chǎn)品壽命除用于在科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)工程中，還用在化工、電子、材料、建工、建材、石油、冶金、機(jī)械、交通、電力……一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的3個要素實(shí)驗(yàn)因素、實(shí)驗(yàn)單位、實(shí)驗(yàn)效應(yīng)是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的3個要素。它們在實(shí)驗(yàn)中是不可缺少的,在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時必須認(rèn)真予以考慮。

所有影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的條件都稱為影響因素,并有客觀與主觀,主要與次要因素之分。研究者希望通過研究設(shè)計(jì)進(jìn)展有方案的安排,從而可以科學(xué)地考察其作用大小的因素稱為實(shí)驗(yàn)因素〔如藥物的種類、劑量、濃度、作用時間等〕；對評價實(shí)驗(yàn)因素作用大小有一定干擾性且研究者并不想考察的因素稱為區(qū)組因素或稱重要的非實(shí)驗(yàn)因素〔如動物的窩別、體重等〕；其他未加控制的許多因素的綜合作用統(tǒng)稱為實(shí)驗(yàn)誤差。最好通過一些預(yù)實(shí)驗(yàn),初步挑選實(shí)驗(yàn)因素并確定取哪些程度較適宜,以免實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過于復(fù)雜,實(shí)驗(yàn)難以完成。實(shí)驗(yàn)因素所作用的對象稱為實(shí)驗(yàn)單位。如用小鼠做實(shí)驗(yàn),小鼠就是本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)單位,或稱為受試對象；假設(shè)用小鼠肝細(xì)胞做實(shí)驗(yàn),其表現(xiàn)形式叫樣品〔有時一個樣品由假設(shè)干只鼠的肝細(xì)胞混合而成〕。一個樣品就是一個實(shí)驗(yàn)單位。不同性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究需要選取不同種類的實(shí)驗(yàn)單位,一個完好的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中所需實(shí)驗(yàn)單位的總數(shù)稱為樣本含量。最好根據(jù)特定的設(shè)計(jì)類型估計(jì)出較適宜的樣本含量。樣本過大或過小都有弊端。

實(shí)驗(yàn)因素取不同程度時在實(shí)驗(yàn)單位上所產(chǎn)生的反響稱為實(shí)驗(yàn)效應(yīng)。一般是通過某些觀測指標(biāo)數(shù)值的大小來表達(dá)。指標(biāo)應(yīng)具有特異性強(qiáng)、靈敏度高、準(zhǔn)確可靠等特點(diǎn)。研究者應(yīng)當(dāng)對欲研究的問題有較為全面的理解,在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中千萬不要遺漏了某些重要的實(shí)驗(yàn)因素和觀測指標(biāo),以免實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果對事先提出的問題給出錯誤的答復(fù)。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的根本內(nèi)容〔一〕擬定互相比較的處理所謂處理,指的是在實(shí)驗(yàn)研究中欲施加給受試對象的某些因素。如營養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的各種飼料,治療某病的幾種療法或藥物,藥理研究中某藥的各種劑量等。在實(shí)驗(yàn)的全過程中,處理因素要始終如一保持不變,按一個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展實(shí)驗(yàn)。假如實(shí)驗(yàn)的處理因素是藥物,那么藥物的成份、含量、出廠批號等必須保持不變。假如實(shí)驗(yàn)的處理因素是實(shí)驗(yàn)操作措施,那么就不能開場時不純熟,而應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)之前使純熟程度穩(wěn)定一致。

〔二〕確定實(shí)驗(yàn)對象及數(shù)量這里指的是實(shí)驗(yàn)所用的動物或活體組織標(biāo)本等。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,要根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察的目的與內(nèi)容,明確規(guī)定采用什么樣的實(shí)驗(yàn)對象,實(shí)驗(yàn)對象中的每個實(shí)驗(yàn)單位必須具備的條件與要求,以保證受試對象的一致性。實(shí)驗(yàn)對象需要有一定的數(shù)量,例數(shù)不能太少,也不宜過多。如何估計(jì)例數(shù),詳見后面章節(jié)內(nèi)容。

〔三〕確定將各實(shí)驗(yàn)單位分配到各種處理中去的原那么這主要是隨機(jī)分配或隨機(jī)化問題。將在后面著重介紹常用的隨機(jī)分組方法。

〔四〕擬定觀察工程和登記表要根據(jù)研究目的和任務(wù),選擇對說明實(shí)驗(yàn)結(jié)論最有意義,并具有一定特異性、靈敏性、客觀性的觀察工程。必要的工程不可遺漏,數(shù)據(jù)資料應(yīng)當(dāng)完好無缺；而無關(guān)緊要的工程就不必設(shè)立,以免消耗人力物力,拖延整個實(shí)驗(yàn)的時間,要按照觀察工程之間的邏輯關(guān)系與順序,編制成便于填寫和統(tǒng)計(jì)的登記表,以便隨時記錄實(shí)驗(yàn)過程中獲得的數(shù)據(jù)資料。同一工程的度量衡單位必須統(tǒng)一符號〔如+、++、+++等〕,應(yīng)有明確的定義。

〔五〕擬定對資料整理分析的預(yù)案這就是對將獲得的數(shù)據(jù)資料準(zhǔn)備如何進(jìn)展整理？要計(jì)算哪些統(tǒng)計(jì)指標(biāo)？用什么統(tǒng)計(jì)分析方法？事先必須有個初步的設(shè)想。例如對計(jì)數(shù)資料，是計(jì)算率還是百分比？假設(shè)計(jì)算率，分子是什么？分母是什么？各組同一工程的某個率或百分比方何進(jìn)展比較？又如對計(jì)量資料，是計(jì)算算術(shù)均數(shù)、幾何均數(shù)還是中位數(shù)？同一工程各均數(shù)間應(yīng)采用什么方法作比較？切忌實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時不認(rèn)真考慮，實(shí)驗(yàn)過后拿數(shù)字去找統(tǒng)計(jì)方法。三、數(shù)據(jù)分析應(yīng)注意的幾個問題1.要注意每種統(tǒng)計(jì)分析方法的適用范圍。許多分析方法對數(shù)據(jù)的要求很高,假如樣本的分布不符合要求,樣本量數(shù)量缺乏,或者存在大量的偽樣本,都會造成最后結(jié)果的偏向甚至是完全錯誤。比方,我們經(jīng)常要使用的因子分析、聚類分析,假如樣本量缺乏,雖然也可以通過SPSS獲得分析結(jié)果,但實(shí)際上這樣的分析結(jié)果沒有意義;

三、數(shù)據(jù)分析應(yīng)注意的幾個問題2.在選擇一種分析方法的同時,要按照方法的要求整理數(shù)據(jù)庫。錯誤的數(shù)據(jù)庫格式對于研究有時是災(zāi)難性的。我們在使用任何研究模型之前,都要考慮數(shù)據(jù)的適用性。同樣,數(shù)據(jù)的合理轉(zhuǎn)換也很重要。比方,我們經(jīng)常會提問被訪者的出生年份而不是周歲年齡,這樣將會較少答復(fù)的偏向。我們把搜集到的數(shù)據(jù)進(jìn)展簡單的轉(zhuǎn)換,得到被訪者的年齡。出于計(jì)算的需要,我們還經(jīng)常把幾個變量合并〔或整理〕成一個或者另外幾個變量;

三、數(shù)據(jù)分析應(yīng)注意的幾個問題3.假如必要,可以使用不同的研究方法對同一問題進(jìn)展解釋,來互相驗(yàn)證結(jié)論的真?zhèn)?。假如出現(xiàn)互相矛盾,一定要找到矛盾的原因,去偽存真。任何的分析模型和方法都有其使用的局限性,在一定場合會失效。片面的相信任何高級分析方法,哪怕是世界上最先進(jìn)的分析模型,研究失誤都是必然