實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理

實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理

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第一章概論一、《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》課程的目的、意義任何自然科學(xué)都離不開實驗，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)律大多由實驗推導(dǎo)和論證的。如最佳的配方、工藝條件，產(chǎn)品性能的優(yōu)化，對產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量作出評價等?！皩嶒炘O(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程是以概率論數(shù)理統(tǒng)計、專業(yè)技術(shù)知識和實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，經(jīng)濟、科學(xué)地安排試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行計算分析，最終達到減少試驗次數(shù)、縮短試驗周期、迅速找到優(yōu)化方案的一種科學(xué)計算方法。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，是產(chǎn)品設(shè)計、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)生掌握試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基本原理，并能針對實際問題正確地運用。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)。當(dāng)前2頁，總共27頁。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域當(dāng)前3頁，總共27頁。道路當(dāng)前4頁，總共27頁。當(dāng)前5頁，總共27頁。橋梁當(dāng)前6頁，總共27頁。

工業(yè)產(chǎn)品當(dāng)前7頁，總共27頁。當(dāng)前8頁，總共27頁。當(dāng)前9頁，總共27頁。（一）實驗的分類驗證性實驗：對已知的理論進行驗證，以加深對理論的認識探索性實驗：為了揭示尚未完全認識的事物，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)，具有很強的探索性（工程中經(jīng)常碰到）當(dāng)前10頁，總共27頁。（二）實驗過程實驗準(zhǔn)備→實驗→實驗數(shù)據(jù)分析處理1．實驗準(zhǔn)備①提出問題，弄清實驗?zāi)繕?biāo)②設(shè)計實驗方案（實驗設(shè)計）③擬訂實驗大綱④實驗設(shè)備、測試儀器的準(zhǔn)備2．實驗（1）測試（2）記錄3．實驗數(shù)據(jù)的分析、處理通過一定的方法對實驗數(shù)據(jù)進行整理、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．提交實驗報告或科研報告當(dāng)前11頁，總共27頁。二、主要內(nèi)容1．實驗設(shè)計①單因素實驗設(shè)計（均分法，對分法，0.618法，分數(shù)法）②雙因素實驗設(shè)計③多因素實驗設(shè)計（正交實驗設(shè)計）2．?dāng)?shù)據(jù)處理①實驗誤差分析②實驗數(shù)據(jù)整理③實驗數(shù)據(jù)分析（直觀分析法、方差分析、回歸分析）當(dāng)前12頁，總共27頁。參考文獻

①鄭少華、姜奉華《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》，中國建材工業(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、機械、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等專業(yè)）②方萍、何延《試驗設(shè)計與統(tǒng)計》，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《實驗設(shè)計與分析》中國統(tǒng)計出版社，1998年6月第1版（電工等專業(yè)）④楊德《試驗設(shè)計與分析》，中國農(nóng)業(yè)出版社⑤王萬中《試驗的設(shè)計與分析》，高等教育出版社當(dāng)前13頁，總共27頁。第二章實驗設(shè)計第一節(jié)概論實驗設(shè)計——是指為節(jié)省人力、財力、迅速找到最佳條件，揭示事物內(nèi)在規(guī)律，根據(jù)實驗中不同問題，在實驗前利用數(shù)學(xué)原理科學(xué)編排實驗的過程。以概率論與數(shù)理統(tǒng)計學(xué)為理論基礎(chǔ)，為獲得可靠試驗結(jié)果和有用信息，科學(xué)安排試驗的一種方法論，亦是研究如何高效而經(jīng)濟地獲取所需要的數(shù)據(jù)與信息的方法。正確的實驗設(shè)計不僅節(jié)省人力，物力和時間，并且是得到可信的實驗結(jié)果的重要保證。即經(jīng)過設(shè)計的實驗，效果大大提高，與不經(jīng)過設(shè)計的實驗相比，情況大不相同。廣義上說，實驗設(shè)計包括明確實驗?zāi)康模_定測定參數(shù)，確定需要控制或改變的條件，選擇實驗方法和測試儀器，確定實測精度要求，實驗方案設(shè)計和數(shù)據(jù)處理步驟等。當(dāng)前14頁，總共27頁。1．實驗設(shè)計的發(fā)展過程

20世紀初：英國生物統(tǒng)計學(xué)家費歇爾（1890-1962）首次提出了“試驗設(shè)計”術(shù)語。實驗設(shè)計方法最早應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、生物學(xué)、遺傳學(xué)方面。在農(nóng)業(yè)方面主要是進行品種對比、施肥對比等。

20世紀40年代，英美兩國開始在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，如改變原料配比或工藝生產(chǎn)條件，尋找最佳工況。50、60年代：日本田口玄—博士創(chuàng)造了正交試驗設(shè)計法。日本電訊研究所研制的“線形彈簧繼電器”，使電話機收聽效果大為改進，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：我國中科院數(shù)學(xué)研究所在正交實驗設(shè)計的觀點、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，簡化了實驗程序和實驗結(jié)果分析方法。目前，實驗設(shè)計已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。當(dāng)前15頁，總共27頁。2．實驗設(shè)計的基本宗旨

①最大限度地提高實驗效率②最大限度地提高實驗精度

當(dāng)前16頁，總共27頁。3．實驗設(shè)計基本要素①指標(biāo)——

用來衡量試驗效果好壞的特征值。②因素——

對實驗指標(biāo)有影響的原因或要素。③水平——

因素在實驗中所處的不同狀態(tài)，可能引起指標(biāo)的變化。當(dāng)前17頁，總共27頁。1）指標(biāo)——用來衡量試驗效果好壞的特征值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：選擇客觀性強的指標(biāo)，選擇易于量化即經(jīng)過儀器測量而獲得的指標(biāo)；選擇靈敏度高的指標(biāo)，選擇精確性強的參數(shù)作為指標(biāo)。當(dāng)前18頁，總共27頁。2）因素——對實驗指標(biāo)有影響的原因或要素因素也稱為因子，它是在進行實驗時重點考察的內(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、時間、種類、濃度……）

b)不可控因素（風(fēng)速、氣溫、……）當(dāng)前19頁，總共27頁。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）同時要考慮因素之間的交互作用。b）找出非主要因素，并使其在實驗中保持不變，以消除其干擾作用。

當(dāng)前20頁，總共27頁。3）水平——因素在實驗中所處的不同狀態(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)實可行。當(dāng)前21頁，總共27頁。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)時間（1h、1.5h、2h）、催化劑用量（2kg、2.5kg、3kg）對產(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某種自動開關(guān)的響應(yīng)時間（ms）的影響指標(biāo)：響應(yīng)時間因素：電路類型水平：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ當(dāng)前22頁，總共27頁。舉例例3：研究紙漿中木材濃度的分率、容器的壓強、煮漿時間對紙張強度的影響。

指標(biāo)：紙張強度

因素及水平：紙漿中木材濃度的分率(%)2、4、8

容器的壓強(kPa)400、500、650

煮漿時間(h)3、4當(dāng)前23頁，總共27頁。舉例例4：直接過濾實驗中，欲考察混凝劑硫酸鋁投量，助劑聚丙烯酰胺投量，濾速對過濾周期平均出水濁度的影響。實驗指標(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）當(dāng)前24頁，總共27頁。4．實驗設(shè)計方法

針對不同的具體情況，有不同的實驗設(shè)計方法。單因素試驗設(shè)計雙因素試驗設(shè)計正交實驗設(shè)計各種試驗方法的目的、出發(fā)點各不相同。當(dāng)前25頁，總共27頁。5．實驗方案設(shè)計的步驟①明確實驗?zāi)康模_定實驗指標(biāo)。②挑選因素，選取水平。③選定實驗設(shè)計方法。④