第1章 绪论20100907

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1.3 学科发展简史
实验优化设计和数据处理是数理统计学的一个重要分支。 费歇在1923年与麦肯齐合作发表了一个实验设计的实例，1926年 公布了实验设计的基本思想，1935年出版了他的名著《实验设计》 （The Design of Experiment），从此开创了一门新的应用技术学科。 20世纪三四十年代，英国、美国、苏联等国继续对实验设计法进 行了研究，并将实验设计法逐步推广到工业生产领域中去，在采矿、 冶金、建筑、纺织、机械、医药等行业都有所应用。 第二次世界大战期间，英美等国在工业实验中采用实验设计法取 得显著效果。二次大战结束后, 英国皇家军需工厂管理局出版了一个 备忘录，公布了一批应用实例。战后，日本把实验设计作为管理技术 之一，从英美引进。
实验优化设计 实验设计与数据处理） （实验设计与数据处理）
苏州科技学院 化学与生物工程学院 袁福根教授
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1 绪论
1.1 课程研究内容
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化学、应用化学、材料化学等都是实验性科学 实验是发现问题、解决问题的基本手段。 提高实验效率才能体现高素质。
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1 绪论 1.1 课程研究内容
实验研究的一般过程： ①确定研究目标。 ②制定实验计划。 ③通过实验操作、观察、记录，取得实验数据。 ④通过数据分析取得实验结果。 第①步需要进行知识积累，提高发现问题的能力。 第③步需要专业实验训练。 本课程主要讨论的是第②步和第④步的相关问题。 本课程主要讨论的是第②步和第④步的相关问题。
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大家都学过基础的数理统计，但往往不知道如何应用， 这就跟没有学过差不多。 ○ 对于学过分析化学课程的化学化工类学生而言，尽管 学过少量的数据处理方法，但非常简略，离真正解决问 题还有很大距离。
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例如：通过误差分析，可以评判实验数据的可靠性；通过 方差分析，可以确定影响实验结果因素的主次顺序，从而 可以抓住主要矛盾，提高实验效率；通过实验优化设计， 快速找到最优工艺条件或配方，减少实验次数；分析确定 实验因素与实验结果之间存在的近似函数关系，对实验结 果进行预测和优化，等等。
1957年和1978年, 田口玄一博士分别提出信噪比实 验设计和产品的三次设计。日本电子产品能打进美国 市场，畅销世界各国的秘诀之一就在于运用正交实验 设计和产品的三次设计这个得力工具。日本把实验设 计誉为“国宝”是有一定道理的。 当美国人清醒地认识到战后日本经济飞速发展的秘 诀之一就是在工业领域里普遍推广应用了正交实验设 计和产品的三次设计之后，于1983年成立了专门的机 构AST在美国推广田口方法。例如，贝尔公司的集成电 路，成品率很低，不到20%，用正交表安排设计后，使 成品率达到80％，轰动了整个美洲。20世纪80年代， 美国出现了田口方法“热”。
实验设计与数据处理的关系：
实验方案的制定和实验数据的分析处理往往是紧 密相关、相互影响的。 采用特别设计的实验方案就必然要相应地采用特 别的数据分析处理方法，才能获得可靠的实验结论。 反之，要想通过特定的数据处理方法揭示科学变 化规律，就要对实验方案进行相应的综合有效设计。 实验优化设计（与数据处理） 实验优化设计（与数据处理）则是研究如何合理 地安排实验，有效地获得实验数据， 地安排实验，有效地获得实验数据，然后对实验数据 进行科学分析，以求尽快达到优化实验的目的。 进行科学分析，以求尽快达到优化实验的目的。
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关于实验设计： 实验方案有好坏优劣之分。 评判方案优劣的标准至少含有两个方面： ①实验次数。②实验时间。 减少实验次数和缩短实验时间两者经常是一致的。一 般说来，实验次数少，则实验花费时间就短，但当拥有多 台套仪器可同时实验时，两者概念上还是明显不同的。 关于数据处理： 人们常说：在科学研究中“一切用数据说话”。然而， 事实上数据自己并不会说话。 在实验中测试数据的误差是不可避免的，所以要科学 地整理与分析数据，揭示事物的客观规律。
我国从20世纪50年代后期，在著名统计学家许宝禄教 授引导下，数学工作者才深入实验设计这个领域。 20世纪60年代末，中国科学院数学研究所统计组、北 京大学数学系等单位的研究人员在正交设计的观点、理论 和方法上都有新的见解，编制了一套较为适用的正交表， 简化了实验程序和实验结果分析方法，创立了简单易懂的 正交实验方法。同时，著名数学家华罗庚教授也在国内积 极倡导和普及“优选法”，如黄金分割法、分数法等，从 而使实验设计的概念得到普及。 20世纪70年代以来，国内在研究和推广正交实验设计 方面有了很大的进展。 20世纪80年代初，产品的三次设计开始在我国进行研 究，已取得可喜的成果。
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1949年，田口玄一等人在实践中努力研究和改进了英国人的实验 设计技术，创造了用正交表安排分析实验的正交实验设计法， 1952年，田口玄一在日本东海电报公司，运用L27 (313)正交表进 行实验取得了成功之后，正交实验设计法在日本的工业生产中得到 迅速推广，获得极大的经济效益。 例如, 电讯研究所研制“线形弹簧继电器”，运用正交实验设计 技术，对数十个特性值2000多个变量进行研究，经过七年努力取得 了成功，制造出比美国先进的产品。这一产品本身只有几美元，但 研究成果给该所带来几十亿美元的利益。几年之后，他们的竞争对 手美国西方电器公司 (Western Electric) 不得不停产，转而向日 本引进这种先进的继电器。 今天，正交实验技术已成为日本企业界人士、工程技术人员、研 究人员和管理人员所必备的一种通用技术，成为日本工程师们共同 语言的一部分。在日本，据说一个工程师，如果没有实验设计这方 面知识的话，只能算半个工程师。可见，正交实验设计技术在日本 已经达到家喻户晓的程度。
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1.2 课程意义作用
●虽然学科的发展积累了很多知识，但离真正认识自然的目标
还有巨大的距离，实验仍是研究的必要和主要手段。
● 检验理论推理的可靠性也仍然离不开实验。 ● 科学发展日新月异，新领域、新形势新要求，切实提高自 己的科研能力才是根本。 本课程介绍的是一些通用技术和通用方法 通用技术和通用方法。掌握这些方法， 通用技术和通用方法 可以提高我们探索未知领域的能力，同时也可以提高我们的思维 能力和思维水平。
20世纪70年代末，几乎同时出现了两个最有影响的 方法：拉丁超立方体抽样和均匀设计。 拉丁超立方体抽样是M. D. Mckay，R. J. Beckman 和W. J. Conover于1979年在国际权威刊物 Technometrics上首次提出的。 均匀设计是由中国科学院院士王元和方开泰研究员 均匀设计 于1978年提出的，目的是解决导弹弹道系统的指挥仪设 计问题。 然而，在我国大多数工厂、企业、公司，实验设计 的技术应用还不是很普遍 。