实验设计与数据处理

实验指标：过滤周期平均出水浊度 因素及水平： 混凝剂投量（mg/L）（ 10、12、1） 助凝剂投量（mg/L）（0.08、0.15、0.30） 滤 速（m/h） （8、10、12）
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4．实验设计方法
• 针对不同的具体情况，有不同的实验设计方法。 • 单因素试验设计 • 双因素试验设计 • 正交实验设计 • 各种试验方法的目的、出发点各不相同。
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举 例
• 例3：研究纸浆中木材浓度的分率、容 器的压强、煮浆时间对纸张强度的影响。 指标：纸张强度 因素及水平： 纸浆中木材浓度的分率(%) 2、4、8 容器的压强 (kPa) 400、500、650 煮浆时间 (h) 3、4
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举
例
• 例4：直接过滤实验中，欲考察混凝剂硫酸铝 投量，助剂聚丙烯酰胺投量，滤速对过滤周期 平均出水浊度的影响。
正确的实验设计不仅节省人力，物力和时间，并且是得到可信的实验结果的重要 保证。即经过设计的实验，效果大大提高，与不经过设计的实验相比，
情况大不相同。
•
广义上说，实验设计包括明确实验目的，确定测定参数，确定需要控制或改变的 条件，选择实验方法和测试仪器，确定实测精度要求，实验方案设计和数据处理 步骤等。
• 50、60年代：日本田口玄—博士创造了正交试验设 计法。
• 日本电讯研究所研制的“线形弹簧继电器”，使电话机收听效果 大为改进，为日本电讯事业的发展起到了不可估量的作用。
50年代：我国中科院数学研究所在正交实验设计的观点、 理论和方法上有了新的创见，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。 • 目前，实验设计已广泛应用于各个领域。
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农业领域
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道路
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桥梁
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工业产品
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（一）实验的分类
• 验证性实验：对已知的理论进行验证，以加深 对理论的认识 • 探索性实验：为了揭示尚未完全认识的事物， 发现其发生与发展的规律，以完成工程与科研 任务，具有很强的探索性 （工程中经常碰到）
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2．实验设计的基本宗旨
• • ①最大限度地提高实验效率 ②最大限度地提高实验精度
对实验过程优化的方法
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3．实验设计基本要素
• ①指标——
用来衡量试验效果好坏的特征值。
• ②因素——
对实验指标有影响的原因或要素。
• ③水平—— 因素在实验中所处的不同状态，可 能引起指标的变化。
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（二）实验过程
• 实验准备→实验→实验数据分析处理
• 1．实验准备 ①提出问题，弄清实验目标 ②设计实验方案（实验设计） ③拟订实验大纲 ④实验设备、测试仪器的准备 • 2．实验 （1）测试 （2）记录 • 3．实验数据的分析、处理 通过一定的方法对实验数据进行整理、分析，去伪存真， 提炼出我们需要的信息，以发现事物的规律。 • 4．提交实验报告或科研报告 11 文库专用
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举例
• 例1：某化工工程师欲研究化学反应温度 （60℃、70℃、80℃）、反应时间（1h、 1.5h、2h）、催化剂用量（2kg、2.5kg、 3kg）对产品产量（指标）的影响，根据找出 的规律，确立最佳生产条件。 • 例2：考察3种不同类型的电路对某种自动开 关的响应时间（ms）的影响 指标：响应时间 因素：电路类型 水平：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ
• a）抓住主要因素（将影响较大的因素选 入试验）同时要考虑因素之间的交互作 用。
• b）找出非主要因素，并使其在实验中 保持不变，以消除其干扰作用。
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3）水平——因素在实验中所
处的不同状态
• 选择水平的原则：
①水平宜取三水平为宜 ②水平应是等间隔的原则
③水平是具体的
④水平的选择必须在技术上现实可行。
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实验设计与数据处理
教师：邵青
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第一章
概论
• 一、《实验设计与数据处理》课程的目的、意义 • 任何自然科学都离不开实验，大多数学科（化工、化学、轻工、 材料、环境、医药、热工等）中的概念、原理和规律大多由实验 推导和论证的。如最佳的配方、工艺条件，产品性能的优化，对 产品质量、环境质量作出评价等。 • “实验设计与数据处理”课程是以概率论数理统计、专业技术知 识和实践经验为基础，经济、科学地安排试验，并对试验数据进 行计算分析，最终达到减少试验次数、缩短试验周期、迅速找到 优化方案的一种科学计算方法。它主要应用于工农业生产和科学 研究过程中的科学试验，是产品设计、质量管理和科学研究的重 要工具和方法。 • 通过本课程的教学，使学生掌握试验数据统计分析的基本原理， 并能针对实际问题正确地运用。学好本课程，为将来从事各专业 科学研究打下基础。
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2）因素——对实验指标有影 响的原因或要素
• 因素也称为因子，它是在进行实验时重 点考察的内容。 • 因素一般用大写字母ABC……来标记， 如因素A、因素B、因素C等。 • ①因素分类： a)可控因素（温度、时间、种类、浓 度……） b)不可控因素（风速、气温、……）
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② 选择因素的原则
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1．实验设计的发展过程
• 20世纪初：英国生物统计学家费歇尔（1890-1962） 首次提出了“试验设计”术语。
• 实验设计方法最早应用于农业、生物学、遗传学方面。在农业方 面主要是进行品种对比、施肥对比等。 • 20世纪40年代，英美两国开始在工业生产中应用，如改变原料配 比或工艺生产条件，寻找最佳工况。
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5．实验方案设计的步骤
• ①明确实验目的，确定实验指标。
• ②挑选因素，选取水平。 • ③选定实验设计方法。
• ④实验点安排。
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二、本课程讲授内容
• 1．实验设计 ①单因素实验设计（均分法，对分法，0.618法， 分数法） ②双因素实验设计 ③多因素实验设计（正交实验设计）
• 2．数据处理 ①实验误差分析 ②实验数据整理 ③实验数据分析（直观分析法、方差分析、 回归分析）
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参考文献
• ①郑少华、姜奉华《试验设计与数据处理》，中国建 材工业出版社，2004年3月第1版，51.727/Z429 • （适合材料科学与工程、化工、机械、农业、医药等 专业） • ②方萍、何延《试验设计与统计》，浙江大学出版社， 2003年6月第1版 • （适合环境与资源相关专业、生命科学、农业科学、 医学） • ③[美]Douglas C.Montgomery著《实验设计与分析》 • 中国统计出版社，1998年6月第1版（电工等专业 ） • ④杨德《试验设计与分析》，中国农业出版社 • ⑤王万中《试验的设计与分析》，高等教育出版社
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1）指标——用来衡量试验效 果好坏的特征值
• ①指标分类： • a)定量指标（数量指标，如强度、重量、产量、 合格率、成活率、废品率、转化率等。） • b)定性指标 （非数量指标，如颜色、味道、 光泽等） • ②指标的选择要求：
• 选择客观性强的指标，选择易于量化即经过仪 器测量而获得的指标；选择灵敏度高的指标， 选择精确性强的参数作为指标。
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第二章 实验设计
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• 第一节 概 论
实验设计——是指为节省人力、财力、迅速找到最佳条件，揭示事物内 在规律，根据实验中不同问题，在实验前利用数学原理科学编排实验的 过程。 以概率论与数理统计学为理论基础，为获得可靠试验结果和有用信息， 科学安排试验的一种方法论，亦是研究如何高效而经济地获取所需要的 数据与信息的方法。
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