实验设计与数据分析论文

化工学院制剂102 杜娟 100103213

实验设计与数据分析在学习中的应用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。

“实验设计与数据分析”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。

在学习当中我们会接触实验，例如无机实验、有机化学实验、物理实验、分析化学实验等基础课程实验，当然还有专业课的实验。我所学专业是药物制剂，本专业与化学药物密不可分，当然更离不开实验。

实验过程包括以下几步：

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

虽然说起来步骤简便，但真正进行实验时并不是那么简单的，要对实验进行设计要做到最大限度地提高实验效率，最大限度地提高实验精度。这是实验

设计的基本宗旨，可以用一下表格说明这一点：

这样实验设计与数据分析就体现了巨大的作用，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。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。 课程中所讲述的实验设计的步骤分为：

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。

以及实验设计的方法：

1、针对不同的具体情况，有不同的实验设计方法。

2、单因素试验设计

3、双因素试验设计

4、正交实验设计

5、各种试验方法的目的、出发点各不相同。

根据这些基本的理论才能有实验设计的理论基础，是实验设计以及实验的进行做到科学合理，并且得到期待的可靠地结果。实验设计方法主要有：

一、单因素实验设计的方法主要有：

1、平均法：在确定因素范围的中点处做实验，每做一次试验后，根据试验点目标函数值的高低，就可以决定去掉左半边或右半边范围，在留下范围内的中心处在试验，用同样的方法决定去留和留下的区间，再反复的试验下去，直到达到要求

平分法：根据试验点的目标函数值来决定舍弃半个因素范围

平分法的优点：每次试验可去掉试验范围的一半，试验次数大大减少（适用情况：每次试验的结果能直接分析出该因素的值是取大了还是取小了的情况）

2、斐波纳奇法基本思想与0.618法一样不同0.618法按一定比例常数0.618来缩短范围，而斐按不同比例（斐波纳奇数）缩短范围

斐波纳奇法优点：1给定试验次数时，可使区间缩短为最小—最优搜索法2这种方法是序贯法，它是限定试验次数并且每次做一个试验的最优方法3算法简单，适用于计算机计算

3、黄金分割法步骤：1确定试验范围[a b] 2选定试验点（0.618 0.382）3根据留好去坏原则，对比试验结果，缩小试验范围4在新的范围内安排试验5重复上述过程至满意结果0.618法（黄金分割法）

优点：有效减少试验次数。适用范围：指数函数为单峰函数

预给要求法适用范围：1如能预先确定总的试验次数2预先限定了试验的批数和每批试验双因素的设计理论也接触了很多。

二、正交试验设计是利用正交表安排与分析各因素试验的一种方法，通过有代表性的水平组合进行试验，了解全面试验情况

1、正交试验设计步骤：1明确试验目的，确定试验指标2挑选因素，选出水平，列出因素水平表

2、正交表选择原则：1因素数小于等于正交表列数2因素水平数等于正交表水平数满足12选最小表）3选用正交表4试验5对试验结果进行统计分析

3、正交试验直观分析步骤：1计算极差R 2根据极差R大小排列出因素主次顺序3计算主要因素的水平平均值，选取最有水平组合

4、方差分析的意义：通过数据分析，搞清与数据相关的各个因素对试验结果的影响

5、方差分析的基本原理：数据总和偏差分解为：1各因素的偏差平方和（组间平方和）2误差偏差平方和（组内平方和）

6、优点：简单明了，通俗易懂，计算工作量小，便于普及

利用这些实验的设计步骤以及实验设计地方法科学有效的设计实验要进行的分点。

实验设计的方法与理论在我们所学的课程中有很重要的应用例如：

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。

2、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。

上述两个实验的进行都需要实验设计方法的理论支持，科学的设计实验分点，记录的数据后要进行数据分析，然后得到比较可靠的分析结果。

实验设计与数据分析给我们提供了科学的方便快捷的试验方法，所以在学科中有很广泛的应用。通过本课程的教学，使我们掌握了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。