1、文库专用1文库专用2第一章第一章 概论概论一、一、实验设计与数据处理实验设计与数据处理课程的目的、意义课程的目的、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、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。推导和论证的。如最佳的配方、工艺条件，产品性能的优化，对如最佳的配方、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。产品质量、环境质量作出评价等。“实验设计与数据处理实验设计与数据处理”课程是以概率论数理统计、专业技术知课程是以概率
2、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。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，通过本课程的教学，使学生掌握试验数据统计分析的
3、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。科学研究打下基础。文库专用3农业领域文库专用4道路文库专用5文库专用6桥梁文库专用7 工业产品文库专用8文库专用9文库专用10（一）实验的分类（一）实验的分类 验证性实验验证性实验：对已知的理论进行验证，以加深：对已知的理论进行验证，以加深对理论的认识对理论的认识 探索性实验探索性实验：为了揭示尚未完全认识的事物，：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，具有很强的探索性任务，具有很
4、强的探索性 （工程中经常碰到）（工程中经常碰到）文库专用11（二）实验过程（二）实验过程 实验准备实验准备实验实验实验数据分析处理实验数据分析处理 1实验准备实验准备 提出问题，弄清实验目标提出问题，弄清实验目标 设计实验方案（实验设计）设计实验方案（实验设计）拟订实验大纲拟订实验大纲 实验设备、测试仪器的准备实验设备、测试仪器的准备 2实验实验（1）测试）测试（2）记录）记录 3实验数据的分析、处理实验数据的分析、处理 通过一定的方法对实验数据进行整理、分析，去伪存真，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。提炼出我们需要的信息，以发现事物的
5、规律。4提交实验报告或科研报告提交实验报告或科研报告文库专用12二、本课程讲授内容二、本课程讲授内容 1实验设计实验设计 单因素实验设计（均分法，对分法，单因素实验设计（均分法，对分法，0.618法，法，分数法）分数法）双因素实验设计双因素实验设计 多因素实验设计（正交实验设计）多因素实验设计（正交实验设计）2数据处理数据处理 实验误差分析实验误差分析 实验数据整理实验数据整理 实验数据分析（直观分析法、方差分析、实验数据分析（直观分析法、方差分析、回归分析）回归分析）文库专用13参考文献参考文献 郑少华、姜奉华郑少华、姜奉华试验设计与数据处理试验设计与数据处理，中国建，中国建材工业出版社，材
6、工业出版社，20042004年年3 3月第月第1 1版，版，51.727/Z42951.727/Z429（适合材料科学与工程、化工、机械、农业、医药等（适合材料科学与工程、化工、机械、农业、医药等专业）专业）方萍、何延方萍、何延试验设计与统计试验设计与统计，浙江大学出版社，浙江大学出版社，20032003年年6 6月第月第1 1版版（适合环境与资源相关专业、生命科学、农业科学、（适合环境与资源相关专业、生命科学、农业科学、医学）医学）美美Douglas C.MontgomeryDouglas C.Montgomery著著实验设计与分析实验设计与分析 中国统计出版社，中国统计出版社，199819
7、98年年6 6月第月第1 1版（电工等专业版（电工等专业 ）杨德杨德试验设计与分析试验设计与分析，中国农业出版社，中国农业出版社 王万中王万中试验的设计与分析试验的设计与分析，高等教育出版社，高等教育出版社文库专用14第二章第二章 实验设计实验设计 第一节第一节 概概 论论实验设计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。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，以概率论与数
8、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。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，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。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广义上说，实验设计包括明确实
9、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。步骤等。文库专用151实验设计的发展过程实验设计的发展过程 20世纪初：英国生物统计学家费歇尔（世纪初：英国生物统计学家费歇尔（1890-1962）首次提出了首次提出了“试验设计试验设计”术语。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。面主要是进行品种对比、施肥对比等。2020世纪世纪4040年代，
10、英美两国开始在工业生产中应用，如改变原料配年代，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。比或工艺生产条件，寻找最佳工况。50、60年代：日本田口玄年代：日本田口玄博士创造了正交试验设计博士创造了正交试验设计法。法。日本电讯研究所研制的日本电讯研究所研制的“线形弹簧继电器线形弹簧继电器”，使电话机收听效果，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。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年代：我国中科院数学研究所在正交实验设计的观点、在正交实验设计的观点、理论和方法上有了新的创见，理论和方法上有
11、了新的创见，编制了编制了一套较为适用的一套较为适用的正交表正交表，简化了实验程序和实验结果分析方法。，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。目前，实验设计已广泛应用于各个领域。文库专用162实验设计的基本宗旨实验设计的基本宗旨 最大限度地提高实验最大限度地提高实验效率效率 最大限度地提高实验最大限度地提高实验精度精度 文库专用173实验设计基本要素实验设计基本要素 指标指标 用来衡量试验效果好坏的特征值。用来衡量试验效果好坏的特征值。因素因素 对实验指标有影响的原因或要素。对实验指标有影响的原因或要素。水平水平 因素在实验中所处的不同状态，可因素在实验中所处的不
12、同状态，可 能引起指标的变化。能引起指标的变化。文库专用181）指标）指标用来衡量试验效用来衡量试验效果好坏的特征值果好坏的特征值 指标分类：指标分类：a)定量定量指标（数量指标，如强度、重量、产量、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。）合格率、成活率、废品率、转化率等。）b)定性定性指标指标（非数量指标，如颜色、味道、（非数量指标，如颜色、味道、光泽等）光泽等）指标的选择要求：指标的选择要求：选择选择客观性强客观性强的指标，选择的指标，选择易于量化易于量化即经过仪即经过仪器测量而获得的指标；选择器测量而获得的指标；选择灵敏度高灵敏度高的指标，的指标，选择选择
13、精确性强精确性强的参数作为指标。的参数作为指标。文库专用192）因素）因素对实验指标有影对实验指标有影响的原因或要素响的原因或要素 因素也称为因子，它是在进行实验时重因素也称为因子，它是在进行实验时重点考察的内容。点考察的内容。因素一般用大写字母因素一般用大写字母ABC来标记，来标记，如因素如因素A、因素、因素B、因素、因素C等。等。因素分类：因素分类：a)可控可控因素（温度、时间、种类、浓因素（温度、时间、种类、浓度度）b)不可控不可控因素（风速、气温、因素（风速、气温、）文库专用20 选择因素的原则选择因素的原则 a）抓住主要因素（将影响较大的因素选）抓住主要因素（将影响较大的因素选入试验
14、）同时要考虑因素之间的交互作入试验）同时要考虑因素之间的交互作用。用。b）找出非主要因素，并使其在实验中）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。保持不变，以消除其干扰作用。文库专用213）水平水平因素在实验中所因素在实验中所处的不同状态处的不同状态 选择水平的原则：选择水平的原则：水平宜取三水平为宜水平宜取三水平为宜 水平应是等间隔的原则水平应是等间隔的原则 水平是具体的水平是具体的 水平的选择必须在技术上现实可行。水平的选择必须在技术上现实可行。文库专用22举例 例例1：某化工工程师欲研究化学反应温度：某化工工程师欲研究化学反应温度（60、70、80）、反应时间（）、反应
15、时间（1h、1.5h、2h）、催化剂用量（）、催化剂用量（2kg、2.5kg、3kg）对产品产量（指标）的影响，根据找出）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。的规律，确立最佳生产条件。例例2：考察：考察3种不同类型的电路对某种自动开种不同类型的电路对某种自动开关的响应时间（关的响应时间（ms）的影响）的影响 指标：响应时间指标：响应时间 因素：电路类型因素：电路类型 水平：水平：、文库专用23举 例 例例3：研究纸浆中木材浓度的分率、容：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。器的压强、煮浆时间对纸张强度的影响。指标指标：纸张强度：纸张强度 因素
16、及水平：因素及水平：纸浆中木材浓度的分率纸浆中木材浓度的分率(%)2、4、8 容器的压强容器的压强(kPa)400、500、650 煮浆时间煮浆时间(h)3、4文库专用24举 例 例例4 4：直接过滤实验中，欲考察混凝剂硫酸铝：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。平均出水浊度的影响。实验实验指标指标：过滤周期平均出水浊度：过滤周期平均出水浊度 因素及水平：因素及水平：混凝剂投量（混凝剂投量（mg/Lmg/L）（）（1010、1212、1 1）助凝剂投量（助凝剂投量（mg/Lmg/L）（）（0.08
17、0.08、0.150.15、0.300.30）滤滤 速（速（m/hm/h）（8 8、1010、1212）文库专用254实验设计方法实验设计方法 针对不同的具体情况，有不同的实验设计方法。针对不同的具体情况，有不同的实验设计方法。单因素试验设计单因素试验设计 双因素试验设计双因素试验设计 正交实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。各种试验方法的目的、出发点各不相同。文库专用265实验方案设计的步骤实验方案设计的步骤 明确实验目的，确定实验指标。明确实验目的，确定实验指标。挑选因素，选取水平。挑选因素，选取水平。选定实验设计方法。选定实验设计方法。实验点安排。实验点安排。文库专
18、用27文库专用28文库专用29文库专用30文库专用31文库专用32文库专用33文库专用34文库专用35文库专用36文库专用37文库专用38文库专用39文库专用40文库专用41文库专用42文库专用43文库专用44文库专用45文库专用46文库专用47文库专用48文库专用49文库专用50文库专用51文库专用52文库专用53文库专用54文库专用55文库专用56文库专用57文库专用58文库专用59文库专用60文库专用61文库专用62文库专用63文库专用64文库专用65文库专用66文库专用67文库专用68文库专用69文库专用70文库专用71文库专用72文库专用73文库专用74文库专用75文库专用76文库专
19、用77文库专用78文库专用79文库专用80文库专用81文库专用82文库专用83文库专用84文库专用85文库专用86文库专用87文库专用88文库专用89文库专用90文库专用91文库专用92文库专用93文库专用94文库专用95文库专用96文库专用97文库专用98文库专用99文库专用100文库专用101文库专用102文库专用103文库专用104文库专用105文库专用106文库专用107文库专用108文库专用109文库专用110文库专用111文库专用112文库专用113文库专用114文库专用115文库专用116文库专用117文库专用118文库专用119文库专用120文库专用121文库专用122文库专用
20、123文库专用124文库专用125文库专用126文库专用127文库专用128文库专用129文库专用130文库专用131文库专用132文库专用133文库专用134文库专用135文库专用136文库专用137文库专用138文库专用139文库专用140文库专用141文库专用142文库专用143文库专用144文库专用145文库专用146文库专用147文库专用148文库专用149文库专用150文库专用151文库专用152文库专用153文库专用154文库专用155文库专用156文库专用157文库专用158文库专用159文库专用160文库专用161文库专用162文库专用163文库专用164文库专用165文库专
21、用166文库专用167文库专用168文库专用169文库专用170文库专用171文库专用172文库专用173文库专用174文库专用175文库专用176文库专用177文库专用178文库专用179文库专用180文库专用181文库专用182文库专用183文库专用184文库专用185文库专用186文库专用187文库专用188文库专用189文库专用190文库专用191文库专用192文库专用193文库专用194文库专用195文库专用196文库专用197文库专用198文库专用199文库专用200文库专用201文库专用202文库专用203文库专用204文库专用205文库专用206文库专用207文库专用208文库
22、专用209文库专用210文库专用211文库专用212文库专用213文库专用214文库专用215文库专用216文库专用217文库专用218文库专用219文库专用220文库专用221文库专用222文库专用223文库专用224文库专用225文库专用226文库专用227文库专用228文库专用229文库专用230文库专用231文库专用232文库专用233文库专用234文库专用235文库专用236文库专用237文库专用238文库专用239文库专用240文库专用241文库专用242文库专用243文库专用244文库专用245文库专用246文库专用247文库专用248文库专用249文库专用250文库专用251文
23、库专用252文库专用253文库专用254文库专用255文库专用256文库专用257文库专用258文库专用259文库专用260文库专用261文库专用262文库专用263文库专用264文库专用265文库专用266文库专用267文库专用268文库专用269文库专用270文库专用271文库专用272文库专用273文库专用274文库专用275文库专用276文库专用277文库专用278文库专用279文库专用280文库专用281文库专用282文库专用283文库专用284文库专用285文库专用286文库专用287文库专用288文库专用289文库专用290文库专用291文库专用292文库专用293文库专用294
24、文库专用295文库专用296文库专用297文库专用298文库专用299文库专用300文库专用301文库专用302文库专用303文库专用304文库专用305文库专用306文库专用307文库专用308文库专用309文库专用310文库专用311文库专用312文库专用313文库专用314文库专用315文库专用316文库专用317文库专用318文库专用319文库专用320文库专用321文库专用322文库专用323文库专用324文库专用325文库专用326文库专用327文库专用328文库专用329文库专用330文库专用331文库专用332文库专用333文库专用334文库专用335文库专用336文库专用337文库专用338文库专用339文库专用340文库专用341文库专用342文库专用343文库专用344文库专用345文库专用346文库专用347文库专用348文库专用349文库专用350文库专用351文库专用352文库专用353文库专用354文库专用355文库专用356文库专用357文库专用358文库专用359
