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实验设计与数据处理 教师 邵青 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 农业领域 道路 桥梁 工业产品 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 二 实验过程 实验准备 实验 实验数据分析处理1 实验准备 提出问题 弄清实验目标 设计实验方案 实验设计 拟订实验大纲 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 二 本课程讲授内容 1 实验设计 单因素实验设计 均分法 对分法 0 618法 分数法 双因素实验设计 多因素实验设计 正交实验设计 2 数据处理 实验误差分析 实验数据整理 实验数据分析 直观分析法 方差分析 回归分析 参考文献 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 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 美 DouglasC 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 杨德 试验设计与分析 中国农业出版社 王万中 试验的设计与分析 高等教育出版社 第二章实验设计 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 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 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 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 2 实验设计的基本宗旨 最大限度地提高实验效率 最大限度地提高实验精度 3 实验设计基本要素 指标 用来衡量试验效果好坏的特征值 因素 对实验指标有影响的原因或要素 水平 因素在实验中所处的不同状态 可能引起指标的变化 1 指标 用来衡量试验效果好坏的特征值 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 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 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 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 选择因素的原则 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 3 水平 因素在实验中所处的不同状态 选择水平的原则 水平宜取三水平为宜 水平应是等间隔的原则 水平是具体的 水平的选择必须在技术上现实可行 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 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 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 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