研究方案与试验设计技术-2完整版

研究方案与试验设计技术

第一节

试验方案的确定第二节

试验误差及其控制第三节

试验设计的基本原则第四节

试验设计的分类第五节

常用设计第三节

试验设计的基本原则设计的目的：减少误差，提高精确度，能用统计

的手段，从结果中分离出误差，并对其正确估计第三节

试验设计的基本原则一、试验设计（总体规划）的一般原则二、试验设计（控制误差）三原则一、试验设计（总体规划）的一般原则科学探究中解决问题的过程一般包括以下内容：

1、选题：所从事的本项实验的课题源于对某一自然现象的观察、认识、分析。2、假设：即对可见现象提出一种可检测的解释，根

据其认识进行假设；3、预期结果：在检测一个假设之前，先提出实验的

预期结果。如果预期没有实现，则说明假设不成立，如

果预期得到实现，则假设成立。然后根据研究目的和提出的假设，具体设计试验方

法、步骤等，在方法与步骤设计中，必须遵循以下几条

原则：1、科学可行性原则科学性指实验目的要明确，实验原理要正确，试

验材料和试验手段的选择要恰当，整个设计思路和实

验方法的确定都不能偏离生物学基本知识和基本原理

以及其它学科领域的基本原则。选题必须有依据，要符合客观规律，科研设计必

须科学，符合逻辑性。在试验设计时，要根据原理或者理论来假定结果，

从试验实施到试验结果的产生，都实际可行。要考虑到试验材料要容易获得，试验装置

简单，试验药品较便宜，试验操作较简便，试验

步骤较少，试验时间较短。生物学实验中，一种生命现象的发生往往

有其复杂的前因后果，要从不同角度全面地分析

问题才符合科学性的基本原则。2、对照与均衡性原则试验中的无关变量很多，必须严格控制，要平衡和消

除无关变量对试验结果的影响，对照的设计是消除无关变

量影响的有效方法。同一种试验结果可能会被多种不同的试验因素所引起，

如果没有严格的对照试验，即使出现了某种预想的实验结

果，也很难保证该试验结果是由某因素所引起的，这样就

使得所设计的试验缺乏应有的说服力。处理因素效应的大小，重要的不是其本身，而是通过

对比后得出的结论，消除和减少试验误差，才能有效地排

除其它因素干扰结果的可能性，才能使设计显得比较严密。3、随机性原则随机是指分配于试验各组对象（样本）是由试验对

象的总体中任意抽取的，即在将试验对象分配致各试验组

或对照组时，它们的机会是均等的。如果在同一试验中存在数个处理因素（如先后观察

数种药物的作用），则各处理因素施加顺序的机会也是均

等的。通过随机化，一是尽量使抽取的样本能够代表总体，

减少抽样误差；二是使各组样本的条件尽量一致，消除或

减少组间人为的误差，从而使处理因素产生的效应更加客

观，便于得出正确的试验结果。4、可重复性原则同一处理在试验中出现的次数称为重复。重复的

作用有二，一是降低试验误差，扩大试验的代表性；

二是估计试验误差的大小，判断试验可靠程度。重复、对照、随机是保证试验结果准确的三大原

则。任何试验都必须有足够的试验次数才能判断结果

的可靠性，设计试验只能进行一次而无法重复就得出

“正式结论”是草率的。二、试验设计（控制误差）三原则重复随机排列局部控制试验误差的无偏估计降低试验误差田间试验设计三原则关系示意图（一）重复试验中同一处理安排时小区数（同一片理出现的次数）

作用：1、估测误差：2、减少误差，提高精度：3、重复次数增多可增加代表性：

多点、多次、多株、多地块（二）随机化排列试材的安排和处理顺序完全由机会决定，排除人类意识干扰

1、随机化是统计分析的要求所有统计公式都是在随机的假设前提下推导出来的，只有随

机进行的事件，结果才符合正态分布。2、消除系统误差，把系差变为随机误差，便于统计分析把难以估测和克服的系差转为随差，用统计方差控制误差，

Xij=

x+

αi+βj

+

e随机不是随意，可采用抽签、随机表或计算机随机函数（三）局部控制分

段

分

区

控

制

非

处

理

因

素

的

干

扰

，

把

大

范

围

划

小

，

把

误

差

控

制

在

一

定

范

围

内

，

使

每

个

处

理

在

条

件

相

对

一

致

的

重

复

内均匀分布：划分区组：同一地块里包括各小区（处理）同一类植株安排各小区（处理）山地：山上（区组1）安排处理A、B、C——重复1山中（区组2）安排处理A、B、C——重复2山下（区组3）安排处理A、B、C——重复3局部控制的区组排列方式在

较

小

的

地

段

或

条

件

范

围

内

，

引

起

误

差

的

因

素

的

较

易

控

制

，

容

易

保

持

试

验

条

件

的

相

对

一

致

性

。

在

非

试

验

因

子

呈

现

规

律

变

化

的

情况下，它是用来排除规律性非试验因子干扰的重要手段。作用：1、分离并降低系统误差两平均数的差异显著性检验：顺序设计

t=（真差+系差）/原随差随机化t=真差/（系差+随差）---

新随差=系差+原随差局部控制

t=真差/（小组内系差+随差）2、局部条件一致化：将不连续、不明确的系差归类第四节

试验设计的分类

一、顺序设计各处理在各重复内按一定顺序排列重复I重复II重复III处理A、B、C、D

处理B、C、D、A

处理C、D、A、B1．对比法：每隔2处理设一对照Ack

B

Cck

D

EckF特点：①重复只需2~4次，适于处理数较少时（10个以下）

②对照占1/3，土地试材利用率不高，但可提高精度（对照处理相邻）③简单，适于大面积试验2．间比法：每隔4个以上处理设一个对照，每一重复开始和结尾都是对照ckA、B、C、D

ckE、F、G、H

ckI、J、K、Lck适于处理较多，对试验精度要求不太高时重复2~4次

3．互比法：多次重复法，与间比相似，只是重复增多（3~6次）顺序设计的优点：简单、方便、易实施不易出错

缺点：①

不

能

进

行

估

计

，

无

法

进

行

差

异

显

著

性

测

验

，

一

般

化

做

百分数或名次的比较②相邻小区的相关很易导致系差二、随机设计将处理和重复随机安排①

可

进

行

统

计

分

析

（

正

态

分

布

---

符

合

统

计

学要求）②排列不规则，操作、记载不方便第五节

常用设计I——完全随机化设计定

义

：

把

各

处

理

随

机

安

排

到

各

个

试验单位上的一种试验设计方案。试

验

单

位

（

单

元

）

—

—

处

理

对

象

，处理承担者，作处理用的试验材料单位，小区。接受不同试验处理的试验载体。试验单位可以是一块地、一行玉米、一棵树（单株小区）、几棵树的组合、一头猪等。杨洪杨强洪(山强东(山农东业农大业学大园学艺园学艺院学)

院)一、设计安排1．确定试验单位数（N）：处理数（K）×重复

数（n）N=

n×K2．把试验材料（土地，果树）划分成N个供试单

位，并编上号3．把N个供试单位随机分成K个组4．在各组内，把处理随机安排在该组的供试单

位上。例：B9，CCC，PP333，CEPE的促花效应，要求重复4次

（1）试验单位数

N=5×4=20（2）把试材分为20份（单株小区，即20株树）每份（株）编上号N01，2，3，…………N

（3）将20份试材（株）随机分成5组20第Ⅰ组：N09，N019，N014，N05，第Ⅱ组……

第Ⅴ……

（4）给5个处理编号：①—B9；②—CCC；③—PP333；④—CEPE；⑤—CK给5个号一个随机化顺序：②，④，③，⑤，①（或抓阄）

把5个号按照随机化顺序安排到5个组中，②—第I组，④—第Ⅱ组，③第Ⅲ组，⑤第Ⅵ组，①第Ⅴ组例2、供试品种有Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ五个，重复四次，

这时ｋ＝５，ｎ＝４，ｎｋ＝５×４＝２０个试验小区（全

部供试单位）把试验地划分为２０个小区。其田间位置如图所示。按顺序给予１至２０的编号。然后

每次随机抽取4个小区安排一个品种，直至将5个品种全部安

排完即可。F

处理均方

/

误差均方

处理平方和

/

处理自由度

误差平方和

/

误差自由度自由度分解

变异来源自由度处理间变异

K-1

误差（处理内）变异

K（n-1）

总和

Kn-1特点：优----（1）设计简单，较易安排（2）估计试验误差的自由度增至最大，而对

检

验

显

著

性

要

求

的

临

界

Ｆ

之

减

到

最

小

，

因

而

提

高

了

试

验的灵敏度，检验更严格（误差均方下降，F提高）（3

）

重

复

次

数

富

有

弹

性

，

各

处

理

的

重

复

数

可以不等（缺落），统计分析简单。缺——（4）只有重复和随机，没有局部控制，在土壤肥

力或试材等试验条件差异较大的情况下，增加了试验误

差，而且无法剔除。（只适合在土壤肥力、试验材料等

均匀一致，供试小区在２０个左右的情况下使用）。（5）要求试材更一致，处理数要少（6）小区分布，没有规律，比较凌乱，不便于观察

记载。适合于实验室、盆栽、温室及食用菌方面的试验。第五节

常用设计II——随机完全区组用于规模大，试材难一致的试验。区组——小区的组合1．设计安排（1

）

把

试

材

（

试

验

地

）

按

相

近

的

程

度

分

成

若

干

组（非随机，局部控制）（2

）

把

处

理

随

机

安

排

到

各

组

，

使

每

组

至

少

包

括

各处理的一个重复例：PP333，CCC，B9，CEPA，CK分析：一批试材可分为三类：壮、中、弱；

编号：壮：N1，N3，N4，N9，N10，N12，N14中：N2，N15，N16，N3，N7，N8弱：N6，N11，N13，N17，N18将5个处理随机地安排到壮树中：N14—CCC

N1—PP333，N3—CEPA

N4—CCC

N9—B9

N10—CK

N12——B9再将5个处理随机安排到弱树中再将5个处理随机安排到中树中如受试验地段限制，一个试验的所有区组不能够排在一

块地上时，可将少数区组放在另一地段，但同区组内的所有

小区必须安排在一起，决不能分开。下图所示的是４个马铃

薯品种（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）比较试验的随机区组设计田间试

验排列。

随机区组设计（四次重复）特

点

：

比

较

全

面

地

运

用

了

田

间

试

验

设

计

的

三

项

基

本原则，是一种比较合理的田间试验设计，是随机排列

设计中一种最常用、最基本的试验设计方法。（1）将随机化限制在区组内（2）每个区组是试验的一次重复（3

）

在

一

个

区

组

内

，

全

部

或

部

分

处

理

可

重

复

一

至

多次，通常仅出现一次，效率最高。（4）灵活：伸缩性强，应用广泛，处理和重复数不

需限制对试验地的大小、形状要求不严格在山区地形不正、土壤差异大时更显出其优势（5）处理太多时，区组膨大，控制不了变差（6）不能检验处理和区组的交互作用只在一个方向随机，试验精度受到限制，理论不完

备注意：（1）分组时，区组内的供试单位（小区）尽可能一致，

以降低区组内变差。（2）区组内处理数（

小

区

数

）

应

尽

可

能

少

（

＜10

）

，

以免区组膨大，区组变差增大，局部控制效益下降。（3）区组形态不要求相同，但试验地有肥力梯度（坡

度）时，各区组应垂直于肥力梯度（坡度）。F区组

区组均方误差均方F处理

处地理匀方

误差均方自由度变异来源处理区组误差总和自由度K-1n-1(K-1)(n-1)

Kn-1一般关心的是处理效应，不关心区组效应但

当

区

组

差

异

不

显

著

（

F

区

组

）

，

试

验

与

完

全

随

机

化

设

计一样，失去了局部控制的意义，