实验设计与数据处理

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,实验设计与数据处理,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、主要内容,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,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 ）,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/h,）（,8,、,10,、,12,）,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。,5,实验方案设计的步骤,明确实验目的，确定实验指标。,挑选因素，选取水平。,选定实验设计方法。,实验点安排。,6,强烈推荐掌握的,几类实验方案设计,1)factorial design(FD),2)central composite rotatable design(CCRD),3)Doehlert matrix(DM),4)Response surface methodology(RSM),