實驗設(shè)計概述

實驗設(shè)計概述第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日WritingscientificpaperAllmeasurementswerereplicatedthreetimes;meanvalues&standarddeviationswerereportedforeachcase.Analysesofvariance(ANOVA)andTukey’stestwereperformedonSPSStoevaluatethesignificanceofdifferencesamongmeanvalues.第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日第一章試驗設(shè)計概述主要內(nèi)容：試驗設(shè)計方法的發(fā)展過程試驗設(shè)計的重要意義試驗設(shè)計的定義及類型試驗設(shè)計的要素與原則試驗設(shè)計與統(tǒng)計分析在食品科學(xué)研究中的作用常用的統(tǒng)計分析軟件第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日一、試驗設(shè)計方法的發(fā)展過程始于20世紀(jì)20年代，至今已有80多年的歷史。其發(fā)展分三個階段：第一階段：早期的方差分析法（20世紀(jì)20年代由英國生物統(tǒng)計學(xué)家、數(shù)學(xué)家費希爾（R.A.Fisher,1890-1962）提出）應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、生物學(xué)、遺傳學(xué)等方面，取得了巨大的成功，開創(chuàng)了一門新的應(yīng)用技術(shù)學(xué)科。第二階段：傳統(tǒng)的正交試驗設(shè)計法(1949年日本的田口玄一創(chuàng)造）第三階段：穩(wěn)?。╮obust）設(shè)計——針對產(chǎn)品的質(zhì)量管理，消除誤差因素來提高產(chǎn)品的性能。第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日試驗設(shè)計在中國的發(fā)展20世紀(jì)50年代開始研究，晚了30年，但有創(chuàng)新，編出了一套適用的正交表，簡化了試驗程序和試驗結(jié)果分析方法，創(chuàng)立里簡單易學(xué)、行之有效的正交試驗設(shè)計法；華羅庚：1964年以后的20多年間，在國內(nèi)積極倡導(dǎo)優(yōu)選法（黃金分割法），使試驗設(shè)計的概念得到普及；數(shù)學(xué)家王元和方開泰：1978年首先提出均勻設(shè)計（UniformDesign），考慮如何將設(shè)計點均勻地散布在試驗范圍內(nèi)，使得能用較少的試驗點獲得更多的信息。中國獨創(chuàng)，世界范圍內(nèi)應(yīng)用！第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日二、試驗設(shè)計的重要意義以例說明：例1、例2試驗設(shè)計方法是數(shù)理統(tǒng)計學(xué)的應(yīng)用方法之一；試驗安排得好且分析得當(dāng)，就能以較少的試驗次數(shù)、較短的試驗時間、較低的費用而得到較滿意的試驗結(jié)果，節(jié)省人力、物力、財力。二戰(zhàn)后，日本工業(yè)高速發(fā)展的奧秘之一——試驗設(shè)計。大學(xué)生掌握試驗設(shè)計方法具有必要性和緊迫性，是工程專業(yè)未來競爭的關(guān)鍵因素。第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日例1微生物培養(yǎng)條件的優(yōu)化

影響某一酵母菌生長產(chǎn)酒精的因素有：溫度、pH、溶解氧（搖床速度）、培養(yǎng)基配方等4個因素，以酒精的產(chǎn)率作為衡量指標(biāo)。假設(shè)：溫度有25、30、35℃等3個水平；pH有5、7、9等3個水平；搖床速度有120、160、200r/min3個水平；培養(yǎng)基有1號、2號、3號3個配方；那么請找出此菌生長的最優(yōu)條件，使發(fā)酵產(chǎn)品產(chǎn)率最高，并對試驗結(jié)果進行分析、驗證。試驗設(shè)計要素第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日例2試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析研究一種試劑是否能提高酵母發(fā)酵產(chǎn)酒精的能力，將試驗分為兩組，一組加入該試劑、另一組不加入該試劑，每組接種6瓶，測得48小時后酒精產(chǎn)率如表1-1所示。要求檢驗此試劑是否能提高酒精產(chǎn)率（%）。第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日表1-1試劑對酒精產(chǎn)率的影響加入試劑1010.5129.61411.4不加試劑9.8101212.411.58第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日試驗數(shù)據(jù)的處理在科學(xué)試驗中的作用1、通過誤差分析，可以評判試驗數(shù)據(jù)的可靠性；2、確定影響試驗結(jié)果的因素主次，從而可以抓住主要矛盾，提高試驗效率；3、可以確定試驗因素與試驗結(jié)果之間存在的近似函數(shù)關(guān)系，并能對試驗結(jié)果進行預(yù)測和優(yōu)化；4、試驗因素對試驗結(jié)果的影響規(guī)律，為控制試驗提供思路；5、確定最優(yōu)試驗方案或配方。第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日三、試驗設(shè)計的定義及類型定義1：試驗設(shè)計（designofexperiments,DOE)也稱實驗設(shè)計，就是對試驗進行科學(xué)合理的安排，以達到最好的試驗效果。一個好的試驗應(yīng)包括三個方面：1）試驗的設(shè)計。首先要明確試驗?zāi)康?，確定要考察的因素以及它們的變動范圍，然后根據(jù)試驗?zāi)康闹贫ǔ龊侠淼脑囼灧桨浮?）試驗的實施3）試驗結(jié)果的分析。對試驗所得數(shù)據(jù)進行分析，判定所考察的因素中哪些是主要的，從而確定出最好的試驗條件，即最優(yōu)方案。第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日試驗設(shè)計的類型1、演示試驗2、驗證試驗3、比較試驗(comparativeexperiments)4、優(yōu)化試驗(optimizitionexperiments)

單因素優(yōu)化試驗、多因素優(yōu)化試驗、正交試驗設(shè)計、均勻試驗設(shè)計和穩(wěn)健性優(yōu)化試驗。

5、探索性試驗第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日四、試驗設(shè)計的要素與原則1、試驗設(shè)計的有關(guān)基本概念定義2

試驗因素（factor)簡稱為因素或因子，是試驗的設(shè)計者希望考察的試驗條件。因素的取值稱為水平（level).定義3

按照因素的給定水平對試驗對象所作的操作稱為處理（treatment)，接受處理的試驗對象稱為試驗單元。定義4

衡量試驗結(jié)果好壞程度的指標(biāo)成為試驗指標(biāo)，也稱為響應(yīng)變量（responsevariable).第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日2、試驗設(shè)計的三要素1）試驗因素

——依靠專業(yè)知識或篩選試驗選取合適的因素和水平

——選擇數(shù)量因素，少選品質(zhì)因素

——注意安全性第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日2）試驗單元

——接受試驗處理的對象或單元，需要依照統(tǒng)計學(xué)原理，同時考慮到生理和倫理問題。3）試驗效應(yīng)（指標(biāo)的選取）

——選用定量指標(biāo)，不用定性指標(biāo)

——選用客觀性強的指標(biāo)，少用主觀指標(biāo)2、試驗設(shè)計的三要素第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日3、試驗設(shè)計的四個原則——隨機化原則、重復(fù)原則、對照原則、區(qū)組原則1）隨機化原則定義5隨機化是指每個處理以概率均等的原則，隨機地選擇試驗單元。違背隨機化原則，不論是有意或無意，都會影響試驗結(jié)果的正確性，給試驗結(jié)果帶來偏差。第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日2）重復(fù)原則

獨立重復(fù)試驗：相同的試驗條件下對不同的試驗單元做多次試驗。

重復(fù)測量：在相同的處理條件下對同一樣品做多次重復(fù)試驗，以消除操作方法產(chǎn)生的誤差。3、試驗設(shè)計的四個原則第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日3）對照原則空白對照安慰劑對照試驗條件對照標(biāo)準(zhǔn)對照歷史或中外對照對照組在試驗中是一種處理，在統(tǒng)計分析中作為試驗因素的一個水平。3、試驗設(shè)計的四個原則第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日4）區(qū)組原則定義6人為劃分的時間、空間、設(shè)備等試驗條件稱為區(qū)組。區(qū)組因素是影響試驗指標(biāo)的因素，但不是試驗者所要考察的因素，也稱為非處理因素。但是四個原則的核心，貫穿在其他三個原則之中，相輔相成、相互補充。3、試驗設(shè)計的四個原則第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日平衡設(shè)計平衡設(shè)計：試驗的各處理和各區(qū)組內(nèi)的試驗次數(shù)都相同時成為平衡設(shè)計。平衡設(shè)計是試驗設(shè)計的一個基本思想，有利于試驗設(shè)計的統(tǒng)計分析。第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日五、試驗設(shè)計與統(tǒng)計分析在食品科學(xué)研究中的作用為了推動食品科學(xué)的發(fā)展，常常要進行科學(xué)研究。進行科學(xué)研究離不開調(diào)查或試驗。進行調(diào)查或試驗必須解決兩個問題：

1）如何合理地進行調(diào)查或試驗設(shè)計；

2）如何科學(xué)地整理、分析所收集的具有變異的數(shù)據(jù)資料，揭示出隱藏在其內(nèi)部的規(guī)律性。第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日食品試驗設(shè)計與統(tǒng)計分析總體上講屬于生物統(tǒng)計學(xué)（Biometrics）范疇。合理地進行調(diào)查或試驗設(shè)計、科學(xué)地整理、分析所收集得來的資料是生物統(tǒng)計的根本任務(wù)。食品試驗設(shè)計與統(tǒng)計分析是數(shù)理統(tǒng)計原理和方法在食品科學(xué)研究中的具體應(yīng)用。它在食品科學(xué)研究中的作用主要體現(xiàn)在兩方面：第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日試驗設(shè)計有廣義與狹義之分

廣義的試驗設(shè)計是指試驗研究的課題設(shè)計，也就是指整個試驗計劃的擬定。主要包含課題名稱、試驗?zāi)康?、研究依?jù)、內(nèi)容以及預(yù)期達到的效果，試驗方案，經(jīng)濟效益或社會效益的估計，已具備的研究條件，參加研究人員的分工，試驗時間、地點、進度安排和經(jīng)費預(yù)算，成果鑒定，學(xué)術(shù)論文撰寫等等內(nèi)容。狹義的試驗設(shè)計主要是指試驗單位(試驗單元)的選取、重復(fù)數(shù)目的確定、試驗單位的分組和試驗處理的安排。通常講的試驗設(shè)計主要指狹義的試驗設(shè)計。合理的試驗設(shè)計能控制和降低試驗誤差，提高試驗的精確性，為統(tǒng)計分析獲得試驗處理效應(yīng)和試驗誤差的無偏估計提供必要的數(shù)據(jù)。食品試驗研究中常用的試驗設(shè)計方法有完全隨機設(shè)計、隨機區(qū)組設(shè)計、正交設(shè)計、均勻設(shè)計、回歸正交設(shè)計和混料設(shè)計等。1、提供試驗或調(diào)查設(shè)計的方法第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日調(diào)查設(shè)計也有廣義與狹義之分廣義的調(diào)查設(shè)計是指整個調(diào)查計劃的制定，包括調(diào)查研究的目的、對象與范圍，調(diào)查項目及調(diào)查表，抽樣方法的選取，抽樣單位、抽樣數(shù)量的確定，數(shù)據(jù)處理方法，調(diào)查組織工作，調(diào)查報告撰寫與要求，經(jīng)費預(yù)算等內(nèi)容狹義的調(diào)查設(shè)計主要包含抽樣方法的選取，抽樣單位、抽樣數(shù)目的確定等等。通常講的調(diào)查設(shè)計主要是指狹義的調(diào)查設(shè)計。合理的調(diào)查設(shè)計能控制與降低抽樣誤差，提高調(diào)查的精確性，為獲得總體參數(shù)的可靠估計提供必要的數(shù)據(jù)。試驗或調(diào)查設(shè)計主要解決合理地收集必要而有代表性資料的問題。第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日整理資料的基本方法是根據(jù)資料的特性將其整理成統(tǒng)計表、繪制成統(tǒng)計圖。通過統(tǒng)計表、圖可以大致看到所得資料集中、離散的情況，并利用所收集得來的數(shù)據(jù)計算樣本統(tǒng)計量，以表示該資料的數(shù)量特征、估計相應(yīng)的總體參數(shù)。2、提供整理、分析數(shù)據(jù)資料的方法第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日統(tǒng)計分析的主要內(nèi)容有兩方面1)統(tǒng)計分析最重要的內(nèi)容是差異顯著性檢驗，即統(tǒng)計假設(shè)檢驗。

通過抽樣調(diào)查或控制試驗，獲得的是具有變異的資料。那么產(chǎn)生變異的原因是什么？是由于處理間（例如不同原料、不同工藝、不同配比間）的實質(zhì)性差異所引起的，還是由于無法控制的偶然因素所引起的？

顯著性檢驗的目的就在于承認(rèn)并盡量排除這些無法控制的偶然因素的干擾，將處理間是否存在本質(zhì)差異揭示出來。2、提供整理、分析數(shù)據(jù)資料的方法第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日顯著性檢驗的方法很多，常用的有：

t檢驗——主要用于檢驗兩個處理平均數(shù)差異是否顯著；

方差分析——主要用于檢驗多個處理平均數(shù)間差異是否顯著（F檢驗）；

第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日統(tǒng)計分析的主要內(nèi)容有兩方面2)對變量（試驗指標(biāo)或性狀）間的關(guān)系進行研究研究它們之間的聯(lián)系性質(zhì)和程度，或者尋求它們之間的聯(lián)系形式，即進行相關(guān)分析與回歸分析。通過對資料進行相關(guān)、回歸分析，可以揭示出試驗指標(biāo)或性狀間的內(nèi)在聯(lián)系，為食品新產(chǎn)品的研制開發(fā)、產(chǎn)品質(zhì)量的預(yù)測和控制提供理論依據(jù)。2、提供整理、分析數(shù)據(jù)資料的方法第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日Statisticsisabranchofmathematics.Learnstatisticsonestepatatime.Statisticsprovidesapowerfuldataanalytictool.Sampling:Asampleisdrawnfromamuchlargerbodyofmeasurements,calledthepopulation. Example:10sailorsaredrawnfrom323aboardaship第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日六常用的統(tǒng)計分析軟件

1、SAS統(tǒng)計軟件SAS是當(dāng)今國際上最著名的數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代末期,由美國北卡羅納州州立大學(xué)的A.J.Barr和J.H.Goodnight兩位教授開始開發(fā),1975年創(chuàng)建了美國SAS研究所。之后,推出的SAS系發(fā)展與完善,已成為大型集成應(yīng)用軟件系統(tǒng)。目前已廣泛應(yīng)用于自然科學(xué)和其他領(lǐng)域,SASforWindows是其最新版本。將這個優(yōu)秀軟件應(yīng)用于實際工作中,不但能夠大大減少數(shù)據(jù)分析人員的工作量,而且提高了數(shù)據(jù)處理、結(jié)果存貯和應(yīng)用的準(zhǔn)確性、實用性、可信性。第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日SPSS（StatisticalPackageforSocialScience)，即“社會科學(xué)統(tǒng)計軟件包”，是專門針對社會科學(xué)的統(tǒng)計軟件之一。但是隨著SPSS產(chǎn)品服務(wù)領(lǐng)域的擴大和服務(wù)深度的增加，SPSS公司已于2000年正式將英文全稱更改為StatisticalProductandServiceSolutions，意為“統(tǒng)計產(chǎn)品與服務(wù)解決方案”。由于SPSS具有強大的數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計功能，而被廣泛地應(yīng)用于自然科學(xué)和社會科學(xué)中，其中涉及的領(lǐng)域包括工程技術(shù)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、社會學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、商業(yè)、金融、生物學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生、體育、心理學(xué)等學(xué)科，深受廣大用戶的青睞。2、SPSS統(tǒng)計軟件第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日SPSS是世界上最早的統(tǒng)計分析軟件，由美國斯坦福大學(xué)的三位研究生于20世紀(jì)60年代末研制，同時成立了SPSS公司，并于1975年在芝加哥組建了SPSS總部。1984年SPSS總部首先推出了世界上第一個統(tǒng)計分析軟件微機版本SPSS/PC+，開創(chuàng)了SPSS微機系列產(chǎn)品的開發(fā)方向，極大地擴充了它的應(yīng)用范圍，并使其能很快地應(yīng)用于自然科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、社會科學(xué)的各個領(lǐng)域，世界上許多有影響的報刊雜志紛紛就SPSS的自動統(tǒng)計繪圖、數(shù)據(jù)的深入分析、使用方便、功能齊全等方面給予了高度的評價與稱贊。迄今SPSS軟件已有30余年的成長歷史。全球約有25萬家產(chǎn)品用戶，它們分布于通訊、醫(yī)療、銀行、證券、保險、制造、商業(yè)、市場研究、科研教育等多個領(lǐng)域和行業(yè)，是世界上應(yīng)用最廣泛的專業(yè)統(tǒng)計軟件。在國際學(xué)術(shù)界有條不成文的規(guī)定，即在國際學(xué)術(shù)交流中，凡是用SPSS軟件完成的計算和統(tǒng)計分析，可以不必說明算法，由此可見其影響之大和信譽之高。第三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日SPSS最突出的特點就是操作界面極為友好，輸出結(jié)果美觀漂亮（從國外的角度看），它使用Windows的窗口方式展示各種管理和分析數(shù)據(jù)方法的功能，使用對話框展示出各種功能選擇項，只要掌握一定的Windows操作技能，粗通統(tǒng)計分析原理，就可以使用該軟件為特定的科研工作服務(wù)。是非專業(yè)統(tǒng)計人員的首選統(tǒng)計軟件。在眾多用戶對國際常用統(tǒng)計軟件SAS、BMDP、GLIM、GENSTAT、EPILOG、MiniTab的總體印象分的統(tǒng)計中，