《實驗設(shè)計基本方法》課件

第七講實驗設(shè)計根本方法

?試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理?研究生課程教學(xué)緒言本將進一步明確課程的性質(zhì):試驗設(shè)計方法是一項通用技術(shù)，是當代科技和工程技術(shù)人員必須掌握的技術(shù)方法。課程的任務(wù):讓學(xué)生熟悉并掌握近代最常用、最有效的幾種優(yōu)化試驗設(shè)計方法的根本原理及其應(yīng)用。緒言什么叫做〔優(yōu)化〕試驗設(shè)計方法？把數(shù)學(xué)上優(yōu)化理論、技術(shù)應(yīng)用于試驗設(shè)計中，科學(xué)的安排試驗、處理試驗結(jié)果的方法。采用科學(xué)的方法去安排試驗，處理試驗結(jié)果，以最少的人力和物力消費，在最短的時間內(nèi)獲得更多、更好的消費和科研成果的最有效的技術(shù)方法。緒言優(yōu)化試驗設(shè)計方法起源■上世紀30年代,由于農(nóng)業(yè)試驗的需要,費歇〔R.A.Fisher〕在試驗設(shè)計和統(tǒng)計分析方面做出了一系列先驅(qū)工作,從此試驗設(shè)計成為統(tǒng)計科學(xué)的一個分支。■上世紀40年代,在二次世界大戰(zhàn)期間,美國軍方大量應(yīng)用試驗設(shè)計方法。

■隨后,F.Yates,R.C.Bose,O.Kempthome,W.G.Cochran,D.R.Cox和G.E.P.Box對試驗設(shè)計都作出了出色的奉獻,使該分支在理論上日趨完善,在應(yīng)用上日趨廣泛。■50年代,日本統(tǒng)計學(xué)家田口玄一將試驗設(shè)計中應(yīng)用最廣的正交設(shè)計表格化,在方法講解方面深化淺出為試驗設(shè)計的更廣泛使用作出了眾所周知的奉獻。緒言我國優(yōu)化試驗設(shè)計方法■60末期代,華羅庚教授在我國倡導(dǎo)與普及的“優(yōu)選法〞,如黃金分割法、分數(shù)法和斐波那契數(shù)列法等?！鰯?shù)理統(tǒng)計學(xué)者在工業(yè)部門中普及“正交設(shè)計〞法?！?0年代中期,優(yōu)選法在全國各行各業(yè)獲得明顯成效。

■1978年,七機部由于導(dǎo)彈設(shè)計的要求,提出了一個五因素的試驗,希望每個因素的程度數(shù)要多于10,而試驗總數(shù)又不超過50,顯然優(yōu)選法和正交設(shè)計都不能用,隨后,方開泰教授〔中國科學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所〕和王元院士提出“均勻設(shè)計〞法,這一方法在導(dǎo)彈設(shè)計中獲得了成效。緒言優(yōu)化試驗設(shè)計在科學(xué)研究中的地位與意義:1.試驗設(shè)計方法是一項通用技術(shù)，是當代科技和工程技術(shù)人員必須掌握的技術(shù)方法。 2.科學(xué)地安排實驗，以最少的人力和物力消費，在最短的時間內(nèi)獲得更多、更好的消費和科研成果。簡稱為:多、快、好、省。可應(yīng)用于:進步試驗效率、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、改進工藝技術(shù)、強化質(zhì)量管理。緒言試驗設(shè)計在工業(yè)消費和工程設(shè)計及科學(xué)研究中能發(fā)揮重要的作用，例如: ■進步產(chǎn)量 ■減少質(zhì)量的波動，進步產(chǎn)品質(zhì)量水準 ■大大縮短新產(chǎn)品試驗周期 ■降低本錢 ■延長產(chǎn)品壽命除用于在科學(xué)研究的實驗工程中，還用在化工、電子、材料、建工、建材、石油、冶金、機械、交通、電力……一、實驗設(shè)計的3個要素實驗因素、實驗單位、實驗效應(yīng)是實驗設(shè)計的3個要素。它們在實驗中是不可缺少的,在實驗設(shè)計時必須認真予以考慮。

所有影響實驗結(jié)果的條件都稱為影響因素,并有客觀與主觀,主要與次要因素之分。研究者希望通過研究設(shè)計進展有方案的安排,從而可以科學(xué)地考察其作用大小的因素稱為實驗因素〔如藥物的種類、劑量、濃度、作用時間等〕；對評價實驗因素作用大小有一定干擾性且研究者并不想考察的因素稱為區(qū)組因素或稱重要的非實驗因素〔如動物的窩別、體重等〕；其他未加控制的許多因素的綜合作用統(tǒng)稱為實驗誤差。最好通過一些預(yù)實驗,初步挑選實驗因素并確定取哪些程度較適宜,以免實驗設(shè)計過于復(fù)雜,實驗難以完成。實驗因素所作用的對象稱為實驗單位。如用小鼠做實驗,小鼠就是本次實驗的實驗單位,或稱為受試對象；假設(shè)用小鼠肝細胞做實驗,其表現(xiàn)形式叫樣品〔有時一個樣品由假設(shè)干只鼠的肝細胞混合而成〕。一個樣品就是一個實驗單位。不同性質(zhì)的實驗研究需要選取不同種類的實驗單位,一個完好的實驗設(shè)計中所需實驗單位的總數(shù)稱為樣本含量。最好根據(jù)特定的設(shè)計類型估計出較適宜的樣本含量。樣本過大或過小都有弊端。

實驗因素取不同程度時在實驗單位上所產(chǎn)生的反響稱為實驗效應(yīng)。一般是通過某些觀測指標數(shù)值的大小來表達。指標應(yīng)具有特異性強、靈敏度高、準確可靠等特點。研究者應(yīng)當對欲研究的問題有較為全面的理解,在實驗設(shè)計中千萬不要遺漏了某些重要的實驗因素和觀測指標,以免實驗研究的結(jié)果對事先提出的問題給出錯誤的答復(fù)。二、實驗設(shè)計的根本內(nèi)容〔一〕擬定互相比較的處理所謂處理,指的是在實驗研究中欲施加給受試對象的某些因素。如營養(yǎng)實驗的各種飼料,治療某病的幾種療法或藥物,藥理研究中某藥的各種劑量等。在實驗的全過程中,處理因素要始終如一保持不變,按一個標準進展實驗。假如實驗的處理因素是藥物,那么藥物的成份、含量、出廠批號等必須保持不變。假如實驗的處理因素是實驗操作措施,那么就不能開場時不純熟,而應(yīng)該在實驗之前使純熟程度穩(wěn)定一致。

〔二〕確定實驗對象及數(shù)量這里指的是實驗所用的動物或活體組織標本等。在實驗設(shè)計中,要根據(jù)實驗觀察的目的與內(nèi)容,明確規(guī)定采用什么樣的實驗對象,實驗對象中的每個實驗單位必須具備的條件與要求,以保證受試對象的一致性。實驗對象需要有一定的數(shù)量,例數(shù)不能太少,也不宜過多。如何估計例數(shù),詳見后面章節(jié)內(nèi)容。

〔三〕確定將各實驗單位分配到各種處理中去的原那么這主要是隨機分配或隨機化問題。將在后面著重介紹常用的隨機分組方法。

〔四〕擬定觀察工程和登記表要根據(jù)研究目的和任務(wù),選擇對說明實驗結(jié)論最有意義,并具有一定特異性、靈敏性、客觀性的觀察工程。必要的工程不可遺漏,數(shù)據(jù)資料應(yīng)當完好無缺；而無關(guān)緊要的工程就不必設(shè)立,以免消耗人力物力,拖延整個實驗的時間,要按照觀察工程之間的邏輯關(guān)系與順序,編制成便于填寫和統(tǒng)計的登記表,以便隨時記錄實驗過程中獲得的數(shù)據(jù)資料。同一工程的度量衡單位必須統(tǒng)一符號〔如+、++、+++等〕,應(yīng)有明確的定義。

〔五〕擬定對資料整理分析的預(yù)案這就是對將獲得的數(shù)據(jù)資料準備如何進展整理？要計算哪些統(tǒng)計指標？用什么統(tǒng)計分析方法？事先必須有個初步的設(shè)想。例如對計數(shù)資料，是計算率還是百分比？假設(shè)計算率，分子是什么？分母是什么？各組同一工程的某個率或百分比方何進展比較？又如對計量資料，是計算算術(shù)均數(shù)、幾何均數(shù)還是中位數(shù)？同一工程各均數(shù)間應(yīng)采用什么方法作比較？切忌實驗設(shè)計時不認真考慮，實驗過后拿數(shù)字去找統(tǒng)計方法。三、數(shù)據(jù)分析應(yīng)注意的幾個問題1.要注意每種統(tǒng)計分析方法的適用范圍。許多分析方法對數(shù)據(jù)的要求很高,假如樣本的分布不符合要求,樣本量數(shù)量缺乏,或者存在大量的偽樣本,都會造成最后結(jié)果的偏向甚至是完全錯誤。比方,我們經(jīng)常要使用的因子分析、聚類分析,假如樣本量缺乏,雖然也可以通過SPSS獲得分析結(jié)果,但實際上這樣的分析結(jié)果沒有意義;

三、數(shù)據(jù)分析應(yīng)注意的幾個問題2.在選擇一種分析方法的同時,要按照方法的要求整理數(shù)據(jù)庫。錯誤的數(shù)據(jù)庫格式對于研究有時是災(zāi)難性的。我們在使用任何研究模型之前,都要考慮數(shù)據(jù)的適用性。同樣,數(shù)據(jù)的合理轉(zhuǎn)換也很重要。比方,我們經(jīng)常會提問被訪者的出生年份而不是周歲年齡,這樣將會較少答復(fù)的偏向。我們把搜集到的數(shù)據(jù)進展簡單的轉(zhuǎn)換,得到被訪者的年齡。出于計算的需要,我們還經(jīng)常把幾個變量合并〔或整理〕成一個或者另外幾個變量;

三、數(shù)據(jù)分析應(yīng)注意的幾個問題3.假如必要,可以使用不同的研究方法對同一問題進展解釋,來互相驗證結(jié)論的真?zhèn)巍＜偃绯霈F(xiàn)互相矛盾,一定要找到矛盾的原因,去偽存真。任何的分析模型和方法都有其使用的局限性,在一定場合會失效。片面的相信任何高級分析方法,哪怕是世界上最先進的分析模型,研究失誤都是必然