實驗設(shè)計的要求

　　試驗設(shè)計，也稱為實驗設(shè)計。數(shù)理統(tǒng)計的一個分支。關(guān)于如何按照預定目標制訂適當?shù)膶嶒灧桨�，以利于對實驗結(jié)果進行有效的統(tǒng)計分析的數(shù)學原理和實施方法。下面是小編帶來的實驗設(shè)計的要求，希望對你有幫助。

　　一、實驗設(shè)計的意義

　　實驗設(shè)計是科學研究計劃內(nèi)關(guān)于研究方法與步驟的一項內(nèi)容。在醫(yī)學科研工作中，無論實驗室研究、臨床療效觀察或現(xiàn)場調(diào)查，在制訂研究計劃時，都應根據(jù)實驗的目的和條例，結(jié)合統(tǒng)計學的要求，針對實驗的全過程，認真考慮實驗設(shè)計問題。一個周密而完善的實驗設(shè)計，能合理地安排各種實驗因素，嚴格地控制實驗誤差，從而用較少的人力、物力和時間，最大限度地獲得豐富而可靠的資料。反之，如果實驗設(shè)計存在著缺點，就可能造成不應有的浪費，且足以減損研究結(jié)果的價值�？傊�，實驗設(shè)計是實驗過程的依據(jù)，是實驗數(shù)據(jù)處理的前提，也是提高科研成果質(zhì)量的一個重要保證。

　　二、實驗設(shè)計的原則

　　實驗設(shè)計有屬于專業(yè)方面的，有屬于統(tǒng)計方面的。從統(tǒng)計方面說，主要應當考慮對照、重復、隨機化等問題，這就是所謂實驗設(shè)計的三原則。其具體內(nèi)容我們將在第二、三、四節(jié)介紹。

　　三、實驗設(shè)計的基本內(nèi)容

　　（一）擬定相互比較的處理

　　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，按一個標準進行實驗。如果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。如果實驗的處理因素是手術(shù)，那么就不能開始時不熟練，而應該在實驗之前使熟練程度穩(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)，詳見第四節(jié)。

　　（三）確定將各實驗單位分配到各種處理中去的原則

　　這主要是隨機分配或隨機化問題。第三節(jié)將介紹幾種常用的隨機分組方法。

　　（四）擬定觀察項目和登記表

　　要根據(jù)研究目的和任務，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、客觀性的觀察項目。必要的項目不可遺漏，數(shù)據(jù)資料應當完整無缺；而無關(guān)緊要的項目就不必設(shè)立，以免耗費人力物力，拖延整個實驗的時間，爾后，要按照觀察項目之間的邏輯關(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。同一項目的度量衡單位必須統(tǒng)一符號（如+、++、+++等），應有明確的定義。

　　（五）擬定對資料整理分析的預案

　　這就是對將獲得的數(shù)據(jù)資料準備如何進行整理？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？若計算率，分子是什么？分母是什么？各組同一項目的某個率或百分比如何進行比較？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)？同一項目各均數(shù)間應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。

　　拓展閱讀

　　內(nèi)容

　　產(chǎn)品質(zhì)量的高低主要是由設(shè)計決定的，一個好的試驗設(shè)計包含幾個方面的內(nèi)容。

　　第一是明確衡量產(chǎn)品質(zhì)量的指標，6σ管理強調(diào)用數(shù)據(jù)說話，所以這個質(zhì)量指標必須是能夠量化的指標，在試驗設(shè)計中稱為試驗指標，也稱為響應變量(response variable）或輸出變量。

　　第二是尋找影響試驗指標的可能因素（factor)，也稱為影響因子和輸入變量。因素變化的各種狀態(tài)稱為水平，要求根據(jù)專業(yè)知識初步確定因素水平的范圍。

　　第三是根據(jù)實際問題，選擇適用的試驗設(shè)計方法。試驗設(shè)計的方法有很多，每種方法都有不同的適用條件，選擇了適用的方法就可以事半而功倍，選擇的方法不正確或者根本沒有進行有效的試驗設(shè)計就會事倍而功半。

　　第四是科學地分析試驗結(jié)果，包括對數(shù)據(jù)的直觀分析、方差分析、回歸分析等多種統(tǒng)計分析方法，這些工作可以借助Minititab軟件完成。

　　作用

　　試驗設(shè)計在工業(yè)生產(chǎn)和工程設(shè)計中能發(fā)揮重要的作用，主要有：

　　1.提高產(chǎn)量；

　　2.減少質(zhì)量的波動，提高產(chǎn)品質(zhì)量水準；

　　3.大大縮短新產(chǎn)品試驗周期；

　　4.降低成本；

　　5.試驗設(shè)計延長產(chǎn)品壽命。

　　在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學研究中，經(jīng)常需要做試驗，以求達到預期的目的。例如在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中希望通過試驗達到高質(zhì)、優(yōu)產(chǎn)、低消耗，特別是新產(chǎn)品試驗，未知的東西很多，要通過試驗來摸索工藝條件或配方。如何做試驗，其中大有學問。試驗設(shè)計得好，會事半功倍，反之會事倍功半，甚至勞而無功。

　　如果要最有效地進行科學試驗，必須用科學方法來設(shè)計。所謂試驗的統(tǒng)計設(shè)計，就是設(shè)計試驗的過程，使得收集的數(shù)據(jù)適合于用統(tǒng)計方法分析，得出有效的和客觀的結(jié)論。如果想從數(shù)據(jù)作出有意義的結(jié)論，用統(tǒng)計方法作試驗設(shè)計是必要的。當問題涉及到受試驗誤差影響的數(shù)據(jù)時，只有統(tǒng)計方法才是客觀的分析方法。這樣一來，任一試驗問題就存在兩個方面：試驗的設(shè)計和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。這兩個課題是緊密相連的，因為分析方法直接依賴于所用的設(shè)計。

　　基本原理

　　試驗設(shè)計的三個基本原理是重復，隨機化以及區(qū)組化。

　　所謂重復，意思是基本試驗的重復進行。重復有兩條重要的性質(zhì)。第一，允許試驗者得到試驗誤差的一個估計量。這個誤差的估計量成為確定數(shù)據(jù)的觀察差是否是統(tǒng)計上的試驗差的基本度量單位。第二，如果樣本均值用作為試驗中一個因素的效應的估計量，則重復允許試驗者求得這一效應的更為精確的估計量。如s2是數(shù)據(jù)的方差，而有n次重復，則樣本均值的方差是s2/n。這一點的實際含義是，如果n=1，如果2個處理的y1=145，和y2=147，這時我們可能不能作出2個處理之間有沒有差異的推斷，也就是說，觀察差147-145=2可能是試驗誤差的結(jié)果。但如果n合理的大，試驗誤差足夠小，則當我們觀察得y1隨機化是試驗設(shè)計使用統(tǒng)計方法的基石。

　　所謂隨機化，是指試驗材料的分配和試驗的各個試驗進行的次序，都是隨機地確定的。統(tǒng)計方法要求觀察值（或誤差）是獨立分布的隨機變量。隨機化通常能使這一假定有效。把試驗進行適當?shù)碾S機化亦有助于“均勻”可能出現(xiàn)的外來因素的效應。

　　區(qū)組化是用來提高試驗的精確度的一種方法。一個區(qū)組就是試驗材料的一個部分，相比于試驗材料全體它們本身的性質(zhì)應該更為類似。區(qū)組化牽涉到在每個區(qū)組內(nèi)部對感興趣的試驗條件進行比較。[2]

　　方法

　　常見的試驗設(shè)計方法，可分為二類，一類是正交試驗設(shè)計法，另一類是析因法。

　　第一類

　　正交試驗設(shè)計法

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　　正交試驗設(shè)計法是研究與處理多因素試驗的一種科學方法。它利用一種規(guī)格化的表格——正交表，挑選試驗條件，安排試驗計劃和進行試驗，并通過較少次數(shù)的試驗，找出較好的生產(chǎn)條件，即最優(yōu)或較優(yōu)的試驗方案。

　　②用途

　　正交試驗設(shè)計主要用于調(diào)查復雜系統(tǒng)（產(chǎn)品、過程）的某些特性或多個因素對系統(tǒng)（產(chǎn)品、過程）某些特性的影響，識別系統(tǒng)中更有影響的因素、其影響的大小，以及因素間可能存在的相互關(guān)系，以促進產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)和過程的優(yōu)化、控制或改進現(xiàn)有的產(chǎn)品（或系統(tǒng)）。

　�、郾砀裥问�

　　第二類

　　析因法

　　①定義析

　　因法又稱析因試驗設(shè)計、析因試驗等。它是研究變動著的兩個或多個因素效應的有效方法。許多試驗要求考察兩個或多個變動因素的效應。例如，若干因素：對產(chǎn)品質(zhì)量的效應；對某種機器的效應；對某種材料的性能的效應；對某一過程燃燒消耗的效應等等。將所研究的因素按全部因素的所有水平（位級）的一切組合逐次進行試驗，稱為析因試驗，或稱完全析因試驗，簡稱析因法。

　�、谟猛�

　　用于新產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品或過程的改進、以及安裝服務，通過較少次數(shù)的試驗，找到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的因素組合，達到改進的目的。

　　③表格形式

　　成功要素

　　1、沒有一種“放之四海而皆準”的問題解決方案，試驗設(shè)計同樣不能提供解決所有問題的途徑，要全面考慮解決問題的方式，選取最有效、最經(jīng)濟的解決途徑。

　　2、即使決定采用試驗設(shè)計，也不能生搬硬套地使用“試驗設(shè)計五步曲”。跟據(jù)實際情況和要求，有時可以省去其中的某幾步，有時還會在同一個項目中重復循環(huán)地跳幾輪“五步曲”。

　　3、除了試驗設(shè)計涉及的因素外，要盡量確保所有的環(huán)境因素是穩(wěn)定和符合現(xiàn)實的。如果條件所限，如果做不到這一點，不妨可以用隨機化、區(qū)組化、仿行等方法來盡量避免。

　　4、保證試驗的仿真性，避免一些理想的試驗環(huán)境，比如試驗室。

　　5、不要一味地排斥試驗設(shè)計執(zhí)行之前的歷史數(shù)據(jù)。相反，適當?shù)乩�用企業(yè)信息化的成果，從ERP、MES中的海量數(shù)據(jù)中進行“數(shù)據(jù)挖掘”，很可能會減少試驗投資，細化因素水平的選取。這也是當前試驗設(shè)計應用領(lǐng)域中的新趨勢之一。

　　6、為了保險起見，在得到最終的最佳參數(shù)水平組合后，還要進行一些驗證試驗來檢驗結(jié)果，實在沒有條件實施驗證試驗的，也要通過模型的“模擬仿真”來完成這個工作。

　　7、工欲善其事，必先利其器。為了提高試驗設(shè)計的效率和解決問題的成功率，選擇合適的專業(yè)工具必不可少。源于全球最大統(tǒng)計分析軟件公司的JMP軟件是試驗設(shè)計業(yè)界的不二選擇，它不但能很好地實現(xiàn)篩選試驗、析因試驗、優(yōu)化試驗等傳統(tǒng)手法，而且將數(shù)據(jù)挖掘、模擬仿真等相關(guān)方法也有機地融合在試驗設(shè)計中，為我們提供了完整的試驗設(shè)計解決方案，本文中的所有圖形就完全是以JMP軟件為載體實現(xiàn)的，JMP也是目前試驗設(shè)計方法實踐者最推崇的專業(yè)軟件之一。

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