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實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求
試驗(yàn)設(shè)計(jì)，也稱為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。數(shù)理統(tǒng)計(jì)的一個(gè)分支。關(guān)于如何按照預(yù)定目標(biāo)制訂適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)方案，以利于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有效的統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)學(xué)原理和實(shí)施方法。下面是小編帶來的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求，希望對(duì)你有幫助。
一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的意義
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是科學(xué)研究計(jì)劃內(nèi)關(guān)于研究方法與步驟的一項(xiàng)內(nèi)容。在醫(yī)學(xué)科研工作中，無論實(shí)驗(yàn)室研究、臨床療效觀察或現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，在制訂研究計(jì)劃時(shí)，都應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的和條例，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)的要求，針對(duì)實(shí)驗(yàn)的全過程，認(rèn)真考慮實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)問題。一個(gè)周密而完善的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，能合理地安排各種實(shí)驗(yàn)因素，嚴(yán)格地控制實(shí)驗(yàn)誤差，從而用較少的人力、物力和時(shí)間，最大限度地獲得豐富而可靠的資料。反之，如果實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在著缺點(diǎn)，就可能造成不應(yīng)有的浪費(fèi)，且足以減損研究結(jié)果的價(jià)值。總之，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)過程的依據(jù)，是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的前提，也是提高科研成果質(zhì)量的一個(gè)重要保證。
二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有屬于專業(yè)方面的，有屬于統(tǒng)計(jì)方面的。從統(tǒng)計(jì)方面說，主要應(yīng)當(dāng)考慮對(duì)照、重復(fù)、隨機(jī)化等問題，這就是所謂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的三原則。其具體內(nèi)容我們將在第二、三、四節(jié)介紹。
三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)研究中欲施加給受試對(duì)象的某些因素。如營養(yǎng)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的全過程中，處理因素要始終如一保持不變，按一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如果實(shí)驗(yàn)的處理因素是藥物，那么藥物的成份、含量、出廠批號(hào)等必須保持不變。如果實(shí)驗(yàn)的處理因素是手術(shù)，那么就不能開始時(shí)不熟練，而應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)之前使熟練程度穩(wěn)定一致。
（二）確定實(shí)驗(yàn)對(duì)象及數(shù)量
這里指的是實(shí)驗(yàn)所用的動(dòng)物或活體組織標(biāo)本等。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察的目的與內(nèi)容，明確規(guī)定采用什么樣的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)對(duì)象中的每個(gè)實(shí)驗(yàn)單位必須具備的條件與要求，以保證受試對(duì)象的一致性。實(shí)驗(yàn)對(duì)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(jì)例數(shù)，詳見第四節(jié)。
（三）確定將各實(shí)驗(yàn)單位分配到各種處理中去的原則
這主要是隨機(jī)分配或隨機(jī)化問題。第三節(jié)將介紹幾種常用的隨機(jī)分組方法。
（四）擬定觀察項(xiàng)目和登記表
要根據(jù)研究目的和任務(wù)，選擇對(duì)說明實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目。必要的項(xiàng)目不可遺漏，數(shù)據(jù)資料應(yīng)當(dāng)完整無缺；而無關(guān)緊要的項(xiàng)目就不必設(shè)立，以免耗費(fèi)人力物力，拖延整個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，爾后，要按照觀察項(xiàng)目之間的邏輯關(guān)系與順序，編制成便于填寫和統(tǒng)計(jì)的登記表，以便隨時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)過程中獲得的數(shù)據(jù)資料。同一項(xiàng)目的度量衡單位必須統(tǒng)一符號(hào)（如+、++、+++等），應(yīng)有明確的定義。
（五）擬定對(duì)資料整理分析的預(yù)案
這就是對(duì)將獲得的數(shù)據(jù)資料準(zhǔn)備如何進(jìn)行整理？要計(jì)算哪些統(tǒng)計(jì)指標(biāo)？用什么統(tǒng)計(jì)分析方法？事先必須有個(gè)初步的設(shè)想。例如對(duì)計(jì)數(shù)資料，是計(jì)算率還是百分比？若計(jì)算率，分子是什么？分母是什么？各組同一項(xiàng)目的某個(gè)率或百分比如何進(jìn)行比較？又如對(duì)計(jì)量資料，是計(jì)算算術(shù)均數(shù)、幾何均數(shù)還是中位數(shù)？同一項(xiàng)目各均數(shù)間應(yīng)采用什么方法作比較？切忌實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)不認(rèn)真考慮，實(shí)驗(yàn)過后拿數(shù)字去找統(tǒng)計(jì)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(jì)決定的，一個(gè)好的試驗(yàn)設(shè)計(jì)包含幾個(gè)方面的內(nèi)容。
第一是明確衡量產(chǎn)品質(zhì)量的指標(biāo)，6σ管理強(qiáng)調(diào)用數(shù)據(jù)說話，所以這個(gè)質(zhì)量指標(biāo)必須是能夠量化的指標(biāo)，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中稱為試驗(yàn)指標(biāo)，也稱為響應(yīng)變量(response variable）或輸出變量。
第二是尋找影響試驗(yàn)指標(biāo)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(shí)初步確定因素水平的范圍。
第三是根據(jù)實(shí)際問題，選擇適用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jìn)行有效的試驗(yàn)設(shè)計(jì)就會(huì)事倍而功半。
第四是科學(xué)地分析試驗(yàn)結(jié)果，包括對(duì)數(shù)據(jù)的直觀分析、方差分析、回歸分析等多種統(tǒng)計(jì)分析方法，這些工作可以借助Minititab軟件完成。
作用
試驗(yàn)設(shè)計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)和工程設(shè)計(jì)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(dòng)，提高產(chǎn)品質(zhì)量水準(zhǔn)；
3.大大縮短新產(chǎn)品試驗(yàn)周期；
4.降低成本；
5.試驗(yàn)設(shè)計(jì)延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中，經(jīng)常需要做試驗(yàn)，以求達(dá)到預(yù)期的目的。例如在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中希望通過試驗(yàn)達(dá)到高質(zhì)、優(yōu)產(chǎn)、低消耗，特別是新產(chǎn)品試驗(yàn)，未知的東西很多，要通過試驗(yàn)來摸索工藝條件或配方。如何做試驗(yàn)，其中大有學(xué)問。試驗(yàn)設(shè)計(jì)得好，會(huì)事半功倍，反之會(huì)事倍功半，甚至勞而無功。
如果要最有效地進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)，必須用科學(xué)方法來設(shè)計(jì)。所謂試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)，就是設(shè)計(jì)試驗(yàn)的過程，使得收集的數(shù)據(jù)適合于用統(tǒng)計(jì)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(jì)方法作試驗(yàn)設(shè)計(jì)是必要的。當(dāng)問題涉及到受試驗(yàn)誤差影響的數(shù)據(jù)時(shí)，只有統(tǒng)計(jì)方法才是客觀的分析方法。這樣一來，任一試驗(yàn)問題就存在兩個(gè)方面：試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。這兩個(gè)課題是緊密相連的，因?yàn)榉治龇椒ㄖ苯右蕾囉谒玫脑O(shè)計(jì)。
基本原理
試驗(yàn)設(shè)計(jì)的三個(gè)基本原理是重復(fù)，隨機(jī)化以及區(qū)組化。
所謂重復(fù)，意思是基本試驗(yàn)的重復(fù)進(jìn)行。重復(fù)有兩條重要的性質(zhì)。第一，允許試驗(yàn)者得到試驗(yàn)誤差的一個(gè)估計(jì)量。這個(gè)誤差的估計(jì)量成為確定數(shù)據(jù)的觀察差是否是統(tǒng)計(jì)上的試驗(yàn)差的基本度量單位。第二，如果樣本均值用作為試驗(yàn)中一個(gè)因素的效應(yīng)的估計(jì)量，則重復(fù)允許試驗(yàn)者求得這一效應(yīng)的更為精確的估計(jì)量。如s2是數(shù)據(jù)的方差，而有n次重復(fù)，則樣本均值的方差是s2/n。這一點(diǎn)的實(shí)際含義是，如果n=1，如果2個(gè)處理的y1=145，和y2=147，這時(shí)我們可能不能作出2個(gè)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(yàn)誤差的結(jié)果。但如果n合理的大，試驗(yàn)誤差足夠小，則當(dāng)我們觀察得y1隨機(jī)化是試驗(yàn)設(shè)計(jì)使用統(tǒng)計(jì)方法的基石。
所謂隨機(jī)化，是指試驗(yàn)材料的分配和試驗(yàn)的各個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行的次序，都是隨機(jī)地確定的。統(tǒng)計(jì)方法要求觀察值（或誤差）是獨(dú)立分布的隨機(jī)變量。隨機(jī)化通常能使這一假定有效。把試驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾S機(jī)化亦有助于“均勻”可能出現(xiàn)的外來因素的效應(yīng)。
區(qū)組化是用來提高試驗(yàn)的精確度的一種方法。一個(gè)區(qū)組就是試驗(yàn)材料的一個(gè)部分，相比于試驗(yàn)材料全體它們本身的性質(zhì)應(yīng)該更為類似。區(qū)組化牽涉到在每個(gè)區(qū)組內(nèi)部對(duì)感興趣的試驗(yàn)條件進(jìn)行比較。[2]
方法
常見的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，可分為二類，一類是正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，另一類是析因法。
第一類
正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法
①定義
正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法是研究與處理多因素試驗(yàn)的一種科學(xué)方法。它利用一種規(guī)格化的表格——正交表，挑選試驗(yàn)條件，安排試驗(yàn)計(jì)劃和進(jìn)行試驗(yàn)，并通過較少次數(shù)的試驗(yàn)，找出較好的生產(chǎn)條件，即最優(yōu)或較優(yōu)的試驗(yàn)方案。
②用途
正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要用于調(diào)查復(fù)雜系統(tǒng)（產(chǎn)品、過程）的某些特性或多個(gè)因素對(duì)系統(tǒng)（產(chǎn)品、過程）某些特性的影響，識(shí)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(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)和過程的優(yōu)化、控制或改進(jìn)現(xiàn)有的產(chǎn)品（或系統(tǒng)）。
③表格形式
第二類
析因法
①定義析
因法又稱析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)、析因試驗(yàn)等。它是研究變動(dòng)著的兩個(gè)或多個(gè)因素效應(yīng)的有效方法。許多試驗(yàn)要求考察兩個(gè)或多個(gè)變動(dòng)因素的效應(yīng)。例如，若干因素：對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的效應(yīng)；對(duì)某種機(jī)器的效應(yīng)；對(duì)某種材料的性能的效應(yīng)；對(duì)某一過程燃燒消耗的效應(yīng)等等。將所研究的因素按全部因素的所有水平（位級(jí)）的一切組合逐次進(jìn)行試驗(yàn)，稱為析因試驗(yàn)，或稱完全析因試驗(yàn)，簡(jiǎn)稱析因法。
②用途
用于新產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品或過程的改進(jìn)、以及安裝服務(wù)，通過較少次數(shù)的試驗(yàn)，找到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的因素組合，達(dá)到改進(jìn)的目的。
③表格形式
成功要素
1、沒有一種“放之四海而皆準(zhǔn)”的問題解決方案，試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)的解決途徑。
2、即使決定采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)，也不能生搬硬套地使用“試驗(yàn)設(shè)計(jì)五步曲”。跟據(jù)實(shí)際情況和要求，有時(shí)可以省去其中的某幾步，有時(shí)還會(huì)在同一個(gè)項(xiàng)目中重復(fù)循環(huán)地跳幾輪“五步曲”。
3、除了試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)的。如果條件所限，如果做不到這一點(diǎn)，不妨可以用隨機(jī)化、區(qū)組化、仿行等方法來盡量避免。
4、保證試驗(yàn)的仿真性，避免一些理想的試驗(yàn)環(huán)境，比如試驗(yàn)室。
5、不要一味地排斥試驗(yàn)設(shè)計(jì)執(zhí)行之前的歷史數(shù)據(jù)。相反，適當(dāng)?shù)乩闷髽I(yè)信息化的成果，從ERP、MES中的海量數(shù)據(jù)中進(jìn)行“數(shù)據(jù)挖掘”，很可能會(huì)減少試驗(yàn)投資，細(xì)化因素水平的選取。這也是當(dāng)前試驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域中的新趨勢(shì)之一。
6、為了保險(xiǎn)起見，在得到最終的最佳參數(shù)水平組合后，還要進(jìn)行一些驗(yàn)證試驗(yàn)來檢驗(yàn)結(jié)果，實(shí)在沒有條件實(shí)施驗(yàn)證試驗(yàn)的，也要通過模型的“模擬仿真”來完成這個(gè)工作。
7、工欲善其事，必先利其器。為了提高試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)分析軟件公司的JMP軟件是試驗(yàn)設(shè)計(jì)業(yè)界的不二選擇，它不但能很好地實(shí)現(xiàn)篩選試驗(yàn)、析因試驗(yàn)、優(yōu)化試驗(yàn)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(jī)地融合在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，為我們提供了完整的試驗(yàn)設(shè)計(jì)解決方案，本文中的所有圖形就完全是以JMP軟件為載體實(shí)現(xiàn)的，JMP也是目前試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法實(shí)踐者最推崇的專業(yè)軟件之一。
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