1、第八章第八章 實驗設計基礎與抽樣方法實驗設計基礎與抽樣方法1 1 試驗設計概述試驗設計概述1.1 1.1 試驗設計的意義和任務試驗設計的意義和任務 試驗設計是數理統計學的一個重要分支試驗設計是數理統計學的一個重要分支，是進行科學研究的重要工具。，是進行科學研究的重要工具。 試驗研究可分為試驗研究可分為試驗設計、試驗實施、試驗設計、試驗實施、收集資料、整理資料和分析資料收集資料、整理資料和分析資料等步驟。等步驟。 試驗設計試驗設計: :是指整個研究課題的設計是指整個研究課題的設計，包括，包括: : 課題的確定課題的確定 試驗方案的擬定試驗方案的擬定 試驗材料的選擇和分組試驗材料的選擇和分組 資料

2、收集資料收集 統計分析方法統計分析方法 狹義的試驗設計：是指重復數的確定、對試驗狹義的試驗設計：是指重復數的確定、對試驗材料的選擇與分組。就是研究安排試驗并對結果進材料的選擇與分組。就是研究安排試驗并對結果進行統計分析的一門學問。行統計分析的一門學問。 試驗設計的任務試驗設計的任務 研究工作之前，合理地安排試驗；研究工作之前，合理地安排試驗； 有效地控制試驗誤差干擾；有效地控制試驗誤差干擾； 力求用較少的人力、物力、財力和時間，最大限力求用較少的人力、物力、財力和時間，最大限度地獲得豐富而可靠的資料；度地獲得豐富而可靠的資料； 充分利用和科學分析獲取的試驗信息；充分利用和科學分析獲取的試驗信息

3、； 能明確回答研究項目所提出的問題和盡快獲得最能明確回答研究項目所提出的問題和盡快獲得最優方案。優方案。 1.2 1.2 試驗設計的作用試驗設計的作用 可以分清試驗因素對試驗指標影響的大小順序，找可以分清試驗因素對試驗指標影響的大小順序，找出主要因素，抓住主要矛盾。出主要因素，抓住主要矛盾。 了解試驗因素對試驗指標影響的規律性。了解試驗因素對試驗指標影響的規律性。 了解試驗因素之間相互影響的情況。了解試驗因素之間相互影響的情況。 可較快地找出最優生產條件和工藝條件，確定最優可較快地找出最優生產條件和工藝條件，確定最優方案，預估或控制一定條件下的試驗指標值及其波動方案，預估或控制一定條件下的試驗

4、指標值及其波動范圍。范圍。 正確估計、有效控制和降低試驗誤差，提高試驗的正確估計、有效控制和降低試驗誤差，提高試驗的精度。精度。 對試驗結果分析，明確進一步研究的方向。對試驗結果分析，明確進一步研究的方向。 1.3 1.3 試驗設計方法的主要內容試驗設計方法的主要內容 完全隨機設計完全隨機設計 隨機區組設計隨機區組設計 正交試驗設計正交試驗設計 均勻設計均勻設計 回歸正交設計回歸正交設計 回歸正交旋轉設計等回歸正交旋轉設計等 2 2 基本概念基本概念2.1 2.1 試驗指標試驗指標 在試驗設計中，選定的用來衡量或考核在試驗設計中，選定的用來衡量或考核試驗效果的質量特性稱為試驗指標。試驗效果的質

5、量特性稱為試驗指標。 定量指標和定性指標定量指標和定性指標 單指標試驗和多指標試驗單指標試驗和多指標試驗2.2 2.2 試驗因素試驗因素 試驗中，凡對試驗指標可能產生影響的原因或試驗中，凡對試驗指標可能產生影響的原因或要素，都稱為因素，也稱因子。要素，都稱為因素，也稱因子。 試驗中所研究的影響試驗指標的因素稱為試驗中所研究的影響試驗指標的因素稱為試驗試驗因素因素，通常用大寫字母，通常用大寫字母A A，B B，C C”表示。表示。 把除試驗因素外其他所有對試驗指標有影響的把除試驗因素外其他所有對試驗指標有影響的因素稱為因素稱為條件因素條件因素，又稱試驗條件。，又稱試驗條件。 單因素試驗、雙因素試

6、驗、多因素試驗單因素試驗、雙因素試驗、多因素試驗2.3 2.3 因素水平因素水平 試驗因素所處的各種狀態稱為因素水平，簡稱試驗因素所處的各種狀態稱為因素水平，簡稱水平。水平。 在試驗設計中，在試驗設計中，1 1個因素選幾個水平，就稱該個因素選幾個水平，就稱該因素為幾個水平因素。因素為幾個水平因素。 各因素不同水平用表示因素的字母加足標各因素不同水平用表示因素的字母加足標1 1，2 2，3 3，的方法來表示。的方法來表示。 如如A A1 1，A A2 2 ；B B1 1、B B2 2、B B3 3表表示。因素的水平表表示。因素的水平，有的可用具體數值表示，如，有的可用具體數值表示，如1010、2

7、020、3030；4kg4kg、5kg5kg、kg6kg6。 2.4 2.4 試驗處理試驗處理 試驗處理試驗處理，是指事先設計好的實施在試驗，是指事先設計好的實施在試驗單位上的一種具體措施。單位上的一種具體措施。 在單因素試驗中，試驗的在單因素試驗中，試驗的1 1個水平就是個水平就是1 1個處個處理。理。 在多因素試驗中，由于因素和水平較多，可在多因素試驗中，由于因素和水平較多，可以形成若干個水平組合，以形成若干個水平組合，每個水平組合就是每個水平組合就是1 1個個處理處理2.5 2.5 試驗單位試驗單位 在試驗中能接受不同試驗處理的試驗載體叫在試驗中能接受不同試驗處理的試驗載體叫做試驗單位（

8、試驗單元）。做試驗單位（試驗單元）。 2.6 2.6 重復重復 在在1 1個試驗中，將個試驗中，將1 1個處理實施在個處理實施在2 2個或個或2 2個以個以上的試驗單位上稱為重復。上的試驗單位上稱為重復。 1 1個處理實施的試驗單位數稱為處理的重復數個處理實施的試驗單位數稱為處理的重復數，或者說某個水平組合重復，或者說某個水平組合重復n n次試驗，這個處理的次試驗，這個處理的重復數就是重復數。重復數就是重復數。2.7 2.7 全面試驗全面試驗 對所選取的試驗因素的所有水平組合全部實施對所選取的試驗因素的所有水平組合全部實施1 1次以上的試驗稱次以上的試驗稱全面試驗全面試驗。 如如3 3因素試驗

9、，每個因素取因素試驗，每個因素取3 3個水平時，有個水平時，有2727種種試驗處理；試驗處理； 倘若是倘若是4 4因素試驗，每因素取因素試驗，每因素取4 4個水平，則有個水平，則有4 44 4=256=256種試驗處理，這在實踐中是做不到的。因此種試驗處理，這在實踐中是做不到的。因此，全面試驗是有局限性的，全面試驗是有局限性的，它只適用于因素和水平它只適用于因素和水平數目均不太多的試驗。數目均不太多的試驗。2.8 2.8 部分實施部分實施 部分實施也叫部分試驗，從全部試驗處理中部分實施也叫部分試驗，從全部試驗處理中選取部分有代表性的處理進行試驗，如正交試驗選取部分有代表性的處理進行試驗，如正交

10、試驗設計和均勻設計都是部分實施。設計和均勻設計都是部分實施。 部分實施可使試驗規模大為縮小。如一個部分實施可使試驗規模大為縮小。如一個4 4因因素素5 5水平試驗，全面試驗至少需進行水平試驗，全面試驗至少需進行625625次試驗，次試驗，而用均勻設計表安排試驗，僅需而用均勻設計表安排試驗，僅需5 5次試驗。次試驗。 3 3 食品試驗研究的主要內容食品試驗研究的主要內容 為了試制新產品，改革舊工藝，降低物料消耗為了試制新產品，改革舊工藝，降低物料消耗，不斷提高產品質量，往往需要進行大量的試驗。，不斷提高產品質量，往往需要進行大量的試驗。 試驗最終都是為了找出在某種條件下最合理的試驗最終都是為了找

11、出在某種條件下最合理的工藝條件或設計參數，從而達到提高產品質量或工工藝條件或設計參數，從而達到提高產品質量或工程質量的目的。程質量的目的。3.1 3.1 食品的線性質量研究和非線性質量研究食品的線性質量研究和非線性質量研究 線性質量研究線性質量研究: :是指食品制造過程中的質量研究是指食品制造過程中的質量研究方法，線性質量研究方法是通過對生產工序的合理診方法，線性質量研究方法是通過對生產工序的合理診斷、調節、改善與檢查，使生產工序的質量達到效果斷、調節、改善與檢查，使生產工序的質量達到效果好、費用低的目的。好、費用低的目的。 非線性質量研究非線性質量研究: :方法的重點是在食品開發過方法的重點

12、是在食品開發過程中緊密地把專業知識和統計分析結合起來，在保程中緊密地把專業知識和統計分析結合起來，在保證達到食品質量特性的前提下，充分利用各種設計證達到食品質量特性的前提下，充分利用各種設計參數與食品特性的非線性關系，通過系統設計、參參數與食品特性的非線性關系，通過系統設計、參數設計和允許誤差設計的三段優化設計方法，從設數設計和允許誤差設計的三段優化設計方法，從設計上控制食品的輸出特性和質量波動或出于經濟考計上控制食品的輸出特性和質量波動或出于經濟考慮，在不壓縮原材料質量波動的情況下，仍然保證慮，在不壓縮原材料質量波動的情況下，仍然保證食品特性的一種穩定性優化設計方法。食品特性的一種穩定性優化

13、設計方法。 3.2 3.2 食品質量研究的幾個階段食品質量研究的幾個階段 食品質量研究大體可分為以下幾個階段：食品質量研究大體可分為以下幾個階段：a.a.食品規劃階段食品規劃階段 根據市場的需要決定食品的功能和價格根據市場的需要決定食品的功能和價格b.b.食品設計階段食品設計階段 可分為可分為3 3個步驟：個步驟：系統設計系統設計: :決定食品的結構和材料。決定食品的結構和材料。參數設計參數設計: :找出食品最佳性狀的工藝條件和參數組合找出食品最佳性狀的工藝條件和參數組合。允許誤差設計允許誤差設計: :決定食品質量的適當的公差范圍。決定食品質量的適當的公差范圍。c.c.工藝設計階段工藝設計階段

14、 由工藝人員決定采用何種原料、何種加工設備、由工藝人員決定采用何種原料、何種加工設備、怎樣的加工工序等怎樣的加工工序等. .d.d.生產制造階段生產制造階段 主要是對生產現場進行及時的動態管理，包括工主要是對生產現場進行及時的動態管理，包括工序的診斷、調節及改善食品的檢查設計。序的診斷、調節及改善食品的檢查設計。e.e.食品的銷售階段食品的銷售階段 主要是搞好市場銷售服務及市場信息的收集、主要是搞好市場銷售服務及市場信息的收集、調查和分析。調查和分析。 3.3 3.3 系統設計、參數設計和允許誤差設計系統設計、參數設計和允許誤差設計a.a.系統設計系統設計 系統設計又稱傳統設計，是依靠專業技術

15、進行系統設計又稱傳統設計，是依靠專業技術進行的設計。的設計。 例如要開發設計某種食品，根據食品的質量要例如要開發設計某種食品，根據食品的質量要求，對于原料、包裝、加工工藝等的選擇都是由專求，對于原料、包裝、加工工藝等的選擇都是由專業技術人員決定的。系統設計的質量完全取決于專業技術人員決定的。系統設計的質量完全取決于專業技術人員的技術水平高低。業技術人員的技術水平高低。b.b.參數設計參數設計 參數設計是一種非線性設計，它是在系統設參數設計是一種非線性設計，它是在系統設計的基礎上，正交回歸試驗、均勻試驗和混料試計的基礎上，正交回歸試驗、均勻試驗和混料試驗以及與其配套的統計分析方法來研究各種參數驗

16、以及與其配套的統計分析方法來研究各種參數組合與食品質量特性的非線性關系，以便找出特組合與食品質量特性的非線性關系，以便找出特性波動最小的最佳參數組合。所以又稱為參數組性波動最小的最佳參數組合。所以又稱為參數組合的中心值設計。合的中心值設計。c允許誤差設計允許誤差設計 就是通過研究多種允許誤差就是通過研究多種允許誤差( (包括產品與原材料包括產品與原材料兩方面的允許誤差兩方面的允許誤差) )范圍與質量研究費用的關系進而范圍與質量研究費用的關系進而對食品質量和成本進行綜合平衡。對食品質量和成本進行綜合平衡。4 4 食品試驗的基本要求和注意事項食品試驗的基本要求和注意事項4.14.1基本要求基本要求

17、a.a.要用系統工程思想指導試驗研究要用系統工程思想指導試驗研究 所謂系統，就是一系列互有關聯的事物。把事物作為所謂系統，就是一系列互有關聯的事物。把事物作為一個系統的組成部分來看，就是系統思想。一個系統的組成部分來看，就是系統思想。 按系統思想來分析事物，利用適當的數學模型來表達按系統思想來分析事物，利用適當的數學模型來表達系統內部、系統與環境、系統與系統之間定性定量的關系系統內部、系統與環境、系統與系統之間定性定量的關系，并求出最佳方案，就是所謂系統分析。，并求出最佳方案，就是所謂系統分析。 將系統分析所得到的結論付諸實施就是系統工程學。將系統分析所得到的結論付諸實施就是系統工程學。b.b

18、.要注重試驗研究的效度要注重試驗研究的效度 試驗的結果能反映所考察的因素與試驗指標間真試驗的結果能反映所考察的因素與試驗指標間真實關系的程度稱為試驗的效度。試驗的效度可以從兩實關系的程度稱為試驗的效度。試驗的效度可以從兩方面看：方面看： 一是內在效度，一是內在效度，指試驗是否真的引起顯著性差異指試驗是否真的引起顯著性差異，也就是要強調試驗的重演性。內在效度高、重演性，也就是要強調試驗的重演性。內在效度高、重演性就好。它可以通過試驗設計而得到提高；就好。它可以通過試驗設計而得到提高； 二是外在效度，二是外在效度，指試驗的結果能推廣到什么范圍指試驗的結果能推廣到什么范圍，亦即強調試驗的代表性問題。

19、試驗成果推廣范圍越，亦即強調試驗的代表性問題。試驗成果推廣范圍越廣，其代表性就越強。廣，其代表性就越強。c.要認真實施試驗研究的全過程要認真實施試驗研究的全過程 試驗的過程實際上可歸結為設計、試驗、檢查、試驗的過程實際上可歸結為設計、試驗、檢查、處理處理4 4個階段。個階段。 在試驗的設計階段要明確試驗的目的性，研究設在試驗的設計階段要明確試驗的目的性，研究設計的周密性與科學性。要具體回答好計的周密性與科學性。要具體回答好6 6個問題，即：個問題，即： 為何干為何干( (必要性必要性)?)? 干什么干什么( (目的目的)?)? 何處干何處干( (地點地點)?)? 何時干何時干( (時間時間)?

20、)? 誰來干誰來干( (承擔者承擔者)?)? 怎么干怎么干( (方法方法)?)? 在試驗階段，應注意條件的一致性，確保操作的在試驗階段，應注意條件的一致性，確保操作的正確性，具體可從操作者、材料、方法、管理方正確性，具體可從操作者、材料、方法、管理方面著手。面著手。 在檢查階段，要抓樣本的代表性，判斷數據的可在檢查階段，要抓樣本的代表性，判斷數據的可靠性。要做到真實、合理、可靠、可信。靠性。要做到真實、合理、可靠、可信。 在處理階段，要分析結果的可信性，考察結論的在處理階段，要分析結果的可信性，考察結論的重演性。要手、心、腦并用。通過分析掌握信息、重演性。要手、心、腦并用。通過分析掌握信息、論

21、證假設、判斷總體，指導實踐。論證假設、判斷總體，指導實踐。4.2 4.2 注意事項注意事項 進行試驗的時候，至少應注意以下幾點：進行試驗的時候，至少應注意以下幾點：a.a.要積極地駕馭試驗要積極地駕馭試驗 進行每一個試驗都要有整體觀念、系統思想，進行每一個試驗都要有整體觀念、系統思想，要把其當做要把其當做“整機整機”的的“零件零件”，考慮到組裝的需，考慮到組裝的需要。為試驗而做試驗，毫無意義。要。為試驗而做試驗，毫無意義。b.b.要注意試驗目的是否明確要注意試驗目的是否明確 沒有明確的目的，就談不上科學周密的設計。沒有明確的目的，就談不上科學周密的設計。未經設計的試驗是無用的試驗。對課題缺乏深

22、刻的未經設計的試驗是無用的試驗。對課題缺乏深刻的認識，就難以明確試驗的目的。認識，就難以明確試驗的目的。c.c.試驗管理是否嚴格試驗管理是否嚴格 試驗設計就是對整個試驗進行科學管理。試驗管試驗設計就是對整個試驗進行科學管理。試驗管理的重點是控制條件、規范操作和準確地獲取數據。理的重點是控制條件、規范操作和準確地獲取數據。d.d.要注意試驗過程中的觀察要注意試驗過程中的觀察 進行一次試驗，機會難得，試驗現場難得。要注進行一次試驗，機會難得，試驗現場難得。要注意觀察試驗過程中的每一細節，要詳審細察、善疑多意觀察試驗過程中的每一細節，要詳審細察、善疑多思。觀察時，既能夠捕捉預定事物，又要保持警覺，思

23、。觀察時，既能夠捕捉預定事物，又要保持警覺，善于捕捉異常現象善于捕捉異常現象。新的發現往往出自。新的發現往往出自“異常異常”。e.e.設計與分析應并重設計與分析應并重 任何成功的試驗都始于設計而終于分析。在設任何成功的試驗都始于設計而終于分析。在設計試驗時，必須考慮到與之配套的統計分析方法。計試驗時，必須考慮到與之配套的統計分析方法。設計的缺陷是設計的缺陷是“先天不足先天不足”，分析的草率是，分析的草率是“后天后天不足不足”。f.f.要務真求實，應即時檢查核對、整理試驗數據要務真求實，應即時檢查核對、整理試驗數據 收集、記錄試驗數據要堅持實事求是，不要有收集、記錄試驗數據要堅持實事求是，不要有

24、意無意地讓數據染上主觀的色彩，對于本質上具有意無意地讓數據染上主觀的色彩，對于本質上具有“意外意外”意義的數據非當不能舍棄，相反更需要加意義的數據非當不能舍棄，相反更需要加以詳細記載，以便分析。以詳細記載，以便分析。g.g.要特別注意，要特別注意，實際的事實與對事實的解釋完全實際的事實與對事實的解釋完全是兩碼事是兩碼事, ,解釋的謬誤比試驗的謬誤更易把人引解釋的謬誤比試驗的謬誤更易把人引入歧途。入歧途。不應隨意讓推理的進程超越已有的事實。不應隨意讓推理的進程超越已有的事實。h.h.成功的試驗是基本事件可以再現的試驗成功的試驗是基本事件可以再現的試驗 所以，在驗證試驗時，最重要的是注意觀察所以，

25、在驗證試驗時，最重要的是注意觀察某事件是否發生，而不必要求樣本空間中某一特某事件是否發生，而不必要求樣本空間中某一特定數值一定出現。定數值一定出現。5試驗設計的基本原則試驗設計的基本原則 在試驗設計中，為了盡量減少試驗誤差，就必須在試驗設計中，為了盡量減少試驗誤差，就必須嚴格控制試驗干擾。嚴格控制試驗干擾。 試驗干擾試驗干擾: :是指那些可能對試驗結果產生影響，是指那些可能對試驗結果產生影響，但是在試驗中未加以考察，也未加以精確控制的條件但是在試驗中未加以考察，也未加以精確控制的條件因素。因素。 為保證試驗結果的精確度，各種試驗組合處理必為保證試驗結果的精確度，各種試驗組合處理必須在基本均勻一

26、致的條件因素下進行，應盡量控制或須在基本均勻一致的條件因素下進行，應盡量控制或消除試驗干擾的影響。消除試驗干擾的影響。 進行試驗設計時必須嚴格遵循試驗設計的進行試驗設計時必須嚴格遵循試驗設計的3 3個基個基本原則本原則重復、隨機化、局部控制。重復、隨機化、局部控制。5.15.1重復原則重復原則 所謂重復，是指在試驗中每種處理至少進行所謂重復，是指在試驗中每種處理至少進行2 2次以上。重復試驗是估計和減小隨機誤差的基本手次以上。重復試驗是估計和減小隨機誤差的基本手段。段。 由于隨機誤差是客觀存在的和不可避免的，只由于隨機誤差是客觀存在的和不可避免的，只有在同一條件下重復試驗，才能利用同一條件下取

27、有在同一條件下重復試驗，才能利用同一條件下取得的多個數據的差異，把隨機誤差估計出來。得的多個數據的差異，把隨機誤差估計出來。 多次重復試驗的平均值的隨機誤差比單次試驗多次重復試驗的平均值的隨機誤差比單次試驗值的隨機誤差小。值的隨機誤差小。5.25.2隨機化原則隨機化原則 在試驗中，每一個處理及每一個重復都有同等在試驗中，每一個處理及每一個重復都有同等的機會被安排在某一特定的空間和時問環境中的機會被安排在某一特定的空間和時問環境中，以，以消除某些處理或其重復可能占有的消除某些處理或其重復可能占有的“優勢優勢”或或“劣劣勢勢”，保證試驗條件在空間和時間上的均勻性。，保證試驗條件在空間和時間上的均勻

28、性。 隨機化可有效排除非試驗因素的干擾隨機化可有效排除非試驗因素的干擾，從而可，從而可正確、無偏地估計試驗誤差，并可保證試驗數據的正確、無偏地估計試驗誤差，并可保證試驗數據的獨立性和隨機性，以滿足統計分析的基本要求。獨立性和隨機性，以滿足統計分析的基本要求。5.3 5.3 局部控制局部控制 局部控制是指在試驗時采取一定的技術措施方法局部控制是指在試驗時采取一定的技術措施方法減少非試驗因素對試驗結果的影響。減少非試驗因素對試驗結果的影響。 做一項試驗，總是希望試驗條件基本上保持一致做一項試驗，總是希望試驗條件基本上保持一致。這樣得到的試驗結果才可以直接看成試驗因素對試。這樣得到的試驗結果才可以直

29、接看成試驗因素對試驗指標的影響情況，因素的不同水平之間才具有可比驗指標的影響情況，因素的不同水平之間才具有可比性。反之，就會引人系統誤差。性。反之，就會引人系統誤差。6 6 試驗計劃與方案試驗計劃與方案6.1 6.1 試驗計劃試驗計劃 進行任何一項科學試驗，在試驗前必須制訂一個進行任何一項科學試驗，在試驗前必須制訂一個科學、全面的試驗計劃書，以便使該項研究工作能夠科學、全面的試驗計劃書，以便使該項研究工作能夠有計劃、有目的地順利開展，從而保證試驗任務的完有計劃、有目的地順利開展，從而保證試驗任務的完成。雖然科研項目的種類、大小有所不同，但試驗計成。雖然科研項目的種類、大小有所不同，但試驗計劃的

30、內容一般可概括為以下幾個方面：劃的內容一般可概括為以下幾個方面：6.1.1 6.1.1 課題名稱、試驗目的課題名稱、試驗目的 科研課題的選擇是整個研究工作的第一步，也是科研課題的選擇是整個研究工作的第一步，也是最為重要的一步。科學研究的基本要求是探新、創新最為重要的一步。科學研究的基本要求是探新、創新。 研究課題的來源不外乎兩個方面。研究課題的來源不外乎兩個方面。 一方面是國家一方面是國家( (包括省、市、區包括省、市、區) )指定的項目。指定的項目。 另一方面是研究人員選定的課題。這就首先應該另一方面是研究人員選定的課題。這就首先應該明確明確“為什么要進行這項科學研究為什么要進行這項科學研究

31、”，亦即通過此項，亦即通過此項研究研究達到的目的是什么達到的目的是什么，解決什么問題解決什么問題，以及，以及在科研在科研生產中的效果如何生產中的效果如何。 選題時應注意以下幾點：選題時應注意以下幾點： (1)(1)重要性：理論性研究著重看所選課題在未來學重要性：理論性研究著重看所選課題在未來學科發展上的重要性；而應用性研究則著重看其對未來科發展上的重要性；而應用性研究則著重看其對未來生產發展的作用和潛力。生產發展的作用和潛力。 (2)(2)必要性和實用性。要著眼于食品科學研究和生產中急需必要性和實用性。要著眼于食品科學研究和生產中急需解決的問題，適當考慮長遠或不久將來可能出現的問題。解決的問題

32、，適當考慮長遠或不久將來可能出現的問題。 (3)(3)先進性和創新性。在了解國內外在該研究領域的進展、先進性和創新性。在了解國內外在該研究領域的進展、水平等基礎上，選擇前人未解決或未完全解決的問題，以期在水平等基礎上，選擇前人未解決或未完全解決的問題，以期在理論、觀點、方法或應用等方面有所突破。理論、觀點、方法或應用等方面有所突破。新穎新穎 (4)(4)可行性。即完成科研課題的可能性。可行性。即完成科研課題的可能性。( (資源、條件、團資源、條件、團隊、基礎工作隊、基礎工作) )6.1.2 6.1.2 研究依據、內容及預期達到的經濟技術指標研究依據、內容及預期達到的經濟技術指標 課題明確后，通

33、過查閱國內外有關文獻資料，課題明確后，通過查閱國內外有關文獻資料，闡明項目的科學意義和應用前景、國內外在該領域闡明項目的科學意義和應用前景、國內外在該領域的研究概況、水平和發展趨勢、理論依據、特色、的研究概況、水平和發展趨勢、理論依據、特色、創新之處。創新之處。 詳細說明項目的具體研究內容和重點解決的問題，以及詳細說明項目的具體研究內容和重點解決的問題，以及取得成果后應用推廣計劃，預期達到的經濟技術指標及預期取得成果后應用推廣計劃，預期達到的經濟技術指標及預期的技術或理論水平等。的技術或理論水平等。 6.1.3 6.1.3 試驗方案、試驗設計方法試驗方案、試驗設計方法 試驗方案是全部試驗工作的

34、核心部分，主要包括試驗方案是全部試驗工作的核心部分，主要包括研究的因素、水平的確定。研究的因素、水平的確定。 方案確定后要結合試驗條件確定合適的試驗設計方案確定后要結合試驗條件確定合適的試驗設計方法，通過設計使方案進一步具體化方法，通過設計使方案進一步具體化。 6.1.4 6.1.4 受試材料的數量及要求受試材料的數量及要求 受試材料即受試對象。受試材料即受試對象。 首先應當明確首先應當明確受試對象所組成的研究總體受試對象所組成的研究總體，而后，而后正確選擇受試材料。正確選擇受試材料。 受試材料選擇的正確與否直接關系到試驗結論的受試材料選擇的正確與否直接關系到試驗結論的正確性。因此，受試材料力

35、求均勻一致，正確性。因此，受試材料力求均勻一致，應明確規定應明確規定受試材料的入選標準和排除標準。受試材料的入選標準和排除標準。6.1.5 6.1.5 試驗記錄的項目與要求試驗記錄的項目與要求 為收集分析結果需要的各方面的資料，事先應為收集分析結果需要的各方面的資料，事先應以表格的形式列出需要觀察的指標與要求。以表格的形式列出需要觀察的指標與要求。6.1.6 6.1.6 試驗結果分析方法、經濟效益或社會效益的試驗結果分析方法、經濟效益或社會效益的估算估算 試驗結束后，對各階段取得的資料要進行整理試驗結束后，對各階段取得的資料要進行整理分析，所以要明確應采用的統計分析方法。每一種分析，所以要明確

36、應采用的統計分析方法。每一種試驗設計都有相應的統計分析方法。分析方法不正試驗設計都有相應的統計分析方法。分析方法不正確，必然會導致錯誤的結論。同時，應估算研究成確，必然會導致錯誤的結論。同時，應估算研究成果可能獲得的經濟的或社會的效益。果可能獲得的經濟的或社會的效益。 6.1.7 6.1.7 已具備的條件和研究進度安排已具備的條件和研究進度安排 已具備的條件主要包括過去的研究工作基礎或預已具備的條件主要包括過去的研究工作基礎或預試情況，現有的主要儀器設備，研究技術人員及協作試情況，現有的主要儀器設備，研究技術人員及協作條件，經費情況等。研究進度安排可根據不同內容按條件，經費情況等。研究進度安排

37、可根據不同內容按日期、分階段進行安排，定期寫出總結報告。日期、分階段進行安排，定期寫出總結報告。6.1.8 6.1.8 試驗所需要的條件試驗所需要的條件 除已具備的條件外，本試驗尚需的條件，如經費除已具備的條件外，本試驗尚需的條件，如經費、藥品、試劑、儀器設備的數量和要求等。、藥品、試劑、儀器設備的數量和要求等。6.1.9 6.1.9 參加研究人員的分工參加研究人員的分工 一般分為主持人、主研人、參加人。課題組成人員一般分為主持人、主研人、參加人。課題組成人員應結構合理、優勢互補，確保試驗研究的連續性、穩應結構合理、優勢互補，確保試驗研究的連續性、穩定性、完整性。定性、完整性。6.1.10 6

38、.1.10 試驗的時間、地點和工作人員試驗的時間、地點和工作人員6.1.11 6.1.11 成果鑒定及發表學術論文成果鑒定及發表學術論文召開鑒定會議，撰寫學術論文、研究報告、發表研究成果。召開鑒定會議，撰寫學術論文、研究報告、發表研究成果。闡明事物的內在規律，提出自己的見解、新的學術觀點或新的闡明事物的內在規律，提出自己的見解、新的學術觀點或新的研究內容，將研究引向深入。研究內容，將研究引向深入。 6.26.2試驗方案試驗方案6.2.16.2.1試驗方案試驗方案 試驗方案是根據試驗目的和要求而擬定的進行比試驗方案是根據試驗目的和要求而擬定的進行比較的一組試驗處理的總稱。較的一組試驗處理的總稱。

39、 主要包括試驗因素的選擇、水平的確定等內容。主要包括試驗因素的選擇、水平的確定等內容。 試驗方案按其試驗因素的多少可區分為以下試驗方案按其試驗因素的多少可區分為以下3 3類類 (1)(1)單因素試驗方案單因素試驗方案 單因素試驗：是指在整個試驗中只變更、比較單因素試驗：是指在整個試驗中只變更、比較1 1個個試驗因素的不同水平，其他作為試驗條件的因素均嚴試驗因素的不同水平，其他作為試驗條件的因素均嚴格控制一致的試驗。格控制一致的試驗。 (2)(2)多因素試驗方案多因素試驗方案 多因素試驗：是指同一試驗方案中包含多因素試驗：是指同一試驗方案中包含2 2個或個或2 2個個以上的試驗因素，各個因素都分

40、為不同水平，其他試以上的試驗因素，各個因素都分為不同水平，其他試驗條件均應嚴格控制一致的試驗。驗條件均應嚴格控制一致的試驗。 完全方案完全方案 完全方案中包括各試驗因素不同水平的一切可能完全方案中包括各試驗因素不同水平的一切可能組合。這些組合全部參加試驗組合。這些組合全部參加試驗- -全面試驗。全面試驗全面試驗。全面試驗能夠很好的揭示事物的內部規律。處理數等于各試驗能夠很好的揭示事物的內部規律。處理數等于各試驗因素數數的乘積。因素數數的乘積。 缺點是在處理數較多，特別是因素個數和水平數較多時，缺點是在處理數較多，特別是因素個數和水平數較多時，方案過于龐大，在人力、物力、財力和場地等方面，一般難

41、以方案過于龐大，在人力、物力、財力和場地等方面，一般難以承受。承受。 不完全方案不完全方案 在全部水平組合中挑選部分有代表性的水平組合在全部水平組合中挑選部分有代表性的水平組合獲得的方案稱為不完全方案。多因素試驗的目的一般獲得的方案稱為不完全方案。多因素試驗的目的一般在于明確各試驗因素的相對重要性和相互作用，并從在于明確各試驗因素的相對重要性和相互作用，并從中選出中選出1 1個或幾個最優水平組合。個或幾個最優水平組合。 (3)(3)綜合性試驗方案綜合性試驗方案 是一種多因素試驗，是是一種多因素試驗，是將若干因素的某些水平將若干因素的某些水平結合在一起形成少數幾個水平組合結合在一起形成少數幾個水

42、平組合。目的在于探討。目的在于探討一系列供試因素某些水平組合的綜合作用，而不在一系列供試因素某些水平組合的綜合作用，而不在于檢測因素的單獨作用和相互作用。于檢測因素的單獨作用和相互作用。 單因素和多因素試驗常是分析性的試驗；綜合性試驗單因素和多因素試驗常是分析性的試驗；綜合性試驗則是在對于起主導作用的那些因素及其相互關系基本弄清則是在對于起主導作用的那些因素及其相互關系基本弄清楚的基礎上設置的試驗。它的水平組合是一系列經過實踐楚的基礎上設置的試驗。它的水平組合是一系列經過實踐初步證實的初步證實的優良水平的配套優良水平的配套。 6.2.2 6.2.2 擬訂試驗方案的要點擬訂試驗方案的要點 擬定一

43、個正確的試驗方案，應認真考慮以下幾擬定一個正確的試驗方案，應認真考慮以下幾方面的問題。方面的問題。 (1)(1)圍繞試驗的目的，明確通過試驗要解決的問題。圍繞試驗的目的，明確通過試驗要解決的問題。 擬訂試驗方案前應通過回顧以往研究的進展、調查交擬訂試驗方案前應通過回顧以往研究的進展、調查交流、文獻檢索等明確為達到本試驗的目的需解決的主要的流、文獻檢索等明確為達到本試驗的目的需解決的主要的、關鍵的問題是什么，形成對所研究主題及外延的設想，、關鍵的問題是什么，形成對所研究主題及外延的設想，使待擬訂的方案能針對主題確切而有效地解決問題。使待擬訂的方案能針對主題確切而有效地解決問題。 (2)(2)根據

44、試驗的目的、任務和條件確定試驗因素。根據試驗的目的、任務和條件確定試驗因素。 選擇選擇對試驗指標影響較大的關鍵因素、尚未完全對試驗指標影響較大的關鍵因素、尚未完全掌握其規律的因素和未曾考察過的因素掌握其規律的因素和未曾考察過的因素。 供試供試因素一般不宜過多因素一般不宜過多，應該，應該抓住一兩個或少數幾個主要抓住一兩個或少數幾個主要因素因素解決關鍵問題。解決關鍵問題。 可將試驗分為兩階段進行。即可將試驗分為兩階段進行。即先作單因素先作單因素的預備試驗，的預備試驗，再再精選因素和水平進行正規試驗精選因素和水平進行正規試驗。 預備試驗常采用較多的處理數，預備試驗常采用較多的處理數，較少或不設重復較

45、少或不設重復；正規試；正規試驗則精選因素和水平，驗則精選因素和水平，設置較多的重復設置較多的重復。 單因素試驗能解決的問題，就不用多因素試驗單因素試驗能解決的問題，就不用多因素試驗。 (3)(3)根據試驗因素性質適當確定水平大小及間隔根據試驗因素性質適當確定水平大小及間隔 一般試驗因素有一般試驗因素有“質性質性”和和“量性量性”之分，之分， “ “質性質性”有多少種就取多少個水平。如不同原材料、有多少種就取多少個水平。如不同原材料、添加劑的種類，不同生產工藝、不同生產線、不同添加劑的種類，不同生產工藝、不同生產線、不同包裝方式等。包裝方式等。 “ “量性量性” ” 應認真考慮其應認真考慮其控制

46、范圍及水平間隔控制范圍及水平間隔。如溫度、。如溫度、時間、壓力、某種添加劑的添加量等，應確定其所應控制的時間、壓力、某種添加劑的添加量等，應確定其所應控制的范圍及在該范圍內確定幾個水平點、如何設置水平間隔等。范圍及在該范圍內確定幾個水平點、如何設置水平間隔等。 水平數目要適當水平數目要適當 水平數目過多，難以反映出各水平間的差異，水平數目過多，難以反映出各水平間的差異，加大了處理數；水平數目太少又容易漏掉一些好的加大了處理數；水平數目太少又容易漏掉一些好的信息，使結果分析的不全面信息，使結果分析的不全面 水平數目一般不能少于水平數目一般不能少于3 3個，最好包括對照采用個，最好包括對照采用5

47、5個水平個水平點。點。 水平范圍及問隔大小要合理水平范圍及問隔大小要合理 原則是試驗指標靈敏，水平間隔應小些，反之應大些。原則是試驗指標靈敏，水平間隔應小些，反之應大些。要盡可能把水平值取在最佳區域或接近最佳區域。要盡可能把水平值取在最佳區域或接近最佳區域。 要以正確方法設置水平間隔：要以正確方法設置水平間隔： 等差法等差法: :是指試驗因素水平間隔是等差的。是指試驗因素水平間隔是等差的。 等比法等比法: :是指因素水平的間隔是等比的。是指因素水平的間隔是等比的。 0.6180.618法法: :是以試驗因素水平的上限與下限為是以試驗因素水平的上限與下限為2 2個端點，以個端點，以上限與下限之差

48、與上限與下限之差與0 0618618的乘積為水平間隔從兩端向中間展的乘積為水平間隔從兩端向中間展開的。開的。 隨機法隨機法: :是指因素水平排列隨機，各水平的數量大小無一是指因素水平排列隨機，各水平的數量大小無一定關系。定關系。 (4)(4)正確選擇試驗指標正確選擇試驗指標 試驗效應是試驗因素作用于試驗對象的反應，通過試驗觀試驗效應是試驗因素作用于試驗對象的反應，通過試驗觀察指標顯示出來。在確定試驗指標時應考慮如下因素：察指標顯示出來。在確定試驗指標時應考慮如下因素： 選擇的指標應選擇的指標應與研究的目的有本質聯系與研究的目的有本質聯系，能確切地反映，能確切地反映出試驗因素的效應。出試驗因素的

49、效應。 選用客觀性較強的指標，最好選用選用客觀性較強的指標，最好選用易于量化易于量化，即經過儀，即經過儀器測量和檢驗而獲得的指標。器測量和檢驗而獲得的指標。 要考慮指標的靈敏性與準確性。要考慮指標的靈敏性與準確性。 選擇指標的數目要適當。選擇指標的數目要適當。 (5) (5)試驗方案中必須設立作為比較標準的對照處試驗方案中必須設立作為比較標準的對照處理。理。 空白對照、標準對照、試驗對照，互為對照和自身對照空白對照、標準對照、試驗對照，互為對照和自身對照等。等。陰性對照、陽性對照陰性對照、陽性對照 (6) (6)試驗方案中應注意比較間的惟一差異原則。試驗方案中應注意比較間的惟一差異原則。除試驗

50、處理不同外，其他所有條件應當一致或相同。除試驗處理不同外，其他所有條件應當一致或相同。 (7)(7)擬訂試驗方案時必須正確處理試驗因素和試驗條件擬訂試驗方案時必須正確處理試驗因素和試驗條件間的關系。間的關系。 (8)(8)預備試驗。預備試驗。7 7 試驗誤差及控制試驗誤差及控制 在試驗中，由于各種因素的不同影響，使任何在試驗中，由于各種因素的不同影響，使任何一個試驗數據都包含有試驗誤差。誤差的大小決定一個試驗數據都包含有試驗誤差。誤差的大小決定著試驗數據的精確程度，直接影響著試驗結果分析著試驗數據的精確程度，直接影響著試驗結果分析的可靠性。的可靠性。 試驗設計的主要任務之一就是試驗設計的主要任

51、務之一就是減少、控制試驗減少、控制試驗誤差誤差，從而提高對試驗結果分析的精確性和判斷的，從而提高對試驗結果分析的精確性和判斷的準確性。準確性。 7.17.1試驗誤差的來源試驗誤差的來源a.a.試驗材料試驗材料 試驗材料在質量、純度、產地、批號的不一致，試驗材料在質量、純度、產地、批號的不一致，同一包裝內的產品存在某種程度上的不均勻性。同一包裝內的產品存在某種程度上的不均勻性。b b測試方法測試方法 試驗中所用化驗、檢測等方法有時不能準確反映試驗中所用化驗、檢測等方法有時不能準確反映被測對象化學體系的性質，因而產生誤差，這種誤被測對象化學體系的性質，因而產生誤差，這種誤差也稱為方法誤差。其原因是

52、方法不完善、樣品及差也稱為方法誤差。其原因是方法不完善、樣品及試劑的性質和反應的特性所引起的。試劑的性質和反應的特性所引起的。c.c.儀器設備及試劑儀器設備及試劑 由于所用儀器、試劑不合格或者所用的儀器的由于所用儀器、試劑不合格或者所用的儀器的精度有限，長期使用造成儀器的磨損，儀器也可能精度有限，長期使用造成儀器的磨損，儀器也可能未調整到最佳狀態等都將產生誤差。未調整到最佳狀態等都將產生誤差。d.d.試驗環境條件試驗環境條件 環境因素主要包括溫度、濕度、氣壓、振動、環境因素主要包括溫度、濕度、氣壓、振動、光線、空氣中含塵量、電磁場、海拔高度和氣流等光線、空氣中含塵量、電磁場、海拔高度和氣流等，

53、構成環境條件的這些因素是復雜多變的，設法控，構成環境條件的這些因素是復雜多變的，設法控制。制。e e試驗操作試驗操作 試驗操作帶來的誤差是由操作人員引起的，試驗操作帶來的誤差是由操作人員引起的，是由于操作人員操作不正規或生理上的差異所造是由于操作人員操作不正規或生理上的差異所造成的。成的。 在實際試驗中，誤差的產生往往是由于多種在實際試驗中，誤差的產生往往是由于多種因素綜合作用造成的，而這些因素之間存在著相因素綜合作用造成的，而這些因素之間存在著相互影響，情況比較復雜。互影響，情況比較復雜。7.2 7.2 試驗誤差的控制試驗誤差的控制 控制和消除試驗干擾的主要方法就是嚴格遵循控制和消除試驗干擾

54、的主要方法就是嚴格遵循試驗設計的試驗設計的3 3個基本原則。個基本原則。 試驗誤差可分為試驗誤差可分為: :即隨機誤差、系統誤差和疏忽即隨機誤差、系統誤差和疏忽誤差。誤差。 疏忽誤差疏忽誤差是指明顯歪曲測量結果的誤差，又稱是指明顯歪曲測量結果的誤差，又稱粗心誤差或過失誤差。原因主是技術不熟練，測量粗心誤差或過失誤差。原因主是技術不熟練，測量時不小心，突然干擾、操作人員粗心大意、操作不時不小心，突然干擾、操作人員粗心大意、操作不當而造成。當而造成。疏忽誤差的控制疏忽誤差的控制 加強測試人員的責任心；建立健全規章制度，訓加強測試人員的責任心；建立健全規章制度，訓練技術人員使之具備測試人員應有的科學

55、態度和良好練技術人員使之具備測試人員應有的科學態度和良好的工作作風；的工作作風； 嚴格遵守操作規程，認真細致把握每一環節，杜嚴格遵守操作規程，認真細致把握每一環節，杜絕過失所致的差錯。絕過失所致的差錯。 含有疏忽誤差的觀察值是異常值，計算時應將其含有疏忽誤差的觀察值是異常值，計算時應將其舍棄。舍棄。7.2.2 7.2.2 系統誤差的控制系統誤差的控制 測試過程中的系統誤差主要來源于測定方法本測試過程中的系統誤差主要來源于測定方法本身、儀器或試劑和操作者身、儀器或試劑和操作者3 3方面。一般檢測系統誤方面。一般檢測系統誤差若在誤差允許范圍內，則不必校正。否則，可采差若在誤差允許范圍內，則不必校正

56、。否則，可采用以下方法進行校正。用以下方法進行校正。 一是對照實驗一是對照實驗 (1)(1)用標準樣品進行對照用標準樣品進行對照 (2)(2)用標準對照用標準對照 二是空白試驗二是空白試驗7.2.3 7.2.3 隨機誤差的控制隨機誤差的控制 適當適當增加樣本含量或處理的重復數增加樣本含量或處理的重復數可降低隨機可降低隨機誤差。誤差。 在食品理化檢驗中，在食品理化檢驗中，重復測定某一樣品，取其重復測定某一樣品，取其平均值平均值是減小隨機誤差的有效方法，測量次數越多，是減小隨機誤差的有效方法，測量次數越多，均值的隨機誤差越小。均值的隨機誤差越小。 當測定次數接近當測定次數接近1010次左右時，即使

57、再增加測定次左右時，即使再增加測定次數，其精確度也無顯著性增加。次數，其精確度也無顯著性增加。8 8 完全隨機設計完全隨機設計 完全隨機設計是一種全面試驗設計。完全隨機設計是一種全面試驗設計。 最簡單的完全隨機設計是單因素完全隨機設計最簡單的完全隨機設計是單因素完全隨機設計和兩因素完全隨機設計。和兩因素完全隨機設計。 完全隨機設計有兩方面的含義：完全隨機設計有兩方面的含義： 試驗處理試驗順序的隨機安排；試驗處理試驗順序的隨機安排； 試驗材料的隨機分組。試驗材料的隨機分組。8.1 8.1 單因素完全隨機設計單因素完全隨機設計試驗順序的隨機安排試驗順序的隨機安排 例：在無酒精啤酒的研究中，為了解麥

58、芽汁例：在無酒精啤酒的研究中，為了解麥芽汁的濃度對發酵液中雙乙酰生成量的影響，在其它的濃度對發酵液中雙乙酰生成量的影響，在其它條件一定的試驗條件下，選定麥芽汁濃度為條件一定的試驗條件下，選定麥芽汁濃度為: 6 : 6 （A1A1），），1010（A2A2），），1212（A3A3）3 3個水平，每個水平，每個水平重復個水平重復5 5次，進行完全隨機化試驗，尋找適宜次，進行完全隨機化試驗，尋找適宜的麥芽汁濃度。的麥芽汁濃度。 本試驗中，本試驗中，m=3m=3，r=5r=5，共進行，共進行3 35=155=15次試驗。這次試驗。這1515次試驗完全按隨機順序進行，次試驗完全按隨機順序進行，隨機化方

59、法隨機化方法: :抽簽的方法，隨機數字表抽簽的方法，隨機數字表 完全隨機化單因素試驗順序完全隨機化單因素試驗順序水平水平試驗順序試驗順序A1A2A3試驗材料的隨機分組試驗材料的隨機分組 例：要了解試驗動物每天經口攝入不同量的某例：要了解試驗動物每天經口攝入不同量的某種有害物質后的體癥反應情況。現將某有害物質種有害物質后的體癥反應情況。現將某有害物質A A按按大鼠每天經口攝入量不同分成大鼠每天經口攝入量不同分成A1A1，A2A2，A3A3，A4A4個水個水平，每個水平需用平，每個水平需用2020只大鼠（雌雄各半）進行試驗。只大鼠（雌雄各半）進行試驗。將雄鼠和雌鼠分別稱重，并按重量排序。將雄鼠和雌

60、鼠分別稱重，并按重量排序。 雌鼠雌鼠編號編號123456 3940隨機隨機數字數字余數余數所屬所屬級別級別 單因素完全隨機設計試驗結果可用單向分組資料單因素完全隨機設計試驗結果可用單向分組資料的方差分析的方法分析。的方差分析的方法分析。 在單因素試驗中，各水平要重復多次，假定在單因素試驗中，各水平要重復多次，假定m m個個水平重復水平重復r r次，則總共要進行次，則總共要進行mrmr次試驗。次試驗。 如果這個如果這個mrmr個試驗的實施順序完全按隨機原則確個試驗的實施順序完全按隨機原則確定，這種試驗設計方法就稱為單因素完全隨機設計，定，這種試驗設計方法就稱為單因素完全隨機設計，在這種設計方法中