试验设计与数据统计分析Experimental Design and Data Statistical Analysis 华南农业大学工程学院 刘庆庭2012-9

关于本课程 学生：2012级——57人 (工程39、水利土木3、林学4 、园艺1、 食品10) 时间：2012年9月-2013年1月 学时：36 上课：28 周学时：3节/周 上机：8(SPSS数据处理软件应用) 作业: 建议先用手工做，以后用计算机做 考试：开卷

第一章 概述# 试验设计与数据处理是以概率论、数理统 计及线性代数为理论基础，研究如何有效的 安排试验、科学的分析和处理试验结果的一 门科学。 # “试验设计与统计分析”(简称为“试验统 计学”):协助试验、和对试验数据进行分 析处理的一种科学方法及数学工具 。

对试验统计学的认识：(1)负面意见 * He uses statistics as a drunken man uses lamp posts--for support rather than illumination.—— Andrew Lang Scotish author * There are three kinds of lies: lies, damned lies, and statistics. —Benjamin Disraeli, English Prime Minister * Do you want the truth or do you want statistics? ——Mark Twain, USA author * Simply mention the word “statistics” to many scientists and engineers and it summons up the most unfavorable response

2)正面意见： Paper review of IJABE:There was lack of experimental design which is the key to determine if an experimental work is publishable or not. Without statistics, one cannot say if the two treatments are significantly different. In this case, the data of performance “look” different in most cases. But in scientific world, one cannot determine the difference just by looking and statistical analysis should be presented. Ying Chen, Editor of IJABE

随机现象与随机数据客观世界里普遍存在的是难以用严格的数学函数式来 描述的现象，物理公式描述的关系要在严格控制的试验条 件下才能实现。 例：牛顿第三定理：作用力=反作用力 但要准确测得拖拉机、汽车在田间和路面的反作用 力却不是一件容易的事情。因为数据是有波动的，重复同 一试验和测试，都会有不同的结果。 这种现象，是随机现象，随机试验得到的数据，是随 机数据。 对这种现象，只能从大量观测的综合分析中，得出其 统计规律。 对随机现象的试验研究产生了试验统计学。它是以概 率论和数理统计为基础的。

# 工程学科都是实验学科,这些学科的知识的获取和应用都离不开实验。 # 正确地掌握实验研究的方法，为进一步分 析推理，获得对所研究的问题的正确认识， 非常重要。 科学实验的方法：观察—试验—推理 #学习方法:虽然已进入了计算机的时代，很 多统计分析都不需要我们再花很大力气去 分析计算，但搞清一些基本的原理还是必 要的。

论文工作中反映的问题： 1) 只求平均

数 2) 试验做1-2次就算。 原因：与工程试验的性质及理解有关 例：电量、非电量电测技术的应用：模拟量的测试(传感器) 信号放大 模数转换(A/D)

计算机数据处理

仪器是很准确的被测对象是随机变量！

论文工作中反映的问题：3)试验设计应逐步深化，通常一种错误的做法，是在一 开始就去设计一个单一、庞大和内容广泛的实验， 一个 成功的实验是要先弄清楚重要变量和变量的范围； 4) 专业知识的作用 试验统计方法不能决定一个变量的作用，它仅对试验 结果的可靠性和有效性提供准则。结论还依赖于对问题 的工程知识的了解和把握； 例：一篇投农业工程学报的论文 修改意见： “3)文中一些拟合方程无意义，可以删除 相关内容。请您在附件中进行修改，修改部分务必用红 色标记出。”

论文工作中反映的问题：5)试验描述要清楚，试验结果要分析 例：一篇投农业工程学报的论文 6)使设计与分析尽可能地简单——不要过分热心于使用复杂 的、过分精致的统计方法，不是越复杂越好，相对简单的设计 和分析方法往往是最好的； 7)统计的显著性与实际的显著性的差别： 统计的差异不能保证有实用价值，还要考虑价值等因素 8)可靠性： 现代生产对可靠性提出了更高的要求 美军降落伞

四 试验统计学简史Ronald A Fisher创立 1) 20世英国生物统计学家费歇(R.A. Fisher),1935年 出版了他的专著《试验设计》,开创了一门应用技术科 学。 2)纪20-30年代至今：与生物、土壤有关的研究问题， 包括农业工程相关的问题。 3)关于工业背景下的应用(20世纪50年代): 由响应面方法(RSM)催生；中国的优选法 特点：及时性和连贯性(结果被几乎立即观测到，实验 者可以从一组实验中立即得到规划下一个实验的信息), 这是典型的农业实验得不到的

试验统计学简史3)山口弘一正交设计、可靠性设计价值工程类设计方法 (20世纪70年代),强调整体效果：如日本汽车的质量 在工业界得到广泛应用，但在理论上有很大争议； 4)随着科学的发展，学科交叉越来越普遍，试验设计方 法在许多领域得到广泛的认同和应用：禽流感传感器。 实验设计已远不止农业，奇怪现象：在农业相关领域的 兴趣反而下降——仪器设备的改进、标准化生产的影响

1、试验研究的主要内容 农业机械关键技术研究 农业机械性能试验 农业机械生产试验：GB 5667-2008-T 农业机械 生产试验方 法

食品试验研究的主要内容 试验的目的：找出在某种条件下最合理的工艺条件或设计参 数，从而提高产品质量或工程质量。 食品质量研究包括线性质

量研究(linear quality research)和 非线性质量研究(non-linear quality research)。 线性质量研究是指食品制造过程中的质量研究方法，线性质 量研究方法是通过对生产工序的合理诊断、调节、改善和检 查，使生产工序的质量达到效果好、费用低的目的。 非线性质量研究方法的重点是在食品开发的过程中紧密的把 专业知识和统计分析结果结合起来，在保证达到食品质量特 性的前提下，充分利用各种设计参数与食品特性的非线性关 系，通过系统设计、参数设计和允许误差设计的三段优化设 计方法，从设计上控制食品质量的输出特性和质量波动，或 出于经济考虑，在不压缩原材料质量波动的情况下仍然保证 食品特性的一种稳定性优化设计方法。

食品试验研究的主要内容 从食品质量研究而言，从研究的类型和阶段来看，可分为以下 几个方面： (1)研究初级阶段的探索试验主要有简单试验设计、筛选试验。 简单试验设计的主要目的是明确某因素的作用，如对照试验、 比较试验等。筛选试验的目的主要是在众多是试验因素中明确 关键因素或优良水平，如单因素的多水平试验和少量水平的 (2个)的多因素试验(混杂设计、不完全区组设计、均匀设 计和正交设计等)。 (2)研究中期阶段的析因实验 研究中期阶段主要是多因素试验 分析，以深入分析主要因素的作用及其相互关系，如拉丁方设 计、交替设计、裂区设计和正交设计。 (3)研究后期阶段的优化试验 研究后期阶段，其目的是研究少 数关键因子及其相互作用关系而进行优化设计，如模型试验、 建立最优化模型的回归设计、优化配方的设计等。

2、试验设计的含义# “实验”与“试验” 《现代汉语词典》中这两个词的释义是：【实验】为了检 验某种科学理论或假设而进行某种操作或从事某种活动。 【试验】为了察看某事的结果或某物的性能而从事某种活 动。 从《现汉》释义同时结合各自的语素意义可以看出： 实验中被检验的是某种科学理论或假设，通过实践操作来 进行；而试验中用来检验的是已经存在的事物，是为了察 看某事的结果或某物的性能，通过使用、试用来进行。 实验和试验有一个本质的区别： 实验是为了获取实验值或 者验证某个已经被接受的原理。一般人所作的都是实验。 试验是为了探索的目的，并不只到结果会怎样，进行的尝 试。有时候并不能预料结果。比如居里夫人对沥青的提炼 得到放射性物质的过程。比如最初用不同的材料尝试作灯 丝的过程。 实验——Experiment, 试验——Test.