實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理-岳開(kāi)華課件

1、廣西科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理論文論文名稱(chēng) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理 的應(yīng)用及分析 學(xué) 院 生物與化學(xué)工程 專(zhuān) 業(yè) 化學(xué)工藝 班 級(jí) 2013級(jí)生化研 學(xué) 號(hào) 20130401039 姓 名 岳開(kāi)華 指導(dǎo)教師 黃永春 2014年08月23日摘要根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析課程所學(xué)，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的背景，發(fā)展以及在各個(gè)領(lǐng)域的的應(yīng)用進(jìn)行了分析，充分說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理的重要性。對(duì)各種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行簡(jiǎn)單分析優(yōu)劣，對(duì)基本數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行討論，對(duì)前沿計(jì)算機(jī)軟件處理進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。關(guān)鍵詞 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)處理軟件一實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的背景分析 任何自然科學(xué)都離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)，大多數(shù)學(xué)科（化工、化學(xué)、輕工、材料、環(huán)境、醫(yī)藥、

2、熱工等）中的概念、原理和規(guī)律大多由實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)和論證的。如最佳的配方、工藝條件，產(chǎn)品性能的優(yōu)化，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量作出評(píng)價(jià)等。 “實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理”是以概率論數(shù)理統(tǒng)計(jì)、專(zhuān)業(yè)技術(shù)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)、科學(xué)地安排試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，最終達(dá)到減少試驗(yàn)次數(shù)、縮短試驗(yàn)周期、迅速找到優(yōu)化方案的一種科學(xué)計(jì)算方法。它主要應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究過(guò)程中的科學(xué)試驗(yàn)，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、質(zhì)量管理和科學(xué)研究的重要工具和方法。 20世紀(jì)初：英國(guó)生物統(tǒng)計(jì)學(xué)家費(fèi)歇爾（1890-1962）首次提出了“試驗(yàn)設(shè)計(jì)”術(shù)語(yǔ)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法最早應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、生物學(xué)、遺傳學(xué)方面。在農(nóng)業(yè)方面主要是進(jìn)行品種對(duì)比、施肥對(duì)比等。20世紀(jì)

3、40年代，英美兩國(guó)開(kāi)始在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，如改變?cè)吓浔然蚬に嚿a(chǎn)條件，尋找最佳工況。50、60年代：日本田口玄博士創(chuàng)造了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法。日本電訊研究所研制的“線形彈簧繼電器”，使電話機(jī)收聽(tīng)效果大為改進(jìn)，為日本電訊事業(yè)的發(fā)展起到了不可估量的作用。50年代：我國(guó)中科院數(shù)學(xué)研究所在正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)、理論和方法上有了新的創(chuàng)見(jiàn)，編制了一套較為適用的正交表，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)程序和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析方法。目前，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。 方差分析主要是用來(lái)檢驗(yàn)兩個(gè)或者兩個(gè)以上樣本的平均值差異的顯著程度，并由此判斷樣本究竟是否抽自具體同一均值的總體。方差分析對(duì)于比較不同生產(chǎn)工藝或者設(shè)備條件下產(chǎn)量、質(zhì)量的差異，分析不

4、同計(jì)劃方案效果的好壞和比較不同之處、不同人員有關(guān)的數(shù)量指標(biāo)差異是否顯著時(shí)，是非常有用的。 影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素大致上可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是可以認(rèn)為加以控制或測(cè)試的，稱(chēng)為可控制因素；另一類(lèi)是人為無(wú)法定量控制或直接觀測(cè)的，稱(chēng)為隨機(jī)因素。實(shí)際問(wèn)題中要求方差分析鑒別的主要是可控制因素對(duì)結(jié)果的影響，但隨機(jī)因素的影響混亂在其中，從而使問(wèn)題的解決變得比較復(fù)雜。如何有目的的安排試驗(yàn)測(cè)試，并通過(guò)對(duì)試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理，將這兩類(lèi)影響有效地區(qū)分來(lái)是問(wèn)題得以解決的關(guān)鍵。 方差分析的基本原理:方差分析的基本思路是一方面確定因素的不同水平下均值之間的方差，把它作為對(duì)由所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)所組成的全部整體的方差的第一個(gè)估計(jì)值；另一方

5、面再考慮在同一水平下不同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于這一水平的均值的方差，由此計(jì)算出對(duì)于由所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)所組成的全部數(shù)據(jù)的總體方差的第二個(gè)估計(jì)值。比較上述兩個(gè)方差的估計(jì)值比較接近就說(shuō)明因素的不同水平下的均值間的差異并不大，就接受零假設(shè)；否則，說(shuō)明因素的不同水平下均值間的差異比較大。1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的作用分析1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理念實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本宗旨：最大限度地提高實(shí)驗(yàn)效率最大限度地提高實(shí)驗(yàn)精度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基本要素：指標(biāo)用來(lái)衡量試驗(yàn)效果好壞的特征值。因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)有影響的原因或要素。水平 因素在實(shí)驗(yàn)中所處的不同狀態(tài)，可能引起指標(biāo)的變化。2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法 針對(duì)不同的具體情況，有不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。一般的有單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)、雙因素試

6、驗(yàn)設(shè)計(jì)、正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、優(yōu)選法、均勻設(shè)計(jì)等。各種試驗(yàn)方法的目的、出發(fā)點(diǎn)各不相同。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)  正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是科學(xué)設(shè)計(jì)多因素試驗(yàn)的一種方法。它利用一套規(guī)范化的正交表安排試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)得到的結(jié)果采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析處理，使得出科學(xué)結(jié)論。正交表是正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本工具，它是根據(jù)均衡搭配、綜合可比的思想，運(yùn)用組合數(shù)學(xué)理論構(gòu)造出的一種表格。 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本步驟： 正交試驗(yàn)包括正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、根據(jù)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算與分析以及驗(yàn)證試驗(yàn)四個(gè)部分。吳春燕1等人在研究正交設(shè)計(jì)優(yōu)化胡蘿卜ISSR-PCR 反應(yīng)體系中選擇L16(45) 正交表，對(duì)PCR

7、體系各反應(yīng)成分因素( Mg2+, dNTP, Taq DNA 聚合酶, 引物, 模板DNA)水平及正交試驗(yàn)表見(jiàn)表1 和表2。反應(yīng)體系中總體積為25滋L。PCR擴(kuò)增程序?yàn)椋?4 5 min；9430 s，5545 s，7290s，35個(gè)循環(huán)；7210min；4保存。擴(kuò)增產(chǎn)物用1%的瓊脂糖凝膠在電泳儀上檢測(cè)，120 V電泳1 h，在自動(dòng)凝膠成像系統(tǒng)上拍照分析。根據(jù)分析結(jié)果，找到最佳反應(yīng)條件，并進(jìn)行 30次、35次、40次循環(huán)反應(yīng)，找到最佳反應(yīng)次數(shù)。邢德松2等人利用正交試驗(yàn)法確定了利用微乳液高溫法制備超細(xì)藍(lán)色熒光體Sr2CeO4 的最佳制備條件 接著利用該最佳條件制備出了超細(xì)的Sr2CeO4粉體并對(duì)

8、其性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究。利用正交試驗(yàn)可以迅速的將幾個(gè)影響因素的主次分出來(lái)，而且可以找出最佳的實(shí)驗(yàn)條件，利用正交試驗(yàn)不僅可以減少試驗(yàn)次數(shù)，將實(shí)驗(yàn)工作量降到最少，而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。優(yōu)選法 優(yōu)選法是根據(jù)生產(chǎn)和科研中的不同問(wèn)題，以數(shù)學(xué)原理為指導(dǎo)，合理安排實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，減少試驗(yàn)次數(shù)，以求迅速找到最佳點(diǎn)的一類(lèi)科學(xué)方法，優(yōu)選法可以解決那些實(shí)驗(yàn)指標(biāo)與因素間不能用數(shù)學(xué)形式表達(dá)，或者雖有表達(dá)式但很復(fù)雜的那些問(wèn)題。優(yōu)選法的目標(biāo)就是盡可能少做試驗(yàn)，盡快地找到生產(chǎn)和科研的最優(yōu)方案我國(guó)從70年代初開(kāi)始，首先由數(shù)學(xué)家華羅庚等人推廣，隨后優(yōu)選法開(kāi)始在生產(chǎn)實(shí)際中得到大量應(yīng)用。單因素優(yōu)選法 如果在試驗(yàn)時(shí)，只考慮一個(gè)對(duì)目標(biāo)影響最大的

9、因素，其它因素盡量保持不變，則稱(chēng)為單因素問(wèn)題。一般有黃金分割法，分?jǐn)?shù)法，平分法，拋物線法，一般步驟：（1）首先應(yīng)估計(jì)包含最優(yōu)點(diǎn)的試驗(yàn)范圍如果用a表示下限，b表示上限，試驗(yàn)范圍為a，b（2）然后將試驗(yàn)結(jié)果和因素取值的關(guān)系寫(xiě)成數(shù)學(xué)表達(dá)式不能寫(xiě)出表達(dá)式時(shí)，就要確定評(píng)定結(jié)果好壞的方法方便起見(jiàn)，僅討論目標(biāo)函數(shù)為f（x）的情況。孟丹3等人以Ti(OBu)為前驅(qū)體，設(shè)計(jì)單因素優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，通過(guò)溶膠凝膠-浸漬提拉法在玻璃基片上制備Ti02納米薄膜，研究了元水乙醇、濃鹽酸、超純水對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能的影響，獲得了納米TiO2薄膜的最佳制備條件。多因素優(yōu)選法多因素優(yōu)選法通常是將多因素簡(jiǎn)化為雙因素或單因素的情況來(lái)處理。一般的

10、有平分平面法，降維法，平行線法等等。 邱菊生4等人運(yùn)用逐步提高優(yōu)選法和拋物線優(yōu)選法制備了高力學(xué)性能的玄武巖纖維( BF) 和聚丙烯纖維m(BF)/m(PPE)復(fù)合板材料研究了m(BF)/ m(PPF)對(duì)復(fù)合板材力學(xué)性能的影響 。運(yùn)用逐步提高優(yōu)選法研究了BF和PPF 的最佳質(zhì)量比袁 從而使BF/PPF復(fù)合板材的力學(xué)性能達(dá)到最佳，同時(shí)運(yùn)用拋物線優(yōu)選法檢驗(yàn)逐步提高優(yōu)選法的準(zhǔn)確性，并進(jìn)行了驗(yàn)證對(duì)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)，省時(shí)，節(jié)能降耗的深入研究。均勻設(shè)計(jì)均勻設(shè)計(jì)屬于近年發(fā)展起來(lái)的“偽蒙特卡羅方法”的范籌。將經(jīng)典的確定的單變量問(wèn)題的計(jì)算方法推廣后用于多變量問(wèn)題的計(jì)算時(shí)，計(jì)算量往往跟變量個(gè)數(shù)有關(guān)，即使電腦再進(jìn)步很多，這種

11、方法仍無(wú)法實(shí)際應(yīng)用，烏拉母（S.Ulam）與馮諾依曼(J.von Neumann)在40年代提出蒙特卡羅方法，即統(tǒng)計(jì)模擬方法，這個(gè)方法的大意是將一個(gè)分析問(wèn)題化為一個(gè)有同樣解答的概率問(wèn)題，然后用統(tǒng)計(jì)模擬的方法來(lái)處理后面這個(gè)問(wèn)題，這樣使一些困難的分析問(wèn)題反而得到了解決，例如多重定積分的近似計(jì)算。蒙特卡羅方法的關(guān)鍵是找一組隨機(jī)數(shù)作為統(tǒng)計(jì)模擬之用，所以這一方法的精度在于隨機(jī)數(shù)的均勻性與獨(dú)立性。均勻設(shè)計(jì)的結(jié)果沒(méi)有整齊可比性，分析結(jié)果不能采用一般的方差分析方法，通常要用回歸分析或逐步回歸分析的方法。段海婷5等人通過(guò)鋯硅鋁三元無(wú)機(jī)包膜金紅石型鈦白粉的U，(75)均勻?qū)嶒?yàn)。確定鋯硅鋁三元無(wú)機(jī)包膜金紅石型鈦白粉

12、的最佳工藝條件，研究了包覆過(guò)程中，不同包膜劑的反應(yīng)pH值、分散劑用量、不同包膜劑用量以及轉(zhuǎn)速對(duì)金紅石型鈦白粉包膜效果的影響，并對(duì)金紅石型鈦白粉原料在介質(zhì)中的分散性，表面包鋯、包硅及包鋁氧化物的機(jī)理和包膜的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討，最終優(yōu)選鋯硅鋁三元無(wú)機(jī)包膜鈦白粉的最佳工藝條件。用均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)這一統(tǒng)計(jì)方法對(duì)其工藝條件進(jìn)行了全面考察，使收率由正交設(shè)計(jì)時(shí)的62提高到83，產(chǎn)品質(zhì)量也有了較大的改善。陳琳玨6等人在均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)在4一羥基二苯酮制備工藝中應(yīng)用中應(yīng)用均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)方法，大大減少了實(shí)驗(yàn)次數(shù)。本實(shí)驗(yàn)用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，至少需36次實(shí)驗(yàn)，而用均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)，最多只需18次，一般不超過(guò)12次，節(jié)約了大量的人力、物力

13、和時(shí)間。與正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相比，結(jié)果分析更科學(xué)、更精確。如初步實(shí)驗(yàn)所確定范圍不夠準(zhǔn)確，則用均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)最佳水平組合，并同時(shí)對(duì)收率和純度進(jìn)行考察，結(jié)果更令人滿(mǎn)意。2 數(shù)據(jù)處理的作用分析數(shù)據(jù)處理是指從獲得數(shù)據(jù)開(kāi)始到得出最后結(jié)論的整個(gè)加工過(guò)程，包括數(shù)據(jù)記錄、整理、計(jì)算、分析和繪制圖表等。數(shù)據(jù)處理是實(shí)驗(yàn)工作的重要內(nèi)容，涉及的內(nèi)容很多，這里僅介紹一些基本的數(shù)據(jù)處理方法。主要方法有列表法，圖解法，逐差法，最小二乘法等等。列表法 對(duì)一個(gè)物理量進(jìn)行多次測(cè)量或研究幾個(gè)量之間的關(guān)系時(shí)，往往借助于列表法把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列成表格。其優(yōu)點(diǎn)是，使大量數(shù)據(jù)表達(dá)清晰醒目，條理化，易于檢查數(shù)據(jù)和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免差錯(cuò)，同時(shí)有助于反映出物理量

14、之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖解法 圖線能夠直觀地表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間的關(guān)系，找出物理規(guī)律，因此圖解法是數(shù)據(jù)處理的重要方法之一。逐差法 對(duì)于自變量等間距變化的數(shù)據(jù)組，常采用逐差法處理一元線性擬合問(wèn)題。逐差法與作圖法相比，它不像作圖法擬合直線具有較大的隨意性，比最小二乘法計(jì)算簡(jiǎn)單而結(jié)果相近，在物理實(shí)驗(yàn)中是常用的數(shù)據(jù)處理方法。最小二乘法 用作圖法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得直線的斜率和截距等重要參數(shù)雖然 簡(jiǎn)單明了，但是存在相當(dāng)大的主觀成分，結(jié)果也往往因人而異。最小二乘法則是一種比較精確的直線擬合方法。它的依據(jù)是：對(duì)于等精度測(cè)量若存在一條最佳擬合直 線，那么各測(cè)量值與這條直線上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)值之差的平方和應(yīng)為極小。3 幾種軟件在實(shí)驗(yàn)數(shù)

15、據(jù)處理中的應(yīng)用Matlab在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用Matlab軟件具有強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算功能、數(shù)學(xué)計(jì)算功能、數(shù)據(jù)可視化功能、2D/3D繪圖功能,它們?yōu)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理提供了可靠的保證。利用其自帶的函數(shù)以及使用者自行編制的程序可完成如曲線擬合、求方差、相關(guān)系數(shù)等數(shù)據(jù)計(jì)算;利用2D/3D繪圖功能可對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行圖像化顯示;圖像結(jié)果處理后利用鼠標(biāo)拖動(dòng)可任意變換觀察角度以尋找最佳觀察角度;其插值函數(shù)interp2可以進(jìn)行光滑連線。Excel在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用Excel軟件集數(shù)據(jù)的編輯、整理、統(tǒng)計(jì)分析、圖表繪制于一身,利用它處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以減少枯燥的數(shù)據(jù)運(yùn)算,防止運(yùn)算中的錯(cuò)誤;它的圖表功能使作圖非常容易,并且可以對(duì)實(shí)

16、驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、不確定度的計(jì)算、繪制表格利實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的圖示,這些工作可以利用高版本Excel中的內(nèi)置工作表函數(shù)得到很方便地解決。Origin在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用Origin是用于數(shù)據(jù)分析、項(xiàng)目繪圖的軟件,其功能強(qiáng)大,具有快速、靈活、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域里有很廣的應(yīng)用范圍。它具有數(shù)據(jù)排序、調(diào)整、統(tǒng)計(jì)、頻譜變換、曲線擬合等各種完善的數(shù)學(xué)分析功能以及強(qiáng)大的繪圖功能,其最突出的特點(diǎn)就是使出簡(jiǎn)單、直觀、形象和圖形化以及面向?qū)ο蟮拇翱诓藛魏凸ぞ邫诓僮鞯扔脩?hù)環(huán)境,且其典型應(yīng)用不需要用戶(hù)編寫(xiě)任何一行程序代碼;再者是為了擴(kuò)展功能和三次開(kāi)發(fā)需要,其提供了較廣泛的定制功能和各種接口,可利

17、各種數(shù)據(jù)庫(kù)軟件很方便的連接,得到其它軟件(如Excel)無(wú)法得到的更加準(zhǔn)確的結(jié)果和更多附加結(jié)果。4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理的重要性對(duì)于化工、化學(xué)、食品、輕工、制藥、生物、材料等需要實(shí)驗(yàn)與觀測(cè)的學(xué)科專(zhuān)業(yè)，經(jīng)常需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)研究對(duì)象的變化規(guī)律，并通過(guò)對(duì)規(guī)律的研究達(dá)到各種實(shí)用的目的，如提高產(chǎn)量、降低消耗、提高產(chǎn)品性能或者質(zhì)量等。 這樣的試驗(yàn)，是一種有計(jì)劃的實(shí)踐?？茖W(xué)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，能用較少的試驗(yàn)次數(shù)，達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。試驗(yàn)過(guò)程中所產(chǎn)生的大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，必須要進(jìn)行合理的分析和處理，才能獲得研究對(duì)象的變化規(guī)律，達(dá)到指導(dǎo)生產(chǎn)和科研的目的。參考文獻(xiàn)1吳春燕,陳赫楠等.正交設(shè)計(jì)優(yōu)化胡蘿卜ISSR-PCR 反應(yīng)體系.分子植物育種J.2013, 11(6)838 - 8422邢德松,龔孟濂等.超細(xì)Sr2CeO4