科研实验设计的常用方法(科研实验的设计方法)

导语：科研实验设计的三要素六原则，学霸必备！

一般来说，完善的设计方案需具备以下几个条件：实验所需的人力、物力和时间资源;实验设计的“三要素”和“六原则”均符合专业和统计学要求，对实验数据的收集、整理、分析等有一套规范的规定和正确的方法。

一、实验设计的“三要素”

1)实验对象。

实验所用的材料即为实验对象。如用小鼠做实验，小鼠就是本次实验的实验对象，或称为受试对象。实验对象选择的合适与否直接关系到实验实施的难度，以及别人对实验新颖性和创新性的评价。一个完整的实验设计中所需实验材料的总数称为样本含量。最好根据特定的设计类型估计出较合适的样本含量。样本过大或过小都有弊端。

2)实验因素。

所有影响实验结果的条件都称为影响因素，实验研究的目的不同，对实验的要求也不同。影响因素有客观与主观，主要与次要因素之分。研究者希望通过研究设计进行有计划的安排，从而能够科学地考察其作用大小的因素称为实验因素(如药物的种类、剂量、浓度、作用时间等);对评价实验因素作用大小有一定干扰性且研究者并不想考察的因素称为区组因素或称重要的非实验因素(如动物的窝别、体重等);其他未加控制的许多因素的综合作用统称为实验误差。最好通过一些预实验，初步筛选实验因素并确定取哪些水平较合适，以免实验设计过于复杂，实验难以完成。

3)实验效应。

实验因素取不同水平时在实验单位上所产生的反应称为实验效应。实验效应是反映实验因素作用强弱的标志，它必须通过具体的指标来体现。要结合专业知识，尽可能多地选用客观性强的指标，在仪器和试剂允许的条件下，应尽可能多选用特异性强、灵敏度高、准确可靠的客观指标。对一些半客观(比如读pH试纸上的数值)或主观指标(对一些定性指标的判断上)，一定要事先规定读取数值的严格标准，只有这样才能准确地分析自己的实验结果，从而也大大提高了自己实验结果的可信度。

二、实验设计的“六原则”

1.随机原则：即运用“随机数字表”实现随机化;运用“随机排列表”实现随机化;运用计算机产生“伪随机数”实现随机化。尽量运用统计学知识来设计自己的实验，减少外在因素和人为因素的干扰。

2.照原则：空白对照组的设立——只有通过对照的设立我们才能清楚地看出实验因素在当中所起的作用。当某些处理本身夹杂着重要的非处理因素时，还需设立仅含该非处理因素的实验组为实验对照组;历史或中外对照组的设立一一这种对照形式应慎用，其对比的结果仅供参考，不能作为推理的依据;多种对照形式同时并存。

3.重复原则：所谓重复原则，就是在相同实验条件下必须做多次独立重复实验。一般认为重复5次以上的实验才具有较高的可信度。

4.平衡原则：一个实验设计方案的均衡性好坏，关系到实验研究的成败。应充分发挥具有各种知识结构和背景的人的作用，群策群力，方可有效地提高实验设计方案的均衡性。在实验设计的过程中要注意时间上的分配，只有在时间上分配好了，才不会出现一段时间特别忙而一段时间特别闲的情况。

5. 弹性原则：所谓空格，指的是在时间分配图上留有空缺。适当的空缺是非常必要的，只有这样才能富有弹性的实施实验计划，并不断地调整好自己的实验进度。

6. 最经济原则：不论什么实验，都有它的最优选择方案，这包括在资金的使用上，也包括人力时间的损耗上，必要时可以预测一下自己实验的产出和投入的比值，这个比值越大越好，当然是以你所拥有的实验条件作基础的。

三、实验设计的方法

正交实验设计(Orthogonal Design Experimentation)是以概率论数理统计知识和实践经验为基础,利用标准化正交表安排实验方案,并对结果进行计算分析,最终迅速找到优化方案的一种科学计算方法。它是处理多因素优化问题的有效方法,正交表是正交设计的基本工具,具均匀分散性和整齐可比性。

均匀实验设计(Uniform Design Experimentation)的基本思想是抛开正交设计中“整齐可比”性的特点而只考虑实验点的“均匀分散”性,即让实验点在所考察的范围内尽量均匀地分布。由于不再考虑“整齐可比”性,那些在正交设计中为整齐可比而设置的实验点可不再考虑,因而可大大减少实验次数,且实验次数与各因素所取的水平数相等。用均匀设计可适当增加实验的水平数而不必担心导致像正交设计那样其实验次数呈平方次增长的现象。其特点就是除了有一套简易的表格外,它能以最少的实验次数、最短的实验周期得到一个回归方程,该方程能定量地描述各因素对目标函数的影响,得到最佳工艺条件。

球面对称实验设计(Spherical Symmetric Design Experimentation)是考虑到任一因素对指标的影响作用均有一定范围,将这些范围以一定的代码予以统一,从而只要在这些范围内考虑它们的作用和影响。球面对称设计就是在一个球面上确定实验点的设计,实验点分布在球面各卦限内的中心点和球面与坐标轴的交点上,而球心作为中心对照点。

二次通用旋转实验设计。凡与实验中心点距离相等的球面上各点回归方程预测值的方差是相等的回归实验设计,称为旋转设计(Rotation Design)。

二次通用旋转实验设计(Second-orderGeneralizedRotationDesignExperimentation)能使回归预测值^y的方差是在球心为原点,半径为r的球内的一个常数。该设计的一致精度和需要实验次数较少等优点广泛应用于科学实验中。

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