试验设计的基本程序

1.2.1　试验目的的确定

进行任何一项科学试验，在试验前必须制订一个科学、全面的试验计划书，以便使该项研究工作能够有计划、有目的地顺利开展，从而保证试验任务的完成。虽然科研项目的种类、大小有所不同，但试验计划的内容一般可概括为以下10个方面：

1）课题名称、试验目的

科研课题的选择是整个研究工作的第一步，也是最为重要的一步。科学研究的基本要求是探新、创新。研究课题的选择决定了该项研究创新的潜在可能性。

一般来说，研究课题的来源不外乎两个方面：一方面是国家（包括省、市、区）指定的项目，这类课题不仅保证了科研选题的正确性，而且也为个人选题提供了方向性指导，并提出明确的研究目的和最终的目标要求；另一方面是研究人员选定的课题，这就首先应该明确“为什么要进行这项科学研究”，也即通过此项研究所要达到的目的是什么，要解决什么问题，以及在科研生产中的效果如何。

选题时应注意以下4点：

（1）重要性

不论是理论性研究还是应用性研究，选题时必须明确其意义或重要性。理论性研究着重看所选课题在未来学科发展上的重要性；应用性研究则着重看其对未来生产发展的作用和潜力。

（2）必要性和实用性

要着眼于本学科、行业科学研究和生产中急需解决的问题，同时从发展的观点出发，适当考虑将来可能出现的问题。

（3）先进性和创新性

在了解国内外在该研究领域的进展、水平等基础上，选择前人未解决或未完全解决的问题，以期在理论、观点、方法或应用等方面有所突破，即要有自己的新颖之处。

（4）可行性

即完成科研课题的可能性，无论是从主观条件还是客观条件方面都要能保证完成研究课题。

2）研究依据、内容及预期达到的经济技术指标

课题明确后，通过查阅国内外有关文献资料，阐明项目的科学意义和应用前景、国内外学术界在该领域的研究概况、水平和发展趋势以及理论依据、特色和创新之处，详细说明项目的具体研究内容和重点解决的问题，以及取得成果后应用推广计划、预期达到的经济技术指标及预期的技术或理论水平等。

3）拟采取的试验设计方法及试验方案

试验方案是全部试验工作的核心部分，主要包括所研究的因素、水平的选择及试验设计方法的确定。方案确定后要结合试验条件适时调整试验设计方法，通过设计使方案进一步具体化、最优化。

4）试验结果的分析方法、研究成果的经济或社会效益估算

试验结束后，对各阶段取得的资料要进行整理分析，因此，要明确应采用的统计分析方法。每一种试验设计都有相应的统计分析方法，分析方法不正确，必然会导致错误的结论。同时，应估算研究成果可能获得的经济或社会效益。

5）研究所需要的条件

除已具备的条件外，本试验研究尚需的条件还包括如经费、药品、试剂、仪器设备的数量和要求以及受试材料的数量和要求等。受试材料即受试对象。首先应当明确受试对象所组成的研究总体，而后正确选择受试材料。受试材料选择的正确与否直接关系到试验结论的正确性。因此，受试材料力求均匀一致，应明确规定受试材料的入选标准和排除标准。

6）试验记录的项目与要求

为收集分析结果所需要的各方面的资料，事先应以表格的形式列出需要观察的指标与要求等。

7）已具备的基础条件和研究进度安排

已具备的基础条件主要包括过去的研究工作基础或预试情况、现有的主要仪器设备、研究技术人员及协作条件、经费情况等。研究进度安排可根据不同内容按日期、分阶段进行安排，定期写出总结报告。

8）参加研究人员的分工

一般分为主持人、主研人、参加人。课题组成人员应结构合理、优势互补，确保试验研究的连续性、稳定性及完整性。

9）试验的时间、地点和工作人员

试验的时间、地点要安排合适，工作人员要固定并参加一定培训，以保证试验正常进行。

10）成果鉴定及发表学术论文

这是整个研究工作的最后阶段。课题结束后，应召开鉴定会议，由同行专家作评价。研究者应以撰写学术论文、研究报告的方式发表自己的研究成果，根据试验结果作出理论分析，阐明事物的内在规律，提出自己的见解、新的学术观点或新的研究内容，将研究深入进行。

1.2.2　试验因素和因素水平的确定

1）试验因素

试验中对试验指标可能产生影响的原因或要素称为试验因素，也称为因子。例如，酱油质量受原料、曲种、发酵时间、发酵温度、制曲方式、发酵工艺等方面的影响，这些都是影响酱油质量的因素。它们有的是连续变化的定量因素，有的是离散状态的定性因素。

由于客观条件的限制，在一次试验中不可能将每个因素都考虑进去。把试验中对试验指标影响重要的因素称为试验因素，通常用大写字母A，B，C，…表示；把除试验因素外其他所有对试验指标有影响的因素称为条件因素，又称试验条件。例如，增稠剂用量、pH值和杀菌温度就是影响豆奶稳定性的试验因素，这3个因素以外的其他所有影响豆奶稳定性的因素都是条件因素。考察一个试验因素的试验，称为单因素试验，考察两个或两个以上因素的试验，称为多因素试验。

试验设计中，因素与指标的关系虽然类似于数学中自变量与因变量的关系，但其并非是确定的函数关系，必须运用数理统计的原理和方法获得其之间的相关关系。

为保证结论的可靠性，在选取因素时应把所有影响较大的因素选入试验，这里应当指出，某些因素之间还存在着交互作用。所谓交互作用，就是这些因素在同时改变水平时，其效果会超过单独改变某一因素水平时的效果。因此，影响较大的因素还应包括那些单独变化水平时效果不显著，而与其他因素同时变化水平时交互作用较大的因素，这样试验结果才具有代表性。如果设计试验时漏掉了影响较大的因素，那么只要这些因素水平一改变，结果就会变化，最佳工况是否是A∶B就成问题了。因此，为保证结论的可靠性，设计试验时就应把所有影响较大的因素选入试验，进行全组合试验。一般而言，选入的因素越多越好。在近代工程中，20～50个因素的试验并不罕见，但从充分发挥试验设计方法的效果来看，以7～8个因素为宜。当然，不同的试验选取因素的数目也会不一样，因素的多少决定于客观事物本身和试验目的的要求，而当因素有交互作用影响时，如何处理交互作用是试验设计中另一个极为重要的问题。关于交互作用的处理方法将在正交试验中介绍。

2）因素水平

试验中试验因素所处的各种状态或取值称为因素水平，简称水平。若一个因素取t个水平，就称该因素为t水平的因素。如某试验中，温度A选定了30℃，50℃两种状态，就称A因素为2水平因素；因素B选定了20 min，40 min，60 min 3种状态，就称B因素为3水平因素。各因素不同水平通常用表示因素的字母加脚标1，2，3，…，t的方法来表示。如前述因素A的第一、第二水平依次用A1，A2表示；因素B的第一、第二、第三水平分别用B1，B2，B3表示。因素的水平有的可用具体数值表示，如时间、温度、试剂或原料用量等，有的则无法用具体数字表示，如食品添加剂的不同种类、设备的不同型号、原料的不同品种、工艺的不同操作方式等。

水平的选取也是试验设计的主要内容之一。对影响因素可从质和量两方面来考虑。例如，原材料、添加剂的种类等就属于质的方面，对于这一类因素，选取水平时就只能根据实际情况有多少种就取多少种；相反，如温度、催化剂的用量等就属于量的方面，这类因素的水平以少为佳，因为随水平数的增加，试验次数会急剧增多。还应当指出，选取的水平必须在技术上现实可行，如在寻找最佳工艺的试验中，最佳水平应在试验范围内；在工艺对比试验中，新工艺必须具有工程实际使用价值。又如，研究燃烧问题时，温度水平就必须高于着火温度，若环境温度低于着火温度，试验将无法进行。有时还有安全问题，如某些化学反应在一定条件下会发生爆炸等。

1.2.3　指标的确定

在某项试验设计中用来衡量试验效果的特征量称为试验指标，也称试验结果。它类似于数学中的因变量或目标函数。例如，在考察加热时间和加热温度对果胶酶活性的影响时，果胶酶活性就是试验指标；在考察储存方式对红星苹果果肉硬度的影响时，果肉硬度是试验指标。

试验指标可分为定量指标和定性指标两类。能用数量表示的指标称为定量指标或数量指标，如食品的糖度、酸度、pH值、提汁率、糖化率、吸光度、合格率，食品的理化指标，由理化指标计算得到的特征值多为定量指标；不能用数量表示的指标称为定性指标，例如，色泽、风味、口感等，食品的感官指标多为定性指标。在试验设计中，为了便于分析试验结果，常把定性指标进行量化，转化为定量指标。例如，食品的感官指标可用评分的方法分成不同等级以代替很好、较好、较差、很差等定性描述方式。

根据试验目的的不同，试验考察指标可以是一个，也可以同时用两个或两个以上的试验指标，前者称为单考察指标试验设计，后者称为多考察指标试验设计。例如，在研究增稠剂种类、pH值和杀菌条件对豆奶稳定性的影响时，可只选用豆奶的稳定性作为试验指标；在研究不同吸附剂去除甜橙汁中苦味物质的效果时，可同时选用苦味物质的去除率、维生素C的损失率和可溶性固性物质损失率作为试验指标，综合考虑确定哪种吸附剂合适。

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概率论和数理统计的概念

概率论是研究随机现象数量规律的数学分支。随机现象是相对于决定性现象而言的。在一定条件下必然发生某一结果的现象称为决定性现象。如在标准大气压下，纯水加热到100℃时必然会沸腾等。随机现象则是指在基本条件不变的情况下，一系列试验或观察会得到不同结果的现象。每一次试验或观察前，不能肯定会出现哪种结果，呈现出偶然性。例如，掷一硬币可能出现正面或反面，在同一工艺条件下生产出的灯泡其寿命长短参差不齐，等等。随机现象的实现和对它的观察称为随机试验。随机试验的每一可能结果称为一个基本事件，一个或一组基本事件统称随机事件，或简称事件。

数理统计是数学系各专业的一门重要课程。随着研究随机现象规律性的科学——概率论的发展，应用概率论的结果更深入地分析研究统计资料，通过对某些现象的频率的观察来发现该现象的内在规律性，并作出一定精确程度的判断和预测；将这些研究的某些结果加以归纳整理，逐步形成一定的数学概型，这些数学概型组成了数理统计的内容。

反思与练习

1.正确理解试验因素、因素水平、试验指标等有关概念，并举例说明。

2.试验设计应遵循的基本原则是什么？这些原则在试验中的作用如何？

3.如何拟订试验的程序？

4.试验研究方案有哪些类型？不完全试验方案与综合性试验方案的区别是什么？

5.拟订试验方案应注意的问题有哪些？

6.试验设计有哪些常用的优良性？在进行实验设计时，可否连续多次运用某种优良性或选择不同的优良性共集于同一设计？