常用試驗設(shè)計及其統(tǒng)計分析含演示文稿當(dāng)前第1頁\共有49頁\編于星期四\23點常用試驗設(shè)計及其統(tǒng)計分析含當(dāng)前第2頁\共有49頁\編于星期四\23點最近廣州一所小學(xué)在三四年級學(xué)生中推廣“三碗米飯實驗”,就是因為看了紀(jì)錄片(江本勝的《水知道答案》)。據(jù)說,對米飯的態(tài)度不同,結(jié)果也會不同:說好話的會發(fā)酵,散發(fā)出香氣；用力罵的會變黑發(fā)臭；而不理不睬的更糟糕,甚至?xí)鞒雠K水。據(jù)媒體報道,這些小學(xué)生做這個實驗,最后只有一個堅持下來做了一個月,發(fā)現(xiàn)一直被贊美的米飯還是白白的,只有一點黃,被用力罵的米飯變得又黑又臭,原本應(yīng)該變得更臭的不理不睬的米飯,只是變黃了。報道對這項活動贊不絕口,認(rèn)為它培養(yǎng)了小學(xué)生的愛心,改變了他們的行為。并采訪當(dāng)?shù)匾晃弧靶睦韺＜摇弊髯C:“米飯實驗得到了心理學(xué)和量子物理學(xué)的理論支持,是真實可信的?！蔽覀儾槐貞岩勺鰧嶒灥男W(xué)生造假,即便如此,這個實驗結(jié)果就值得我們相信嗎?當(dāng)前第3頁\共有49頁\編于星期四\23點一個實驗結(jié)果要讓人信服,必須符合概率統(tǒng)計規(guī)律。而且,有很多因素會影響到米飯發(fā)生的變化,例如飯量的多少,環(huán)境溫度的高低,米飯從冰箱取出放在室溫下的時間長短。一個可信的科學(xué)實驗還應(yīng)該盡量避免主觀偏差。香和臭的差別有時很模糊,容易受心理因素的影響。要避免主觀傾向,就要采取盲法?？茖W(xué)實驗的結(jié)果還必須具有可重復(fù)性,是別人能夠重復(fù)出來的,而不是只有某個人能夠做出來。否則的話,就可能是因為偶然因素、主觀偏差甚至有意造假導(dǎo)致的。不尋常的主張需要不尋常的證據(jù)，一個主張越是不尋常，支持它的證據(jù)就要越確鑿、越充分，才能讓人信服。在見到確鑿的證據(jù)之前，我們不僅不相信水或米飯能夠感知人的感情，而且還要把這種說法稱之為偽科學(xué)。當(dāng)前第4頁\共有49頁\編于星期四\23點試驗的規(guī)劃與設(shè)計圍繞檢驗假說而開展的試驗，需要全面、仔細(xì)地規(guī)劃與設(shè)計。試驗所涉及的范圍要覆蓋假說涉及的各個方面，以便對待檢驗的假說作出無遺漏的判斷。注意：生物學(xué)試驗中結(jié)果的“重演性”及比較試驗中的“唯一差異性原則”。在試驗條件相當(dāng)?shù)那闆r下，重復(fù)試驗應(yīng)得到相同的試驗結(jié)果。除需要比較的因素以外，其余的因素必須保持在同一水平。當(dāng)前第5頁\共有49頁\編于星期四\23點生物學(xué)是一門實驗性科學(xué)。收集資料，確定課題制訂方案，可行性分析進(jìn)行實驗，得出結(jié)論

物質(zhì)條件，技術(shù)方法

儀器設(shè)備的精度要求

制訂方案數(shù)據(jù)分析實驗技術(shù)123當(dāng)前第6頁\共有49頁\編于星期四\23點試驗設(shè)計的意義節(jié)省人力、物力、財力和時間減少試驗誤差，提高試驗的精確度，取得真實的試驗資料，為統(tǒng)計分析得出正確的判斷和結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ)。12第一節(jié)：試驗設(shè)計的基本原理當(dāng)前第7頁\共有49頁\編于星期四\23點嚴(yán)格要求試驗的正確執(zhí)行和試驗條件的代表性；注意試驗的環(huán)節(jié)，全面掌握試驗的條件，詳實的試驗記載考慮季節(jié)變異的特點，克服年份、地點環(huán)境條件的差異在相同的條件下，再進(jìn)行試驗或?qū)嵺`，應(yīng)能重復(fù)獲得與原試驗結(jié)果相類似的結(jié)果。123試驗結(jié)果重演重演性當(dāng)前第8頁\共有49頁\編于星期四\23點受試對象處理因素的客體，即根據(jù)研究目的而確定的觀測總體。必須對其具體條件做出嚴(yán)格規(guī)定，保證其同質(zhì)性。試驗設(shè)計的基本要素第一節(jié)：試驗設(shè)計的基本原理當(dāng)前第9頁\共有49頁\編于星期四\23點試驗材料固有的差異試驗條件不一致操作技術(shù)不一致偶然性因素的影響疏忽大意造成試驗誤差的來源第一節(jié)：試驗設(shè)計的基本原理你還能提出哪些因素？當(dāng)前第10頁\共有49頁\編于星期四\23點保證實驗材料的均一性及實驗環(huán)境的穩(wěn)定性改進(jìn)操作管理制度，使之標(biāo)準(zhǔn)化消除系統(tǒng)誤差精心選擇試驗單位采用合理的試驗設(shè)計試驗誤差的控制第一節(jié)：試驗設(shè)計的基本原理當(dāng)前第11頁\共有49頁\編于星期四\23點重復(fù)估計試驗誤差重復(fù)：試驗中同一處理實施在兩個或兩個以上的試驗單位上。如果同一處理只實施在一個試驗單位上，那么只能得到一個觀測值，則無從看出差異，因而無法估計試驗誤差的大小。只有當(dāng)同一處理實施在兩個或兩個以上的試驗單位上，獲得兩個或兩個以上的觀測值時，才能估計出試驗誤差。第一節(jié)：試驗設(shè)計的基本原理當(dāng)前第12頁\共有49頁\編于星期四\23點重復(fù)降低試驗誤差平均數(shù)抽樣誤差的大小與重復(fù)次數(shù)n的平方根成反比，所以n增加，可以降低試驗誤差。但在實際應(yīng)用時，重復(fù)數(shù)太多，試驗材料的初始條件不易控制，也不一定能降低誤差。重復(fù)數(shù)的多少可根據(jù)試驗的要求和條件而定。第一節(jié)：試驗設(shè)計的基本原理當(dāng)前第13頁\共有49頁\編于星期四\23點隨機(jī)無偏的估計試驗誤差隨機(jī)化是指在對試驗材料分組時必須使用隨機(jī)的方法，使供試材料進(jìn)入各試驗組的機(jī)會是相等，以避免試驗材料分組時試驗人員主觀傾向的影響。這是在試驗中排除非試驗因素干擾的重要手段，目的是為了獲得無偏的誤差估計量。第一節(jié)：試驗設(shè)計的基本原理當(dāng)前第14頁\共有49頁\編于星期四\23點局部控制局部控制是指在試驗時采取一定的技術(shù)措施或方法來控制或降低非試驗因素對試驗結(jié)果的影響。在試驗中，當(dāng)試驗環(huán)境或試驗單位差異較大時，僅根據(jù)重復(fù)和隨機(jī)化兩原則進(jìn)行設(shè)計，不能將試驗環(huán)境或試驗誤差所引起的變異從試驗誤差中分離出來，因而誤差較大，試驗的精確性與檢驗的靈敏度降低。第一節(jié)：試驗設(shè)計的基本原理當(dāng)前第15頁\共有49頁\編于星期四\23點局部控制降低試驗誤差在試驗環(huán)境或試驗單位差異較大的情況下，根據(jù)局部控制原則，可將整個試驗環(huán)境或試驗單位分成若干小環(huán)境或小組，稱為單位組（或區(qū)組）。因為單位組之間的差異可在方差分析時從試驗誤差中分離出來，所以局部控制原則能較好地降低試驗誤差。第一節(jié)：試驗設(shè)計的基本原理當(dāng)前第16頁\共有49頁\編于星期四\23點重復(fù)、隨機(jī)、局部控制三個基本原則是試驗設(shè)計中必須遵循的原則，再采用相應(yīng)的統(tǒng)計分析方法，就能最大程度地降低并無偏估計試驗誤差，無偏估計處理效應(yīng)，從而對于各處理間的比較作出可靠的結(jié)論。第一節(jié)：試驗設(shè)計的基本原理當(dāng)前第17頁\共有49頁\編于星期四\23點試驗方案中必須設(shè)立作為比較標(biāo)準(zhǔn)的對照動物試驗的目的就是通過比較來鑒別處理效應(yīng)大小、好壞等。為了達(dá)到這一目的，試驗方案應(yīng)當(dāng)包括各試驗處理，以及作為比較的對照。任何試驗都不能缺少對照，否則就不能顯示出試驗的處理效果。根據(jù)研究的目的與內(nèi)容，可選擇不同的對照形式。要掌握一個基本原則：除去所要比較的因素之外，其他各方面都應(yīng)與處理一致，否則，便沒有比較的意義了。第二節(jié)：簡單實驗設(shè)計當(dāng)前第18頁\共有49頁\編于星期四\23點例如，進(jìn)行添加微量元素的飼養(yǎng)試驗，添加微量元素為處理，不添加添加微量元素為對照，這樣的對照為空白對照。進(jìn)行幾微量元素添加量的比較試驗，各個處理可互為對照，不必再設(shè)對照。在對某種動物作生理生化指標(biāo)檢驗時，所得數(shù)據(jù)是否異常應(yīng)與動物的正常值作比較，動物的正常值就是所謂的標(biāo)準(zhǔn)對照。在雜交試驗中，要確定雜交優(yōu)勢的大小，必須以親本作對照，這就是試驗對照。另外，還有一種自身對照，即處理與對照在同一動物上進(jìn)行，如病畜用藥前與用藥后生理指標(biāo)的比較等。常用的還有：安慰劑對照；歷史對照等。第二節(jié)：簡單實驗設(shè)計當(dāng)前第19頁\共有49頁\編于星期四\23點第二節(jié)：簡單實驗設(shè)計對比法：一種最簡單的試驗設(shè)計方法適用于單因素試驗。例如，在對小麥進(jìn)行葉面噴施P肥的試驗中，如果只設(shè)施P（A）與不施P（B）兩個處理，因為P肥是兌在水中然后噴到小麥葉面上的，兩者的差異可能有P的作用，也可能有水的作用，無法將它們區(qū)分開。如果再加入一個噴施等量清水的處理（C），則P和水的作用可分別從A與C及B與C的比較中解析出來。當(dāng)前第20頁\共有49頁\編于星期四\23點第二節(jié)：簡單實驗設(shè)計成組比較實驗設(shè)計類別因素：比較兩種不同藥物的治療作用，可隨機(jī)將實驗動物分兩組，一組服用A藥，一組服用B藥。因素？水平？數(shù)量因素：一組每只每天補(bǔ)加10mgVit，一組每只每天補(bǔ)加20mgVit。因素？水平？注意：隨機(jī)；樣本含量；對照；實驗誤差；當(dāng)前第21頁\共有49頁\編于星期四\23點第二節(jié)：簡單實驗設(shè)計配對試驗設(shè)計。把窩別、性別相同、年齡、體重相近的兩個動物配成一對，然后用隨機(jī)的方法將每對的兩頭動物分別安排到兩組中。動物試驗中稱為配對試驗設(shè)計。同一對動物之間差異要盡量小些，不同對之間的動物可以有差異。也可進(jìn)行同一只動物前后兩次進(jìn)行不同的處理，對處理前后的結(jié)果進(jìn)行比較。當(dāng)前第22頁\共有49頁\編于星期四\23點設(shè)計示例有三種生長激素，分別用A、B、C代替，測定其對小麥株高的影響，包括對照（用等量的清水）在內(nèi)，共4個處理，進(jìn)行盆栽試驗，每盆小麥為一個單元，每處理用4盆（重復(fù)4次）共16盆。第一步：用數(shù)字代表處理A：1－4，B：5－8，C：9－12，CK：13－16第二步：抽簽或查隨機(jī)數(shù)字表，得到隨機(jī)數(shù)字14、9、7、1、5、12、16、3、11、8、4、2、6、13、10、15第二節(jié)：簡單實驗設(shè)計當(dāng)前第23頁\共有49頁\編于星期四\23點第三步：將隨機(jī)數(shù)字對應(yīng)的處理安排到相應(yīng)的盆內(nèi)。ckCBABCckACBAABckCck第二步：抽簽或查隨機(jī)數(shù)字表，得到隨機(jī)數(shù)字14、9、7、1、5、12、16、3、11、8、4、2、6、13、10、15第一步：用數(shù)字代表處理A：1－4，B：5－8，C：9－12，CK：13－16當(dāng)前第24頁\共有49頁\編于星期四\23點第三節(jié)：隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(randomizedblockdesign)例：研究4種不同化療藥物對動物白細(xì)胞含量的影響?？蓪?6只動物隨機(jī)化的方法，將它們均等分配到4個處理中。將16只動物放在一起進(jìn)行隨機(jī)化，對動物的同質(zhì)性要求是很困難的。怎么辦？當(dāng)前第25頁\共有49頁\編于星期四\23點可以選擇前后出生的4窩動物，每窩選出4只相似的個體，如性別相同、出生體重相同等，這4只動物稱為一個區(qū)組，分別接受四種不同藥物，在區(qū)組內(nèi)哪一只動物接受哪一種藥物完全是隨機(jī)的。動物號窩別ⅠⅡⅢⅣ134.733.227.132.9233.32623.331.4326.228.627.825.7431.632.326.728當(dāng)前第26頁\共有49頁\編于星期四\23點第三節(jié)：隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(randomizedblockdesign)隨機(jī)區(qū)組設(shè)計是根據(jù)局部控制和隨機(jī)原理進(jìn)行的它在完全隨機(jī)設(shè)計的基礎(chǔ)上增加了局部控制的原則，從而將試驗環(huán)境均勻性的控制范圍從整個試驗地縮小到一個區(qū)組，區(qū)組間的差異可以通過統(tǒng)計分析方法使其與試驗誤差分離，所以隨機(jī)區(qū)組設(shè)計的試驗精確度較高。設(shè)計特點當(dāng)前第27頁\共有49頁\編于星期四\23點例：5種中草藥飼料添加劑分別以A1、A2、A3、A4、A5表示，供試4窩仔豬分別按體重依次編號為：1-5號為第Ⅰ組，6-10號為第Ⅱ組，11-15號為第Ⅲ組，16-20為第Ⅳ組。試按隨機(jī)單位組設(shè)計將試驗仔豬分組。當(dāng)前第28頁\共有49頁\編于星期四\23點3因素3水平33＝27影響某種雞的生產(chǎn)性能有3個因素A因素：飼料配方，A1、A2、A3B因素：光照，B1、B2、B3C因素：溫度，C1、C2、C3當(dāng)前第29頁\共有49頁\編于星期四\23點

33試驗的全面試驗方案C1C2C3A1B1A1B1C1A1B1C2A1B1C3B2A1B2C1A1B2C2A1B2C3B3A1B3C1A1B3C2A1B3C3A2B1A2B1C1A2B1C2A2B1C3B2A2B2C1A2B2C2A2B2C3B3A2B3C1A2B3C2A2B3C3A3B1A3B1C1A3B1C2A3B1C3B2A3B2C1A3B2C2A3B2C3B3A3B3C1A3B3C2A3B3C3當(dāng)前第30頁\共有49頁\編于星期四\23點對于單因素或兩因素試驗，因其因素少，試驗的設(shè)計、實施與分析都比較簡單。在實際工作中，常需要同時考察3個或3個以上的試驗因素，若進(jìn)行全面試驗，則試驗的規(guī)模很大，往往因試驗條件的限制而難以實施。3因素3水平33＝274因素4水平44＝256第四節(jié)：正交設(shè)計當(dāng)前第31頁\共有49頁\編于星期四\23點正交設(shè)計正交設(shè)計就是安排多因素試驗、尋求最優(yōu)水平組合的一種高效率試驗設(shè)計方法。在試驗的全部處理組合中，僅挑選部分有代表性的水平組合（最優(yōu)組合）進(jìn)行試驗。特點用部分試驗來代替全面試驗，通過對部分試驗結(jié)果的分析，了解全面試驗的情況。當(dāng)前第32頁\共有49頁\編于星期四\23點一正交表及特點正交表因素的水平數(shù)最多可安排的因素（互作）數(shù)試驗次數(shù)（水平組合數(shù)）當(dāng)前第33頁\共有49頁\編于星期四\23點

ABCD1234111112122231333421235223162312731328321393321此表共有4列，可以安排4個因素;每一列有1、2、3三種數(shù)字，代表各因素的不同水平;表中有9行，代表9個不同處理組合。當(dāng)前第34頁\共有49頁\編于星期四\23點12345671111111121112222312211224122221152121212621221217221122182212112右圖是一典型的正交表.“L”表示此為正交表,“8”表示試驗次數(shù),“2”表示兩水平,“7”表示試驗最多可以有7個因素(包括單個因素及其交互作用).當(dāng)前第35頁\共有49頁\編于星期四\23點正交表的兩條重要性質(zhì):1)每列中不同數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)是相等的，如L9(34)中，每列中不同的數(shù)字是1，2，3，它們各出現(xiàn)3次；2)在任意兩列中，將同一行的兩個數(shù)字看成一個有序數(shù)對，則每一數(shù)對出現(xiàn)的次數(shù)是相等的，如L9(34)中有序數(shù)對共有9個:(1,1),(1,2),(1,3),(2,1),(2,2),(2,3),(3,1),(3,2),(3,3),它們各出現(xiàn)一次。

所以，用正交表來安排試驗時，各因素的各種水平的搭配是均衡的，這是正交表的優(yōu)點。當(dāng)前第36頁\共有49頁\編于星期四\23點正交設(shè)計一般有以下幾個步驟：

(一)確定因素和水平影響試驗結(jié)果的因素很多，我們不可能把所有影響因素通過一次試驗都予以研究，只能根據(jù)以往的經(jīng)驗，挑選和確定若干對試驗指標(biāo)影響最大、有較大經(jīng)濟(jì)意義而又了解不夠清楚的因素來研究。同時還應(yīng)根據(jù)實際經(jīng)驗和專業(yè)知識，定出各因素適宜的水平，列出因素水平表。例：在進(jìn)行礦物質(zhì)元素對架子豬補(bǔ)飼試驗中，考察補(bǔ)飼配方、用量、食鹽3個因素，每個因素都有3個水平。試安排一個正交試驗方案。當(dāng)前第37頁\共有49頁\編于星期四\23點(二)選用合適的正交表選用正交表的原則是：既要能安排下試驗的全部因素，又要使部分水平組合數(shù)（處理數(shù)）盡可能地少。一般情況下，試驗因素的水平數(shù)應(yīng)恰好等于正交表記號中括號內(nèi)的底數(shù)；因素的個數(shù)（包括交互作用）應(yīng)不大于正交表記號中括號內(nèi)的指數(shù)；各因素及交互作用的自由度之和要小于所選正交表的總自由度，以便估計試驗誤差。若各因素及交互作用的自由度之和等于所選正交表總自由度，則可采用有重復(fù)正交試驗來估計試驗誤差。當(dāng)前第38頁\共有49頁\編于星期四\23點此例有3個3水平因素，若不考察交互作用，則各因素自由度之和為因素數(shù)個數(shù)×(水平數(shù)-1)=3(3-1)=6，小于L9(34)總自由度9-1=8，故可以選用L9(34)；若要考察交互作用，則應(yīng)選用L27(313)，此時所安排的試驗方案實際上是全面試驗方案。當(dāng)前第39頁\共有49頁\編于星期四\23點(三)表頭設(shè)計所謂表頭設(shè)計，就是把挑選出的因素和要考察的交互作用分別排入正交表的表頭適當(dāng)?shù)牧猩?。在不考察交互作用時，各因素可隨機(jī)安排在各列上；若考察交互作用，就應(yīng)按該正交表的交互作用列表安排各因素與交互作用。此例不考察交互作用，可將礦物質(zhì)元素補(bǔ)飼配方(A)、用量(B)和食鹽(C)依次安排在L9(34)的第1、2、3列上，第4列為空列，見表12-23。當(dāng)前第40頁\共有49頁\編于星期四\23點(四)列出試驗方案把正交表中安排各因素的每個列(不包含欲考察的交互作用列)中的每個數(shù)字依次換成該因素的實際水平，就得到一個正交試驗方案。表12-24就是[例12.4]的正交試驗方案。當(dāng)前第41頁\共有49頁\編于星期四\23點根據(jù)表12-24，1號試驗處理是A1B1C1，即配方I、用量15g、食鹽為0；2號試驗處理是A1B2C2，即配方II、用量25g、食鹽為4g，…；9號試驗處理為A3B3C2，即配方III、用量20g、食鹽4g。當(dāng)前第42頁\共有49頁\編于星期四\23點例如：某水稻栽培試驗選擇了3個水稻優(yōu)良品種（A）：二九矮、高二矮、窄葉青，3種密度（B）：15、20、25（萬苗/畝），3種施氮量（C）：3，5，8（kg/畝），可以用L9(34)正交表安排試驗如下：試驗號試驗因素ABC111121223133421252236231731383219332當(dāng)前第43頁\共有49頁\編于星期四\23點實驗設(shè)計例題分析例1

研究性學(xué)習(xí)小組的同學(xué)在某電鍍廠排水口采集重金屬污染液l00OmL。利用以下實驗材料和器材設(shè)計實驗，探究不同濃度重金屬污染液對水稻種子萌發(fā)和生長的影響。實驗材料和器材：水稻種子；試管；培養(yǎng)皿；尺子（l00mm)；紗布；恒溫光照培養(yǎng)箱，溫度設(shè)定為28℃，光強(qiáng)度為200OLux；蒸餾水；(實驗材料和器材的數(shù)量不限)

根據(jù)給出的實驗材料和器材，請設(shè)計實驗方法和步驟，預(yù)測實驗結(jié)果并作出分析。

(1)方法和步驟：

(2)結(jié)果預(yù)測和分析：當(dāng)前第44頁\共有49頁\編于星期四\23點實驗設(shè)計例題分析（1）方法和步驟：①用蒸餾水將重金屬污染液逐級稀釋1、5、10、50倍（稀釋過程中pH值的變化可不作考慮），獲得4種不同濃度的污染液；②挑選籽粒飽滿、大小一致的水稻種子250粒，隨機(jī)分成5組，50粒／組；③取5只培養(yǎng)皿，墊上紗布；其中4只培養(yǎng)皿加入等體積的不同濃度重金屬污染液（浸潤紗布即可），另1只培養(yǎng)皿加入等體積的蒸餾水作為對照；④在每只培養(yǎng)皿的紗布上，均勻放置50粒水稻種子；⑤將5只培養(yǎng)皿置于恒溫光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)；每天實驗組補(bǔ)充等量蒸餾水，以保持紗布的濕潤；⑥1周后統(tǒng)計各組的發(fā)芽率；用尺子測量幼苗株高（或根長），計算其平均值。（2）結(jié)果預(yù)測和分析：不同濃度的重金屬污染液對水稻種子的萌發(fā)均有抑制作用，隨著濃度的增加，萌發(fā)率逐漸降低；不同濃度的重金屬污染液對水稻幼苗的生長均有抑制作用，隨著濃度的增加，株高（或根長）逐漸降低。當(dāng)前第45頁\共有4