第七章试验设计基础与抽样方法

第八章实验设计基础与抽样方法1试验设计概述1.1试验设计的意义和任务试验设计是数理统计学的一个重要分支，是进行科学研究的重要工具。试验研究可分为试验设计、试验实施、收集资料、整理资料和分析资料等步骤。试验设计:是指整个研究课题的设计，包括:•课题的确定•试验方案的拟定•试验材料的选择和分组•资料收集•统计分析方法狭义的试验设计：是指重复数的确定、对试验材料的选择与分组。就是研究安排试验并对结果进行统计分析的一门学问。试验设计的任务•研究工作之前，合理地安排试验；•有效地控制试验误差干扰；•力求用较少的人力、物力、财力和时间，最大限度地获得丰富而可靠的资料；•充分利用和科学分析获取的试验信息；•能明确回答研究项目所提出的问题和尽快获得最优方案。1.2试验设计的作用•可以分清试验因素对试验指标影响的大小顺序，找出主要因素，抓住主要矛盾。•了解试验因素对试验指标影响的规律性。•了解试验因素之间相互影响的情况。•可较快地找出最优生产条件和工艺条件，确定最优方案，预估或控制一定条件下的试验指标值及其波动范围。•正确估计、有效控制和降低试验误差，提高试验的精度。•对试验结果分析，明确进一步研究的方向。1.3试验设计方法的主要内容完全随机设计随机区组设计正交试验设计均匀设计回归正交设计回归正交旋转设计等2基本概念2.1试验指标在试验设计中，选定的用来衡量或考核试验效果的质量特性称为试验指标。定量指标和定性指标单指标试验和多指标试验2.2试验因素试验中，凡对试验指标可能产生影响的原因或要素，都称为因素，也称因子。试验中所研究的影响试验指标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。单因素试验、双因素试验、多因素试验2.3因素水平试验因素所处的各种状态称为因素水平，简称水平。在试验设计中，1个因素选几个水平，就称该因素为几个水平因素。各因素不同水平用表示因素的字母加足标1，2，3，…的方法来表示。如A1，A2；B1、B2、B3表表示。因素的水平，有的可用具体数值表示，如10℃、20℃、30℃；4kg、5kg、kg6。2.4试验处理试验处理，是指事先设计好的实施在试验单位上的一种具体措施。在单因素试验中，试验的1个水平就是1个处理。在多因素试验中，由于因素和水平较多，可以形成若干个水平组合，每个水平组合就是1个处理2.5试验单位在试验中能接受不同试验处理的试验载体叫做试验单位（试验单元）。2.6重复在1个试验中，将1个处理实施在2个或2个以上的试验单位上称为重复。1个处理实施的试验单位数称为处理的重复数，或者说某个水平组合重复n次试验，这个处理的重复数就是重复数。2.7全面试验对所选取的试验因素的所有水平组合全部实施1次以上的试验称全面试验。如3因素试验，每个因素取3个水平时，有27种试验处理；倘若是4因素试验，每因素取4个水平，则有44=256种试验处理，这在实践中是做不到的。因此，全面试验是有局限性的，它只适用于因素和水平数目均不太多的试验。2.8部分实施部分实施也叫部分试验，从全部试验处理中选取部分有代表性的处理进行试验，如正交试验设计和均匀设计都是部分实施。部分实施可使试验规模大为缩小。如一个4因素5水平试验，全面试验至少需进行625次试验，而用均匀设计表安排试验，仅需5次试验。3食品试验研究的主要内容为了试制新产品，改革旧工艺，降低物料消耗，不断提高产品质量，往往需要进行大量的试验。试验最终都是为了找出在某种条件下最合理的工艺条件或设计参数，从而达到提高产品质量或工程质量的目的。3.1食品的线性质量研究和非线性质量研究线性质量研究: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、改善与检查，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过程中紧密地把专业知识和统计分析结合起来，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。3.2食品质量研究的几个阶段食品质量研究大体可分为以下几个阶段：a.食品规划阶段根据市场的需要决定食品的功能和价格b.食品设计阶段可分为3个步骤：系统设计:决定食品的结构和材料。参数设计:找出食品最佳性状的工艺条件和参数组合。允许误差设计:决定食品质量的适当的公差范围。c.工艺设计阶段由工艺人员决定采用何种原料、何种加工设备、怎样的加工工序等.d.生产制造阶段主要是对生产现场进行及时的动态管理，包括工序的诊断、调节及改善食品的检查设计。e.食品的销售阶段主要是搞好市场销售服务及市场信息的收集、调查和分析。3.3系统设计、参数设计和允许误差设计a.系统设计系统设计又称传统设计，是依靠专业技术进行的设计。例如要开发设计某种食品，根据食品的质量要求，对于原料、包装、加工工艺等的选择都是由专业技术人员决定的。系统设计的质量完全取决于专业技术人员的技术水平高低。b.参数设计参数设计是一种非线性设计，它是在系统设计的基础上，正交回归试验、均匀试验和混料试验以及与其配套的统计分析方法来研究各种参数组合与食品质量特性的非线性关系，以便找出特性波动最小的最佳参数组合。所以又称为参数组合的中心值设计。c．允许误差设计就是通过研究多种允许误差(包括产品与原材料两方面的允许误差)范围与质量研究费用的关系进而对食品质量和成本进行综合平衡。4食品试验的基本要求和注意事项4.1基本要求a.要用系统工程思想指导试验研究所谓系统，就是一系列互有关联的事物。把事物作为一个系统的组成部分来看，就是系统思想。按系统思想来分析事物，利用适当的数学模型来表达系统内部、系统与环境、系统与系统之间定性定量的关系，并求出最佳方案，就是所谓系统分析。将系统分析所得到的结论付诸实施就是系统工程学。b.要注重试验研究的效度试验的结果能反映所考察的因素与试验指标间真实关系的程度称为试验的效度。试验的效度可以从两方面看：一是内在效度，指试验是否真的引起显著性差异，也就是要强调试验的重演性。内在效度高、重演性就好。它可以通过试验设计而得到提高；二是外在效度，指试验的结果能推广到什么范围，亦即强调试验的代表性问题。试验成果推广范围越广，其代表性就越强。c.要认真实施试验研究的全过程试验的过程实际上可归结为设计、试验、检查、处理4个阶段。在试验的设计阶段要明确试验的目的性，研究设计的周密性与科学性。要具体回答好6个问题，即：为何干(必要性)?干什么(目的)?何处干(地点)?何时干(时间)?谁来干(承担者)?怎么干(方法)?•在试验阶段，应注意条件的一致性，确保操作的正确性，具体可从操作者、材料、方法、管理方面着手。•在检查阶段，要抓样本的代表性，判断数据的可靠性。要做到真实、合理、可靠、可信。•在处理阶段，要分析结果的可信性，考察结论的重演性。要手、心、脑并用。通过分析掌握信息、论证假设、判断总体，指导实践。4.2注意事项进行试验的时候，至少应注意以下几点：a.要积极地驾驭试验进行每一个试验都要有整体观念、系统思想，要把其当做“整机”的“零件”，考虑到组装的需要。为试验而做试验，毫无意义。b.要注意试验目的是否明确没有明确的目的，就谈不上科学周密的设计。未经设计的试验是无用的试验。对课题缺乏深刻的认识，就难以明确试验的目的。c.试验管理是否严格试验设计就是对整个试验进行科学管理。试验管理的重点是控制条件、规范操作和准确地获取数据。d.要注意试验过程中的观察进行一次试验，机会难得，试验现场难得。要注意观察试验过程中的每一细节，要详审细察、善疑多思。观察时，既能够捕捉预定事物，又要保持警觉，善于捕捉异常现象。新的发现往往出自“异常”。e.设计与分析应并重任何成功的试验都始于设计而终于分析。在设计试验时，必须考虑到与之配套的统计分析方法。设计的缺陷是“先天不足”，分析的草率是“后天不足”。f.要务真求实，应即时检查核对、整理试验数据收集、记录试验数据要坚持实事求是，不要有意无意地让数据染上主观的色彩，对于本质上具有“意外”意义的数据非当不能舍弃，相反更需要加以详细记载，以便分析。g.要特别注意，实际的事实与对事实的解释完全是两码事,解释的谬误比试验的谬误更易把人引入歧途。不应随意让推理的进程超越已有的事实。h.成功的试验是基本事件可以再现的试验所以，在验证试验时，最重要的是注意观察某事件是否发生，而不必要求样本空间中某一特定数值一定出现。5．试验设计的基本原则在试验设计中，为了尽量减少试验误差，就必须严格控制试验干扰。试验干扰:是指那些可能对试验结果产生影响，但是在试验中未加以考察，也未加以精确控制的条件因素。为保证试验结果的精确度，各种试验组合处理必须在基本均匀一致的条件因素下进行，应尽量控制或消除试验干扰的影响。进行试验设计时必须严格遵循试验设计的3个基本原则——重复、随机化、局部控制。5.1重复原则所谓重复，是指在试验中每种处理至少进行2次以上。重复试验是估计和减小随机误差的基本手段。由于随机误差是客观存在的和不可避免的，只有在同一条件下重复试验，才能利用同一条件下取得的多个数据的差异，把随机误差估计出来。多次重复试验的平均值的随机误差比单次试验值的随机误差小。5.2随机化原则在试验中，每一个处理及每一个重复都有同等的机会被安排在某一特定的空间和时问环境中，以消除某些处理或其重复可能占有的“优势”或“劣势”，保证试验条件在空间和时间上的均匀性。随机化可有效排除非试验因素的干扰，从而可正确、无偏地估计试验误差，并可保证试验数据的独立性和随机性，以满足统计分析的基本要求。5.3局部控制局部控制是指在试验时采取一定的技术措施方法减少非试验因素对试验结果的影响。做一项试验，总是希望试验条件基本上保持一致。这样得到的试验结果才可以直接看成试验因素对试验指标的影响情况，因素的不同水平之间才具有可比性。反之，就会引人系统误差。6试验计划与方案6.1试验计划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几个方面：6.1.1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。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”，亦即通过此项研究达到的目的是什么，解决什么问题，以及在科研生产中的效果如何。选题时应注意以下几点：(1)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；而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。要着眼于食品科学研究和生产中急需解决的问题，适当考虑长远或不久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。新颖(4)可行性。即完成科研课题的可能性。(资源、条件、团队、基础工作)6.1.2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、国内外在该领域的研究概况、水平和发展趋势、理论依据、特色、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。6.1.3试验方案、试验设计方法试验方案是全部试验工作的核心部分，主要包括研究的因素、水平的确定。方案确定后要结合试验条件确定合适的试验设计方法，通过设计使方案进一步具体化。6.1.4受试材料的数量及要求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