第一篇：實驗設計的要素與原則

第一節

實驗設計的基本要素

一個良好的科學實驗設計是順利進行科學研究和數據統計分析的前提，同時也是或得預期結果的重要保證。一個完善的統計學研究設計包括三個基本要素：受試對象、處理因素和試驗效應。例如，研究某降壓藥對原發性高血壓患者的降壓效果，其中高血壓患者即為受試對象，這種降壓藥為處理因素，血壓的變化便是試驗效應。科研工作者在進行醫藥方面的科學研究之前，必須要制定完善的統計研究設計方案，如何選擇這三個要素，是實驗成敗的關鍵。因此，任何實驗研究在設計時，必須明確這三個要素。

一、受試對象

受試對象是處理因素作用的客體，應該根據研究目的來確定。受試對象的選擇一般有以下幾種情形：l、一般醫學科研——常用動物、離體標本或人體內取得的某些樣本作為受試對象；

2、新藥的臨床前試驗——一般用動物作為受試對象；3．新藥的臨床試驗階段——一般用人作為受試對象。新藥臨床試驗一般分為4期，在1期臨床試驗階段，通常用健康志愿者作為受試對象；而在其他各期臨床試驗階段，常用患特定疾病的患者作為受試對象。選擇什么樣的患者，應有嚴格的規定。

選擇受試對象應有明確的納入標準和排除標準。首先，受試對象應滿足兩個基本條件：一是對處理因素敏感；二是反應必須穩定。其次是為是研究結果普遍性和推廣價值，需保證受試對象的同質性和代表性。

二、處理因素

處理因素是研究者根據研究目的而施加的特定的實驗因素，例如給予的某種降壓藥。實驗研究的目的不同，對實驗的要求也不同。若在整個實驗過程中影響觀察結果的因素很多，就必須結合專業知識，對眾多的因素做全面分析，必要時做一些預實驗，區分哪些是重要的實驗因素，哪些是非重要的實驗因素，以便選用合適的實驗設計方法妥善安排這些因素。水平選取的過于密集，實驗次數就會增多，許多相鄰的水平對結果的影響十分接近，不僅不利于研究目的的實現，而且將會浪費人力、物力和時間；反之，該因素的不同水平對結果的影響規律不能真實地反映出來，易于得出錯誤的結論。除此以外，處理因素應當標準化，在實驗過程中同一處理組的處理因素應始終保持不變，包括處理因素的施加方法、強度、頻率和持續時間等。在缺乏經驗的前提下，應進行必要的預實驗或借助他人的經驗，選取較為合適的若干個水平，如藥物的種類、處理方法的種類等。應結合實際情況和具體條件，選取質最因素的水平，千萬不能不顧客觀條件而盲目選取。

三、實驗效應

實驗效應是反映在處理因素的作用下，受試對象的反應或結局，它必須通過具體的指標來體現。要結合專業知識，盡可能多地選用客觀性強的指標，在儀器和試劑允許的條件下，應盡可能多選用特異性強、靈敏度高的客觀指標。對一些半客觀（如讀取病理切片或X片上所獲得的結果）或主觀指標（如給某些定性實驗結果人為打分或賦值），一定要事先規定讀取數值的嚴格標準，必要時還應進行統一的技術培訓。此外，指標的觀察應避免帶有偏性或偏倚，否則會影響結果的比較和分析，為消除或最大限度的減少這種偏性，在實驗設計時通常采用盲法。

第二節

實驗設計的基本原則

在實驗設計時，為了更好地控制非處理因素對結果的影響，取得更為可靠的信息，達到比較高的科研目的，必須遵循實驗設計的四大原則，即隨機、對照、重復和均衡原則。

一、隨機原則

隨機化是采用隨機的方式，使每個受試對象都有同樣的機會被抽到或分配到實驗組和對照組。隨機化使大量的難以控制的非處理因素在試驗組和對照組中的影響相當，并可歸于實驗誤差之中；它是對資料進行統計推斷的前提，各種統計分析方法都是建立在隨機化的基礎之上。

隨機化應貫穿于實驗研究的全過程，在受試對象的抽樣、分組以及試驗實施過程中均應遵循隨機化原則。主要體現在以下兩方面：一是隨機抽樣：每個符合條件的受試對象被抽取的機會相等，即總體中的每一個個體都有相同的機會被抽到樣本中去；二是隨機分組：每個受試對象被分到個處理組的機會相等，它保證了大量難以控制的非處理因素在對比盡可能地均衡，以提高組間的可比性。

隨機原則的實施主要是通過運用“隨機數”實現隨機化，在一般情況下運用“隨機排列表”和“計算機（或計算器）產生偽隨機數”實現隨機化。

二、對照原則

在確定接受處理因素的試驗組時，應同時設立對照組，只有通過設立對照，才能使處理因素的效應顯示出來，消除了非處理因素的影響。同時設立對照還可消除和減少試驗誤差，如果在試驗中不設立對照，往往會將非處理因素造成的偏倚當成處理因素造成的效應，從而得出錯誤的結論。

對照有多種形式，可根據研究的目的和內容不同而加以選擇。常用的有以下幾種選擇：

1.空白對照

對照組不施加任何處理因素，在動物實驗和實驗室方式研究中最常見，常用于評價測量方法的準確度，評價實驗是否處于正常狀態等。在臨床試驗中，空白對照雖簡單易行，但涉及倫理學方面的問題，且實施過程中容易引起試驗組和對照組在心理上的差異，從而影響結果的可靠性，因此較少使用。

2.實驗對照

對照組不施加處理因素，但施加某種實驗因素。例如觀察賴氨酸對兒童發育的影響，實驗組兒童間施加賴氨酸的面包，對照組為不加賴氨酸的面包。處理因素是賴氨酸，而面包量這一實驗因素保持相同，使兩組均衡。

3.自身對照

對照與實驗在同一受試對象身上進行，例如身體對稱部位或實驗前后兩階段分別接受不同的實驗因素，一個為對照，一個為實驗，比較其差異。

4.標準對照

不設立對照組，而是用現有的標準或正常值作為對照。此種方法在臨床試驗中用的較多，因為在很多情況下不給患者任何治療是不道德的。例如試驗指標收縮壓的對比，即可用正常值90~120mmHg作對照。實驗研究一般不用標準對照，因為實驗條件不一致，常常影響對比結果。

5.相互對照

指不另設對照組，而是幾個實驗組相互對比對照，在等組實驗法中，大都是運用對照，如“植物的向性”的等組實驗中，幾個個實驗組所采用的都是相互對照，較好的平衡和抵消了無關變量的影響，使實驗結果更具有說服力

6.歷史對照

又稱為文獻對照或回顧對照，此種方法也無對照組，它是與他人或本人過去研究的結果進行對比。由于這種比照不易均衡，所以一般不宜使用，只能作為討論的參考。

三、重復原則

重復是消除非處理因素影響的又一重要手段。重復程度表現為樣本含量的大小和重復次數的多少，即就是在相同實驗條件下必須做多次獨立重復實驗，以提高實驗的可靠性和科學性。廣義上講，重復包括三種情形：

1.整個實驗的重復：它確保了實驗的重現性，從而提高了實驗的可靠性。不可重復的實驗是沒有科學性的。

2.用多個受試對象進行重復：它避免了把個別情況誤認為普遍情況，把偶然或巧合的現象當成必然的規律，將實驗結果錯誤的推廣到群體。

3.同一受試對象的重復觀察：它確保了觀察結果的精密度。例如測量脈搏時可連續測量3次，以3次的平均數作為最終結果。

四、均衡原則

所謂均衡，就是指在設立對照時除給予的處理因素不同外，對照組和試驗組的其他重要的、可控制的非處理因素應保持一致。在整個實驗過程中應該嚴格控制這種一致性，一致性越好，就能越顯示實驗的處理因素，從而減少非處理因素對結果的影響。一個實驗設計方案的均衡性好壞，關系到實驗研究的成敗。應充分發揮具有各種知識結構和背景的人的作用，群策群力，方可有效地提高實驗設計方案的均衡性。

第二篇：通州畢業考試實驗設計原題

37.實驗桌上有如下實驗器材：符合實驗要求的低壓電源一個（由于分度值過大不能讀出電壓具體數值），阻值已知的定值電阻R1，R2，電壓表一塊，開關一個，導線若干。請利用上述實驗器材設計實驗證明：在串聯電路中，當R1，R2阻值不變時，R1兩端的電壓U1和電源兩端電壓U的關系為U1=KU。畫出實驗電路圖，寫出實驗步驟，并設計實驗數據記錄表。

第三篇：實驗設計與分析讀書報告

實驗設計與分析讀書報告

[摘要]實驗設計與分析是用于經濟地、科學地安排試驗的一項技術。《試驗設計與分析》是實驗設計與分析領域的名著，全書內容廣泛，實例豐富。可作為自然科學研究人員、工程技術人員、管理人員進行科學實驗設計與分析的參考書，是產品設計和開發、工序設計和改進等方面非常實用的工具。

本文首先講述了實驗設計分析的原理、方法、特點、步驟以及實驗設計及統計分析的注意事項，然后介紹了幾種常用的實驗設計方法的原理、特點及用法，最后總結了學習《實驗設計與分析》后的一些心得體會。

[關鍵詞]：實驗設計與分析；正交實驗；穩健設計；統計設計；響應變量；統計設計

目錄

1.2.引言...................................................................................................................................1 實驗設計與分析簡介.......................................................................................................1 2.1 什么是實驗設計...........................................................................................................1 2.2 發展歷史及分類...........................................................................................................2 2.3.實驗設計的目的.........................................................................................................2 2.4.基本原理.....................................................................................................................2 2.5.實驗設計實施的方法與步驟.....................................................................................3 2.6.實驗設計的應用.........................................................................................................3 2.7.注意事項.....................................................................................................................3 3.實驗設計方法介紹...........................................................................................................4 3.1 全面實驗.......................................................................................................................4 3.2 正交實驗.......................................................................................................................4

3.2.1 正交實驗的特點：...........................................................................................4 3.2.2 正交實驗的類型和分析方法...........................................................................4 3.2.3 實施正交實驗的基本步驟和方法...................................................................5 3.3 穩健設計.......................................................................................................................5

3.3.1 穩健設計的優點...............................................................................................5 3.3.2 穩健設計的實施步驟.......................................................................................5

結束語.............................................................................................................................................6 參考文獻.........................................................................................................................................6

1.引言

現代科技的發展離不開實驗分析，現代實驗不單是通過觀察現象和測試數據來驗證假設，更重要的是現代科技創新和發明的重要手段。所有理論分析不能解決的問題均可利用實驗的手段去摸索，特別是在工程領域內。科研是很注重實際應用效果，無論是對零件、部件和整機的結構、性能研究，還是對新配方、新工藝的探索，實驗都是必須的手段。幾乎沒有一項應用研究成果是不需要實驗分析和實驗論證的。

如果要最有效地進行科學實驗，必須用科學方法來設計。所謂實驗的統計設計，就是設計實驗的過程，使得收集的數據適合于用統計方法分析，得出有效的和客觀的結論。如果想從數據作出有意義的結論，用統計方法作實驗設計是必要的。當問題涉及到受實驗誤差影響的數據時，只有統計方法才是客觀的分析方法。這樣一來，任一實驗問題就存在兩個方面：實驗的設計和數據的統計分析。這兩個課題是緊密相連的，因為分析方法直接依賴于所用的設計。實驗設計方法已在很多學科中得到廣泛的應用。

《實驗設計與分析》作為實驗設計與分析領域的名著，是作者在亞利桑那州立大學、華盛頓大學和佐治亞理工學院三所大學近40年實驗設計教學經驗的基礎上編寫的。

全書內容廣泛，包括實驗設計與分析的基本原理、特點、方法、發展及應用等，而且實例豐富，簡單比較實驗、析因設計、分式析因設計、擬合回歸模型、響應曲面方法和正交設計、穩健參數設計和過程穩健性研究、含隨機因子的實驗、嵌套設計和裂區設計等。

通過本書的學習讓我對實驗設計與分析有了更深入的了解，對設計實驗與分析的有了科學和系統的認識，明確了設計思路、方向，學習了多種實驗設計與分析方法，為以后科研實驗提供了極大的參考及指導作用。

2.實驗設計與分析簡介

2.1 什么是實驗設計

實驗是研究者實際上在各個研究領域進行的，通常是發現關于一個特定過程或系統的某些事情。一個實驗是一個試驗，一個設計的實驗是一個試驗或一系列試驗，它對一個過程或系統的輸入變量(人、機、料、法、環)作一些有目的的改變，以使能夠觀察到和識別出引起輸出響應變化的緣由。

通常形象地將過程看作是人，機，料，法，環的一種組合，它把一些輸入轉變為有一個或多個可觀察的響應的一種輸出，過程的一些變量x1,x2,...Xn是可控制的，.過程的另一些變量z1,z2,...Zn是不可控制的，響應是可以觀察或測量的一個或多個的輸出。

2.2 發展歷史及分類

早期的實驗設計與分析法(ANOVA)于1920由英國生物統計學家、數學家費歇(RA Fisher)提出，Fisher首先開發并應用了方差分析作為實驗設計中的統計分析基本方法，最初主要應用農業、生物學、遺傳學等方面的研究。隨后英、美、蘇對之進行研究推廣到工業生產領域。

傳統的正交實驗(Orthogonal array)于1950由日本田口玄一(Taguchi)等創造，隨后迅速推廣到日本工農業生產的各個領域，成為日本工商企業管理界人員必備的技術。

穩健設計法(Robustness)于1970由日本田口玄一(Taguchi)等創造，穩健設計是對傳統正交實驗的改進，最初主要應用于二戰之后的日本，隨后在日本，美國等國家的許多公司得到成功的應用和發展。

現代還出現了多元化的實驗方法，包括：殘差分析(Residual analysis)、應用回歸分析(Regression)、分式析因實驗(Fractional factorial design)、曲面響應和調優運算(RSM & EVOT)等。

2.3.實驗設計的目的

1)確定哪些變量對響應輸出Y最有影響，即找出最顯著因素；

2)確定有影響的變量x設置在何處可使響應輸出Y幾乎總是接近所期望的額定值； 3)確定有影響的變量x設置在何處可使響應輸出Y的變異性較小； 4)確定有影響的變量x設置在何處使得不可控的變量z的效應最小。

2.4.基本原理

一種實驗要最有效地實行的話，必須用科學方法來設計實驗。所謂實驗的統計設計，就是設計實驗的過程，使得收集的數據適合于用統計方法分析，得出有效的和客觀的結論。如果想從數據作出有意義的結論，用統計方法做實驗設計是必要的。

實設計有三個基本原理：重復，隨機化和區組化。

1)重復即基本實驗的重復進行，它有兩條重要的性質：第一，允許實驗者得到實驗

誤差的一個估計量；這個誤差的估量值成為確定數據的觀察差是否是統計上的實際差的基本度量單位。第二，如果用樣本均值作為實驗中一個因素的效應的估計量，則重復允許實驗者求得這一效應的更為精確的估計量。

2)隨機化是實驗設計使用統計方法的基石，所謂隨機化即實驗材料的分配和實驗進行的次序都是隨機地確定的，統計方法要求觀察值（或誤差）是獨立分布的隨機變量，有助于“平均出“可能出現的外來因素的效應。

3)區組化是用來提高實驗精確度的一種方法。一個區組是實驗材料的一個部分，相比于實驗材料的全體，它們本身的性質應該更為類似。對實驗進行區組，有助于提高實驗的精確度。

2.5.實驗設計實施的方法與步驟

在設計和分析一個實驗時要使用統計方法的話，和實驗有關的每個人必須預先對所研究的問題究竟是什么，如何收集數據，要有清晰的認識，至少對如何分析這些數據要有定性的了解，推薦的實驗設計實施的方法與步驟如下：

1)問題的識別和問題的提法； 2)因素和水平的選擇； 3)響應變量的選擇； 4)實驗的設計的選擇； 5)進行實驗； 6)數據的分析； 7)結論和建議。

2.6.實驗設計的應用

實驗設計方法可以應用在很多領域中。實際上我們可以把實驗本身看作為科學方法的一部分，看作是探索系統或過程如何工作的一種途徑。

將實驗設計應用在工序的早期開發中，可以提高產量；可以減少變異性，與目標值更為一致；減少工序的開發時間；減少工序開發的總成本。

將實驗設計應用在開發新產品和改進老產品的工程設計活動中，使產品較容易制造；提高產品適應現場條件的性能；提高產品的可靠性；降低產品的成本；縮短產品設計和開發的時間。

2.7.注意事項

在工程、科學和工業中大多的研究工作都是以經驗為根據的，并且廣泛使用實驗方法。統計方法大大提高了這些實驗的效率并經常強化了由此得出的結論。在實驗方法中要明智的使用統計方法就要求實驗者在思想上牢記下列各點：

1)必需對所研究的問題非常熟悉，需要有豐富的實踐經驗和扎實的理論知識； 2)使實驗和分析盡可能的簡單；

3)正確評價實際的顯著性和統計的顯著性之間的差別； 4)通過序貫迭代的方法進行安排實驗。

3.實驗設計方法介紹

實驗設計是影響研究成功與否最關鍵的一個環節，是提高實驗質量的重要基礎。目前，已建立起許多實驗設計方法。前面已經介紹了實驗設計方法的發展歷史，下面簡單介紹幾種具體的實驗設計方法。

3.1 全面實驗

所謂全面實驗，就是對影響響應輸出的各個因素的所有的可能的水平組合進行實驗。全面實驗的優點：實驗數據充分全面。全面實驗的缺點：實驗次數太多；處理數據麻煩；浪費人力、物力；根本無法進行多因素，多水平的復雜實驗。基于上述特點全面實驗只實用于少因素、少水平的簡單實驗。為此，人們創造了正交實驗方法，用正交實驗方法來安排實驗會使實驗次數大大減少，而且統計分析的計算也變得非常簡單。

3.2 正交實驗

正交實驗設計法是研究與處理多因素實驗的一種科學方法。它利用一種規格化的表格—正交表，挑選實驗條件，安排實驗計劃和進行實驗，并通過較少次數的實驗，找出較好的生產條件，即最優或較優的實驗方案。3.2.1 正交實驗的特點

1)合理安排實驗，簡少實驗次數； 2)找出較好的實驗方案；

3)找出質量指標與影響因素之間的關系； 4)找到進一步改進產品品質的實驗方向； 5)減少人力，物力的支出； 6)簡化實驗數據分析的計算。

正因為用正交表安排實驗具有“均勻分散性”與“整齊可比性”這兩個特點，所以它能大大的減少實驗的次數，甚至比簡單地比較全面實驗結果有可能提供更多的信息。3.2.2 正交實驗的類型和分析方法

正交實驗類型包括下面幾種：單指標的正交實驗、多指標的正交實驗、水平數相同的正交實驗、混水平的正交實驗、有交互作用的正交實驗和帶重復實驗的正交實驗。

可以用直觀分析法、方差分析法和綜合評分法等不同的方法進行分析。

3.2.3 實施正交實驗的基本步驟和方法

1)明確實驗目的，確定考察的指標； 2)挑選因素，選水平，制定因素水平表； 3)選擇合適的正交表，進行表頭設計； 4)明確實驗方案，進行實驗，測定實驗結果；

5)對實驗結果進行統計分析，得出因素的主次順序，確定最優方案； 6)進行驗證實驗，作進一步分析。

3.3 穩健設計

為了盡量降低誤差因素的作用，使實驗響應輸出因誤差因素變化而變化的敏感性最小，即使實驗響應輸出對誤差因素具有穩健性，基于這種指導思想來進行的設計叫做穩健設計。

穩健設計的兩個主要工具是信噪比（信號功率/ 噪聲功率(Signal/Noise)）和正交表。用信噪比作為特征數來衡量質量，用正交表合理安排實驗來選擇最佳的參數組合。所以從某種意義上說，穩健設計就是信噪比的正交實驗。3.3.1 穩健設計的優點

1)使產品性能對原材料的改變不敏感，從而可以使用價錢便宜的原材料； 2)使產品性能對制造上的變差不敏感，從而降低加工成本； 3)使產品性能對環境的變差不敏感，從而降低操作成本。3.3.2 穩健設計的實施步驟

1)確定主要功能，邊緣效果和失效的樣式；

2)識別噪聲因子，確定估算質量損失的實驗條件，并做到對噪聲因子的靈敏度最小化；

3)根據具體問題確定質量特征數和優化的目標函數； 4)確定可控因子和它們的可選水平； 5)進行正交實驗設計； 6)進行實驗，收集實驗數據；

7)進行數據分析，確定可控因子的最適當水平； 8)進行核實實驗，并計劃進一步的工作。

結束語

通過對書本的學習，我們能有效的掌握各種實驗設計與分析的方法步驟，能夠應用到不同的場合解決各種問題。在今后的科研工作中，為了提高實驗質量，就要確保實驗設計實現如下指標：

第一是明確衡量產品質量的指標，這個質量指標必須是能夠量化的指標，在實驗設計中稱為實驗指標，也稱為響應變量(response variable）或輸出變量。

第二是尋找影響實驗指標的可能因素（factor)，也稱為影響因子和輸入變量。因素變化的各種狀態稱為水平，要求根據專業知識初步確定因素水平的范圍。

第三是根據實際問題，選擇適用的實驗設計方法。實驗設計的方法有很多，每種方法都有不同的適用條件，選擇了適用的方法就可以事半而功倍，選擇的方法不正確或者根本沒有進行有效的實驗設計就會事倍而功半。

第四是科學地分析實驗結果，包括對數據的直觀分析、方差分析、回歸分析等多種統計分析方法。

但是，沒有一種“放之四海而皆準”的問題解決方案，實驗設計同樣不能提供解決所有問題的途徑，要全面考慮解決問題的方式，選取最有效、最經濟的解決途徑。即使決定采用實驗設計，也不能生搬硬套地使用書本上的“實驗設計步驟”。跟據實際情況和要求，有時可以省去其中的某幾步，有時還會在同一個項目中重復循環地跳幾輪；除了實驗設計涉及的因素外，要盡量確保所有的環境因素是穩定和符合現實的。如果條件所限，如果做不到這一點，不妨可以用隨機化、區組化、仿行等方法來盡量避免；保證實驗的仿真性，避免一些理想的實驗環境，比如實驗室；不要一味地排斥實驗設計執行之前的歷史數據。相反，適當地利用企業信息化的成果，從ERP、MES中的海量數據中進行“數據挖掘”，很可能會減少實驗投資，細化因素水平的選取。這也是當前實驗設計應用領域中的新趨勢之一；為了保險起見，在得到最終的最佳參數水平組合后，還要進行一些驗證實驗來檢驗結果，實在沒有條件實施驗證實驗的，也要通過模型的“模擬仿真”來完成這個工作。

工欲善其事，必先利其器。為了提高實驗設計的效率和解決問題的成功率，設計者自身也應加強相關知識學習，增加實驗設計經驗積累，提高自身素質水平。

參考文獻

[1] Douglas C.Montgomery.譯著.傅玨生，張健，王振羽，解燕.實驗設計與分析.人民郵電出版社，2009.10.[2] 蘇均和.試驗設計.上海財經大學出版社，2005:98-118.

第四篇：高中生物實驗設計專題復習與總結

高中生物實驗設計專題復習與總結

實驗設計是生物實驗中的一種常見題型，它能較全面的考查學生的實驗知識和基本技能，分析問題和解決問題的能力以及創造能力，因而在高考中相對穩定。由于學生缺乏實驗設計系統的理論知識，因此，遇到這類題型，就會感到無從下手，導致考試中嚴重失分。現將有關實驗設計的基本理論、實驗設計的思路方法和常見的題型等進行歸納總結，增加學生理論知識，提高學生分析問題和解決問題的能力。

一、實驗設計的基本內容

（一）實驗名稱或課題（是關于什么內容的實驗）；

（二）實驗目的（要探究或者驗證的問題或事實）；

（三）實驗原理（進行實驗所依據的科學道理，隱含著實驗假設和預期）；

（四）實驗材料和條件（進行實驗的主要對象，完成該實驗必備的儀器、設備、藥品等）；

（五）實驗方法與步驟（實驗采用的方法及必需的操作程序）；

（六）實驗測量或觀擦與記錄（對實驗過程及結果應有科學的測量手段、觀擦指標與準確的記錄）；

（七）實驗結果預測及分析（能夠預測可能出現的實驗結果并分析其原因）；

（八）實驗結論：對實驗結果進行準確的描述并給出科學的結論。

二、實驗設計的基本原則

（一）科學性原則。所謂科學性，是指實驗目的要明確，實驗原理要正確，實驗材料和實驗手段的選擇要恰當，整個設計思路和實驗方法的確定都要依據生物學基本知識和基本原理，不能主觀臆造。如：酸堿度對酶活性的影響，酶的高效性實驗的順序等。

（二）單一變量原則

1、變量：或稱因子，是指實驗過程中所被操作的特定因素或條件。按性質不同，通常可分為兩類：

（1）實驗變量與反應變量。實驗變量，也稱為自變量，指實驗中由實驗者所操縱的因素或條件。反應變量，亦稱因變量，指實驗中由于實驗變量而引起的變化和結果。通常，實驗變量是原因，反應變量是結果，二者具有因果關系。實驗的目的在于獲得和解釋這種前因后果。例如，在“溫度對酶活性的影響”的實驗中，所給定的低溫（冰塊）、適溫（37℃）、高溫（沸水浴）就是實驗變量。而由于低溫、適溫、高溫條件變化，唾液淀粉酶水解淀粉的反應結果也隨之變化，這就是反應變量，該實驗即在于獲得和解釋溫度變化（實驗變量）與酶的活性（反應變量）的因果關系。

（2）無關變量與額外變量。無關變量，也稱控制變量，指實驗中除實驗變量以外的影響實驗現象或結果的因素或條件。額外變量，也稱干擾變量，指實驗中由于無關變量所引起的變化和結果。顯然，額外變量會對反應變量有干擾作用，例如，上述實驗中除實驗變量（低溫、適溫、高溫）以外，試管潔凈程度、唾液新鮮程度、可溶性淀粉濃度和純度、試劑溶液的劑量、濃度和純度，溫度處理的時間長短等等，都屬于無關變量，要求對低溫、適溫、高溫3組實驗是等同、均衡、穩定的；如果無關變量中的任何一個或幾個因素或條件，對3個實驗組的給定不等同、不均衡、不穩定，則會在實驗結果中產生額外變量，出現干擾，造成誤差。實驗的關鍵之一在于控制無關變量或減少額外變量，以減少誤差。

（二）單一變量。在實驗設計中僅僅改變實驗中的某一項變量，其它因子不變，在此條件下，觀察、研究該變量對實驗材料和實驗結果的影響。除了整個實驗過程中欲處理的實驗因素外，其他實驗條件要做到前后一致。綜合研究多變量時，也要求先研究一個變量，再研究一另個變量。

（三）對照性原則。對照是實驗控制的重要手段之一，目的還是在于平衡或消除無關變量對實驗結果的干擾。通過設置實驗進行對照，可排除無關變量的影響，也可增加實驗結果的可信度和說服力。

通常，一個實驗可為實驗組和對照組。實驗組：是接受實驗變量處理的對象組；對照組：也稱控制組，對實驗假設而言，是不接受實驗變量處理的對象組，至于哪個作為實驗組，哪個作為對照組，一般是隨機決定的，這樣，從理論上說，由于實驗組與對照組的無關變量的影響是相等的，被平衡了的，故實驗組與對照組的差異，則可認定為是來自實驗變量的效果，這樣的實驗結果是可信的。按對照的內容和形式上的不同，通常有以下對照類型：

1、空白對照：指不做任何實驗處理的對象組。例如，在“生物組織中可溶性還原糖的鑒定”的實驗中，向甲試管溶液加入試劑，而乙試管溶液不加試劑，一起進行沸水浴，比較它們的變化。這樣，甲為實驗組，乙為對照組，且乙為典型的空白對照。空白對照能明白地對比和襯托出實驗組的變化和結果，增強了說服力。

2、自身對照：指實驗與對照在同一對象上進行，即不另設對照組。單組法和輪組法，一般都包含有自身對照。如“植物細胞質壁分離和復原”實驗，就是典型的自身對照。自身對照，方法簡便，關鍵是要看清楚實驗處理前后現象變化的差異，實驗處理前的對象狀況為對照組，實驗處理后的對象變化則為實驗組。

3、條件對照：指雖給對象施以某種實驗處理，但這種處理是作為對照意義的，或者說這種處理不是實驗假設所給定的實驗變量意義的。例如。“動物激素飼喂小動物”的實習實驗，采用等組實驗法，其實驗設計方案是：

甲組：飼喂甲狀腺激素（實驗組）；

乙組：飼喂甲狀腺抑制劑（條件對照組）；

丙組：不飼喂藥劑（空白對照組）；

雖然，乙組為條件對照。該實驗即設置了條件對照，又設置了空白對照，通

過比較、對照、更能充分說明實驗變量--甲狀腺激素能促進小動物的生長發育。

4、相互對照：指不另設對照組，而是幾個實驗組相互進行對照，在等組實驗法中，大都是運用相互對照，如“植物的向性運動”的等組實驗中，5個實驗組采用的都是相互對照，較好的平衡和抵消了無關變量的影響，使實驗結果更具有說服力。

四）可重復性原則。指控制某種因素的變化幅度，在同樣條件下重復實驗，觀察其對實驗結果影響的程度。目的在于盡可能消除無關變量所造成的實驗誤差，體現實驗的準確性與科學性。

（五）簡單可行性原則。指實驗材料容易獲得，實驗裝置簡化，實驗藥品便宜，實驗操作簡便，實驗效果明顯并能在較短時間內完成。從實驗目的、實驗原理到材料用品的選擇、實驗操作等，都要符合實驗者的一般認知水平，滿足現有的條件，具有實驗和完成實驗的可能性。

三、實驗設計的基本思路

（一）準確把握實驗目的：看清題意是要求設計實驗方案、步驟還是分析實驗結果，是探究性實驗還是驗證性實驗。

（二）明確實驗原理：要解決題目所給的問題，要用到生物學上什么原理。

（三）確定實驗思路：根據原理對實驗作出假設，并充分利用實驗材料設計實驗思路。

（四）精心設計實驗步驟：根據實驗目的、原理和思路，設計合理的實驗裝置和實驗操作步驟。并設置好實驗組和對照組，遵循實驗設計的原則。并將觀察到的現象如實進行記錄。

（五）準確預期實驗結果并分析得出結論：實驗步驟一般不連續描述，要分段敘述；試管、燒杯等要給予編號。在敘述實驗步驟及預期結果時結論時，語言文字要簡明扼要，準確科學。

四、實驗設計的基本題型

類型一：設計實驗方案型

給出實驗用具、材料、藥品、實驗目的，或只給實驗目的，實驗器材自選，設計實驗方案。

［例1］請根據下述條件設計一個實驗，鑒別兩種不同濃度的蔗糖溶液，寫出實驗步驟并分析結果。一瓶10%蔗糖溶液、一瓶30%的蔗糖溶液，250ml燒杯一只，半透膜制成的透析袋l只，刻度玻璃管l只，細線一根，支架l個。

(一)實驗步驟：

(二)結果分解：

［解析］本實驗是考查滲透作用的原理和動手設計實驗的能力，解題的關鍵是如何利用透析袋和兩種液體形成一個滲透系統。當將兩種液體之一放入透析袋，另一液體放大燒杯中，然后將盛放液體的透析袋用線扎實(插入刻度玻璃管)并浸浴在燒杯的液體中時，由于兩液體具有濃度差，水分子便通過透析袋發生滲透作用，觀察刻度玻璃液面數值變化即可將二者區別開來。根據實驗設計理論，把所給器材的作用分析清楚，有助實驗設計思路的形成。［答案］(1)實驗步驟：①將一瓶中的液體倒入燒杯中；②將另一瓶中的液體倒滿透析袋，刻度玻璃管插入袋內液體中，用線將袋口和玻璃管扎緊；③將插有刻度玻璃管的透析袋放入盛有液體的燒杯中，垂直固定于支架上，記錄玻璃管液面刻度；④一段時間后，觀察玻璃管液面刻度，確定液面上升還是下降。

(三)結果分析：如液面上升，則透析袋中的溶液為30%蔗糖溶液，燒杯中的溶液為10%的蔗糖溶液。反之，可推測透析袋中是10%蔗糖溶液，燒杯中的液體是30%的蔗糖溶液。類型二：評價和糾正型

分析已有實驗設計方案中不科學性，并提出改進。

［例2］北阿爾伯達的一個工廠把產酸的化學品排入到空氣中，工廠東面有一個湖，湖底是石灰石的。但湖水的pH值已從原來的6兒降低到5.7。雖然酸性沉積一直在增加，湖水的pH值仍保持5.7不變。湖中原有的魚是河鱸和鯉魚。釣魚愛好者抱怨說，自從工廠開辦以來，魚資源已經減少。工廠的工人設計了一個實驗，證明工廠排放出去的化學藥品與魚資源的減少沒有關系。

工人取一只大容器，盛放湖水，維持pH值在5.7。從湖里找來大魚放在該容器內，喂以蛋白質飼料。在這樣的條件下，魚正常成長。

假定你是一個獨立的仲裁員，受雇于垂釣愛好委員會委拖，來對該項實驗進行評估，列出你要得到的附加信息，并列舉說明你要用什么方法去得到這些信息。

［解析］本實驗設計方案中沒有考慮魚的生活中受著多種因素影響，這與單一變量原則是相違背的。分析問題不全面，只考慮單一因素的影響，設計實驗無說服力，也不符合實驗設計的要求。本題考查思維的全面性，在認定兩個問題時，除了看有無直接聯系外，也要注意考慮間接聯系

［答案］該實驗設計測量不出下列因素。而這些因素都是對河鱸和鯉魚的影響的：（l）酸對河鱸和鯉魚的食物數量多少的影響；

（2）酸對河鱸和鯉魚的魚卵或幼魚的影響；

（3）由于春季干涸造成pH值季節性漲落的影響；

（4）由于酸的分解作用而進入水域的重金屬量是多少；

為了說明上述第一點，必須完成一項研究，即確定各種浮游生物，水生昆蟲和小魚的多少。如果這個食物網的某些環節正在喪失，則有必要去研究酸是否對此有影響。為了說明上述第二點，可以在酸化水中飼養魚卵和幼魚。魚的數量減少可能是上述第一點和第二點結合的產物，所以人工飼養幼魚可能會給出不可靠的結果。

對于季節性漲落，應該對全湖長期取水樣。做仔細徹底的記錄至少一年。這一因素可能和第二點相符合，因為魚卵或繁殖更受低pH值的影響。重金屬是累積的有毒物質，人工飼養和魚與湖里吃污染食物的魚相比，并不處在相同水平的毒素中。應該在湖水中、魚飼料中以及河鱸和鯉魚身體中檢測如鉛這樣的重金屬含量。

所有這些因素都說明，酸的影響是長期的，在容器里短期飼養的魚不可能給出可靠的結果。這種研究必須以年為周期來實施，而且要與該工區其他湖水情況作比較。

類型三：補充完善型

對已有的實驗設計進行補充和完善。

［例3］向你提供的條件僅有健康活潑的家兔一只，75%酒精、無菌干棉球、解剖刀、潔凈的載玻片10塊(編號為A、B、C、D、E、F、G、H、I、L)、紅墨水、秒表，請在上述提供的條件范圍內，設計一個測定血液凝固時間的實驗。

實驗步驟：①用酒精棉球消毒兔耳；②用消毒解刮刀剖開兔耳邊緣的小靜脈；請將實驗步驟補充完整：

［解析］這類題目的題干中已經提供了一定的信息，基本上劃定了答題的模式，目的明確，前面的方法步驟等信息已為續答作了鋪墊，只要明確題目中的實驗變量和反應變量，然后設計對照組，再根據有關原理分析，一般就能比較正確地寫出答案。本實驗設計方案很巧妙地看出血液是否凝固。

［答案］③把從刀口流出的血液分別在ABCDEFGJIL10塊載玻片上滴一滴(第一滴血棄去不用)；④取血后對兔耳刀口外進行消毒止血；⑤在L載玻片上滴一滴紅墨水(起對照作用)；⑥開始記錄時間，過l分鐘后將A載玻片豎立，第二分鐘后將B載玻片豎立(在它們豎立的同時，都將L載玻片豎立)，其余類推，看血液是否完全凝固(血液不向下流，且血液表面保持半球形而不改變為凝固)；⑦血液完全凝固，而墨水仍然流動，即為血液凝固時間。

五、生物實驗設計題解題策略

（一）生物高考實驗設計的三種題型雖然在形式上有一定的差異，但在答題中卻有共同

點，先要認真研究課題，找出其中的實驗變量和反應變量，其次是構思實驗變量的控制方法和實驗結果的顯示方法，最后再選擇適宜的實驗材料，在注意實驗步驟邏輯性的前提下表達實驗的方法步驟。在實驗方法和步驟設計中最重要的是把握好變量控制。

（二）重視課本實驗的復習，掌握書本知識是提高實驗設計能力的基礎。要熟悉教材，心中有書。題在書外，理在書內。因此要深入理解與靈活應用基礎知識。在考試說明中明確提出了，要求“理解所學實驗的實驗內容，包括實驗原理、方法和操作步驟、實驗變量的控制、掌握相關的操作技術”。

（三）挖掘課本中所蘊含的實驗因素，深刻領會教材有關實驗的本質與特點是提高實驗設計能力的前提。要認真分析教材所涉及的實驗，包括學生實驗，演示實驗，經典實驗等。生物學的每一個知識結論都是在觀察、實驗的基礎上得出的，在平時的復習中要注意多挖掘知識結論中所蘊含的科學思想和方法，深入分析實驗的條件、過程、現象、結果和結論的科學性。例：生長素的發現過程中，涉及生長素產生的部位、感光的部位、作用的部位、運輸的方向等，這些都可以思考如何設計實驗來證明。

（四）學會對已知實驗進行變換和轉化是提高實驗設計能力的有效手段。求變、求異思維的發展有助于提高實驗設計能力。善思會變才能應答自如，通過換位思考提高素質，才能將所學知識，技能遷移到新情景中來，才能依據實驗目的、原理和材料安排實驗步驟等，并作出分析、評價和結論。

第五篇：實驗設計與數據處理心得

實驗設計與數據處理心得體會

剛開始選這門課的時候，我覺得這門課應該是很難懂的課程，首先我們做過不少的實驗了，當然任何自然科學都離不開實驗，大多數學科（化工、化學、輕工、材料、環境、醫藥等）中的概念、原理和規律大多由實驗推導和論證的，但我覺得每次到處理數據的時候都很困難，所以我覺得這是門難懂的課程，卻也是很有必要去學的一門課程，它對于我們工科生來說也是很有用途的，在以后我們實驗的數據處理上有很重要的意義。

如何科學的設計實驗，對實驗所觀測的數據進行分析和處理，獲得研究觀測對象的變化規律，是每個需要進行實驗的人員需要解決的問題。“實驗設計與數據處理”課程就是是以概率論數理統計、專業技術知識和實踐經驗為基礎，經濟、科學地安排試驗，并對試驗數據進行計算分析，最終達到減少試驗次數、縮短試驗周期、迅速找到優化方案的一種科學計算方法。它主要應用于工農業生產和科學研究過程中的科學試驗，是產品設計、質量管理和科學研究的重要工具和方法，也是一門關于科學實驗中實驗前的實驗設計的理論、知識、方法、技能，以及實驗后獲得了實驗結果，對實驗數據進行科學處理的理論、知識、方法與技能的課程。

通過本課程的學習，我掌握了試驗數據統計分析的基本原理，并能針對實際問題正確地運用，為將來從事專業科學的研究打下基礎。這門課的安排很合理,由簡單到復雜、由淺入深的思維發展規律，先講單因素試驗、雙因素試驗、正交試驗、均勻試驗設計等常用試驗設計方法及其常規數據處理方法、再講誤差理論、方差分析、回歸分析等數據處理的理論知識，最后將得出的方差分析、回歸分析等結論和處理方法直接應用到試驗設計方法。

比如我對誤差理論與誤差分析的學習：在實驗中，每次針對實驗數據總會有誤差分析，誤差是進行實驗設計和數據評價最關鍵的一個概念，是測量結果與真值的接近程度。任何物理量不可能測量的絕對準確，必然存在著測定誤差。通過學習，我知道誤差分為過失誤差，系統誤差與隨機誤差，并理解了他們的定義。另外還有對準確度與精密度的學習，了解了他們之間的關系以及提高準確度的方法等。對誤差的學習更有意義的應該是如何消除誤差，首先消除系統誤差，可以通過對照試驗，空白試驗，校準儀器以及對分析結果的校正等方法來消除；其次要減小隨機誤差，就是要在消除系統誤差的前提下，增加平行測定次數，可以提高平均值的精密度。

比如我對方差分析的理解:方差分析是實驗設計中的重要分析方法，應用非常廣泛，它是將不同因素、不同水平組合下試驗數據作為不同總體的樣本數據，進行統計分析，找出對實驗指標影響大的因素及其影響程度。對于單因素實驗的方差分析，主要步驟如下：建立線性統計模型，提出需要檢驗的假設；總離差平方和的分析與計算；統計分析，列出方差分析表。對于雙因素實驗的方差分析，分為兩種，一種是無交互作用的方差分析，另一種是有交互作用的方差分析，對于這兩種類型分別有各自的設計方法，但是總體步驟都和單因素實驗的方差分析一樣。除了以上一些實驗設計與數據處理方法外，學習這門課程最大的收獲就是對chemdraw及origin兩個軟件的學習。計算機軟件的應用是計算機學科在化學領域中的最主要的應用之一，它不僅解決了化學計算中的復雜問題，而且利用虛擬的程序把化學世界的微觀結構、光譜形態等形象地展現出來，以致把化學學科的教育和科研的革命推向一個嶄新的階段。Chemdraw軟件。

ChemDraw是為輔助專業學科工作者及相關科技人員的交流活動和研究開發工作而設計的。它給出了直觀的圖形界面，開創了大量的變化功能，只要稍加實踐，便會很容易地繪制出高質量的化學結構圖形。因而，可為化學界出版物、手稿、報告、CAI軟件、涉及化學結構圖形的軟件的編寫制作等提供高質量的結構圖形、3D轉換、基本的分子模型及化學數據管理功能等。ChemDraw為此已成為世界上最流行、最受歡迎和最有應用價值的化學繪圖軟件。

這個軟件對于我們化工專業的學生來說是很有用途的。我們會經常寫一些化學反應式或反應機理，但每次在Word文檔中都無法輸入正常的分子式或根本無渠道來表達反應式。但通過對Chemdraw軟件的學習，顯然給我們帶來了極大的方便.它給出了直觀的圖形界面，用起來方便，也很容易學習，不需要我們再去一條線一條線的來畫，而是可以直接用鼠標點一下就可以插入，像苯環及其衍生物，而且很多反應式可以極其形象的表達出來，給我們的學習帶來極大的方便。Origin軟件 Origin為OriginLab公司出品的較流行的專業函數繪圖軟件，是公認的簡單易學、操作靈活、功能強大的軟件，既可以滿足一般用戶的制圖需要，也可以滿足高級用戶數據分析、函數擬合的需要。而使用Origin就像使用Excel和Word那樣簡單，只需點擊鼠標，選擇菜單命令就可以完成大部分工作，獲得滿意的結果。像Excel和Word一樣，Origin是個多文檔界面應用程序。它將所有工作都保存在Project(*.OPJ)文件中。該文件可以包含多個子窗口，如Worksheet，Graph，Matrix，Excel等。各子窗口之間是相互關聯的，可以實現數據的即時更新。子窗口可以隨Project文件一起存盤，也可以單獨存盤，以便其他程序調用。

Origin的數據分析主要包括統計、信號處理、圖像處理、峰值分析和曲線擬合等各種完善的數學分析功能。準備好數據后，進行數據分析時，只需選擇所要分析的數據，然后再選擇相應的菜單命令即可。Origin的繪圖是基于模板的，Origin本身提供了幾十種二維和三維繪圖模板而且允許用戶自己定制模板。繪圖時,只要選擇所需要的模板就行。用戶可以自定義數學函數、圖形樣式和繪圖模板；可以和各種數據庫軟件、辦公軟件、圖像處理軟件等方便的連接。Origin可以導入包括ASCII、Excel、pClamp在內的多種數據。另外，它可以把Origin圖形輸出到多種格式的圖像文件，譬如JPEG、GIF、EPS、TIFF等等。Origin里面也支持編程，以方便拓展Origin的功能和執行批處理任務。Origin里面有兩種編程語言—LabTalk和Origin C。在Origin的原有基礎上，用戶可以通過編寫X-Function來建立自己需要的特殊工具。

Origin軟件也是非常實用的一個軟件，在數據處理方面帶給我們極大方便。在平時的實驗中，往往都需要將測得的數據用圖表表示出來，以便觀察規律，但由于原理可能較復雜，圖表表達起來很困難，而且就算畫得出來，也是有很大的誤差，往往也會給實驗結果帶來偏差。學習了這個軟件之后，感覺實驗數據的處理問題不再那么難以解決了，這個軟件最突出的特點就是它的操作靈活與功能強大，只需要我們將數據輸入，就可以看到形象的圖示，而且點圖，線圖，或者點線連接都能顯示出來，更方便的是，只需要點一下鼠標，不需要我們再去算，就可以通過擬合將圖形的方程及參數寫出來。這些對于我們以后的實驗是有非常重要的意義的。

總之，這門課帶給了我意想不到的收獲，為我以后的學習帶來了極大的方便與樂趣。對于實驗設計與數據處理方法，我們在以后的實驗中要不斷去實踐與體會，而對于Chemdraw及Origin兩個軟件的學習，雖然我們只有三個小時的上機時間，卻讓我深刻體會到了它們的實用性，在以后也會將這兩個軟件好好學習一番。以上就是我對《實驗設計與數據處理》這門課程的一點體會，很感謝老師給我們帶來這么多有用的知識，在以后的學習生活中我也會牢記這些知識，不斷的實踐。