实验设计的要素与原则

第一篇：实验设计的要素与原则

第一节

实验设计的基本要素

一个良好的科学实验设计是顺利进行科学研究和数据统计分析的前提，同时也是或得预期结果的重要保证。一个完善的统计学研究设计包括三个基本要素：受试对象、处理因素和试验效应。例如，研究某降压药对原发性高血压患者的降压效果，其中高血压患者即为受试对象，这种降压药为处理因素，血压的变化便是试验效应。科研工作者在进行医药方面的科学研究之前，必须要制定完善的统计研究设计方案，如何选择这三个要素，是实验成败的关键。因此，任何实验研究在设计时，必须明确这三个要素。

一、受试对象

受试对象是处理因素作用的客体，应该根据研究目的来确定。受试对象的选择一般有以下几种情形：l、一般医学科研——常用动物、离体标本或人体内取得的某些样本作为受试对象；

2、新药的临床前试验——一般用动物作为受试对象；3．新药的临床试验阶段——一般用人作为受试对象。新药临床试验一般分为4期，在1期临床试验阶段，通常用健康志愿者作为受试对象；而在其他各期临床试验阶段，常用患特定疾病的患者作为受试对象。选择什么样的患者，应有严格的规定。

选择受试对象应有明确的纳入标准和排除标准。首先，受试对象应满足两个基本条件：一是对处理因素敏感；二是反应必须稳定。其次是为是研究结果普遍性和推广价值，需保证受试对象的同质性和代表性。

二、处理因素

处理因素是研究者根据研究目的而施加的特定的实验因素，例如给予的某种降压药。实验研究的目的不同，对实验的要求也不同。若在整个实验过程中影响观察结果的因素很多，就必须结合专业知识，对众多的因素做全面分析，必要时做一些预实验，区分哪些是重要的实验因素，哪些是非重要的实验因素，以便选用合适的实验设计方法妥善安排这些因素。水平选取的过于密集，实验次数就会增多，许多相邻的水平对结果的影响十分接近，不仅不利于研究目的的实现，而且将会浪费人力、物力和时间；反之，该因素的不同水平对结果的影响规律不能真实地反映出来，易于得出错误的结论。除此以外，处理因素应当标准化，在实验过程中同一处理组的处理因素应始终保持不变，包括处理因素的施加方法、强度、频率和持续时间等。在缺乏经验的前提下，应进行必要的预实验或借助他人的经验，选取较为合适的若干个水平，如药物的种类、处理方法的种类等。应结合实际情况和具体条件，选取质最因素的水平，千万不能不顾客观条件而盲目选取。

三、实验效应

实验效应是反映在处理因素的作用下，受试对象的反应或结局，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、灵敏度高的客观指标。对一些半客观（如读取病理切片或X片上所获得的结果）或主观指标（如给某些定性实验结果人为打分或赋值），一定要事先规定读取数值的严格标准，必要时还应进行统一的技术培训。此外，指标的观察应避免带有偏性或偏倚，否则会影响结果的比较和分析，为消除或最大限度的减少这种偏性，在实验设计时通常采用盲法。

第二节

实验设计的基本原则

在实验设计时，为了更好地控制非处理因素对结果的影响，取得更为可靠的信息，达到比较高的科研目的，必须遵循实验设计的四大原则，即随机、对照、重复和均衡原则。

一、随机原则

随机化是采用随机的方式，使每个受试对象都有同样的机会被抽到或分配到实验组和对照组。随机化使大量的难以控制的非处理因素在试验组和对照组中的影响相当，并可归于实验误差之中；它是对资料进行统计推断的前提，各种统计分析方法都是建立在随机化的基础之上。

随机化应贯穿于实验研究的全过程，在受试对象的抽样、分组以及试验实施过程中均应遵循随机化原则。主要体现在以下两方面：一是随机抽样：每个符合条件的受试对象被抽取的机会相等，即总体中的每一个个体都有相同的机会被抽到样本中去；二是随机分组：每个受试对象被分到个处理组的机会相等，它保证了大量难以控制的非处理因素在对比尽可能地均衡，以提高组间的可比性。

随机原则的实施主要是通过运用“随机数”实现随机化，在一般情况下运用“随机排列表”和“计算机（或计算器）产生伪随机数”实现随机化。

二、对照原则

在确定接受处理因素的试验组时，应同时设立对照组，只有通过设立对照，才能使处理因素的效应显示出来，消除了非处理因素的影响。同时设立对照还可消除和减少试验误差，如果在试验中不设立对照，往往会将非处理因素造成的偏倚当成处理因素造成的效应，从而得出错误的结论。

对照有多种形式，可根据研究的目的和内容不同而加以选择。常用的有以下几种选择：

1.空白对照

对照组不施加任何处理因素，在动物实验和实验室方式研究中最常见，常用于评价测量方法的准确度，评价实验是否处于正常状态等。在临床试验中，空白对照虽简单易行，但涉及伦理学方面的问题，且实施过程中容易引起试验组和对照组在心理上的差异，从而影响结果的可靠性，因此较少使用。

2.实验对照

对照组不施加处理因素，但施加某种实验因素。例如观察赖氨酸对儿童发育的影响，实验组儿童间施加赖氨酸的面包，对照组为不加赖氨酸的面包。处理因素是赖氨酸，而面包量这一实验因素保持相同，使两组均衡。

3.自身对照

对照与实验在同一受试对象身上进行，例如身体对称部位或实验前后两阶段分别接受不同的实验因素，一个为对照，一个为实验，比较其差异。

4.标准对照

不设立对照组，而是用现有的标准或正常值作为对照。此种方法在临床试验中用的较多，因为在很多情况下不给患者任何治疗是不道德的。例如试验指标收缩压的对比，即可用正常值90~120mmHg作对照。实验研究一般不用标准对照，因为实验条件不一致，常常影响对比结果。

5.相互对照

指不另设对照组，而是几个实验组相互对比对照，在等组实验法中，大都是运用对照，如“植物的向性”的等组实验中，几个个实验组所采用的都是相互对照，较好的平衡和抵消了无关变量的影响，使实验结果更具有说服力

6.历史对照

又称为文献对照或回顾对照，此种方法也无对照组，它是与他人或本人过去研究的结果进行对比。由于这种比照不易均衡，所以一般不宜使用，只能作为讨论的参考。

三、重复原则

重复是消除非处理因素影响的又一重要手段。重复程度表现为样本含量的大小和重复次数的多少，即就是在相同实验条件下必须做多次独立重复实验，以提高实验的可靠性和科学性。广义上讲，重复包括三种情形：

1.整个实验的重复：它确保了实验的重现性，从而提高了实验的可靠性。不可重复的实验是没有科学性的。

2.用多个受试对象进行重复：它避免了把个别情况误认为普遍情况，把偶然或巧合的现象当成必然的规律，将实验结果错误的推广到群体。

3.同一受试对象的重复观察：它确保了观察结果的精密度。例如测量脉搏时可连续测量3次，以3次的平均数作为最终结果。

四、均衡原则

所谓均衡，就是指在设立对照时除给予的处理因素不同外，对照组和试验组的其他重要的、可控制的非处理因素应保持一致。在整个实验过程中应该严格控制这种一致性，一致性越好，就能越显示实验的处理因素，从而减少非处理因素对结果的影响。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。

第二篇：通州毕业考试实验设计原题

37.实验桌上有如下实验器材：符合实验要求的低压电源一个（由于分度值过大不能读出电压具体数值），阻值已知的定值电阻R1，R2，电压表一块，开关一个，导线若干。请利用上述实验器材设计实验证明：在串联电路中，当R1，R2阻值不变时，R1两端的电压U1和电源两端电压U的关系为U1=KU。画出实验电路图，写出实验步骤，并设计实验数据记录表。

第三篇：实验设计与分析读书报告

实验设计与分析读书报告

[摘要]实验设计与分析是用于经济地、科学地安排试验的一项技术。《试验设计与分析》是实验设计与分析领域的名著，全书内容广泛，实例丰富。可作为自然科学研究人员、工程技术人员、管理人员进行科学实验设计与分析的参考书，是产品设计和开发、工序设计和改进等方面非常实用的工具。

本文首先讲述了实验设计分析的原理、方法、特点、步骤以及实验设计及统计分析的注意事项，然后介绍了几种常用的实验设计方法的原理、特点及用法，最后总结了学习《实验设计与分析》后的一些心得体会。

[关键词]：实验设计与分析；正交实验；稳健设计；统计设计；响应变量；统计设计

目录

1.2.引言...................................................................................................................................1 实验设计与分析简介.......................................................................................................1 2.1 什么是实验设计...........................................................................................................1 2.2 发展历史及分类...........................................................................................................2 2.3.实验设计的目的.........................................................................................................2 2.4.基本原理.....................................................................................................................2 2.5.实验设计实施的方法与步骤.....................................................................................3 2.6.实验设计的应用.........................................................................................................3 2.7.注意事项.....................................................................................................................3 3.实验设计方法介绍...........................................................................................................4 3.1 全面实验.......................................................................................................................4 3.2 正交实验.......................................................................................................................4

3.2.1 正交实验的特点：...........................................................................................4 3.2.2 正交实验的类型和分析方法...........................................................................4 3.2.3 实施正交实验的基本步骤和方法...................................................................5 3.3 稳健设计.......................................................................................................................5

3.3.1 稳健设计的优点...............................................................................................5 3.3.2 稳健设计的实施步骤.......................................................................................5

结束语.............................................................................................................................................6 参考文献.........................................................................................................................................6

1.引言

现代科技的发展离不开实验分析，现代实验不单是通过观察现象和测试数据来验证假设，更重要的是现代科技创新和发明的重要手段。所有理论分析不能解决的问题均可利用实验的手段去摸索，特别是在工程领域内。科研是很注重实际应用效果，无论是对零件、部件和整机的结构、性能研究，还是对新配方、新工艺的探索，实验都是必须的手段。几乎没有一项应用研究成果是不需要实验分析和实验论证的。

如果要最有效地进行科学实验，必须用科学方法来设计。所谓实验的统计设计，就是设计实验的过程，使得收集的数据适合于用统计方法分析，得出有效的和客观的结论。如果想从数据作出有意义的结论，用统计方法作实验设计是必要的。当问题涉及到受实验误差影响的数据时，只有统计方法才是客观的分析方法。这样一来，任一实验问题就存在两个方面：实验的设计和数据的统计分析。这两个课题是紧密相连的，因为分析方法直接依赖于所用的设计。实验设计方法已在很多学科中得到广泛的应用。

《实验设计与分析》作为实验设计与分析领域的名著，是作者在亚利桑那州立大学、华盛顿大学和佐治亚理工学院三所大学近40年实验设计教学经验的基础上编写的。

全书内容广泛，包括实验设计与分析的基本原理、特点、方法、发展及应用等，而且实例丰富，简单比较实验、析因设计、分式析因设计、拟合回归模型、响应曲面方法和正交设计、稳健参数设计和过程稳健性研究、含随机因子的实验、嵌套设计和裂区设计等。

通过本书的学习让我对实验设计与分析有了更深入的了解，对设计实验与分析的有了科学和系统的认识，明确了设计思路、方向，学习了多种实验设计与分析方法，为以后科研实验提供了极大的参考及指导作用。

2.实验设计与分析简介

2.1 什么是实验设计

实验是研究者实际上在各个研究领域进行的，通常是发现关于一个特定过程或系统的某些事情。一个实验是一个试验，一个设计的实验是一个试验或一系列试验，它对一个过程或系统的输入变量(人、机、料、法、环)作一些有目的的改变，以使能够观察到和识别出引起输出响应变化的缘由。

通常形象地将过程看作是人，机，料，法，环的一种组合，它把一些输入转变为有一个或多个可观察的响应的一种输出，过程的一些变量x1,x2,...Xn是可控制的，.过程的另一些变量z1,z2,...Zn是不可控制的，响应是可以观察或测量的一个或多个的输出。

2.2 发展历史及分类

早期的实验设计与分析法(ANOVA)于1920由英国生物统计学家、数学家费歇(RA Fisher)提出，Fisher首先开发并应用了方差分析作为实验设计中的统计分析基本方法，最初主要应用农业、生物学、遗传学等方面的研究。随后英、美、苏对之进行研究推广到工业生产领域。

传统的正交实验(Orthogonal array)于1950由日本田口玄一(Taguchi)等创造，随后迅速推广到日本工农业生产的各个领域，成为日本工商企业管理界人员必备的技术。

稳健设计法(Robustness)于1970由日本田口玄一(Taguchi)等创造，稳健设计是对传统正交实验的改进，最初主要应用于二战之后的日本，随后在日本，美国等国家的许多公司得到成功的应用和发展。

现代还出现了多元化的实验方法，包括：残差分析(Residual analysis)、应用回归分析(Regression)、分式析因实验(Fractional factorial design)、曲面响应和调优运算(RSM & EVOT)等。

2.3.实验设计的目的

1)确定哪些变量对响应输出Y最有影响，即找出最显著因素；

2)确定有影响的变量x设置在何处可使响应输出Y几乎总是接近所期望的额定值； 3)确定有影响的变量x设置在何处可使响应输出Y的变异性较小； 4)确定有影响的变量x设置在何处使得不可控的变量z的效应最小。

2.4.基本原理

一种实验要最有效地实行的话，必须用科学方法来设计实验。所谓实验的统计设计，就是设计实验的过程，使得收集的数据适合于用统计方法分析，得出有效的和客观的结论。如果想从数据作出有意义的结论，用统计方法做实验设计是必要的。

实设计有三个基本原理：重复，随机化和区组化。

1)重复即基本实验的重复进行，它有两条重要的性质：第一，允许实验者得到实验

误差的一个估计量；这个误差的估量值成为确定数据的观察差是否是统计上的实际差的基本度量单位。第二，如果用样本均值作为实验中一个因素的效应的估计量，则重复允许实验者求得这一效应的更为精确的估计量。

2)随机化是实验设计使用统计方法的基石，所谓随机化即实验材料的分配和实验进行的次序都是随机地确定的，统计方法要求观察值（或误差）是独立分布的随机变量，有助于“平均出“可能出现的外来因素的效应。

3)区组化是用来提高实验精确度的一种方法。一个区组是实验材料的一个部分，相比于实验材料的全体，它们本身的性质应该更为类似。对实验进行区组，有助于提高实验的精确度。

2.5.实验设计实施的方法与步骤

在设计和分析一个实验时要使用统计方法的话，和实验有关的每个人必须预先对所研究的问题究竟是什么，如何收集数据，要有清晰的认识，至少对如何分析这些数据要有定性的了解，推荐的实验设计实施的方法与步骤如下：

1)问题的识别和问题的提法； 2)因素和水平的选择； 3)响应变量的选择； 4)实验的设计的选择； 5)进行实验； 6)数据的分析； 7)结论和建议。

2.6.实验设计的应用

实验设计方法可以应用在很多领域中。实际上我们可以把实验本身看作为科学方法的一部分，看作是探索系统或过程如何工作的一种途径。

将实验设计应用在工序的早期开发中，可以提高产量；可以减少变异性，与目标值更为一致；减少工序的开发时间；减少工序开发的总成本。

将实验设计应用在开发新产品和改进老产品的工程设计活动中，使产品较容易制造；提高产品适应现场条件的性能；提高产品的可靠性；降低产品的成本；缩短产品设计和开发的时间。

2.7.注意事项

在工程、科学和工业中大多的研究工作都是以经验为根据的，并且广泛使用实验方法。统计方法大大提高了这些实验的效率并经常强化了由此得出的结论。在实验方法中要明智的使用统计方法就要求实验者在思想上牢记下列各点：

1)必需对所研究的问题非常熟悉，需要有丰富的实践经验和扎实的理论知识； 2)使实验和分析尽可能的简单；

3)正确评价实际的显著性和统计的显著性之间的差别； 4)通过序贯迭代的方法进行安排实验。

3.实验设计方法介绍

实验设计是影响研究成功与否最关键的一个环节，是提高实验质量的重要基础。目前，已建立起许多实验设计方法。前面已经介绍了实验设计方法的发展历史，下面简单介绍几种具体的实验设计方法。

3.1 全面实验

所谓全面实验，就是对影响响应输出的各个因素的所有的可能的水平组合进行实验。全面实验的优点：实验数据充分全面。全面实验的缺点：实验次数太多；处理数据麻烦；浪费人力、物力；根本无法进行多因素，多水平的复杂实验。基于上述特点全面实验只实用于少因素、少水平的简单实验。为此，人们创造了正交实验方法，用正交实验方法来安排实验会使实验次数大大减少，而且统计分析的计算也变得非常简单。

3.2 正交实验

正交实验设计法是研究与处理多因素实验的一种科学方法。它利用一种规格化的表格—正交表，挑选实验条件，安排实验计划和进行实验，并通过较少次数的实验，找出较好的生产条件，即最优或较优的实验方案。3.2.1 正交实验的特点

1)合理安排实验，简少实验次数； 2)找出较好的实验方案；

3)找出质量指标与影响因素之间的关系； 4)找到进一步改进产品品质的实验方向； 5)减少人力，物力的支出； 6)简化实验数据分析的计算。

正因为用正交表安排实验具有“均匀分散性”与“整齐可比性”这两个特点，所以它能大大的减少实验的次数，甚至比简单地比较全面实验结果有可能提供更多的信息。3.2.2 正交实验的类型和分析方法

正交实验类型包括下面几种：单指标的正交实验、多指标的正交实验、水平数相同的正交实验、混水平的正交实验、有交互作用的正交实验和带重复实验的正交实验。

可以用直观分析法、方差分析法和综合评分法等不同的方法进行分析。

3.2.3 实施正交实验的基本步骤和方法

1)明确实验目的，确定考察的指标； 2)挑选因素，选水平，制定因素水平表； 3)选择合适的正交表，进行表头设计； 4)明确实验方案，进行实验，测定实验结果；

5)对实验结果进行统计分析，得出因素的主次顺序，确定最优方案； 6)进行验证实验，作进一步分析。

3.3 稳健设计

为了尽量降低误差因素的作用，使实验响应输出因误差因素变化而变化的敏感性最小，即使实验响应输出对误差因素具有稳健性，基于这种指导思想来进行的设计叫做稳健设计。

稳健设计的两个主要工具是信噪比（信号功率/ 噪声功率(Signal/Noise)）和正交表。用信噪比作为特征数来衡量质量，用正交表合理安排实验来选择最佳的参数组合。所以从某种意义上说，稳健设计就是信噪比的正交实验。3.3.1 稳健设计的优点

1)使产品性能对原材料的改变不敏感，从而可以使用价钱便宜的原材料； 2)使产品性能对制造上的变差不敏感，从而降低加工成本； 3)使产品性能对环境的变差不敏感，从而降低操作成本。3.3.2 稳健设计的实施步骤

1)确定主要功能，边缘效果和失效的样式；

2)识别噪声因子，确定估算质量损失的实验条件，并做到对噪声因子的灵敏度最小化；

3)根据具体问题确定质量特征数和优化的目标函数； 4)确定可控因子和它们的可选水平； 5)进行正交实验设计； 6)进行实验，收集实验数据；

7)进行数据分析，确定可控因子的最适当水平； 8)进行核实实验，并计划进一步的工作。

结束语

通过对书本的学习，我们能有效的掌握各种实验设计与分析的方法步骤，能够应用到不同的场合解决各种问题。在今后的科研工作中，为了提高实验质量，就要确保实验设计实现如下指标：

第一是明确衡量产品质量的指标，这个质量指标必须是能够量化的指标，在实验设计中称为实验指标，也称为响应变量(response variable）或输出变量。

第二是寻找影响实验指标的可能因素（factor)，也称为影响因子和输入变量。因素变化的各种状态称为水平，要求根据专业知识初步确定因素水平的范围。

第三是根据实际问题，选择适用的实验设计方法。实验设计的方法有很多，每种方法都有不同的适用条件，选择了适用的方法就可以事半而功倍，选择的方法不正确或者根本没有进行有效的实验设计就会事倍而功半。

第四是科学地分析实验结果，包括对数据的直观分析、方差分析、回归分析等多种统计分析方法。

但是，没有一种“放之四海而皆准”的问题解决方案，实验设计同样不能提供解决所有问题的途径，要全面考虑解决问题的方式，选取最有效、最经济的解决途径。即使决定采用实验设计，也不能生搬硬套地使用书本上的“实验设计步骤”。跟据实际情况和要求，有时可以省去其中的某几步，有时还会在同一个项目中重复循环地跳几轮；除了实验设计涉及的因素外，要尽量确保所有的环境因素是稳定和符合现实的。如果条件所限，如果做不到这一点，不妨可以用随机化、区组化、仿行等方法来尽量避免；保证实验的仿真性，避免一些理想的实验环境，比如实验室；不要一味地排斥实验设计执行之前的历史数据。相反，适当地利用企业信息化的成果，从ERP、MES中的海量数据中进行“数据挖掘”，很可能会减少实验投资，细化因素水平的选取。这也是当前实验设计应用领域中的新趋势之一；为了保险起见，在得到最终的最佳参数水平组合后，还要进行一些验证实验来检验结果，实在没有条件实施验证实验的，也要通过模型的“模拟仿真”来完成这个工作。

工欲善其事，必先利其器。为了提高实验设计的效率和解决问题的成功率，设计者自身也应加强相关知识学习，增加实验设计经验积累，提高自身素质水平。

参考文献

[1] Douglas C.Montgomery.译著.傅珏生，张健，王振羽，解燕.实验设计与分析.人民邮电出版社，2009.10.[2] 苏均和.试验设计.上海财经大学出版社，2005:98-118.

第四篇：高中生物实验设计专题复习与总结

高中生物实验设计专题复习与总结

实验设计是生物实验中的一种常见题型，它能较全面的考查学生的实验知识和基本技能，分析问题和解决问题的能力以及创造能力，因而在高考中相对稳定。由于学生缺乏实验设计系统的理论知识，因此，遇到这类题型，就会感到无从下手，导致考试中严重失分。现将有关实验设计的基本理论、实验设计的思路方法和常见的题型等进行归纳总结，增加学生理论知识，提高学生分析问题和解决问题的能力。

一、实验设计的基本内容

（一）实验名称或课题（是关于什么内容的实验）；

（二）实验目的（要探究或者验证的问题或事实）；

（三）实验原理（进行实验所依据的科学道理，隐含着实验假设和预期）；

（四）实验材料和条件（进行实验的主要对象，完成该实验必备的仪器、设备、药品等）；

（五）实验方法与步骤（实验采用的方法及必需的操作程序）；

（六）实验测量或观擦与记录（对实验过程及结果应有科学的测量手段、观擦指标与准确的记录）；

（七）实验结果预测及分析（能够预测可能出现的实验结果并分析其原因）；

（八）实验结论：对实验结果进行准确的描述并给出科学的结论。

二、实验设计的基本原则

（一）科学性原则。所谓科学性，是指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和实验手段的选择要恰当，整个设计思路和实验方法的确定都要依据生物学基本知识和基本原理，不能主观臆造。如：酸碱度对酶活性的影响，酶的高效性实验的顺序等。

（二）单一变量原则

1、变量：或称因子，是指实验过程中所被操作的特定因素或条件。按性质不同，通常可分为两类：

（1）实验变量与反应变量。实验变量，也称为自变量，指实验中由实验者所操纵的因素或条件。反应变量，亦称因变量，指实验中由于实验变量而引起的变化和结果。通常，实验变量是原因，反应变量是结果，二者具有因果关系。实验的目的在于获得和解释这种前因后果。例如，在“温度对酶活性的影响”的实验中，所给定的低温（冰块）、适温（37℃）、高温（沸水浴）就是实验变量。而由于低温、适温、高温条件变化，唾液淀粉酶水解淀粉的反应结果也随之变化，这就是反应变量，该实验即在于获得和解释温度变化（实验变量）与酶的活性（反应变量）的因果关系。

（2）无关变量与额外变量。无关变量，也称控制变量，指实验中除实验变量以外的影响实验现象或结果的因素或条件。额外变量，也称干扰变量，指实验中由于无关变量所引起的变化和结果。显然，额外变量会对反应变量有干扰作用，例如，上述实验中除实验变量（低温、适温、高温）以外，试管洁净程度、唾液新鲜程度、可溶性淀粉浓度和纯度、试剂溶液的剂量、浓度和纯度，温度处理的时间长短等等，都属于无关变量，要求对低温、适温、高温3组实验是等同、均衡、稳定的；如果无关变量中的任何一个或几个因素或条件，对3个实验组的给定不等同、不均衡、不稳定，则会在实验结果中产生额外变量，出现干扰，造成误差。实验的关键之一在于控制无关变量或减少额外变量，以减少误差。

（二）单一变量。在实验设计中仅仅改变实验中的某一项变量，其它因子不变，在此条件下，观察、研究该变量对实验材料和实验结果的影响。除了整个实验过程中欲处理的实验因素外，其他实验条件要做到前后一致。综合研究多变量时，也要求先研究一个变量，再研究一另个变量。

（三）对照性原则。对照是实验控制的重要手段之一，目的还是在于平衡或消除无关变量对实验结果的干扰。通过设置实验进行对照，可排除无关变量的影响，也可增加实验结果的可信度和说服力。

通常，一个实验可为实验组和对照组。实验组：是接受实验变量处理的对象组；对照组：也称控制组，对实验假设而言，是不接受实验变量处理的对象组，至于哪个作为实验组，哪个作为对照组，一般是随机决定的，这样，从理论上说，由于实验组与对照组的无关变量的影响是相等的，被平衡了的，故实验组与对照组的差异，则可认定为是来自实验变量的效果，这样的实验结果是可信的。按对照的内容和形式上的不同，通常有以下对照类型：

1、空白对照：指不做任何实验处理的对象组。例如，在“生物组织中可溶性还原糖的鉴定”的实验中，向甲试管溶液加入试剂，而乙试管溶液不加试剂，一起进行沸水浴，比较它们的变化。这样，甲为实验组，乙为对照组，且乙为典型的空白对照。空白对照能明白地对比和衬托出实验组的变化和结果，增强了说服力。

2、自身对照：指实验与对照在同一对象上进行，即不另设对照组。单组法和轮组法，一般都包含有自身对照。如“植物细胞质壁分离和复原”实验，就是典型的自身对照。自身对照，方法简便，关键是要看清楚实验处理前后现象变化的差异，实验处理前的对象状况为对照组，实验处理后的对象变化则为实验组。

3、条件对照：指虽给对象施以某种实验处理，但这种处理是作为对照意义的，或者说这种处理不是实验假设所给定的实验变量意义的。例如。“动物激素饲喂小动物”的实习实验，采用等组实验法，其实验设计方案是：

甲组：饲喂甲状腺激素（实验组）；

乙组：饲喂甲状腺抑制剂（条件对照组）；

丙组：不饲喂药剂（空白对照组）；

虽然，乙组为条件对照。该实验即设置了条件对照，又设置了空白对照，通

过比较、对照、更能充分说明实验变量--甲状腺激素能促进小动物的生长发育。

4、相互对照：指不另设对照组，而是几个实验组相互进行对照，在等组实验法中，大都是运用相互对照，如“植物的向性运动”的等组实验中，5个实验组采用的都是相互对照，较好的平衡和抵消了无关变量的影响，使实验结果更具有说服力。

四）可重复性原则。指控制某种因素的变化幅度，在同样条件下重复实验，观察其对实验结果影响的程度。目的在于尽可能消除无关变量所造成的实验误差，体现实验的准确性与科学性。

（五）简单可行性原则。指实验材料容易获得，实验装置简化，实验药品便宜，实验操作简便，实验效果明显并能在较短时间内完成。从实验目的、实验原理到材料用品的选择、实验操作等，都要符合实验者的一般认知水平，满足现有的条件，具有实验和完成实验的可能性。

三、实验设计的基本思路

（一）准确把握实验目的：看清题意是要求设计实验方案、步骤还是分析实验结果，是探究性实验还是验证性实验。

（二）明确实验原理：要解决题目所给的问题，要用到生物学上什么原理。

（三）确定实验思路：根据原理对实验作出假设，并充分利用实验材料设计实验思路。

（四）精心设计实验步骤：根据实验目的、原理和思路，设计合理的实验装置和实验操作步骤。并设置好实验组和对照组，遵循实验设计的原则。并将观察到的现象如实进行记录。

（五）准确预期实验结果并分析得出结论：实验步骤一般不连续描述，要分段叙述；试管、烧杯等要给予编号。在叙述实验步骤及预期结果时结论时，语言文字要简明扼要，准确科学。

四、实验设计的基本题型

类型一：设计实验方案型

给出实验用具、材料、药品、实验目的，或只给实验目的，实验器材自选，设计实验方案。

［例1］请根据下述条件设计一个实验，鉴别两种不同浓度的蔗糖溶液，写出实验步骤并分析结果。一瓶10%蔗糖溶液、一瓶30%的蔗糖溶液，250ml烧杯一只，半透膜制成的透析袋l只，刻度玻璃管l只，细线一根，支架l个。

(一)实验步骤：

(二)结果分解：

［解析］本实验是考查渗透作用的原理和动手设计实验的能力，解题的关键是如何利用透析袋和两种液体形成一个渗透系统。当将两种液体之一放入透析袋，另一液体放大烧杯中，然后将盛放液体的透析袋用线扎实(插入刻度玻璃管)并浸浴在烧杯的液体中时，由于两液体具有浓度差，水分子便通过透析袋发生渗透作用，观察刻度玻璃液面数值变化即可将二者区别开来。根据实验设计理论，把所给器材的作用分析清楚，有助实验设计思路的形成。［答案］(1)实验步骤：①将一瓶中的液体倒入烧杯中；②将另一瓶中的液体倒满透析袋，刻度玻璃管插入袋内液体中，用线将袋口和玻璃管扎紧；③将插有刻度玻璃管的透析袋放入盛有液体的烧杯中，垂直固定于支架上，记录玻璃管液面刻度；④一段时间后，观察玻璃管液面刻度，确定液面上升还是下降。

(三)结果分析：如液面上升，则透析袋中的溶液为30%蔗糖溶液，烧杯中的溶液为10%的蔗糖溶液。反之，可推测透析袋中是10%蔗糖溶液，烧杯中的液体是30%的蔗糖溶液。类型二：评价和纠正型

分析已有实验设计方案中不科学性，并提出改进。

［例2］北阿尔伯达的一个工厂把产酸的化学品排入到空气中，工厂东面有一个湖，湖底是石灰石的。但湖水的pH值已从原来的6儿降低到5.7。虽然酸性沉积一直在增加，湖水的pH值仍保持5.7不变。湖中原有的鱼是河鲈和鲤鱼。钓鱼爱好者抱怨说，自从工厂开办以来，鱼资源已经减少。工厂的工人设计了一个实验，证明工厂排放出去的化学药品与鱼资源的减少没有关系。

工人取一只大容器，盛放湖水，维持pH值在5.7。从湖里找来大鱼放在该容器内，喂以蛋白质饲料。在这样的条件下，鱼正常成长。

假定你是一个独立的仲裁员，受雇于垂钓爱好委员会委拖，来对该项实验进行评估，列出你要得到的附加信息，并列举说明你要用什么方法去得到这些信息。

［解析］本实验设计方案中没有考虑鱼的生活中受着多种因素影响，这与单一变量原则是相违背的。分析问题不全面，只考虑单一因素的影响，设计实验无说服力，也不符合实验设计的要求。本题考查思维的全面性，在认定两个问题时，除了看有无直接联系外，也要注意考虑间接联系

［答案］该实验设计测量不出下列因素。而这些因素都是对河鲈和鲤鱼的影响的：（l）酸对河鲈和鲤鱼的食物数量多少的影响；

（2）酸对河鲈和鲤鱼的鱼卵或幼鱼的影响；

（3）由于春季干涸造成pH值季节性涨落的影响；

（4）由于酸的分解作用而进入水域的重金属量是多少；

为了说明上述第一点，必须完成一项研究，即确定各种浮游生物，水生昆虫和小鱼的多少。如果这个食物网的某些环节正在丧失，则有必要去研究酸是否对此有影响。为了说明上述第二点，可以在酸化水中饲养鱼卵和幼鱼。鱼的数量减少可能是上述第一点和第二点结合的产物，所以人工饲养幼鱼可能会给出不可靠的结果。

对于季节性涨落，应该对全湖长期取水样。做仔细彻底的记录至少一年。这一因素可能和第二点相符合，因为鱼卵或繁殖更受低pH值的影响。重金属是累积的有毒物质，人工饲养和鱼与湖里吃污染食物的鱼相比，并不处在相同水平的毒素中。应该在湖水中、鱼饲料中以及河鲈和鲤鱼身体中检测如铅这样的重金属含量。

所有这些因素都说明，酸的影响是长期的，在容器里短期饲养的鱼不可能给出可靠的结果。这种研究必须以年为周期来实施，而且要与该工区其他湖水情况作比较。

类型三：补充完善型

对已有的实验设计进行补充和完善。

［例3］向你提供的条件仅有健康活泼的家兔一只，75%酒精、无菌干棉球、解剖刀、洁净的载玻片10块(编号为A、B、C、D、E、F、G、H、I、L)、红墨水、秒表，请在上述提供的条件范围内，设计一个测定血液凝固时间的实验。

实验步骤：①用酒精棉球消毒兔耳；②用消毒解刮刀剖开兔耳边缘的小静脉；请将实验步骤补充完整：

［解析］这类题目的题干中已经提供了一定的信息，基本上划定了答题的模式，目的明确，前面的方法步骤等信息已为续答作了铺垫，只要明确题目中的实验变量和反应变量，然后设计对照组，再根据有关原理分析，一般就能比较正确地写出答案。本实验设计方案很巧妙地看出血液是否凝固。

［答案］③把从刀口流出的血液分别在ABCDEFGJIL10块载玻片上滴一滴(第一滴血弃去不用)；④取血后对兔耳刀口外进行消毒止血；⑤在L载玻片上滴一滴红墨水(起对照作用)；⑥开始记录时间，过l分钟后将A载玻片竖立，第二分钟后将B载玻片竖立(在它们竖立的同时，都将L载玻片竖立)，其余类推，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变为凝固)；⑦血液完全凝固，而墨水仍然流动，即为血液凝固时间。

五、生物实验设计题解题策略

（一）生物高考实验设计的三种题型虽然在形式上有一定的差异，但在答题中却有共同

点，先要认真研究课题，找出其中的实验变量和反应变量，其次是构思实验变量的控制方法和实验结果的显示方法，最后再选择适宜的实验材料，在注意实验步骤逻辑性的前提下表达实验的方法步骤。在实验方法和步骤设计中最重要的是把握好变量控制。

（二）重视课本实验的复习，掌握书本知识是提高实验设计能力的基础。要熟悉教材，心中有书。题在书外，理在书内。因此要深入理解与灵活应用基础知识。在考试说明中明确提出了，要求“理解所学实验的实验内容，包括实验原理、方法和操作步骤、实验变量的控制、掌握相关的操作技术”。

（三）挖掘课本中所蕴含的实验因素，深刻领会教材有关实验的本质与特点是提高实验设计能力的前提。要认真分析教材所涉及的实验，包括学生实验，演示实验，经典实验等。生物学的每一个知识结论都是在观察、实验的基础上得出的，在平时的复习中要注意多挖掘知识结论中所蕴含的科学思想和方法，深入分析实验的条件、过程、现象、结果和结论的科学性。例：生长素的发现过程中，涉及生长素产生的部位、感光的部位、作用的部位、运输的方向等，这些都可以思考如何设计实验来证明。

（四）学会对已知实验进行变换和转化是提高实验设计能力的有效手段。求变、求异思维的发展有助于提高实验设计能力。善思会变才能应答自如，通过换位思考提高素质，才能将所学知识，技能迁移到新情景中来，才能依据实验目的、原理和材料安排实验步骤等，并作出分析、评价和结论。

第五篇：实验设计与数据处理心得

实验设计与数据处理心得体会

刚开始选这门课的时候，我觉得这门课应该是很难懂的课程，首先我们做过不少的实验了，当然任何自然科学都离不开实验，大多数学科（化工、化学、轻工、材料、环境、医药等）中的概念、原理和规律大多由实验推导和论证的，但我觉得每次到处理数据的时候都很困难，所以我觉得这是门难懂的课程，却也是很有必要去学的一门课程，它对于我们工科生来说也是很有用途的，在以后我们实验的数据处理上有很重要的意义。

如何科学的设计实验，对实验所观测的数据进行分析和处理，获得研究观测对象的变化规律，是每个需要进行实验的人员需要解决的问题。“实验设计与数据处理”课程就是是以概率论数理统计、专业技术知识和实践经验为基础，经济、科学地安排试验，并对试验数据进行计算分析，最终达到减少试验次数、缩短试验周期、迅速找到优化方案的一种科学计算方法。它主要应用于工农业生产和科学研究过程中的科学试验，是产品设计、质量管理和科学研究的重要工具和方法，也是一门关于科学实验中实验前的实验设计的理论、知识、方法、技能，以及实验后获得了实验结果，对实验数据进行科学处理的理论、知识、方法与技能的课程。

通过本课程的学习，我掌握了试验数据统计分析的基本原理，并能针对实际问题正确地运用，为将来从事专业科学的研究打下基础。这门课的安排很合理,由简单到复杂、由浅入深的思维发展规律，先讲单因素试验、双因素试验、正交试验、均匀试验设计等常用试验设计方法及其常规数据处理方法、再讲误差理论、方差分析、回归分析等数据处理的理论知识，最后将得出的方差分析、回归分析等结论和处理方法直接应用到试验设计方法。

比如我对误差理论与误差分析的学习：在实验中，每次针对实验数据总会有误差分析，误差是进行实验设计和数据评价最关键的一个概念，是测量结果与真值的接近程度。任何物理量不可能测量的绝对准确，必然存在着测定误差。通过学习，我知道误差分为过失误差，系统误差与随机误差，并理解了他们的定义。另外还有对准确度与精密度的学习，了解了他们之间的关系以及提高准确度的方法等。对误差的学习更有意义的应该是如何消除误差，首先消除系统误差，可以通过对照试验，空白试验，校准仪器以及对分析结果的校正等方法来消除；其次要减小随机误差，就是要在消除系统误差的前提下，增加平行测定次数，可以提高平均值的精密度。

比如我对方差分析的理解:方差分析是实验设计中的重要分析方法，应用非常广泛，它是将不同因素、不同水平组合下试验数据作为不同总体的样本数据，进行统计分析，找出对实验指标影响大的因素及其影响程度。对于单因素实验的方差分析，主要步骤如下：建立线性统计模型，提出需要检验的假设；总离差平方和的分析与计算；统计分析，列出方差分析表。对于双因素实验的方差分析，分为两种，一种是无交互作用的方差分析，另一种是有交互作用的方差分析，对于这两种类型分别有各自的设计方法，但是总体步骤都和单因素实验的方差分析一样。除了以上一些实验设计与数据处理方法外，学习这门课程最大的收获就是对chemdraw及origin两个软件的学习。计算机软件的应用是计算机学科在化学领域中的最主要的应用之一，它不仅解决了化学计算中的复杂问题，而且利用虚拟的程序把化学世界的微观结构、光谱形态等形象地展现出来，以致把化学学科的教育和科研的革命推向一个崭新的阶段。Chemdraw软件。

ChemDraw是为辅助专业学科工作者及相关科技人员的交流活动和研究开发工作而设计的。它给出了直观的图形界面，开创了大量的变化功能，只要稍加实践，便会很容易地绘制出高质量的化学结构图形。因而，可为化学界出版物、手稿、报告、CAI软件、涉及化学结构图形的软件的编写制作等提供高质量的结构图形、3D转换、基本的分子模型及化学数据管理功能等。ChemDraw为此已成为世界上最流行、最受欢迎和最有应用价值的化学绘图软件。

这个软件对于我们化工专业的学生来说是很有用途的。我们会经常写一些化学反应式或反应机理，但每次在Word文档中都无法输入正常的分子式或根本无渠道来表达反应式。但通过对Chemdraw软件的学习，显然给我们带来了极大的方便.它给出了直观的图形界面，用起来方便，也很容易学习，不需要我们再去一条线一条线的来画，而是可以直接用鼠标点一下就可以插入，像苯环及其衍生物，而且很多反应式可以极其形象的表达出来，给我们的学习带来极大的方便。Origin软件 Origin为OriginLab公司出品的较流行的专业函数绘图软件，是公认的简单易学、操作灵活、功能强大的软件，既可以满足一般用户的制图需要，也可以满足高级用户数据分析、函数拟合的需要。而使用Origin就像使用Excel和Word那样简单，只需点击鼠标，选择菜单命令就可以完成大部分工作，获得满意的结果。像Excel和Word一样，Origin是个多文档界面应用程序。它将所有工作都保存在Project(*.OPJ)文件中。该文件可以包含多个子窗口，如Worksheet，Graph，Matrix，Excel等。各子窗口之间是相互关联的，可以实现数据的即时更新。子窗口可以随Project文件一起存盘，也可以单独存盘，以便其他程序调用。

Origin的数据分析主要包括统计、信号处理、图像处理、峰值分析和曲线拟合等各种完善的数学分析功能。准备好数据后，进行数据分析时，只需选择所要分析的数据，然后再选择相应的菜单命令即可。Origin的绘图是基于模板的，Origin本身提供了几十种二维和三维绘图模板而且允许用户自己定制模板。绘图时,只要选择所需要的模板就行。用户可以自定义数学函数、图形样式和绘图模板；可以和各种数据库软件、办公软件、图像处理软件等方便的连接。Origin可以导入包括ASCII、Excel、pClamp在内的多种数据。另外，它可以把Origin图形输出到多种格式的图像文件，譬如JPEG、GIF、EPS、TIFF等等。Origin里面也支持编程，以方便拓展Origin的功能和执行批处理任务。Origin里面有两种编程语言—LabTalk和Origin C。在Origin的原有基础上，用户可以通过编写X-Function来建立自己需要的特殊工具。

Origin软件也是非常实用的一个软件，在数据处理方面带给我们极大方便。在平时的实验中，往往都需要将测得的数据用图表表示出来，以便观察规律，但由于原理可能较复杂，图表表达起来很困难，而且就算画得出来，也是有很大的误差，往往也会给实验结果带来偏差。学习了这个软件之后，感觉实验数据的处理问题不再那么难以解决了，这个软件最突出的特点就是它的操作灵活与功能强大，只需要我们将数据输入，就可以看到形象的图示，而且点图，线图，或者点线连接都能显示出来，更方便的是，只需要点一下鼠标，不需要我们再去算，就可以通过拟合将图形的方程及参数写出来。这些对于我们以后的实验是有非常重要的意义的。

总之，这门课带给了我意想不到的收获，为我以后的学习带来了极大的方便与乐趣。对于实验设计与数据处理方法，我们在以后的实验中要不断去实践与体会，而对于Chemdraw及Origin两个软件的学习，虽然我们只有三个小时的上机时间，却让我深刻体会到了它们的实用性，在以后也会将这两个软件好好学习一番。以上就是我对《实验设计与数据处理》这门课程的一点体会，很感谢老师给我们带来这么多有用的知识，在以后的学习生活中我也会牢记这些知识，不断的实践。