第九章 实验设计
第九章_实验法
实验法
•
本章主要介绍了实验法的相关知识， 包括实验法的概念、基本原理和特点；实 验法的类型和基本程序；实验设计及实施 方法；实验法实施中需要注意的问题，并 且说明了实验法的价值和意义。其中重点 和难点是实验法的原理、类型、主要实验 设计和实验法实施中需要注意的问题。
第一节 实验法的基本原理及类型
（二）多因素实验设计
• 所谓多因素实验设计是检验多个自变量（或 一个自变量的多种取值）与因变量的因果关系的 设计。它一般设置一个对照组、三个或三个以上 实验组。 • 依照具体实施方法的不同，它又分为多种类型。 主要有： 因子设计。它是检验两个以上的自变量对因 变量的影响和自变量之间交互作用对因变量的影 响的设计。 重复测量设计。它是检验多个自变量对不同 实验对象进行激发后的差异的设计。 拉丁方格设计。它是检验多个自变量的引入 顺序对因变量的影响的设计。
二、经典实验设计
• 经典实验设计也叫两组前后测实验设 计，就是选择一批实验对象作为实验组， 同时选择一批与实验对象处于相同环境、 条件相同或相似的对象作为对照组；然后， 只对实验组给予实验激发，而对对照组却 听其自然；最后，对实验组和对照组前后 检测的变化进行对比研究，得出实验结论。
三、两组无前测实验设计
• 选择实验对象和实验环境，一般有两 种方法：
– 按照随机原则从调查对象的总体中抽取。 – 主观挑选。
二、实验过程的控制
• 实验过程的控制主要就是对各类变量的控 制。它包括两个方面： • 一是对引入自变量的控制，二是对无关变 量的控制。
对引入自变量的控制
• 对引入自变量的控制主要是在实验激发过 程中，严格执行设计方案，有计划地、系 统地安排实验激发的环境和程度，使它们 有序的作用于因变量。
第九章 疾病研究的实验设计
第九章疾病研究的实验设计根据高等医学院校培养目标的要求，应培养学生初具实验性研究疾病的能力。
因此，通过实验设计课的开设或通过学生自行设计的实验的实施，逐步培养学生进行实验设计的能力，对于提高教学质量来说是十分必要的。
实验设计是关于实验研究的计划和方案的制订，是对实验研究所涉及的各项基本问题的合理安排。
这里所说的实验设计，主要是指实验性研究中某个具体实验的专业设计。
实验设计是实验性研究的基本功，是实验过程的依据，是实验结果或数据处理的前提，是提高实验性研究质量的重要保证。
因此，做实验之前必须进行实验设计，并力求周密。
设计是否周密直接关系到实验结果的准确性和结论的可靠性。
不重视实验设计或设计不周密都会造成实验结果的缺失、影响分析，人力物力和时间的浪费，甚至导致实验失败。
病理生理学实验设计课的目的，是通过学生主动参与实验研究全过程，以了解医学实验的基本过程和基本要求；培养学生对所学知识的综合运用能力；提高学生提出问题、分析问题和解决问题的水平。
一、实验研究的基本程序实验研究的基本程序包括立题、实验设计、预备实验及正式实验、实验资料的整理与统计分析、总结与撰写论文。
在此仅讨论实验设计前的立题和建立假说。
（一）立题：立题即确定所要研究的课题，是科研中首要的问题，它具有战略意义，它决定着科研的主攻方向，它影响着科研的全局，包括研究的途经、采用的方法、仪器和药品的准备、方法学的准备、实验室建设以及人力物力的统筹安排，等等。
立题正确与否决定着实验的成败，也是实验设计的前提和基础。
立题的基本原则和要求是：课题要具有科学性、创造性、目的性和可行性。
特别是创造性和可行性的辩证统一。
1. 科学性：立题是在前人科学理论和实验的基础上进行的，应符合科学规律，不应脱离科学规律作无根据的胡思乱想，要有充分的文献依据，有根据地提出实验目的和预期目标。
但是幻想是允许的。
科学幻想，也就是科学预见，它也是根据科学规律提出来的，也是符合科学规律的。
第九章 双因素完全随机设计
第二节 两因素实验资料的方差 分析
两因素实验资料的方差分析是指对实验指
标同时受到两个实验因素作用的实验资料的方 差分析。两因素实验按水平组合的方式不同， 分为交叉分组和系统分组两类，因而对实验资 料的方差分析方法也分为交叉分组方差分析和
系统分组方差分析两种
一、交叉分组资料的方差分析 设实验考察A、B两个因素，A因素分a个水平，B 因素分b个水平 。 所谓交叉分组是指A因素每个水平与 B因素的每个水平都要碰到 ，两者交叉搭配形成ab个水 平组合即处理 ，实验因素A 、B在实验中处于平等地 位 。 实验单位分成 ab 个组，每组随机接受一种处理 ，
互作用。
(二)两因素有重复观测值实验的 方差分析
A1 1 x111
A2 x211
··· ···
A
a
xa11
xa12 · · · xa1n μ
a1
数 据 的 一 般 模 式
B1
2
· · · n
x112
x11n μ
11
x212
x21n μ
21
···
· · ·
· · ·
···
1 B2 · · ·
x121 · · ·
（二）设计的基本特点
1.从设计条件：
• 研究中有两个自变量，每个自变量有两个或多个水
平
2.设计的方法
随机分配实验单元接受实验处理的结合，每个 实验单元接受一个实验处理的结合。
三.两因素完全随机实验设计与计算 举例
• 例：为提高粒粒橙饮料中汁胞的悬浮稳 定性，研究了果汁PH值（A）、魔芋精 粉浓度（B）两个因素的不同水平组合对 果汁黏度的影响。果汁PH值取3.5， 4.0，4.5三个水平，魔芋精粉浓度 （%）取0.1，0.15，0.2三个水平， 每个水平组合重复2次，进行完全随机化 实验。实验指标为果汁黏度（CP），越
试验设计与数据处理(第三版)李云雁 第9章 配方试验设计
配方试验设计
配方试验设计（formula experiment design ） 混料试验设计（mixture experiment design） 合理地选择少量的不同配比的试验，以确定最佳的 产品配方
9.1 配方试验设计约束条件
若y表示试验指标，x1，x2，…，xm表示配方中m种组分各 占的百分比，则混料约束条件 ：
编码公式：
x j a j (1 a j ) z j
j 1
m
或
zj
xj aj 1 a j
j 1 m
例：
x1 a1 , x2 a2 , x3 a3
x1 [1 (a1 a2 a3 )]z1 a1
x2 [1 (a1 a2 a3 )]z2 a2 x3 [1 (a1 a2 a3 )]z3 a3
＊9.3 配方均匀设计
单纯形设计 ：
设计、分析简单 试验点在试验范围内的分布不十分均匀 配方均匀设计： 使试验点在单纯形中散布尽可能均匀
无约束的配方均匀设计步骤： （1）配方均匀设计表的选用
配方均匀设计表：
UMn（nm）或UMn*（nm） n：试验次数
m ：组分数
xj≥ 0 （j＝1，2，…，m）
x1＋x2＋…＋xm＝1
9.2 单纯形配方设计
9.2.1 单纯形的概念
单纯形（simplex ）：凸形
正规单纯形： 例：正三角形，正四面体
高为1的正规单纯形可表示混料组成
正规单纯形内任一点到各个面的距离之和是1 顶点代表单一成分组成的混料 棱上的点代表两种成分组成的混料 面上的点代表多于两种而≤m 种成分组成的混料 内部的点则是代表全部m种成分组成的混料
第9章随机区组试验设计
对于【例 10-3】为了解5种小包装贮藏方法（A， B，C，D，E）对红星苹果果肉硬度的影响，进行了 一次随机区组试验，以贮藏室为区组，试验结果如表 10-5 。试分析各种贮藏方法的果肉硬度的差异显著 性。
第一步，整理试验资料。 首先将原始数据填入按处理与区组划分 的两项表，表10-5，（1）各处理总和及 r x xi. xij i. xi. 其均值。 （2）各区组总 j 1 r k rk r r x x 和 i. （3）全试验总和 X .. X X .i X . j
的单元组叫做区组(block)。然后分别在各区组内，用
随机的方法将各个处理逐个安排于各供试单元中。由
于同一区组内的各处理单元的排列顺序是随机而定的，
故这样的区组叫做随机区组 (randomized block)，随 机区组试验设计也由此得名。
1.2随机区组设计的特点 （一）随机区组设计的主要优点
1、由于随机单位组设计体现了试验设计三原则，在对 试验结果进行分析时，能将单位组间的变异从试验误 差中分离出来，有效地降低了试验误差，因而试验的 精确性较高。 2、设计方法机动灵活。 3、试验实施中的试验控制较易进行。 4、试验结果的统计分析方法简单易行。 5、试验的韧性较好。
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（二）随机单位组设计的主要缺点 ①本试验设计是按区组来控制试验非处理条件的， 要求区组内条件基本一致。在进行结果分析时，也只 能消除区组间差异带来的影响，而不能分辨出区组内 的差异。 ②当处理数太多时，一个区组内试验单元就多，对其 进行非处理条件控制的难度相应增大，甚至将失去控
j 为第j单位组效应。
处理效应 i通常是固定的，且有 i 0 ； i 1 单位组效应 j 通常是随机的。
《第九章 一、 二力平衡》作业设计方案-初中苏科版八年级下册
《二力平衡》作业设计方案（第一课时）一、作业目标通过本次作业，学生应能够：1. 理解二力平衡的概念；2. 掌握二力平衡的条件；3. 能够应用二力平衡知识解决实际问题。
二、作业内容1. 理论题目：a. 请简述二力平衡的概念；b. 请列出三种处于二力平衡状态的物体，并分析其中两个力之间的关系；c. 解释什么是作用在同一物体上的两个力，同时满足哪几个条件时，这两个力才能平衡。
2. 实践题目：a. 请描述一个日常生活中物体处于二力平衡状态的现象；b. 假设你正在推一辆小车，小车并未移动，请分析这个过程中你推力与地面摩擦力之间的关系，并解释为什么小车并未移动；c. 请设计一个实验，验证二力平衡的条件，并写出实验步骤和预期结果。
三、作业要求1. 学生需独立完成作业，禁止抄袭；2. 理论题目和实践题目需分别写在规定的答题纸上；3. 实践题目需结合物理知识进行解释和分析。
四、作业评价1. 评价标准：a. 学生对二力平衡概念的理解程度；b. 学生能否正确分析二力平衡现象；c. 学生实验设计的合理性和可行性；d. 学生能否正确应用二力平衡知识解决实际问题。
2. 评价方式：a. 教师批改并打分；b. 根据学生作业情况，在课堂上进行讨论和讲解；c. 鼓励学生对自己的作业进行自评和反思。
五、作业反馈学生完成作业后，将作业反馈给教师，以便教师了解学生对知识的掌握情况。
教师将根据学生的作业情况，及时调整教学策略，帮助学生更好地理解和掌握物理知识。
同时，也希望学生能够根据作业情况，对自己的学习情况进行反思和总结，以便更好地应对后续的学习挑战。
以上就是初中物理课程《二力平衡》作业设计方案（第一课时），希望同学们能够认真完成作业，并在学习的过程中不断反思和总结，提高自己的物理水平。
作业设计方案（第二课时）一、作业目标通过本次作业，学生应能够：1. 深入理解二力平衡的概念；2. 能够应用二力平衡知识解决实际问题；3. 培养独立思考和团队协作能力。
9.2液体的压强 教学设计-2021-2022学年教科版八年级下册物理
第九章第二节《液体的压强》教学设计课题第九章第二节《液体的压强》课型新授课课时二课时教材地位《液体的压强》是教科版八年级物理下册第九章第二节的内容，通过前一节课的学习，同学们知道压强的概念、压强的计算方法。
这些知识都为这一节课的学习作了充分的准备。
学习本节内容能巩固前面的内容，让学生懂得除固体产生压强，液体也会产生压强，气体也会产生压强，为后面的物理学习奠定基础。
所以本节课是联系前后知识的桥梁，是物理知识链中非常重要的一环。
本节课讲述研究液体压强的实验方法及过程，这些内容与生产、生活息息相关，充分体现了新课程标准“从生活走向物理，从物理走向社会”这一发展理念。
学情分析学生虽然刚学完固体产生的压强，但对于液体内部也会产生压强肯定很陌生，甚至不相信，特别是液体内部向各个方向都有压强，且压强的大小与液体的重力、容器的大小、形状、底面积等因素无关可能难以理解，因此通过实验探究改变学生心中的固有想法显得尤为重要。
教学目标1．知识与技能（1）知道液体对容器底和侧壁的压强；知道液体内部存在压强。
（2）通过实验，探究液体压强与哪些因素有关。
（3）知道液体压强的分布规律。
（4）能利用液体内部压强的分布规律解释分析一些简单的有关问题。
2．过程与方法（1）通过实验探究，总结液体的压强分布规律，让学生初步体会实验归纳的研究方法。
（2）实验和理性思维相结合，培养学生的科学探究能力。
3．情感态度与价值观通过各个教学环节，激发学生的求知欲，并使学生体验探究的乐趣，培养学生乐于探究物理知识的精神。
教学重点教学重点：探究液体压强与哪些因素有关教学难点：推导压强的计算公式教学资源1．学生实验器材：微小压强计、大烧杯、水（学生自备）、盐2．教师演示器材：玻璃管（侧面开口）、微小压强计、大烧杯、水、玻璃管（两端开口）、橡皮膜3．多媒体课件等。
教学环节教师活动学生活动资源安排设计意图时间分配情景引入固体由于重力对支撑它的物体有压强，那液体也受到重力的作用，液体对支撑它的物体也有压强吗？多媒体展示深海带鱼和梯形大坝提问：带鱼生活在深海中，为什么我们市场的带鱼不是活的？为什么大坝要做成上窄下宽梯形状的？学生思考并回答：既然液体也有重力，那对支撑它的物体应该也有压强。
探究《流体压强与流速关系》创新实验
探究《流体压强与流速关系》创新实验摘要：流体力学和我们的生活联系非常紧密，人教版八年级物理下册第九章第4节《流体压强与流速关系》就是流体力学的基础。
本文通过分析学生的思维认知特点，对本节课实验部分进行改进，可操作性强，效果显著，有效地解决了学生的问题，学生更加认可本实验的结论。
关键词：流体力学流体压强与流速关系创新实验一、基本概述人教版八年级物理下册第九章第4节《流体压强与流速关系》，其实是学生第一次接触到流体力学，同时它也是液体压强和大气压强的延伸与拓展。
主要是由“流体压强与流速关系”以及衍生出“飞机的升力是如何产生的”两大知识点组成。
本节课是前面知识点的升华，同时它和我们的生活联系非常的紧密，对学生学习物理后去解决实际生活问题，提高学习物理的兴趣很有帮助。
如何抓住初中生的强烈好奇心和求知欲望的特点，用实验探究、实验演示激发学生积极思考，探究物理规律，从而让学生能进一步从生活走向物理，从物理回归生活。
二、学生的学困点1.学生的思维和认知不足。
流体力学现象在生活中很常见，但是学生对流体力学现象的理性思维和认知不足，因此，学生虽然对本节课的情境创设与实验探究具有很浓厚的兴趣，但是学生的实验设计能力有所欠缺，老师要及时地进行兴趣激发和技巧引导，不要让学生去死记硬背记住结论，而是真正地通多实验探究以及实验现象理解实验结论，并且进行内化，学会举一反三，进行知识点的迁移，真正做到物理回归于生活。
2.初中生记忆特点。
根据资料显示，中学阶段学生们开始步入记忆力的全盛时期，是学习的黄金时期。
中学生的无意识记忆虽然较明显，随着心理活动有意识记忆日益占主导地位，记忆的程度随年龄的增长、知识经验的丰富不断扩大。
促进记忆的方法有很多：（1）定位法；（2）形象记忆法；（3）联想记忆；（4）谐音记忆。
而我们物理学中的实验演示就有助于学生形象记忆。
但是，在对比定性探究和定量探究毋庸置疑肯定是后者更符合学生的认知水平和特点。
三、创新实验设计1.设计思路。
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试验时间、地点
学术论文撰写
进度安排、经费预算 成果形式
(二）目的
一 试验设计的意义
避免系统误差，控制、降低试验误差， 无偏估计处理效应，从而对样本所在 总体作出可靠、正确的推断。
(三）任务
一 试验设计的意义
在研究工作进行之前，根据研究项目的需要，应用数 理原理，作出周密安排，力求用较少的人力、物力和 时间，最大限度地获得丰富而可靠的资料，通过分析 得出正确的结论，明确回答研究项目所提出的问题。
简单对比设计 只有一个CK 每一个处理相邻都有一个CK
邻比设计
4s n L2
2
南阳黄母牛的体高 x 133 cm, s 4.07cm 以９５％的可靠性进行估计，并要求估计的误差 不超过0.5cm，求n值。
4s 2 4 4.0 72 n 265 2 2 L 0.5
第二节：对比设计
对比法：一种最简单的试验设计方法 适用于单因素试验。
生物学是一门实验性科学。
收集资料，确定课题
1 2 3
物质条件，技术方法 仪器设备的精度要求
数据分析
制订方案，可行性分析
制订方案
实验技术
进行实验，得出结论
精心组织操作
试验方案设计合理
统计方法进行分析
客观 理想的结果
第九章
试验设计及其原理
试验设计(experimental design) 一、试验设计的意义 二、生物学试验的基本要求
如果设计不合理，不仅达不到试验的目的，甚至导致 整个试验的失败。
能否合理地进行试验设计，关系到科研工作的成败。
(四）意义
一 试验设计的意义
1
节省人力、物力、财力和时间 减少试验误差，提高试验的精确度， 取得真实的试验资料，为统计分析 得出正确的判断和结构打下基础。
2
二 生物学试验的基本要求
试验目的明确
五 试验设计的基本原理
重 复 随 机 局部控制
三 原 则
无偏估计误差
估计误差
降低误差
作 用
统计推断 提高精确性
样本容量的确定
x
2 x
2
n
x
n
sx
s n
sx
s n
x t 0.05 s x
L t0.05 s x t0.05 s n
Ｌ即为臵信区间宽度的一半（臵信半径）
四、试验误差及其控制途径
（四）试验误差的控制
保证实验材料的均一性及实验环境的稳定性
改进操作管理制度，使之标准化 消除系统误差
精心选择试验单位
采用合理的试验设计
五 试验设计的基本原理
重 复
估计试验误差
重复：试验中同一处理实施在两个或两个以上 的试验单位上。 如果同一处理只实施在一个试验单位上，那么 只能得到一 个观测值，则无从看出差异，因而 无法估计试验误差的大小 。 只有当同一处理实施在两个或两个以上的试验 单位上，获得两个或两个以上的观测值时，才 能估计出试验误差。
严格要求试验的正确执行和试验条件 1 的代表性；
注意试验的环节，全面掌握试验的条 2 件，详实的试验记载
3 考虑季节变异的特点，克服年份、地
点环境条件的差异
三、试验设计的基本要素
受试对象
处理因素
基本 要素
处理效应
三、试验设计的基本要素
概念 对受试对象给予的
某种外部干预（或措施）
特点 人为设置
处理（因素）
随机误差（偶然误差）：由于试验中许多 无法控制的偶然因素所造成的试验结果与 真实结果之间产生的误差。
人为误差
不可避免
四、试验误差及其控制途径
（二）试验误差的来源
试验材料固有的差异
试验条件不一致
操作技术不一致
偶然性因素的影响
疏忽大意造成
四、试验误差及其控制途径
（三）试验误差的表示
绝对误差 观测值与真值之差 相对误差 绝对误差与真值之比 平均值±标准差
（试验）误差
影响试验的精确度和准确度。
试验误差是衡量试验精确度的依据，误差小表示 精确度高，误差差，则比较的可靠性较差，而要 使处理间的差异达到指定的显著水平就很困难。
四、试验误差及其控制途径
可以避免
试 验 误 差
系统误差（片面误差）：由于试验处理以 外的其他条件明显不一致所产生的带有倾 向性的或定向性的偏差。
五 试验设计的基本原理
重 复
sx s n
降低试验误差
平均数抽样误差的大小与重复次数n的平方根 成反比，所以n增加，可以降低试验误差。 但在实际应用时，重复数太多，试验材料的初 始条件不易控制，也不一定能降低误差。
重复数的多少可根据试验的要求和条件而定。
五 试验设计的基本原理
随 机
无偏的估计试验误差
随机化是指在对试验材料分组时必须使用随机 的方法，使供试材料进入各试验组的机会是相 等，以避免试验材料分组时试验人员主观倾向 的影响。
这是在试验中排除非试验因素干扰的重要手段， 目的是为了获得无偏的误差估计量。
五 试验设计的基本原理
局部控制
局部控制是指在试验时采取一定的技术措施或方 法来控制或降低非试验因素对试验结果的影响。
误差效应 处理效应
四、试验误差及其控制途径
试验误差的概念 来源
表示方法 控制途径
（一）概念
四、试验误差及其控制途径
试验效应
观测值
使观测值偏离试验处理 真值的偶然影响称为试 验误差或误差(error)。
误差效应 处理效应
不能完全一致的其他因素的偶然影响 处理的真实效应
（一）概念
四、试验误差及其控制途径
单因素处理
多因素处理
1
实验中注意主要因素
处 理 因 素
2
控制非处理因素
处理因素标准化
3
三、试验设计的基本要素
处理因素的客体，即根据研 究目的而确定的观测总体。 受试对象 必须对其具体条件做出严格 规定，保证其同质性。
三、试验设计的基本要素
1
试验效应
2
处理因素作用于受试对象 的反应 研究结果的最终体现
试验条件要有代表性
试验结果可靠
试验结果可重演
试 验 结 果 可 靠
准确度
试验中某一性状的观测值与其 相应真值的接近程度，不易确 定。
精确度
试验中同一性状的重复观测 值彼此接近的程度，即试验 误差的大小。
试 验 结 果 重 演
在相同的条件下，再进行试验 或实践，应能重复获得与原试 验结果相类似的结果。
三、试验设计的基本要素 四、试验误差及其控制途径
五、试验设计的基本原理
(一）概念
广义
课题的名称 研究的预期效果 试验单位的重复数 试验目的 试验方案 试验单位的分组
一 试验设计的意义
狭义
研究依据、内容 试验单位的选取 试验记录项目和要求分析
已备条件
尚缺少的条件
在试验中，当试验环境或试验单位差异较大时， 仅根据重复和随机化两原则进行设计，不能将试 验环境或试验误差所引起的变异从试验误差中分 离出来，因而误差较大，试验的精确性与检验的 灵敏度降低。
五 试验设计的基本原理
局部控制
降低试验误差
在试验环境或试验单位差异较大的情况下，根据 局部控制原则，可将整个试验环境或试验单位分 成若干小环境或小组，称为单位组（或区组）。
因为单位组之间的差异可在方差分析时从试验误 差中分离出来，所以局部控制原则能较好地降低 试验误差。
五 试验设计的基本原理
重复、随机、局部控制三个基本原则是试验 设计中必须遵循的原则，再采用相应的统计 分析方法，就能最大程度地降低并无偏估计 试验误差，无偏估计处理效应，从而对于各 处理间的比较作出可靠的结论。