怎样进行试验设计?

2020-06-10科学

一、写在前面

试验设计其实是1个 通用的统计学工具 ， 不受具体学科的限制 。

答主这里只 对试验设计进行科普性的讲解 ， 让小伙伴们对试验设计有个基础的了解 ，方便小伙伴们在后期看论文时，知道试验设计到底是想干啥。

二、试验设计目的

做试验设计之前，首先需要知道试验设计的目的 。

不同学科领域进行试验设计的目的都可以用1句话概况： 得到试验对象的特性规律，即试验因变量随试验自变量的变化规律 。

比如，一杯500ml 奶茶的甜度和它所含的糖分有关 ，加的糖越多，奶茶甜度越大。这里的 「糖」是自变量 ， 「奶茶甜度」是因变量 。

奶茶店之所以知道「三分甜」、「五分甜」等需要加多少糖，也全靠试验设计的功劳： 首先需要得到「奶茶甜度」和「糖」之间的关系 ，然后就可以 反算得到「三分甜」、「五分甜」等不同甜度需要多少糖 。

三、试验设计流程

知道试验设计的目的后，就可以开始进行试验设计。

步骤1：确定试验自变量和试验因变量

如果连试验自变量和试验因变量都无法确定的话，试验设计无从谈起。

试验因变量其实很好确定 ，但是 自变量的确定很恼火 ，特别是对于那种复杂关系的特性规律。

答主后来自己在用试验设计时， 总结了2个方法确定试验自变量 。

第1个是从规律机理上分析试验自变量 ，毕竟任何1个学科都有很多科学先驱者做了大量的研究，所以从他们的研究中或多或少地都能进行规律机理上的分析；

第2个是通过显著性分析方法进行自变量的筛选 ，这个是统计学中的1个常用方法，感兴趣的小伙伴可以自己搜索，这里不做过多赘述。

步骤2：采用合适的试验设计方法

试验规律也分为定性和定量 ，如果只是 定性地得到试验规律 ，那么有太多方法可以选择，比如 均匀设计[1] 、 正交设计[2] 等等很多方法。这些方法建议小伙伴直接搜索相关的论文，论文中的介绍其实是更深入的。

想 得到定量的试验规律 ，可以采用 中心复合设计[3][4] 等方法；如果想进一步得到更好的试验设计结果，可以采用 D-最优[5]等方法 进行优化。

答主在进行试验设计的时候 ，采用的是 D-最优和遗传算法结合的方式[6] 进行，取得的效果也还不错，感兴趣的小伙伴可以看下，有什么问题也可以批评指正。

步骤3：执行试验点并获取试验数据，得到试验规律

试验设计得到相关试验点后，剩下的就是 获取试验数据 ，并进行试验数据后处理， 得到试验规律 。

答主采用多项式模型[6]来反映试验规律 ，如果是 定性分析，其实也就不用采用什么模型了 。文主的 试验设计流程基本可以用下面这张图表 示。

以上是答主从自己做试验设计研究过程中总结的一些经验，欢迎小伙伴们批评指正。

参考文献