《試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》在應(yīng)用化學(xué)專業(yè)中教育的作用

【摘要】通過描述試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理的幾種重要分析方法，以及正交試驗設(shè)計的在試驗過程中的應(yīng)用，來闡述本門課程對于應(yīng)用化學(xué)專業(yè)所起的重要作用，并分析本門課程與應(yīng)用化學(xué)專業(yè)中其他課程之間的聯(lián)系，再次凸顯出本門課程的重要性。

【關(guān)鍵詞】試驗設(shè)計；數(shù)據(jù)處理；分析方法；應(yīng)用化學(xué)；作用【中圖分類號】G424 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B【文章編號】2095-3089（2012）21-0043-01

1引言

試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理是統(tǒng)計學(xué)的一個重要分支，它是以概率論、數(shù)理統(tǒng)計、線性代數(shù)和實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，進(jìn)行研究經(jīng)濟(jì)、科學(xué)地安排試驗方案，并對所得試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而達(dá)到減少試驗次數(shù)、迅速找到最優(yōu)試驗方案或數(shù)學(xué)模型、提高試驗效率的實用性課程。它又是一種廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究過程中的普遍使用的科學(xué)計算方法，是產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量管理和科學(xué)研究的重要工具。其目的是培養(yǎng)學(xué)生準(zhǔn)確、快速確定試驗方案，加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析的能力。到目前為止，該學(xué)科經(jīng)歷了80多年的研究和實踐，已成為廣大技術(shù)人員和科學(xué)工作者必備的基礎(chǔ)理論知識[1]。

2試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理中的幾種重要分析方法

在試驗設(shè)計分析方法中誤差分析、方差分析和回歸分析是最主要的三種分析方法。

在試驗過程中由于試驗儀器精密度的限制，試驗方法的不完善，科研人員人事能力的不足和科學(xué)水平的限制等方面，在試驗中獲得的試驗數(shù)值與它的客觀真實性并不一致，這種矛盾在數(shù)值上表現(xiàn)即為誤差[1]。試驗結(jié)果都具有誤差，誤差自始自終存在于一切科學(xué)試驗過程中，因此為了保證試驗最終結(jié)果的準(zhǔn)確性，就必須對原始數(shù)據(jù)可靠地進(jìn)行客觀評定，也就是需要對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。通過誤差分析，我們可以剔除試驗結(jié)果中的一些偏差較大的數(shù)據(jù)，以提高試驗結(jié)果的準(zhǔn)確度。

方差分析是一種非常實用、有效的統(tǒng)計檢驗方法，能用于檢驗試驗過程中，有關(guān)因素對試驗結(jié)果的影響的顯著性[1]。例如，研究殼聚糖復(fù)合粉煤灰處理印染廢水的試驗，在反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、pH值等這些因素都相同的情況下，想探索殼聚糖和粉煤灰的不同配比對處理印染廢水的效果的是有顯著影響，并從中挑選出一個最合適的配比，這就需要進(jìn)行方差分析。所以，方差分析實質(zhì)上是研究自變量與因變量的相互關(guān)系。其目的是檢驗自變量因素是否對試驗結(jié)果有顯著影響。方差分析的基本思想：將總的方差分解為各個方差，把由于各種因素引起的效應(yīng)（如化學(xué)助劑的效應(yīng)）和偶然因素引起的試驗誤差分開，然后利用顯著性檢驗法進(jìn)行分析判斷，作出合適的結(jié)論。方差分析是建立在顯著性檢驗的基礎(chǔ)上，因此，有一個顯著性水平問題，也就是說要用多大的可靠性作出判斷，是95%，還是99%，這就是顯著性水平[2]。

回歸分析是一種處理變量之間相關(guān)關(guān)系最常用的統(tǒng)計方法，用它可以尋找隱藏在隨機(jī)性后面的統(tǒng)計規(guī)律。確定回歸方程，檢驗回歸方程的可信性等是回歸分析的主要內(nèi)容。回歸分析安因素個數(shù)與試驗指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系可分為一元回歸分析和多元回歸分析。通過回歸分析我們就可以確定試驗中自變量因素與因變量因素之間的相互關(guān)系，并且能得到他們之間相關(guān)性的可信度[1]。

3對于應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的作用

試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理在各個科學(xué)領(lǐng)域的試驗研究中起著非常重要的作用。對于應(yīng)用化學(xué)這個實踐性很強(qiáng)的學(xué)科專業(yè)，不管是在進(jìn)行驗證試驗、或者科研創(chuàng)新試驗都經(jīng)常需要通過試驗來優(yōu)化工藝條件，得到變化規(guī)律，并通過對規(guī)律的研究分析，以達(dá)到高效、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗等目的。在進(jìn)行優(yōu)化工藝條件研究新品種解決新問題的試驗過程中，未知的工藝操作因素、人為因素特別多。因此，需要通過大量的試驗來探索工藝條件或配方。這就要求試驗者在試驗之前除了應(yīng)對所研究的問題有一個深入的認(rèn)識外，還要選擇出合理的試驗設(shè)計方案。

學(xué)會科學(xué)的使用試驗設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計試驗，一方面可以減少試驗過程的盲目性，在較短的時間內(nèi)達(dá)到預(yù)期的試驗?zāi)康模乖囼炦^程變得更有計劃；另一方面還可以從眾多的試驗方案中，按一定規(guī)律挑選出少數(shù)試驗，使試驗次數(shù)盡可能少，達(dá)到事半功倍[3]。試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理這門課程中的第五章優(yōu)選法和第六章正交試驗設(shè)計，這兩章里面所介紹的方法就很好的幫助我們設(shè)計出合理的試驗。特別是第六章正交試驗設(shè)計，就很好的解決了我們在需要考慮較多因素，且因素的水平多于兩個的試驗設(shè)計問題。舉個例子，比如我們需要考察一個3因素3水平的試驗中這三個因素對試驗影響的主次順序，以及確定出一個最優(yōu)的試驗條件，若在每個因素的每個水平搭配上只作一次試驗，在沒有試用正交試驗設(shè)計的情況下，我們就要做33=27次試驗。如果是4因素4水平的實驗，那需要進(jìn)行的試驗次數(shù)至少為44=256次，隨著因素的個數(shù)的增加或者因數(shù)水平數(shù)的增加，試驗次數(shù)將增長的更快，因此要完成試驗的時間也就不斷地延長。如果我們采用正交試驗設(shè)計，對于上述的3因數(shù)3水平的試驗，我們可以采取使用正交表L9（34），也就是只需要進(jìn)行9次試驗。對于4因素4水平的試驗，可以采用L16（45）的正交試驗設(shè)計表，這樣也就意味這只要做16次試驗。相比之下，采用正交試驗設(shè)計的次數(shù)成倍減少。因此，掌握正交試驗設(shè)計的方法對我們來說極為重要。

然而合理的試驗設(shè)計只是試驗成功的充分條件，如果沒有科學(xué)的試驗數(shù)據(jù)的分析處理，就無法對所研究的問題有一個明確的認(rèn)識，也無法從試驗數(shù)據(jù)中找到規(guī)律性的信息。因此要達(dá)到預(yù)期的試驗?zāi)康模瑪?shù)據(jù)的分析處理也就必不可少的。本課程中的幾種重要的分析方法就對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行很好的分析處理，雖然有些方法（比如方差分析、回歸分析）如果采用筆算的形式，計算量大，確實有點繁瑣，但隨著現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種針對試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理的軟件，典型的軟件有 Excel、Origin、正交設(shè)計助手、SPSS、DPS等軟件，這些軟件正好彌補(bǔ)上述的問題，使試驗數(shù)據(jù)的分析計算不在繁瑣，大大節(jié)省了人力、物力和財力，也增加試驗分析結(jié)果的準(zhǔn)確度，同時也促進(jìn)了試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理這門學(xué)科的快速發(fā)展和普及。

另外，通過試驗設(shè)計及數(shù)據(jù)處理這兩個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的實踐，對培養(yǎng)學(xué)生的各方面綜合能力是非常重要的。首先試驗方案的自主設(shè)計，可以激發(fā)學(xué)生對學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新思維和用試驗方法解決問題的能力；其次，通過對試驗數(shù)據(jù)做科學(xué)的處理，并找出其中的規(guī)律，有助于學(xué)生加深對科學(xué)概念、原理和規(guī)律的理解。因此這門課程的學(xué)習(xí)不僅僅是完成本課程的教學(xué)目標(biāo)，它還可以提高學(xué)生的綜合能力，對其它課程的教學(xué)甚至對畢業(yè)論文質(zhì)量的提高也起到促進(jìn)作用。

4試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理與其他課程的聯(lián)系

試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理這門課程對整個應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的教學(xué)體系中與其他的課程有著密不可分聯(lián)系。從大一到現(xiàn)在做的試驗：無機(jī)化學(xué)試驗、分析化學(xué)試驗、有機(jī)化學(xué)試驗、儀器分析化學(xué)試驗、生物化學(xué)試驗、化工原理試驗等。其中有一部分是定性的試驗，一部分是定量的試驗。對于定量試驗，每次做完試驗，得到的數(shù)據(jù)都需進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并加以分析才能得到結(jié)論。對于定性試驗，得到的試驗現(xiàn)象也需我們加以分析對比，才能對我們所完成的試驗有一個較好的定性。對于課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、畢業(yè)論文和科研立項等就要求我們自主設(shè)計試驗，這就要求我們懂得使用正交試驗設(shè)計，來尋找出最優(yōu)的試驗方案。因此，試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理這門課程對我們應(yīng)用化學(xué)專業(yè)有著不可或缺的作用。這門課程中涉及到對試驗數(shù)據(jù)結(jié)果的統(tǒng)計處理部分就與大二學(xué)的概率論有著密切的關(guān)系。此外，數(shù)據(jù)分析有著巨大的工作量，需要借助相關(guān)軟件來完成，這些都與計算機(jī)應(yīng)用能力相掛鉤。課本中列舉的大量例子，很多有需要給基于我們所學(xué)的化學(xué)化工基礎(chǔ)課程的理論的理解[4]。

5總結(jié)

試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理這門課程在我們應(yīng)用化學(xué)專業(yè)有著不可或缺的重要作用，它有助于我們更科學(xué)地進(jìn)行試驗，縮短試驗次數(shù)、試驗時間，大大節(jié)省了資源、人力、財力。為我們以后課程設(shè)計、畢業(yè)試驗、創(chuàng)新課題以及以后工作奠定了一定的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]李云雁，胡傳榮，試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

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[3]李延偉，姚金環(huán).淺談化學(xué)化工專業(yè)試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理課程教學(xué)方法[J].廣東化工， 2008，35（8）：176-178.

[4]林立，熊文高，尹志芳，聶偉安，雷存喜.“試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理”課程教學(xué)的思考[J].廣州化工， 2009，37（9）：238-239.