廣義試驗設計方法在試驗設計課程教學中的實踐

[摘 要] 廣義試驗是實物試驗與非實物試驗的總稱，它從根本上突破了實物試驗成本高、人力物力消耗大等特點。本文主要對試驗設計課程中存在的問題、廣義試驗設計的定義、特點及其在試驗設計教學中的實踐進行闡述，目的是讓學生充分認識廣義試驗設計，使試驗設計作為通用技術的通用性更強、應用范圍更廣。廣義試驗設計在教學中的實踐擴展了傳統試驗設計的教學方法，極大的調動了學生的學習熱情。

[關鍵詞] 試驗設計；廣義試驗設計；教學方法

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1005-4634（2013）03-0068-04

0 引言

《試驗設計》課程主要研究如何科學、合理地編制試驗計劃，制定試驗方案，并統計其試驗結果，從而使試驗工作達到好且省的效果。試驗設計從不同優良性出發，合理設計試驗方案，有效控制試驗干擾，科學處理試驗數據，全面進行優化分析，直接實現優化目標[1]。試驗設計技術具有設計靈活、計算簡便、試驗次數少、優化成果多、可靠性高、適用面廣等特點，已成為現代優化技術體系中一種先進的優化方法，它對于提高生產率、創造利潤起著巨大的作用，已廣泛應用于各個領域。例如，采用試驗優化設計優化了苯酚液化和化學鍍銅工藝[2，3]，提高了汽車的平順性[4]，改進了渦輪增壓器渦殼的結構[5]，獲得了綠茶提取以及甜葉菊甙提取液絮凝的工藝[6，7]。此外，我國作為正在大步前進的發展中國家，無論是科學研究、技術開發，還是工程設計、經營管理，都應大力推廣和應用試驗優化技術，這是加快我國建設與發展步伐的客觀需要。根據社會需求，各個學校都開設了試驗設計相關課程。如何提高試驗設計教學質量，促進試驗設計教學內容與實踐以及科研的緊密結合，調動學生的主動性、積極性和創造性，使試驗設計的教學內容更豐富，涉及更多專業領域，更具有實用性，是各個高校《試驗設計》課程教學面臨的挑戰。本文將對廣義試驗設計這一新的教學方法進行闡述，以促進《試驗設計》課程教學質量的改善。

1 高校《試驗設計》課程中存在的問題

目前，高校《試驗設計》課程教學中普遍存在的一個問題就是試驗設計未得到充分重視，把較多的課時放在了統計分析方法的應用和原理的理解上[8]。同時，多數高校《試驗設計》課程教學內容都是實物試驗設計。實物試驗是指由專門人員，在確定的條件下，利用某些儀器、設備和一定的測試技術進行的實地試驗。實物試驗耗費大量的人力、物力、財力，而且受某些條件的限制，實施困難。例如，考察某個縣各鄉去年工業生產情況及規律，由于其規律系統是歷史性的，無法進行實物試驗；而飛船、導彈、航天飛機等大型貴重試驗，其物力和財力花費較大，在一定程度上限制了試驗的順利進行，影響了試驗設計的通用性、適用性及其技術推廣。

其次，多數學校的《試驗設計》課程僅僅針對食品、化工、農業等某一個專業或領域開設，教學過程中所采用的教材以及案例也僅針對某一專業，這在一定程度上限制了試驗設計在不同專業及領域的應用和推廣。

因此，如何豐富《試驗設計》課程的教學內容，改進教學方法，擴大試驗設計技術的應用范圍，提高學生的學習創造力是亟待解決的問題，而廣義試驗設計則能較好的解決這個問題。

2 廣義試驗設計的定義及內涵

廣義試驗是為了察看某事的結果或某物的性能而從事的某種活動，是實物試驗與非實物試驗的總稱。從數理統計上理解，隨機抽樣就是試驗，一次抽樣就是一次廣義試驗，一次抽樣結果就是一個隨機事件，就是一個試驗指標值，因此關于樣本的研究就是試驗設計，且是廣義試驗。進行抽樣使用的種種手段和方法，包括實物試驗的方法都屬于廣義試驗方法的范疇。從信息科學理解，廣義試驗就是獲取信息的某種活動。凡是獲取信息而進行的種種手段與方法都屬于廣義試驗方法的范疇；對廣義試驗進行設計就是廣義試驗設計；廣義試驗就是關于信息的量的科學，是研究如何既快又省地獲取既多又好的信息的一門學科。

廣義試驗設計具有三個基本特點：（1）廣義試驗設計作為一門通用技術，其通用性更強、應用范圍更廣，是對傳統試驗設計方法的一種擴展。除實物試驗和技術領域以外，非實物試驗領域以及非技術領域，如生產編制、產品經銷、市場預測、領導決策、社會調查、日常事務等，凡是需要抽樣獲取信息的場合，都有可能應用廣義試驗設計。例如，運用數理統計的方法，對港作拖輪油耗隨船齡增長而發生變化的情況進行相關性分析[9]，對軍隊轉業技術人才的考評方法[10]、交通意向調查[11]、提高課程教學效果[12]、大學生英文報刊使用效果與影響因素的分析[13]等均是廣義試驗設計范疇；（2）廣義試驗設計的試驗方法靈活多變，除實物試驗方法外，如觀察、調查、統計、一般測量、數學計算、銷售、考核、民意測驗等，一切獲取信息的方法都是廣義試驗設計的試驗方法；（3）廣義試驗設計不受實物試驗的條件限制，既可以滿足實際需要，又能提高實驗效率，提高經濟效益。

3 《試驗設計》課程教學中的廣義試驗設 計實踐

廣義試驗設計在教學中的目的是引導學生突破實物試驗設計的思維限制，開闊思路，從而拓寬試驗設計的實際應用。廣義試驗設計的設計原則、分析方法及步驟都與普通的試驗設計基本相同，主要區別在于試驗方法和思路。因此，廣義試驗設計教學方法在《試驗設計》課程教學中的實踐體現在教學內容改革上，在實際教學中針對不同學科和領域，結合我國企業界人士、工程技術人員、研究人員和管理人員等對試驗設計技術需求的具體情況，增加不同學科及領域的相關教學內容，并為每一種試驗設計方法配上一個廣義試驗設計案例，包括實物試驗設計和非實物試驗設計。《試驗設計》課程教學以講授設計思路為主，向學生灌輸試驗設計的“廣義”概念，強調廣義試驗設計不同于傳統試驗設計的設計思路，激發學生的學習熱情。

3.1 故障辨析設計

產品零件很多，但只要一兩個零件出現問題就會出現產品故障，而且故障原因不易查出；同時當產品的故障率很低時，要尋找產生問題的原因尤其困難。因此針對故障率非常低的產品采用試驗設計技術尋求隱藏在眾多零件中的缺陷原因。

教學時以典型試驗設計方法——齒輪箱故障辨析試驗設計為例[1]，在搜集的有缺陷的齒輪箱中任選一定數目的產品，將產品中的可疑零部件作為考察因素的一個水平；從好產品中取出相同數目的產品，將同樣的零部件作為考察因素的另一水平，然后按照正交表將之重新組裝，進行試驗，獲取試驗數據并進行分析，尋找對故障具有高度影響的一個或多個零件，實現對少量組合進行產品質量檢驗，達到大量零件狀況調查的目的。傳統實物試驗設計方法進行故障辨析時，需要重新設計和制造加工變速箱從而進行故障辨析，而廣義試驗設計方法則只需采用常規檢測方法搜集缺陷產品即可實現故障辨析，極大降低了企業進行故障辨析的成本，提高了生產率。

3.2 壽命試驗設計

通過產品壽命試驗，提高產品設計壽命和使用壽命，是可靠性設計和質量管理中的一個重要內容。通常企業和科研單位專門組織，往往耗費大、時間長，且由于試驗條件的局限，使所得試驗結果適應范圍不廣、代表性不強。廣義試驗設計采用組織生產、銷售與使用三方進行壽命試驗，通過統計以及產品的實際使用獲取試驗數據。

講授《試驗設計》課程時以汽車輪胎壽命試驗設計為例[1]，從用戶處搜集試驗數據，壽命試驗對道路條件、行駛距離和駕駛習慣不作限制，考慮不同汽車的效應和同一汽車不同輪胎安裝位置效應，選擇正交表，將該正交表所形成的輪胎分別安裝在汽車的4個不同位置，隨意駕駛，測取試驗數據。

該試驗設計方法避免了因傳統試驗設計需選擇完全相同的汽車和道路條件而產生的費時費資以及代表性差、試驗數據不準等問題，既可以控制試驗干擾、使試驗數據更準確，而且輪胎壽命更接近實際使用條件，同時也可使生產和使用雙方的效益提高。

3.3 市場分析試驗設計

影響產品市場銷售的因素很多，且各因素影響程度各異。通過試銷以及對各因素影響程度的分析，可以依輕重緩急對這些因素進行處理，以使該產品快速穩步占據市場。但怎樣去分析各種因素對試銷產品的綜合影響程度，以前并沒有一個較好的方法。采用試驗設計技術對各影響因素進行試驗，可以合理取舍，使產品快速打入并占有市場。

以皮鞋營銷試驗設計為例[14]，根據定性分析結果，消費者在選擇皮鞋時特別關注鞋底、鞋幫和價格，因此選擇鞋底、鞋幫和價格為試驗因素，對各因素設定水平，確定營銷組合方案，采用選擇法和打分法進行營銷方案的評價，依據調查結果確定各因素重要性順序，推斷最優營銷組合方案，制定企業經營發展戰略和市場營銷策略。該試驗與傳統實物試驗有所區別，無需進行實際銷售，而是通過訪問消費者的方式搜集試驗數據，調查分析方法簡單易行，分析結果的可信度高，具有較高的實用性。

3.4 數學試驗設計

數學試驗指不需要進行實物試驗而是通過數學計算獲取試驗數據的試驗，是非實物試驗中的一種典型試驗。采用試驗設計技術可以考察因素與試驗指標關系式中各因素的特點、變化規律，進而篩選因素，或者尋求最優組合或極值。

以電磁繼電器觸點分段速度試驗設計為例[15]，繼電器的電壽命與電磁繼電器觸點的分斷速度變化有關，而觸點的分斷速度與銜鐵行程、返簧預壓力矩、靜合壓力、觸點間隙以及動合超程等調整參數有關。因此有必要研究影響觸點分斷速度的關鍵參數，以提高繼電器電壽命。以調整參數為因素、觸點分斷速度為指標進行正交試驗設計，根據因素水平表編制試驗方案，根據專業知識，用動態數學模型計算觸點的分斷速度，對計算試驗結果進行分析，得到影響觸點分段速度的主次因素，在確定關鍵調整參數的基礎上，對關鍵參數進行優化，獲取最佳調整參數。整個試驗設計過程中都未進行實物試驗，而是通過數學計算的方法獲得試驗指標，若進行實物試驗，難度大、干擾多且時間長。數學試驗可以很好地解決傳統實物試驗存在的實際問題。

3.5 生產計劃試驗設計

約束理論認為，瓶頸控制著整個系統的運作，瓶頸上的產出率決定了整個系統的產出率，因此最大限度地提升瓶頸資源的生產能力是提高生產系統生產能力和經濟效益的關鍵[16]。現有的瓶頸識別方法大部分都是在生產系統運行一段時間后，通過對生產過程數據的采集、模擬和仿真分析進行瓶頸識別，都屬于事后的瓶頸識別方法。

針對現有瓶頸識別方法的不足，提出一種基于正交試驗的瓶頸識別方法。該方法利用正交表和多種分派規則構造試驗方案，以生產系統的所有機器為因素，以機器采用的調度規則為水平，以生產系統作業目標為試驗指標，安排正交試驗方案，并進行正交試驗，通過各因素的極差計算，確定各因素對指標影響的主次順序，尋找對生產系統作業目標影響最大的瓶頸機器，并優選出最優調度方案[17]。試驗優化設計可以在生產任務執行之前，預先給出瓶頸機器所在，指導生產計劃和相關生產準備，提高企業的經濟效益。

以案例教學為手段，以設計思路為主體，通過廣義試驗設計教學方法在《試驗設計》課程教學中的實踐，擴展了傳統試驗設計的教學方法和教學內容，突破了傳統試驗設計實物試驗設計方法和應用領域，使試驗設計通用性更強、應用范圍更廣。使不同學科領域的學生可以獲得相關領域的試驗設計方法，實現了廣義試驗設計的目的。

4 結束語

廣義試驗設計可以大大突破實物試驗應用領域的限制，使試驗設計應用范圍擴展到科研、生產、管理和日常生活等技術和非技術領域。廣義試驗設計在《試驗設計》課程教學中的實踐，突破了《試驗設計》課程的傳統實物試驗教學方法，將試驗設計作為一種數學工具，一種優化思想，不僅拓展到非實物試驗領域，更重要的是將其提升到設計科學、管理科學的層面，使試驗設計作為通用技術的通用性更強、應用范圍更廣，可極大地調動學生的學習熱情和能動性，產生顯著的教學效果。

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