怎么进行实验设计

实验设计是指一种有计划的研究，包括一系列有意图性的对过程要素进行改变与其效果观测，对这些结果进行统计分析以便确定过程变异之间的关系，从而改变这过程。

广义广义的实验设计指科学研究的一般程序的知识，它包括从问题的提出、假说的形成、变量的选择等等一直到结果的分析、论文的写作一系列内容。它给研究者展示如何进行科学研究的概貌，试图解决研究的全过程。

狭义狭义的实验设计特指实施实验处理的一个计划方案以及与计划方案有关的统计分析。狭义的实验设计着重解决的是从如何建立统计假说到作出结论这一段。

试验设计的三个基本原则是重复，随机化以及区组化。

重复，意思是基本试验的重复进行。重复有两条重要的性质。

第一，允许试验者得到试验误差的一个估计量。这个误差的估计量成为确定数据的观察差是否是统计上的试验差的基本度量单位。

第二，如果样本均值用作为试验中一个因素的效应的估计量，则重复允许试验者求得这一效应的更为精确的估计量。

随机化，是指试验材料的分配和试验的各个试验进行的次序，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。随机化通常能使这一假定有效。把试验进行适当的随机化亦有助于“均匀”可能出现的外来因素的效应。

区组化是用来提高试验的精确度的一种方法。一个区组就是试验材料的一个部分，相比于试验材料全体它们本身的性质应该更为类似。区组化牵涉到在每个区组内部对感兴趣的试验条件进行比较。

扩展资料：

在工农业生产和科学研究中，经常需要做试验，以求达到预期的目的。例如在工农业生产中希望通过试验达到高质、优产、低消耗，特别是新产品试验，未知的东西很多，要通过试验来摸索工艺条件或配方。如何做试验，其中大有学问。试验设计得好，会事半功倍，反之会事倍功半，甚至劳而无功。

如果要最有效地进行科学试验，必须用科学方法来设计。所谓试验的统计设计，就是设计试验的过程，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，用统计方法作试验设计是必要的。

当问题涉及到受试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，任一试验问题就存在两个方面：试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。

参考资料来源：百度百科-试验设计

实验设计的基本类型有三种，分为因素设计、准实验设计和非实验设计。

1、因素设计

根据实验中自变量的数量可以划分为单因素设计和多因素设计。单因素设计简明易行，但由于实际生活中影响心理活动的因素通常为多个，所以当情况比较复杂时，最好使用多因素实验设计。

2、准实验设计

研究者事先认识到某些无关变量会影响实验结果，却又难以在实际妥善控制时，可采用准实验设计。准实验的主要特点是没有采用随机化程序，即被试的选择和编组、处理分配等都不是随机安排的。

3、非实验设计

非实验设计是一种自然描述，用来确定自然存在的临界变量及其相互关系。非实验研究的方法很多，如自然观察法、相关法、访谈法、问卷法、测验法、个案法和传记法等。

扩展资料

实验设计的主要功能是对变量的控制，是在控制条件下有效地操纵或改变自变量，使因变量(即反应变量)的变化得到观察。例如，研究两种教学方法对儿童学业成就的影响时，实验设计者应安排使其他条件尽量相同，如选择家庭和学校环境相似、学业基础相似，年龄相同的两组儿童，只控制使用两种不同的教学方法，然后考查二者对学习结果的影响。

实验设计的优点

1、科学合理地安排实验，从而减少实验次数、缩短实验周期，提高了经济效益。

2、从众多的影响因素中找出影响输出的主要因素。

3、分析影响因素之间交互作用影响的大小。

4、分析实验误差的影响大小，提高实验精度。

5、找出较优的参数组合，并通过对实验结果的分析、比较，找出达到最优化方案进一步实验的方向。

6、对最佳方案的输出值进行预测。

参考资料来源：百度百科--实验设计

真实验设计 在心理学研究中，采用真实验设计来进行实验研究是检验实验效果的一个重要方法。真实验设计对实验条件的控制程度要求较高，在使用这类实验设计时，实验者可以有效地操纵实验变量，能有效的控制内在无效来源和外在无关因素的影响，能在随机化原则基础上选择和分配被试，从而更能客观的反映实验处理的作用。 （一）完全随机化设计 也称简单随机化设计，是指用随机化方法将被试随机分为几组，然后依实验的目的对各组被试实施不同的处理。 1、随机实验组控制组前测后测设计 （1）设计的模式 R O1 X O2 R O3 O4 （2）设计的评价 随机实验组控制组前测后测设计基本控制了绝大多数影响内部效度的因素。 优点：①采用随机分配被试的方法。 ②安排实验组和控制组。 缺点：使用前测的反作用。 （3）设计的显著性检验 对随机实验组控制组前测后测设计所得的实验数据进行统计分析，有两类方法可以使用。 A、对增值分数进行统计分析 B、协方差分析法 2、随机实验组控制组后测设计 （1）设计的模式 R X O1 R O2 （2）设计的评价①设立实验组和控制组 ②采用随机化原则 ③无前测 （3）设计的显著性检验 参数：t－检验 非参数：曼－惠特尼U－检验或中位数检验 3、随机多组后测设计 （1）设计的模式 R X1 O1 R X2 O2 R X3 O3 （2）实验结果的检验 ①单因素方差分析 ②纽曼－丘尔斯（N－K）检验或其他成对比较方法。 （二）多因素实验设计 是指在实验中包括两个或两个以上的因素（自变量），并且每个因素都有两个或两个以上的水平，各因素的各个水平互相结合，构成多种组合处理的一种实验设计，又称完全随机析因设计。 1、完全随机析因设计的类型 因素：对应大写字母 A B 因素水平：对应小写字母 a b （*）：因素之间的相互结合关系 A*B a1a2 b1b2b3 2*3 A*B*C 2*3*4 2、完全随机双因素析因设计 完全随机双因素析因设计是指研究者用随机分配的方法将被试分为若干组（分组的个数等于实验处理的个数），同时用随机的方法分配每一组被试接受一种实验处理的实验设计。 （1）实验设计的模式R a1b1 O1 R a1b2 O2 R a2b1 O3 R a2b2 O4 R a3b1 O5 R a3b2 O6 3、双因素析因设计的主效应和交互效应。 主效应：指由每个单独因素（自变量）所引起的因变量的变化。 交互效应：指当一个因素（自变量）对因变量影响大小因其他因素的水平或安排的不同而有所不同时，所产生的交互作用影响因变量的结果。 （1）2x2完全随机实验设计的基本模式 R a1b1 O1 R a1b2 O2 R a2b1 O3 R a2b2 O4 （2）2x2完全随机化设计的主效应和交互效应的解释 （三）随机化区组设计 随机化区组设计的目的在于使区组内被试差异尽量缩小，而对区组之间的差异依据设计要求而定。 首先把被试按某些特质分到不同的区组内，使区组内的被试比区组间的被试更接近同质，将被试分好区组后，再将各区组内的被试随机分到各不同的实验处理或实验组、控制组内，因此称作随机化区组设计。 原则：同一区组内的被试尽量“同质” 人数分配有三种情况：①一名被试作为一个区组。 ②每个区组内的被试的人数是实验处理数目的整数倍。 ③区组的单位是一个团体。 总之，每一个区组应该接受全部实验处理，每一种实验处理在不同的区组中重复的次数应该完全相同。 优点：考虑到个别差异对实验结果的影响，而把实验单元（被试）划分为几个区组，并在统计计算上将这种影响从组内误差中分离出来，从而进一步反应出实验处理的作用。 1、随机化区组单因素设计 2、随机化区组多因素设计

试验设计（DOE）的类型有哪些?

（1）因子设计。

因子设计的目的是通过试验明确哪些自变量X显著地影响着响应变量Y：对于那些自变量X并不显著地影响着Y的，在建立Y=f（X）的相关关系时应予以删除；对于哪些自变量X显著地影响着Y，则应予以保留。

依其目的称为“因子筛选设计”。由于这种试验的目的是针对因子的，因此这种试验设计属于“因子设计”或称“析因设计”。

在因子设计中，又可以按因子水平的个数而分为二水平因子设计、三水平因子设计和混合水平因子设计几类。而实践证明：在因子设计中，使用二水平正交试验法，再加若干中心点的设计方法最简单有效。在因子设计中，又可分为全因子试验设计和部分因子设计两大类。

（2）回归设计。

回归设计的目的是找出响应变量Y与自变量X间的关系式，从而进一步找出自变量X取什么值时将会使Y达到最佳值。由于这种试验的目的是针对回归关系的，这种试验设计称为“回归设计”。回归设计中常用的是响应曲面方法，它是以建立二次回归方程为主要研究手段的方法。

（3）稳健性设计。

稳健性是指过程的抗干扰的能力要强，即当过程受到难以控制的因子（或称为“噪声”）的严重影响时，过程输出Y的波动或变异性要足够小。为做到这一点，应尽量选择那些使得系统对噪声变化不敏感的控制因子的某种水平的组合来达到目的，这就是“稳健参数设计”。在国内，这类设计通常被称为“田口参数设计方法”。

（4）混料设计。

如果讨论的是配方问题，则研究的是在整个产品中各个分量所占的比率问题，显然，这些比率的总和应为100%。研究这类问题的试验设计称为“混料设计”。

（5）调优运算。

现有的过程条件已基本上满足要求，但是希望获得更好的结果，这时可以在原有条件的基础上稍加调整来寻求解决，这就是“调优运算”法所解决问题。

【基本要素】

1.受试对象：是处理因素作用的客体，根据受试对象不同，实验可以分为三类：动物实验、临床试验、现场试验。

2.处理因素：是研究者根据研究目的而施加的特定的实验措施，又称为受试因素。

3.实验效应：是处理因素作用下，受试对象的反应或结局，它通过观察指标来体现。

【基本原则】

1  科学性原则

实验是人为控制条件下研究事物(对象)的一种科学方法；是依据假设，在人为条件下对实验变量的变化和结果进行捕获、解释的科学方法。 。

2.可行性原则

在实验设计时，从原理、实验实施到实验结果的产生，都实际可行。

3.简便性原则

实验设计时，要考虑到实验材料要容易获得，实验装置简单，实验药品较便宜，实验操作较简便，实验步骤较少，实验时间较短。

4.可重复性

重复、对照、随机是保证实验结果准确的三大原则。任何实验都必须有足够的实验次数才能判断结果的可靠性，设计实验只能进行一次而无法重复就得出“正式结论”是草率的。

5.单一变量原则

不论一个实验有几个实验变量，都应确定一个实验变量对应观测一个反应变量，这就是单一变量原则，它是处理实验中的复杂关系的准则之一。

6.对照性原则  实验中的无关变量很多，必须严格控制，要平衡和消除无关变量对实验结果的影响，对照实验的设计是消除无关变量影响的有效方法。

【基本思路】

首先，应认真研究实验课题，依据科学的实验思维方法，找出其中的实验变量和反应变量，理解题目已知条件所隐含的意义。明确实验目的、实验原理及实验要求的基本条件。

其次，充分利用所给器材和试剂，构思实验变量的控制方法和实验结果的捕获方法。—般情况下，题目中所指定的器材、试剂，任何一种都应在实验的相关步骤中出现，避免遗漏或自行增加某种器材或试剂。精心策划实验方法、严格设计实验过程、合理设置对照或变量，并引入科学的测量方法

最后再选择适宜的实验材料(实验对象)，在注意实验步骤关联性的前提下表述实验步骤，并从不同的角度分析实验结果。实验步骤的关联性需要考虑步骤排列的顺序性和实验主体(生物个体、器官、组织、细胞等)活性的维持；更高层次的关联，是认识探究过程的关联和递进，不断地淘汰、修正、检验假设，最终接近正确结论。这也是实验科学最基本的原则和要求。最后，能够做到有效预测实验结果、科学描述实验结果，并得出科学的实验结论。

【设计方法】

一份完整的实验设计方案，应该包括：实验名称，实验目的，实验原理，实验对象，实验条件，实验材料、用具和装置，实验步骤，实验现象，实验结果的假设和预期，实验结果的分析和讨论。

【基本内容】

实验名称：是关于一个什么内容的实验。

实验目的：要探究或者验证的某一事实。

实验原理：进行实验依据的科学道理。

实验对象：进行实验的主要对象。

实验条件：完成该实验必需的仪器、设备、药品条件。

实验方法与步骤：实验采用的方法及必需操作程序。

实验测量与记录：对实验过程及结果应有科学的测量手段与准确的记录。

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导致的原因。

实验结论：  对实验结果进行准确的描述并给出一个科学的结论。

【设计步骤】

观察现象

这里的观察是指在处于自然常态条件下进行的积极主动行为。观察时必须仔细而周详，且要作相应的记录，更为重要的是观察时要保持客观的态度，要避免产生定势思维和经验幻想，以确保观察的真实可靠性。

2.提出问题

对事物作慎密观察以后会因疑问想作进一步了解而提出问题，但是，一般只有有意义的问题才值得去探讨。因此，研究时，不仅要提出问题，更要提出确切的问题，并保证问题的叙述要清楚且正确。例如“蚯蚓如何借助肌肉的收缩与舒张而移动身体的?”

3.作出假设

所谓假设，就是对可见现象提出一种可以检测的解释，提出假设后应寻找证据，如果符合事实则假设成立。假设实际上是对所提出的问题所作出的参考答案。在检测假设之间，常先提出实验的预期结果，如果预期没有实现，则假设不成立。一般来说假设的形成可分为两步：首先依据发现的事实材料或已知的科学原理，通过发散性思维，提出涵盖各种可能的初步假定；之后，依据假定进行推理、排除并综合分析，得出具体的假定性结论。例如：“动物激素饲喂小动物的实验”，其假说是：“甲状腺激素对动物的生长发育有影响”，假定性结论是“用适量的甲状腺激素饲喂蝌蚪，生长发育加速”。

4.设计、进行实验

实验是实现验证假说和解决问题的最终途径。科学的实验过程必须要注意以下内容。

5.平衡控制

平衡控制主要是针对无关变量与额外变量的控制。因为实验中的无关变量很难避免，只能设法平衡和抵消它们的负面影响。

一、实验名称：

临时装片、切片、涂片的制作、观察和指导。

二、实验目标：

让学生通过独立自主的制作临时装片、切片、涂片的方法来感知细胞的形态和结构，从而使学生对细胞达到一定的认识，为以后的教学作下铺垫。制作临时装片的成功，对提高学生的生物学兴趣和生物科学素养都起着重要的作用。同时，这样锻炼了学生的动手能力，也培养了学生的自己动脑思考的能力。

三、实验方法及步骤：

（一）实验材料：显微镜、载玻片、盖玻片、镊子、刀片、吸水纸、解剖针、毛笔、滴管、擦镜纸；清水、碘酒溶液；西红柿、空心莲子草、洋葱；创可贴（切片时可能会有人受伤）。

（二）实验步骤：

1、临时装片的制作。

⑴准备。

擦用擦镜纸把载玻片和盖玻片擦拭干净。

改进：将洁净的纱布改为擦镜纸，擦拭玻片时要注意用左手的拇指和食指夹住玻片的两端，右手的拇指和食指衬垫上洁净的纱布后，夹在玻片两面，同时擦拭，以防将玻片损坏，滴用滴管在载玻片中央滴1-2滴清水。

改进：在制片时至少滴2滴清水，这样加盖玻片时，盖玻片下的空间中水较充盈，气泡就少，细胞的活性也较好取用刀片在洋葱表面上划“井”字（大约0.5cm2)，用镊子撕取外表皮。

问题：由于叶表皮皱缩、学生不熟练等，导致撕下的表皮薄膜过厚，在显微镜视野中难以找到理想的观察对象，致使实验效果较差。

改进：首先将洋葱鳞片叶切成宽1.0-1.5cm的纵向窄条，再用刀片将洋葱鳞片叶内侧表皮划成小块（切忌划透），然后用镊子夹住所划表皮的边缘，将其轻轻取下（洋葱鳞片叶内侧表皮易与叶肉分离，操作简便）即可。这一改进降低了实验操作难度，提高了制片质量。放把撕取的表皮浸入载玻片上的水滴中，并展平。

⑵盖盖玻片。

盖用镊子夹起盖玻片，使它的一边先接触载玻片上的水滴，然后缓缓地放下，盖在要观察的材料上。

⑶染色。

染：将玻片倾斜10度左右，从高的一侧滴入碘液，让其自己流入玻片。问题：染色时书中要求是把1-2滴碘液滴在盖玻片的一侧，然后用吸水纸从盖玻片的另一侧吸引，使染液浸润标本的全部。然而，部分同学可能将盖玻片下所有水全部吸干，做出的装片会有很多的大气泡，且气泡将细胞掩盖了，或者有人将气泡误认为细胞。

改进：染色时不用吸水纸吸水，而是将玻片倾斜10度左右，这个角度一定不能太大，太大水就会流出盖玻片下的小空间，然后从较高一侧的盖玻片与载玻片的缝隙往里滴碘液，让碘液自己流进盖玻片下，如果有液体流到盖玻片外，用吸水纸擦拭，但一定要强调不能从盖玻片边缘吸水，盖玻片周围一定要有充盈的液体，这样才不会出现大气泡。

⑷镜检。

用显微镜观察。

2、临时切片的制作。

⑴选材。

选择软硬适度的材料，先截成适当长度，一般以20-30mm为宜（便于手持即可），材料太软，可用马铃薯块茎、胡萝卜根或肥皂将欲切取的材料夹住一起进行切片，本实验用空心莲子草，可直接用于切片。

⑵切片。

用三只手指夹住空心莲子草，（使其高于手指，右手持刀片（刀片用水润湿），将空心莲子草削去一层，形成平面，刀口向内，与断面平行，以均匀的动作，自左前方向右后方快速拉刀，滑行切片（注意要整个臂部用力，而不要腕部用力。）。

⑶镜检。

如此连续动作，切下一些薄片，然后用毛笔将最薄的几片材料移至滴有一滴清水的洁净的载玻片中央，盖上盖玻片，用显微镜观察。

3、临时涂片的制作。

⑴把成熟的番茄果肉放在培养皿内，让汁液流出（汁液中有均匀的离散细胞。）。

⑵吸取汁液，滴在洁净的载玻片上，将涂抹的液滴滴于载玻片的中央或偏右约1/4处，左手持载玻片或放在平台上，右手持另一载玻片作推片。先慢慢向右移动，让短边接触溶液，两载玻片的夹角约为30-45度，再向左迅速推载玻片，即可涂成一均匀的薄片。（也可用解剖针、牙签、火柴杆等涂成薄片，盖上盖玻片即可。）

四、预期结果：

1、成功观察到了洋葱表皮细胞、西红柿果肉细胞及空心莲子草茎的结构。

2、通过使用显微镜对细胞的观察，同学们对显微镜的使用有进一步的了解和认识。

3、通过学生们对临时装片、切片、涂片独立自主的制作，使得大家基本掌握制作临时装片、切片、涂片的方法。

4、通过对细胞结构的观察，使同学们对于细胞的形态和结构有更进一步的了解。

相关如下：

1、明确探究目的和已有条件，制定计划与设计实验的过程。

2、尝试选择科学探究的方法及所需要的器材。

3、尝试考虑影响问题的主要因素，有控制变量的初步意识。

4、认识制定计划与设计实验在科学探究中的作用。

注意：

1、要明确实验目的，设计的方案要与猜想紧密相连，并且能够验证猜想是否正确。

2、要选择合适的研究方法。一般常用的方法有控制变量法、转换法、现象或数据归纳法等。

3、要根据需要列出实验器材设计实验步骤和记录表格等。

相关介绍：

自然界和人类社会中，很多现象和事物都不是独立存在的，它们往往纵横交错在一起。数据分析的其中一个重要目的就是研究事物之间的相互关系，发现事物或现象背后客观存在的规律性。

这些客观规律性往往受到各种因素的影响，因此，为了减少数据分析结果的误差，同时提高准确性和精确性，合理的实验设计是必不可少的。

如果实验设计不合理，不仅会增加实验次数，延长实验周期，造成人力、物力和时间的浪费，而且会导致预期的结果难以达到，甚至导致整个研究工作失败。

实验设计应用的范围非常广，不仅应用在生物学以及医学领域，也应用在工农业生产、微生物试验、市场调查、心理学研究以及教学科研等各种不同领域。

经常使用的实验设计方法有完全随机设计、随机区组设计、交叉设计、析因设计、拉丁方设计、正交设计、嵌套设计、重复测量设计、裂区设计以及均匀设计等。不同的实验设计方法适用不同的情况。

实验设计的主要功能是对变量的控制，首先是在控制条件下有效地操纵或改变自变量，使因变量(即反应变量)的变化得到观察。例如，研究两种教学方法对儿童学业成就的影响时，实验设计者应安排使其他条件尽量相同，如选择家庭和学校环境相似、学业基础相似，年龄相同的两组儿童，只控制使用两种不同的教学方法，然后考查二者对学习结果的影响。 良好的实验设计主要表现在合理安排实验程序，对无关变量进行有效的控制。心理学实验中的无关变量,有些可以象理化实验那样通过一定的实验仪器及技术予以排除，但大部分难以排除，因而必须依靠实验设计平衡或抵消其影响。这种控制方法称作实验控制法,常用的有几种:

①消除或保持恒定法：主要利用实验室条件排除无关变量的干扰，对于不能排除的年龄、体重、实验环境、被试水平等变量，则设法使其保持恒定；

②平衡法：即按随机原则将被试分为实验组与控制组，使无关变量对两组的影响均等；

③抵消法：其目的在于控制由于实验顺序造成的影响，主要采用循环方式（只有两个实验处理时采用AB、BA法）；

④纳入法：即把某种无关变量当作自变量处理，使实验从单因素变为多因素设计，然后对结果进行多元统计分析，从中找出每个自变量的单独作用及交互作用。还有一些无关变量，虽然明知它对结果有影响，但限于实验条件，不可能用实验控制法加以平衡或抵消，而只能在实验结束后，用统计的方法分析出来，从结论中排除。这种控制方法叫做统计控制法。常用的统计控制法主要是协方差分析或称共变量分析。当研究工作由于事实上的困难或行政上的理由不能以个人为单位进行随机抽样、必须保持其团体的完整性（如以班级为单位）时，常使用这种方法。

实验设计评价标准

评价一个实验设计可以有许多标准，但主要是看其能否充分发挥以下功能：①恰当地解决研究者所要解决的问题，即实验设计必须与研究问题匹配；②有较好的“内在效度”，即能够有效地控制无关变量，使反应变量的变化完全由自变量决定；③实验结果应具有一定的科学性、普遍性，能够推论到其他被试或其他情境，即有较高的“外在效度”。

把数学上优化理论、技术应用于试验设计中，科学的安排试验、处理试验结果的方法。 采用科学的方法去安排试验，处理试验结果，以最少的人力和物力消费，在最短的时间内取得更多、更好的生产和科研成果的最有效的技术方法。 60末期代，华罗庚教授在我国倡导与普及的“优选法”，如黄金分割法、分数法和斐波那契数列法等。  数理统计学者在工业部门中普及 “正交设计”法 。  70年代中期，优选法在全国各行各业取得明显成效。  1978年，七机部由于导弹设计的要求，提出了一个五因素的试验，希望每个因素的水平数要多于10，而试验总数又不超过50，显然优选法和正交设计都不能用，随后，方开泰教授（中国科学院应用数学研究所）和王元院士提出 “均匀设计”法，这一方法在导弹设计中取得了成效。

优化试验设计试验设计在科学研究中的地位与意义 ： 1. 试验设计方法是一项通用技术，是当代科技和工程技术人员必须掌握的技 术方法。 2. 科学地安排实验，以最少的人力和物力消费，在最短的时间内取得更多、 更好的生产和科研成果。简称为：多、快、好、省。

优化试验设计试验设计可应用于：

提高试验效率、优化产品设计、改进工艺技术、强化质量管理。 试验设计在工业生产和工程设计及科学研究中能发挥重要的作用，例如：  提高产量  减少质量的波动，提高产品质量水准  大大缩短新产品试验周期  降低成本  延长产品寿命 多用在化工、电子、材料、建工、建材、石油、冶金、机械、交通、电力 „