试验方案设计及统计分析

一、试验计划

在进行任何一项科学试验前，必须要制定一个科学、全面的试验计划书，以便使该项研究工作能够顺利开展，从而保证试验任务的完成。虽然科研项目的种类、大小有所不同，但是基本要求是一致的。

1.课题名称、试验目的

科研课题的选择是整个研究工作的第一步，也是最为重要的一步。科学研究的基本要求是探新、创新。研究课题的选择决定了该项研究创新的潜在可能性。

一般来说，研究课题的来源不外乎两个方面：一方面是国家（包括省、市、区）指定的项目，这类课题不仅保证了科研选题的正确性，而且也为个人选题提供了方向性指导，并提出明确的研究目的和最终的目标要求；另一方面是研究人员选定的课题，首先应该明确“为什么要进行这项科学研究”，亦即通过此项研究达到的目的是什么，解决什么问题，以及在科研生产中的效果如何。

选题时应注意以下几点。

（1）重要性 不论是理论性研究还是应用性研究，选题时必须明确其意义或重要性。理论性研究着重看所选课题在未来学科发展上的重要性；而应用性研究则着重看其对未来生产发展的作用和潜力。

（2）必要性和实用性 要着眼于本学科、行业科学研究和生产中急需解决的问题，同时从发展的观点出发，适当考虑长远或不久的将来可能出现的问题。

（3）先进性和创新性 在了解国内外在该研究领域的进展、水平等基础上，选择前人未解决或未完全解决的问题，以期在理论、观点、方法或应用等方面有所突破，即要有自己的新颖之处。

（4）可行性 即完成科研课题的可能性，无论是从主观条件还是客观条件方面，都要能保证完成研究课题。

2.研究依据、内容及预期达到的经济技术指标

课题明确后，通过查阅国内外有关文献资料，阐明项目的科学意义和应用前景、国内外学术界在该领域的研究概况、水平和发展趋势以及理论依据、特色和创新之处，详细说明项目的具体研究内容和重点解决的问题，以及取得成果后应用推广计划，预期达到的经济技术指标及预期的技术或理论水平等。

3.拟采取的试验设计方法及试验方案

试验方案是全部试验工作的核心部分，主要包括所研究的因素、水平的选择及试验设计方法的确定。方案确定后要结合试验条件适时调整试验设计方法，通过设计使方案进一步具体化、最优化。

4.试验结果的分析、研究成果的经济或社会效益估算

试验结束后，对各阶段取得的资料要进行整理分析，要明确应采用的统计分析方法。每一种试验设计都有相应的统计分析方法，分析方法不正确，必然会导致错误的结论。同时，应估算研究成果可能获得的经济或社会效益。

5.研究所需要的条件

除已具备的条件外，本试验研究尚需的条件还包括试剂、仪器设备以及受试材料等物品数量和要求等。受试材料即受试对象。首先应当明确受试对象所组成的研究总体，然后正确选择受试材料。受试材料选择的正确与否直接关系到试验结论的正确性。因此，受试材料力求均匀一致，应明确规定受试材料的入选标准和排除标准。

6.试验记录的项目与要求

为收集分析结果所需要的各方面资料，事先以表格的形式列出需要观察的指标与要求等。

7.已具备的基础条件和研究进度安排

已具备的基础条件主要包括过去的研究工作基础或预试情况、现有的主要仪器设备、研究技术人员及协作条件、经费情况等。研究进度安排可根据不同内容按日期、分阶段进行，定期撰写总结报告。

8.参加研究人员的分工

一般分为主持人、参加人。课题组成人员的结构应合理、优势互补，确保试验研究的连续性、稳定性及完整性。

9.试验的时间、地点和工作人员

试验的时间、地点要安排合理，工作人员要固定并参加相关培训，以保证试验正常进行。

10.成果鉴定及发表学术论文

这是整个研究工作的最后阶段。课题结束后，应召开鉴定会议，由同行专家作评价。研究者应以撰写学术论文、研究报告的方式发表自己的研究成果，根据试验结果做出理论分析，阐明事物的内在规律，提出自己的见解、新的学术观点或新的研究内容，将研究引向深入。

二、试验方案

试验方案（experimental scheme）是根据试验目的和要求进行制定的一组试验处理的总称，是整个试验工作的核心部分。因此，要经过周密的考虑和讨论，慎重制定。主要包括试验因素的选择、水平的确定等内容。试验方案按其试验因素的多少可分为以下三类。

1.单因素试验方案

单因素试验（single factor experiment）是指在整个试验中只变更一个试验因素的不同水平，其他作为试验条件的因素均严格控制一致的试验。这是一种最基本、最简单的试验方案。例如，某试验因素A在一定试验条件下，分3个水平A₁、A₂、A₃，每个水平重复5次进行试验，这就构成了一个重复5次的单因素3水平试验方案。

2.多因素试验方案(www.xing528.com)

多因素试验（multiple—factor or factorial experiment）是指同一个试验中包含两个或两个以上的试验因素，各个因素都分为不同水平，其他试验条件均应严格控制一致的试验。多因素试验方案由所有试验因素的水平组合构成。安排时有完全试验方案和不完全试验方案两种。

3.综合性试验方案

综合性试验（comprehensive experiment）也是一种多因素试验，但与上述多因素试验不同。综合性试验中各因素的水平不构成平衡的水平组合，而是将若干因素的某些水平结合在一起形成少数几个水平组合。这种试验方案的目的在于探讨一系列供试因素某些水平组合的综合作用，而不在于检测因素的单独作用和相互作用。单因素和多因素试验多是分析性的试验；综合性试验则是在对于起主导作用的那些因素及其相互关系基本研究清楚的基础上设置的试验。它的水平组合是一系列经过实践初步证实的优良水平的配套。例如选择一种或几种适合当地的综合性优质高产技术作为试验处理与常规技术作比较，从中选出较优的综合性处理。

试验方案是达到试验目的的途径。一个周密而完善的试验方案可使试验多、快、好、省地完成，获得正确的试验结论。如果试验方案制定不合理，如因素水平选择不当，或不完全方案中所包含的水平组合代表性差，试验将得不出应有的结果，甚至导致试验的失败。因此，试验方案的制定在整个试验工作中占有极其重要的位置。

三、制定试验方案的要点

制定一个正确的试验方案，应认真考虑以下几个方面的问题。

1.明确试验目的及需要解决的问题

制定试验方案前应通过回顾以往研究的进展、调查交流、文献检索等信息，明确为达到本试验的目的需解决的主要的、关键的问题，形成对所研究主题及外延的设想，使制定的方案能针对主题有效地解决问题。

2.根据试验的任务和条件确定试验因素

在正确掌握生产或以往研究中存在的问题后，对试验目的、任务进行仔细分析，抓住关键点和重点问题。首先要选择对试验指标影响较大的关键因素、尚未完全掌握其规律的因素和未曾考察过的因素。试验因素一般不宜过多，应该抓住一两个或少数几个主要因素来解决关键问题。如果涉及试验因素较多，一时难以取舍，或者对各因素最佳水平的可能范围难以做出估计，那么可将试验分为两个阶段进行。即先进行单因素的预备试验，通过拉大水平幅度，多选几个水平点，进行初步观察，然后根据预备试验的结果再精选因素和水平进行正式试验。预备试验常采用较多的处理数，可不设重复；正式试验则应精选因素和水平，设置较多的重复。为不使试验规模过大而失控，试验方案力求简单，单因素试验能解决的问题，就不用多因素试验。

3.确定试验因素水平间隔

一般的试验因素有“质性”和“量性”之分，对于前者，应根据实际情况取适量的水平数。如不同的原材料、添加剂、生产工艺、包装方式等。对于后者应认真考虑其控制范围及水平间隔，如温度、时间、压力、添加剂的添加量，均应确定其所应控制的范围及在该范围内确定几个水平点和水平间隔等。

对于“量性”试验因素水平的确定应根据专业知识、生产经验、各因素的特点及试验材料的反应等综合考虑，基本原则是以处理效果容易表现出来为准。可以参考以下几点要求。

（1）水平数目要适当 水平数目过多，不仅难以反映出各个水平间的差异，而且加大了处理数；水平数目太少又容易漏掉一些好的信息，使结果分析地不够全面。平均数目一般不少于3个，最好包括对照采用5个水平点。若考虑到尽量缩小试验规模，也可确定2～4个水平。

（2）水平范围及间隔大小要合理 原则是试验指标对其反应灵敏的因素，水平少应小些，反之应大些。要尽可能把水平值取在最佳区域或接近最佳区域。

（3）要以正确方法设置水平间隔 水平间隔的排列方法一般有等差法、等比法、0.618法和随机法等。

等差法是指因素水平的间隔是等差的，如温度可采用30℃、40℃、50℃、60℃和70℃等水平。等差法一般适于试验效应与因素水平呈直线相关的试验。

等比法是指因素水平的间隔是等比的。一般适用于试验效应与因素水平呈对数或指数关系的试验。如某试验中时间因素的水平可选用5min、10min、20min和40min等，另一个试验中添加剂因素水平可选100mg/kg、150mg/kg、200mg/kg和250mg/kg，这种间隔法能使试验效应变化率大的地方因素水平间隔小一点，而试验效应变化率小的地方水平间隔大一点。

0.618法一般适用于试验效应与因素水平呈二次曲线型反应的试验设计。0.618法是以试验因素水平的上限与下限为两个端点，以上限与下限之差和0.618的乘积为水平间隔从两端向中间展开的。例如，果冻中加0.5%～4.0%的琼脂可达到硬度要求。可选用0.5%～4.0%为两个端点，再以4.0-0.5=3.5与0.618的乘积2.163为水平间隔从两端向中间扩展为0.5 +2.163≈2.7和4-2.163≈1.8。这样，包括对照有0%、0.5%、1.8%、2.7%和4.0%共5个水平。在试验中，选取效果较好的两个水平。如果有必要，可在下次试验时，以这两点的水平间隔与0.618的乘积为水平间隔，从两端向中间扩展，直到找到理想点。

随机法是指因素水平随机排列，各个水平的数量大小无一定的关系。如，赋形剂各个水平的排列为15mg、10mg、30mg、40mg等。这种方法一般适用于试验效应与因素水平变化关系不是十分明确的情况，在预备试验中用得较多。在多因素试验的预备试验中，可根据上述方法确定每个因素的水平，而后视情况决定是否需要调整。

4.正确选择试验指标

试验效应是试验因素作用于试验对象的反应，这种效应将通过试验中的观察指标显示出来。因而，试验指标的选择也是试验方案中应当认真对待的问题。在确定试验指标时应考虑如下因素：

（1）选择的指标应与研究的目的有本质联系，能确切地反映出试验因素的效应。

（2）选用客观性较强的指标。最好选用易于量化（即经过仪器测量和检验而获得）的指标。若研究中一定要采用主观指标，则必须采取措施以减少或消除主观因素影响。

（3）要考虑指标的灵敏性与准确性。应当选择对试验因素水平变化反应较为灵敏而又能够准确地度量的指标。

（4）选择指标的数目要适当。食品试验研究中，试验指标数目的多少没有具体规定，要依据研究目的而定。指标不是越多越好，但也不能太少。因为如果试验中出现差错，同时指标又很少，这会降低研究工作的效益，甚至使整个研究工作半途而废。

总之，试验指标应当精选，与研究目的密切相关的不应丢掉，而无关的指标不宜列入。经过对试验指标的比较分析，要能够较为圆满地回答试验中提出的问题。

5.设立作为比较标准的对照处理

根据研究目的与内容，可选择不同的对照形式，如空白对照、标准对照、试验对照，互为对照和自身对照等。

6.注意比较间的唯一差异原则

这是指在进行处理间比较时，除了试验处理不同外，其他所有条件应当一致或相同，使其具有可比性。只有这样，才能使处理间的比较结果可靠。例如，在对香椿喷洒多菌灵保鲜剂以提高其保鲜性能的试验中，如果只设喷多菌灵（A）和不喷多菌灵（B）两个处理，则两者的差异含有多菌灵的作用，也有水的作用，这时多菌灵和水的作用混杂在一起解析不出来。若再加喷水（C）的处理，则多菌灵和水的作用可以分别从A与C及B与C的比较中解析出来，因而可进一步明确多菌灵和水的相对重要性。