實驗設(shè)計方法(試驗設(shè)計方法有幾種)

常用實驗設(shè)計方法有哪

自然界和人類社會中，很多現(xiàn)象和事物都不是獨立存在的，它們往往縱橫交錯在一起。數(shù)據(jù)分析的其中一個重要目的就是研究事物之間的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)事物或現(xiàn)象背后客觀存在的規(guī)律性。這些客觀規(guī)律性往往受到各種因素的影響，因此，為了減少數(shù)據(jù)分析結(jié)果的誤差，同時提高準(zhǔn)確性和精確性，合理的實驗設(shè)計是必不可少的。如果實驗設(shè)計不合理，不僅會增加實驗次數(shù)，延長實驗周期，造成人力、物力和時間的浪費，而且會導(dǎo)致預(yù)期的結(jié)果難以達到，甚至導(dǎo)致整個研究工作失敗。

實驗設(shè)計應(yīng)用的范圍非常廣，不僅應(yīng)用在生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，也應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、微生物試驗、市場調(diào)查、心理學(xué)研究以及教學(xué)科研等各種不同領(lǐng)域。經(jīng)常使用的實驗設(shè)計方法有完全隨機設(shè)計、隨機區(qū)組設(shè)計、交叉設(shè)計、析因設(shè)計、拉丁方設(shè)計、正交設(shè)計、嵌套設(shè)計、重復(fù)測量設(shè)計、裂區(qū)設(shè)計以及均勻設(shè)計等。不同的實驗設(shè)計方法適用不同的情況。

針對主效應(yīng)的實驗設(shè)計方法

下面介紹的這幾種實驗設(shè)計方法只考慮因素的主效應(yīng)作用，而不涉及因素間的交互作用。它們得到的試驗數(shù)據(jù)往往不能提供對交互項的分析信息。

完全隨機設(shè)計

完全隨機設(shè)計只涉及一個處理因素，兩個或多個水平，所以也稱單因素設(shè)計。它是將樣本中全部受試對象隨機分配到各個處理因素的不同水平中（處理組中），分別接受不同的處理，然后進行對比觀察。各個處理組樣本含量可以相等，也可以不等，但是相等時分析效率較高。完全隨機設(shè)計是最簡單的實驗設(shè)計方法，舉個簡單的例子：分析不同人種的智商差異，人種差異是處理因素，因素的水平可以是黃種人、白種人和黑人等。

隨機區(qū)組設(shè)計

隨機區(qū)組設(shè)計主要用于實驗分析對象之間存在明顯差異的情況，它通常將受試對象按性質(zhì)(如病人的性別、年齡、體重和病情等非實驗因素)差異分成N個區(qū)組，再將每個區(qū)組的受試對象分別隨機分配到處理因素的不同水平組（處理組）中。

隨機區(qū)組設(shè)計的優(yōu)點是每個區(qū)組內(nèi)的受試對象有較好的同質(zhì)性，排除了非實驗因素對分析結(jié)果的影響，提高了分析效率。缺點是要求區(qū)組內(nèi)的受試對象數(shù)目與處理組數(shù)目相等（每個處理組至少分到一個受試對象），實驗結(jié)果中若有數(shù)據(jù)缺失，統(tǒng)計分析較麻煩。

交叉設(shè)計

交叉設(shè)計是一種特殊的自身對照設(shè)計，常用在臨床試驗中，在同一病人身上觀察兩種或多種處理水平的效應(yīng)，消除不同病人之間的變異，減少誤差。我們以兩個階段、兩種處理水平為例說明操作步驟。首先將條件相近的觀察對象進行配對，隨機分配到兩個實驗組中。第一組先用處理方法A處理，然后再用處理方法B處理，處理順序是AB；另一組則相反，先用處理方法B處理，再用處理方法A處理，處理順序是BA。兩種處理水平在全部實驗過程中“交叉”進行。

交叉設(shè)計實際上就是自身對照實驗設(shè)計，通過“交叉”的方式將時間因素的影響分解出來，避免了時間因素對研究結(jié)果的干擾。因此該設(shè)計的最大優(yōu)點是可控制時間因素及個體差異對處理方式的影響，故節(jié)約樣本含量，效率較高。

拉丁方設(shè)計

拉丁方設(shè)計用于研究三個因素，各因素間無交互作用且每個因素的水平數(shù)相同的情況。其中有一個最重要的因素稱之為處理因素，另外兩個是需要加以控制的因素，分別用行和列表示。兩個控制因素的水平將實驗因素的r個水平隨機地排列成r行r列的方陣，如下圖：

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周次和星期是控制因素，處理因素的五個水平（ABCDE）被隨機分配到方陣中。

拉丁方設(shè)計可以從較少的實驗數(shù)據(jù)中獲得較多的信息，比隨機區(qū)組設(shè)計更具優(yōu)勢。如果各因素間有交互作用，用拉丁方設(shè)計就不合適了。拉丁方設(shè)計要求每個因素的水平數(shù)必須相等，在數(shù)據(jù)采集時不能出現(xiàn)缺失值，否則將導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法按原計劃進行分析。

有交互作用的實驗設(shè)計方法

因素之間沒有交互作用的情況畢竟是少數(shù)，更多的情況是存在因素之間的交互作用。下面幾種實驗設(shè)計方法適用于有交互作用的情況。

析因設(shè)計

析因設(shè)計是將兩個或兩個以上因素及其各種水平進行排列組合、交叉分組的試驗設(shè)計。它可以研究單個因素多個水平的效應(yīng)，也可以研究因素之間是否有交互作用，同時找到最佳組合。例如，現(xiàn)在有兩個處理因素，一個因素有2個水平，另一個因素有三個水平，那么就進行2*3=6次實驗；如果有三個處理因素，每個因素都有5個處理水平，那么就進行5*5*5=125次實驗。析因分析的原理就是對每個因素的每個水平都進行實驗，這樣能夠照顧到所有的因素和水平。

正交設(shè)計

正交設(shè)計是析因設(shè)計的高效化。當(dāng)析因設(shè)計要求的實驗次數(shù)太多時，一個非常自然的想法就是從析因設(shè)計的水平組合中，選擇一部分有代表性水平組合進行試驗，而正交設(shè)計就能滿足這個要求。

均勻設(shè)計

均勻設(shè)計是一種多因素多水平的試驗設(shè)計，它放棄了正交表的整齊可比性，是在正交設(shè)計的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展而成的。均勻設(shè)計進一步提高了試驗點的“均勻分散性”。均勻設(shè)計的最大優(yōu)點是可以使因素的水平數(shù)很大，而試驗次數(shù)又最節(jié)省。與正交設(shè)計一樣，可以通過均勻設(shè)計表設(shè)計實驗。

特殊實驗設(shè)計方法

下面介紹三種特殊的實驗設(shè)計方法：嵌套設(shè)計、重復(fù)測量設(shè)計和裂區(qū)設(shè)計。

嵌套設(shè)計

如果處理因素之間存在層次性結(jié)構(gòu)，或處理因素之間有主次之分，這時就需要用到嵌套設(shè)計。例如，研究催化劑和溫度兩個處理因素對化學(xué)反應(yīng)速度的影響就是典型的例子。如果催化劑因素有三個水平（三種催化劑），反應(yīng)溫度也有三個水平，那么它們的實驗設(shè)計可以整理成下面的表格。

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在主因素催化劑種類的三個水平下，又可以分別嵌套上次因素（溫度）的三個水平。

重復(fù)測量設(shè)計

重復(fù)測量設(shè)計廣泛應(yīng)用于各種科學(xué)研究中，它的顯著特點就是在不同的實驗條件下，從同一個受試對象身上采集到多個數(shù)據(jù)，也就是同一個受試者在不同實驗條件下進行數(shù)次實驗，以獲得更多信息。這里的數(shù)次實驗需要考慮的就是“時間因素”。最常見的重復(fù)測量設(shè)計是在藥物的臨床試驗中，例如，比較兩種不同藥物的療效，將病人隨機分成兩組，分別給予不同的藥物，然后在不同時間作病人的動態(tài)觀察。

裂區(qū)設(shè)計

最后介紹的這種實驗設(shè)計方法是裂區(qū)設(shè)計。裂區(qū)設(shè)計最初用在農(nóng)業(yè)實驗中，例如，進行兩因素的裂區(qū)設(shè)計，按照A因素的水平將試驗田分成k大塊，按照A因素的不同水平處理；然后再根據(jù)B因素的水平將每大塊土地再分為z小塊，每小塊按照B因素的不同水平處理。

以上介紹的這些實驗設(shè)計方法基本上都采用方差分析進行數(shù)據(jù)分析得到結(jié)果。每種實驗設(shè)計方法的設(shè)計思路、原理和數(shù)據(jù)分析步驟都將在后面一一詳細介紹。從事科學(xué)研究的朋友千萬不要錯過，實驗設(shè)計方法的合理是得到正確科學(xué)研究成果的基礎(chǔ)和第一步。