常用试验设计及其统计分析含.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,常用试验设计及其统计分析含,常用试验设计及其统计分析含,最近广州一所小学在三四年级学生中推广“三碗米饭实验”,就是因为看了纪录片,(,江本胜的,水知道答案,),。据说,对米饭的态度不同,结果也会不同,:,说好话的会发酵,散发出香气；用力骂的会变黑发臭；而不理不睬的更糟糕,甚至会流出脏水。据媒体报道,这些小学生做这个实验,最后只有一个坚持下来做了一个月,发现一直被赞美的米饭还是白白的,只有一点黄,被用力骂的米饭变得又黑又臭,原本应该变得更臭的不理不睬的米饭,只是变黄了。,报道对这项活动赞不绝口,认为它培养了小学生的爱心,改变了他们的行为。并采访当地一位“心理专家”作证,:“,米饭实验得到了心理学和量子物理学的理论支持,是真实可信的。”,我们不必怀疑做实验的小学生造假,即便如此,这个实验结果就值得我们相信吗,?,一个实验结果要让人信服,必须符合概率统计规律。,而且,有很多因素会影响到米饭发生的变化,例如饭量的多少,环境温度的高低,米饭从冰箱取出放在室温下的时间长短。,一个可信的科学实验还应该尽量避免主观偏差。香和臭的差别有时很模糊,容易受心理因素的影响。要避免主观倾向,就要采取盲法。,科学实验的结果还必须具有可重复性,是别人能够重复出来的,而不是只有某个人能够做出来。否则的话,就可能是因为偶然因素、主观偏差甚至有意造假导致的。,不寻常的主张需要不寻常的证据，一个主张越是不寻常，支持它的证据就要越确凿、越充分，才能让人信服。在见到确凿的证据之前，我们不仅不相信水或米饭能够感知人的感情，而且还要把这种说法称之为伪科学。,试验的规划与设计,围绕检验假说而开展的试验，需要全面、仔细地规划与设计。试验所涉及的范围要覆盖假说涉及的各个方面，以便对待检验的假说作出无遗漏的判断。,注意：生物学试验中结果的,“,重演性,”,及比较试验中的,“,唯一差异性原则,”,。,在试验条件相当的情况下，重复试验应得到相同的试验结果。,除需要比较的因素以外，其余的因素必须保持在同一水平。,生物学是一门实验性科学。,收集资料，确定课题,制订方案，可行性分析,进行实验，得出结论,物质条件，技术方法,仪器设备的精度要求,制订方案,数据分析,实验技术,1,2,3,试验设计的意义,节省人力、物力、财力和时间,减少试验误差，提高试验的精确度，取得真实的试验资料，为统计分析得出正确的判断和结构打下基础。,1,2,第一节：试验设计的基本原理,严格要求试验的正确执行和试验条件的代表性；,注意试验的环节，全面掌握试验的条件，详实的试验记载,考虑季节变异的特点，克服年份、地点环境条件的差异,在相同的条件下，再进行试验或实践，应能重复获得与原试验结果相类似的结果。,1,2,3,试,验,结,果,重,演,重演性,受试对象,处理因素的客体，即根据研究目的而确定的观测总体。,必须对其具体条件做出严格规定，保证其同质性。,试验设计的基本要素,第一节：试验设计的基本原理,试验材料固有的差异,试验条件不一致,操作技术不一致,偶然性因素的影响,疏忽大意造成,试验误差的来源,第一节：试验设计的基本原理,你还能提出哪些因素？,保证实验材料的均一性及实验环境的稳定性,改进操作管理制度，使之标准化,消除系统误差,精心选择试验单位,采用合理的试验设计,试验误差的控制,第一节：试验设计的基本原理,第一节：试验设计的基本原理,在不考察交互作用时，各因素可随机安排在各列上；,一月（可变，不宜太短）后用生物机能实验系统测小鼠血压、心率等指标，三组进行比较。,7 3 1 3 2,乙组每天饲喂普通饲料伴三聚氰胺溶液B；,正交设计一般有以下几个步骤：,材料用具：大鼠若干只；,第一节：试验设计的基本原理,这是在试验中排除非试验因素干扰的重要手段，目的是为了获得无偏的误差估计量。,第三步：将随机数字对应的处理安排到相应的盆内。,一般情况下，试验因素的水平数应恰好等于正交表记号中括号内的底数；,第二步：抽签或查随机数字表，得到随机数字,我们不必怀疑做实验的小学生造假,即便如此,这个实验结果就值得我们相信吗?,14、9、7、1、5、12、16、3、11、8、4、2、6、13、10、15,3 1 3 3 3,表12-24就是例12.,第一节：试验设计的基本原理,对比法：一种最简单的试验设计方法,一般情况下，试验因素的水平数应恰好等于正交表记号中括号内的底数；,只有当同一处理实施在两个或两个以上的试验单位上，获得两个或两个以上的观测值时，才能估计出试验误差。,第一节：试验设计的基本原理,4 1 2 2 2 2 1 1,“2”表示两水平,(三)表头设计,利用以下实验材料和器材设计实验，实验材料和器材：雄性小鼠（出生时间相同，10窝每窝6只）；,严格要求试验的正确执行和试验条件的代表性；,动物试验中称为配对试验设计。,这是在试验中排除非试验因素干扰的重要手段，目的是为了获得无偏的误差估计量。,A：14，B：58，C：912，CK：1316,在见到确凿的证据之前，我们不仅不相信水或米饭能够感知人的感情，而且还要把这种说法称之为伪科学。,重 复,估计试验误差,重复：试验中同一处理实施在两个或两个以上的试验单位上。,如果同一处理只实施在一个试验单位上，那么只能得到一 个观测值，则无从看出差异，因而无法估计试验误差的大小。,只有当同一处理实施在两个或两个以上的试验单位上，获得两个或两个以上的观测值时，才能估计出试验误差。,第一节：试验设计的基本原理,重 复,降低试验误差,平均数抽样误差的大小与重复次数,n,的平方根成反比，所以,n,增加，可以降低试验误差。,但在实际应用时，重复数太多，试验材料的初始条件不易控制，也不一定能降低误差。,重复数的多少可根据试验的要求和条件而定。,第一节：试验设计的基本原理,随 机,无偏的估计试验误差,随机化是指在对试验材料分组时必须使用随机的方法，使供试材料进入各试验组的机会是相等，以避免试验材料分组时试验人员主观倾向的影响。,这是在试验中排除非试验因素干扰的重要手段，目的是为了获得无偏的误差估计量。,第一节：试验设计的基本原理,局部控制,局部控制是指在试验时采取一定的技术措施或方法来控制或降低非试验因素对试验结果的影响。,在试验中，当试验环境或试验单位差异较大时，仅根据重复和随机化两原则进行设计，不能将试验环境或试验误差所引起的变异从试验误差中分离出来，因而误差较大，试验的精确性与检验的灵敏度降低。,第一节：试验设计的基本原理,局部控制,降低试验误差,在试验环境或试验单位差异较大的情况下，根据局部控制原则，可将整个试验环境或试验单位分成若干小环境或小组，称为单位组（或区组）。,因为单位组之间的差异可在方差分析时从试验误差中分离出来，所以局部控制原则能较好地降低试验误差。,第一节：试验设计的基本原理,重复、随机、局部控制三个基本原则是试验设计中必须遵循的原则，再采用相应的统计分析方法，就能最大程度地降低并无偏估计试验误差，无偏估计处理效应，从而对于各处理间的比较作出可靠的结论。,第一节：试验设计的基本原理,试验方案中必须设立作为比较标准的对照,动物试验的目的就是通过比较来鉴别处理效应大小、好坏等。为了达到这一目的，试验方案应当包括各试验处理，以及作为比较的对照。,任何试验都不能缺少对照，否则就不能显示出试验的处理效果。根据研究的目的与内容，可选择不同的对照形式。,要掌握一个基本原则：除去所要比较的因素之外，其他各方面都应与处理一致，否则，便没有比较的意义了。,第二节：简单实验设计,例如，进行添加微量元素的饲养试验，添加微量元素为处理，不添加添加微量元素为对照，这样的对照为空白对照。进行几微量元素添加量的比较试 验，各个处理可互为对照，不必再设对照。,在对某种动物作生理生化指标检验时，所得数据是否异常应与动物的正常值作比较，动物的正常值就是所谓的标准对照。,在杂交试验中，要确定杂交优势的大小，必须以亲本作对照，这就是试验对照。,另外，还有一种自身对照，即处理与对照在同一动物上进行，如病畜用药前与用药后生理指标的比较等。,常用的还有：安慰剂对照；历史对照等。,第二节：简单实验设计,第二节：简单实验设计,对比法：一种最简单的试验设计方法,适用于单因素试验,。,例如，在对小麦进行叶面喷施,P,肥的试验中，如果只设施,P,（,A,）与不施,P,（,B,）两个处理，因为,P,肥是兑在水中然后喷到小麦叶面上的，两者的差异可能有,P,的作用，也可能有水的作用，无法将它们区分开。如果再加入一个喷施等量清水的处理（,C,），则,P,和水的作用可分别从,A,与,C,及,B,与,C,的比较中解析出来。,第二节：简单实验设计,成组比较实验设计,类别因素：比较两种不同药物的治疗作用，可随机将实验动物分两组，一组服用,A,药，一组服用,B,药。因素？水平？,数量因素：一组每只每天补加,10mgVit,，一组每只每天补加,20mgVit,。因素？水平？,注意：随机；样本含量；对照；实验误差；,第二节：简单实验设计,配对试验设计。,把窝别、性别相同、年龄、体重相近的两个动物配成一对，然后用随机的方法将每对的两头动物分别安排到两组中。动物试验中称为配对试验设计。,同一对动物之间差异要尽量小些，不同对之间的动物可以有差异。,也可进行同一只动物前后两次进行不同的处理，对处理前后的结果进行比较。,设计示例,有三种生长激素，分别用,A,、,B,、,C,代替，测定其对小麦株高的影响，包括对照（用等量的清水）在内，共,4,个处理，进行盆栽试验，每盆小麦为一个单元，每处理用,4,盆（重复,4,次）共,16,盆。,第一步：用数字代表处理,A,：,1,4,，,B,：,5,8,，,C,：,9,12,，,CK,：,13,16,第二步：抽签或查随机数字表，得到随机数字,14,、,9,、,7,、,1,、,5,、,12,、,16,、,3,、,11,、,8,、,4,、,2,、,6,、,13,、,10,、,15,第二节：简单实验设计,第三步：将随机数字对应的处理安排到相应的盆内。,ck,C,B,A,B,C,ck,A,C,B,A,A,B,ck,Cck,第二步：抽签或查随机数字表，得到随机数字,14,、,9,、,7,、,1,、,5,、,12,、,16,、,3,、,11,、,8,、,4,、,2,、,6,、,13,、,10,、,15,第一步：用数字代表处理,A,：,1,4,，,B,：,5,8,，,C,：,9,12,，,CK,：,13,16,第三节：随机区组设计,(randomized block design),例：研究,4,种不同化疗药物对动物白细胞含量的影响。可将,16,只动物随机化的方法，将它们均等分配到,4,个处理中。,将,16,只动物放在一起进行随机化，对动物的同质性要求是很困难的。,怎么办？,可以选择前后出生的,4,窝动物，每窝选出,4,只相似的个体，如性别相同、出生体重相同等，这,4,只动物称为一个区组，分别接受四种不同药物，在区组内哪一只动物接受哪一种药物完全是随机的。,动物号,窝别,1,34.7,33.2,27.1,32.9,2,33.3,26,23.3,31.4,3,26.2,28.6,27.8,25.7,4,31.6,32.3,26.7,28,第三节：随机区组设计,(randomized block design),随机区组设计是根据局部控制和随机原理进行的,它在完全随机设计的基础上增加了局部控制的原则，从而将试验环境均匀性的控制范围从整个试验地缩小到一个区组，区组间的差异可以通过统计分析方法使其与试验误差分离，所以随机区组设计的试验精确度较高。,设计特点,例：,5,种中草药饲料添加剂分别以,A,1,、,A,2,、,A,3,、,A,4,、,A,5,表示，供试,4,窝仔猪分别按体重依次编号为：,1-5,号为第,组，,6-10,号为第,组，,11-15,号为第,组，,16-20,为第,组。试按随机单位组设计将试验仔猪分组。,3,因素,3,水平,3,3,27,影响某种鸡的生产性能有,3,个因素,A,因素：饲料配方，,A1,、,A2,、,A3,B,因素：光照，,B1,、,B2,、,B3,C,因素：温度，,C1,、,C2,、,C3,3,3,试验的全面试验方案,C,1,C,2,C,3,A,1,B,1,A,1,B,1,C,1,A,1,B,1,C,2,A,1,B,1,C,3,B,2,A,1,B,2,C,1,A,1,B,2,C,2,A,1,B,2,C,3,B,3,A,1,B,3,C,1,A,1,B,3,C,2,A,1,B,3,C,3,A,2,B,1,A,2,B,1,C,1,A,2,B,1,C,2,A,2,B,1,C,3,B,2,A,2,B,2,C,1,A,2,B,2,C,2,A,2,B,2,C,3,B,3,A,2,B,3,C,1,A,2,B,3,C,2,A,2,B,3,C,3,A,3,B,1,A,3,B,1,C,1,A,3,B,1,C,2,A,3,B,1,C,3,B,2,A,3,B,2,C,1,A,3,B,2,C,2,A,3,B,2,C,3,B,3,A,3,B,3,C,1,A,3,B,3,C,2,A,3,B,3,C,3,对于单因素或两因素试验，因其因素少，试验的设计、实施与分析都比较简单。,在实际工作中，常需要同时考察,3,个或,3,个以上的试验因素，若进行全面试验，则试验的规模很大，往往因试验条件的限制而难以实施。,3,因素,3,水平,3,3,27,4,因素,4,水平,4,4,256,第四节：正交设计,正交设计,正交设计就是安排多因素试验、寻求最优水平组合的一种高效率试验设计方法。,在试验的全部处理组合中，仅挑选部分有代表性的水平组合（最优组合）进行试验。,特,点,用部分试验来代替全面试验，通过对部分试验结果的分析，了解全面试验的情况。,一 正交表及特点,正交表,因素的水平数,最多可安排的因素,（互作）数,试验次数（水平组合数）,A B C D,1 2 3 4,1 1 1 1 1,2 1 2 2 2,3 1 3 3 3,4 2 1 2 3,5 2 2 3 1,6 2 3 1 2,7 3 1 3 2,8 3 2 1 3,9 3 3 2 1,此表共有,4,列，可以安排,4,个因素,;,每一列有,1,、,2,、,3,三种数字，代表各因素的不同水平,;,表中有,9,行，代表,9,个不同处理组合。,1 2 3 4 5 6 7,1 1 1 1 1 1 1 1,2 1 1 1 2 2 2 2,3 1 2 2 1 1 2 2,4 1 2 2 2 2 1 1,5 2 1 2 1 2 1 2,6 2 1 2 2 1 2 1,7 2 2 1 1 2 2 1,8 2 2 1 2 1 1 2,右,图,是一典型的正交表.,“,L”,表示此,为,正交表,“8”,表示,试验,次,数,“2”,表示,两,水平,“7”,表示,试验,最多可,以有7,个,因素 (包括,单个,因素及其交互作,用),.,正交表的两条重要性质:,1)每列中不同数字出现的次数是相等的，如,L,9,(3,4,)中，每列中不同的数字是1，2，3，它们各出现3次；,2)在任意两列中，将同一行的两个数字看成一个有序数对，则每一数对出现的次数是相等的，如,L9(3,4,)中有序数对共有9个:(1,1),(1,2),(1,3),(2,1),(2,2),(2,3),(3,1),(3,2),(3,3),它们各出现一次。,所以，用正交表来安排试验时，各因素的各种水平的搭配是均衡的，这是正交表的优点。,正交设计一般有以下几个步骤：,(,一,),确定因素和水平,影响试验结果的因素很多，我们不可能把所有影响因素通过一次试验都予以研究，只能根据以往的经验，挑选和确定若干对试验指标影响最大、有较大经济意义而又了解不够清楚的因素来研究。同时还应根据实际经验和专业知识，定出各因素适宜的水平，列出因素水平表。,例：在进行矿物质元素对架子猪补饲试验中考察补饲配方、用量、食盐,3,个因素，每个因素都有,3,个水平。试安排一个正交试验方案。,(,二,),选用合适的正交表,选用正交表的原则是：,既要能安排下试验的全部因素，又要使部分水平组合数（处理数）尽可能地少。,一般情况下，试验因素的水平数应恰好等于正交表记号中括号内的底数；,因素的个数（包括交互作用）应不大于正交表记号中括号内的指数；,各因素及交互作用的自由度之和要小于所选正交表的总自由度，以便估计试验误差。,若各因素及交互作用的自由度之和等于所选正交表总自由度，则可采用有重复正交试验来估计试验误差。,此例有,3,个,3,水平因素，若不考察交互作用，则各因素自由度之和为因素数个数,(,水平数,-1)=3(3-1)=6,，小于,L,9,(3,4,),总自由度,9-1=8,，故可以选用,L,9,(3,4,),；若要考察交互作用，则应选用,L,27,(3,13,),，此时所安排的试验方案实际上是全面试验方案。,(,三,),表头设计,所谓表头设计，就是把挑选出的因素和要考察的交互作用分别排入正交表的表头适当的列上。,在不考察交互作用时，各因素可随机安排在各列上；若考察交互作用，就应按该正交表的交互作用列表安排各因素与交互作用。,此例不考察交互作用，可将矿物质元素补饲配方,(A),、用量,(B),和食盐,(C),依次安排在,L9(3,4,),的第,1,、,2,、,3,列上，第,4,列为空列，见表,12-23,。,C因素：温度，C1、C2、C3,香和臭的差别有时很模糊,容易受心理因素的影响。,动物试验中称为配对试验设计。,4 1 2 2 2 2 1 1,第三步：在相同且适宜的条件下饲养一段时间。,不同浓度的重金属污染液对水稻幼苗的生长均有抑制作用，随着浓度的增加，株高（或根长）逐渐降低。,各因素及交互作用的自由度之和要小于所选正交表的总自由度，以便估计试验误差。,不同浓度的重金属污染液对水稻幼苗的生长均有抑制作用，随着浓度的增加，株高（或根长）逐渐降低。,除需要比较的因素以外，其余的因素必须保持在同一水平。,例如，进行添加微量元素的饲养试验，添加微量元素为处理，不添加添加微量元素为对照，这样的对照为空白对照。,试验次数（水平组合数）,一月（可变，不宜太短）后用生物机能实验系统测小鼠血压、心率等指标，三组进行比较。,第一节：试验设计的基本原理,也可进行同一只动物前后两次进行不同的处理，对处理前后的结果进行比较。,我们不必怀疑做实验的小学生造假,即便如此,这个实验结果就值得我们相信吗?,(,四,),列出试验方案,把正交表中安排各因素的每个列,(,不包含欲考察的交互作用列,),中的每个数字依次换成该因素的实际水平，就得到一个正交试验方案。表,12-24,就是,例,12.4,的正交试验方案。,根据表,12-24,，,1,号试验处理是,A,1,B,1,C,1,，即配 方,I用量,15g,、食盐为,0,；,2,号试验处理是,A,1,B,2,C,2,，即配方,II,、用 量,25g,、食 盐 为,4g,，,；,9,号试验处理为,A,3,B,3,C,2,，即配方,III,、用量,20g,、食盐,4g,。,例如：某水稻栽培试验选择了,3,个水稻优良品种（,A,）：二九矮、高二矮、窄叶青，,3,种密度（,B,）：,15,、,20,、,25,（万苗,/,亩），,3,种施氮量（,C,）：,3,，,5,，,8,（,kg/,亩），可以用,L,9,(3,4,),正交表安排试验如下：,试验号,试验因素,A,B,C,1,1,1,1,2,1,2,2,3,1,3,3,4,2,1,2,52,2,3,6,2,3,1,7,3,1,3,8,3,2,1,9,3,3,2,实验设计,例题分析,例,1,研究性学习小组的同学在某电镀厂排水口采集重金属污染液,l00OmL,。利用以下实验材料和器材设计实验，探究不同浓度重金属污染液对水稻种子萌发和生长的影响。,实验材料和器材：水稻种子；试管；培养皿；尺子（,l00mm),；纱布；恒温光照培养箱，温度设定为,28,，光强度为,200O Lux,；蒸馏水；,(,实验材料和器材的数量不限,),根据给出的实验材料和器材，请设计实验方法和步骤，预测实验结果并作出分析。,(1),方法和步骤：,(2),结果预测和分析：,实验设计,例题分析,（,1,）方法和步骤：,用蒸馏水将重金属污染液逐级稀释,1,、,5,、,10,、,50,倍（稀释过程中,pH,值的变化可不作考虑），获得,4,种不同浓度的污染液；,挑选籽粒饱满、大小一致的水稻种子,250,粒，随机分成,5,组，,50,粒组；,取,5,只培养皿，垫上纱布；其中,4,只培养皿加入等体积的不同浓度重金属污染液（浸润纱布即可），另,1,只培养皿加入等体积的蒸馏水作为对照；,在每只培养皿的纱布上，均匀放置,50,粒水稻种子；,将,5,只培养皿置于恒温光照培养箱培养；每天实验组补充等量蒸馏水，以保持纱布的湿润；,1,周后统计各组的发芽率；用尺子测量幼苗株高（或根长），计算其平均值。,（,2,）结果预测和分析：,不同浓度的重金属污染液对水稻种子的萌发均有抑制作用，随着浓度的增加，萌发率逐渐降低；不同浓度的重金属污染液对水稻幼苗的生长均有抑制作用，随着浓度的增加，株高（或根长）逐渐降低。,实验设计,例题分析,例,2,利用以下实验材料和器材设计实验，实验材料和器材：雄性小鼠（出生时间相同，,10,窝每窝,6,只）；小鼠饲养笼；小鼠颗粒饲料；,40%,酒精,;,饮水器；注射器；灌胃器；生理盐水；生物机能实验系统（测小鼠血压、心率等指标）等。探究长期不同程度酗酒对动物血压、心率的影响。,选择体重相等健康活泼的雄性小鼠,60,只；,分酒精实验组设,1ml,、,2ml,、,3ml,、,4ml,（可变）四个水平；生理盐水对照组、空白对照组共,6,组，把每,60,只小鼠随机分到,6,组中；,相同条件下分开饲养；酒精实验组每天灌胃,40%,酒精,1ml,、,2ml,、,3ml,、,4ml,，生理盐水对照组每天灌胃蒸馏水,2ml,；空白对照组不做处理；,一月（可变，不宜太短）后用生物机能实验系统测小鼠血压、心率等指标，三组进行比较。,为探讨三聚氰胺的危害，兴趣小组想利用以下材料，设计实验探究三聚氰胺是否可能造成动物结石，请你完成实验设计和预测实验结果并分析。,材料用具：大鼠若干只；鼠料；三聚氰胺晶体；其它所需条件均满足（如何检测检测肾部结石不做要求，为统一评价，检测结果只以大鼠肾部结石发生率做为指标）步骤设计：,参考答案：第一步：配制三聚氰胺溶液,A,、,B,、,C,（分别为低、中、高浓度），选取身体健康、发育正常、体重相当的大鼠若干，随机平均分成四组，并编号甲、乙、丙、丁，分别饲养。,第二步：甲组每天饲喂普通饲料伴三聚氰胺溶液,A,；乙组每天饲喂普通饲料伴三聚氰胺溶液,B,；丙组每天饲喂普通饲料伴三聚氰胺溶液,C,；丁组每天饲喂普通饲料伴等量纯净水，且四个组每天饲喂量相等且适量的饲料,第三步：在相同且适宜的条件下饲养一段时间。,实验结果预测与分析：如果四个组的大鼠肾部结石发生率相同，说明三聚氰胺不会诱导大鼠肾部结石的发生,如果四个组的大鼠肾部结石的发生率依次是：丙乙甲丁，说明三聚氰胺会诱导大鼠肾部结石的发生，而且剂量越高，诱导大鼠肾部结石的发生率越高,如果甲组、乙组、丙组大鼠肾部结石的发生率相近，且高于丁组，说明三聚氰胺会诱导大鼠肾部结石的发生，但跟剂量大小关系不大（其他合理的预测与分析也可）,