第三章 化学试验设计.ppt

第三章 化学试验设计 §3-1化学试验设计原则和实验优选标准 一.化学试验设计的意义 化学试验设计是指试验者在实施化学实验之前，根据一定的化学实验目的和要求，运用有关化学知识和技能，对实验的仪器、装置、步骤和方法所进行的一种规划。 它在化学研究中有极其重要的作用，它直接关系到实验效率的高低，乃至实验的成败。科学、合理、周密、巧妙的实验设计，往往能导致化学科学的重大发现。 在教学中，化学试验设计也有重要的意义：1.激发学生的化学学习兴趣。2.培养学生解决化学实验问题的能力和创造能力。3.有利于学生科学方法的训练和科学态度的培养。 二.化学实验设计的类型和内容1.根据实验在化学教学认识过程中的作用来划分：(1)启发性(或探索性)实验设计注意效果明显、易操作、时间短、安全可靠(2)验证性实验设计除上述要求外，还要说服力要强(3)运用性实验设计 注意灵活性和综合性2.根据化学实验工具来划分(1)化学实验仪器、装置和药品的改进或替代(2)实验方法的改进3.根据化学实验内容来划分(1)物质的组成、结构和性质实验(2)物质的制备实验设计(3)物质的分离、提纯和鉴别实验设计 4.化学实验设计的内容一个相对完整的化学实验方案一般包括：1.实验目的.2.实验原理 3.实验用品(药品、仪器、装置、设备)4.实验装置图、实验步骤和操作方法5.注意事项 6.实验现象及结论记录三.化学实验设计原则1.科学性原则 2.可行性原则3.安全性原则 4.简约性原则四.化学实验的优选标准1.效果明显 2.操作安全3.装置简单 4.易操作、用药少5.步骤少、时间短 §3-2化学试验设计的基本方法—正交试验设计 当析因设计要求的实验次数太多时，一个非常自然的想法就是从析因设计的水平组合中，选择一部分有代表性水平组合进行试验。因此就出现了分式析因设计(fractional factorial designs)，但是对于试验设计知识较少的实际工作者来说，选择适当的分式析因设计还是比较困难的。 正交试验设计(Orthogonal experimental design)是研究多因素多水平的又一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，正交试验设计是分式析因设计的主要方法。是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。日本著名的统计学家田口玄一将正交试验选择的水平组合列成表格，称为正交表。 一.正交试验设计的发展 正交试验设计产生于20世纪20年代，当时英国人罗隆姆斯为解决农业科学试验中周期长、效率低的问题，从众多的试验中选择少量的具有代表性的试验来解决上述问题，这就是最初的正交试验设计法。1925年，费歇尔在他发表的《研究工作中的统计方法》一书中，就正交试验设计法进行了系统地论述。从此，这种科学试验研究方法很快被英、美等国的军事、工业和科研部门所采用，成为指导人们从事科学研究的一种重要方法。 我国从五十年代开始研究正交试验设计，很快受到工农业部门和科研单位的重视。但是，将正交试验设计的理论和方法引入化学实验研究，目前国外的研究资料很少，国内在这方面的研究工作也刚刚起步。 二.正交试验设计的基本思想1.正交试验设计的概念 正交试验设计又称正交试验法，正交设计法，简称正交法。它是一种多因素试验问题的重要数学方法，并利用正交表的特点对实验结果进行计算、分析，从而找出较优试验方案。它是数理统计理论和方法在试验设计上的一种应用。 正交试验法就是通过设计好的正交试验表安排试验，从而实现通过少数的试验次数找到较好的生产条件，以达到最高生产工艺效果。 2.正交试验设计的特点(1)完成试验要求所需的实验次数少。(2)数据点的分布很均匀。(3)可用相应的极差分析方法、方差分析方法、回归分 析方法等对试验结果进行分析，引出许多有价值的结论。(4)每个水平(每种因素的多种变化) 在整个试验中出现的次数是相同的。  3.正交表  它是一张已经制作好的、规格化的表。不同的正交表用不同的符合和数字加以区别。(1)正交表上的符号和数字的含义 L4(23)是一张最简单的正交表，如下表 “L”是正交表的代号。“4”是表示正交表有4个横行，即需做4次试验。“2”表示因素的水平是二水平。“3”表示正交表有