第一章 实验设计
第一节 实验设计简介
实验设计是指为达到一定的实验目的，利用现有的实验条件，为实验制定出合理的流程或方案。也就是用最少的人力、物力和时间获得满足要求的实验结果。实验设计是数理统计学的一个重要的分支，多数数理统计方法主要用于分析已经得到的数据，而实验设计则是用于确定数据收集的方法，主要讨论如何合理地安排实验以及对实验所得的数据如何进行分析等。
实验设计的基本内容包括：
①实验名称。说明这是一个什么内容的实验；
②实验目的。要研究或验证的某一事实；
③实验原理。进行实验的科学依据；
④实验条件。完成实验所必需的仪器、设备、药品等；
⑤实验方法与步骤。实验所采用的方法及操作程序；
⑥实验测量与记录。对实验过程及结果应有的科学测量方法与准确的记录；
⑦实验结果的预测及分析。预测可能出现的实验结果并分析原因；
⑧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。
实验设计是实验研究过程中的一个重要环节，通过实验设计可以将实验安排在最有效的范围内，以保证通过较少的实验得到预期的实验结果。实验设计的基本思路如下：首先，要明确实验目的、实验原理及实验要求的基本条件；其次，要精心制定实验方案、严格设计实验过程、确定测量参数和精度要求，并引入科学的测量方法；最后，能有效预测实验结果，科学描述实验过程和结果，并得出科学的实验结论。
在进行实验设计时应注意以下几个问题：在掌握实验目的、原理的基础上确定实验方法；严格遵循实验设计的基本原则，准确设置测量参数；注意实验程序的科学性、合理性；对实验现象进行准确的观察、测量、记录；能预测可能出现的实验结果并分析原因，并能得出科学的实验结论。正确的实验设计不仅能够节省人力、物力和时间，而且是得到可信的实验结果的重要保证。
实验设计方法现今已被广泛地应用于各个领域。例如，在工厂，为了达到提高产品的质量、高产以及低能耗的目的，一般通过实验来寻找原料配比和工艺条件。实验方法有很多，为能迅速找到最佳条件，需要通过实验设计，合理安排实验，才能快速找到最佳条件。例如混凝剂是水处理过程中常用的化学药剂，投加量因所处理水质不同而异，常需要通过多次实验确定最佳投加量，这时就可以通过实验设计减少实验工作量。
实验设计的方法有很多，有单因素实验设计、双因素实验设计、正交实验设计、均匀实验设计、区组实验设计等。各实验设计的目的和出发点不同，在进行实验设计时，应根据研究对象的具体情况确定实验设计方法。实验设计方法中常用到的专业术语如下。
1.因素
因素是指实验研究过程的自变量，常常是造成实验指标依照某种规律发生变化的那些原因。实验因素分为可控因素和不可控因素。可控因素是指在实验中可以人为进行调节和控制的因素，例如，混凝实验中的pH值和混凝剂投加量是可以调节和控制的，属于可控因素。不可控因素由于实验条件的限制，暂时还不能人为调节和控制的因素，例如，在考察室外沉淀池的效率时，风速对沉淀效率的影响就属于不可控因素。在实验设计时所说的因素，在没有特殊说明的情况下，都指可控因素。只考察一个因素的实验称为单因素实验，考察两个因素的实验称为双因素实验，考察两个以上因素的实验称为多因素实验。
2.实验指标
实验指标是指作为实验研究过程的因变量，常为实验结果特征的量（如产率、纯度等），即在实验设计中用来衡量实验效果所采用的指标，例如，在进行废水混凝实验时，为了确定最佳pH值和最佳投药量，选定处理水CODCr作为评定各次实验效果好坏的标准，处理水的CODCr即为混凝实验的指标。
3.水平
水平是指实验中因素所处的具体状态或情况，又称为等级。某因素在实验中需要考察它的几种状态，就叫几水平的因素。例如，在混凝实验中，考察3个因素：pH值、投药量、搅拌速度。pH值选择为5、8、10这3种状态，这里的5、8、10就是pH值这个因素的3个水平。因素的水平有的可以用数值来表示，例如，温度、浓度等；有的不能用数值来表示，例如，用活性炭脱色实验，要研究哪种活性炭脱色效果好，在这里各种活性炭就是活性炭这个因素的各个水平，不能用数值表示。不能用数值来表示的水平因素称为定性因素。对于定性因素，只要对每个水平规定其具体含义，就可以与定量因素一样对待。
实验设计有很多种方法，下面主要介绍在环境工程实验中常用到的单因素实验设计、双因素实验设计和正交实验设计的一部分基本方法，其他方法可根据需要查阅有关文献及书籍。