科学试验及其误差控制.ppt
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1、科学试验及其误差控制第一节第一节 科学研究与科学试验科学研究与科学试验一、农业和生物学领域的科学研究一、农业和生物学领域的科学研究自然科学自然科学 理论科学理论科学 实验科学实验科学 抽样调查抽样调查 科学试验科学试验 二、科学研究的基本过程和方法二、科学研究的基本过程和方法(一一)科学研究的基本过程科学研究的基本过程 (1)根据本人的观察根据本人的观察(了解了解)或前人的观察或前人的观察(通过文献通过文献)对所对所研究的命题形成一种认识或假说;研究的命题形成一种认识或假说;(2)根据假说所涉及的内容安排相斥性的试验或抽样调查;根据假说所涉及的内容安排相斥性的试验或抽样调查;(3)根据试验或调
2、查所获的资料进行推理,一定或否定或根据试验或调查所获的资料进行推理,一定或否定或修改假说,从而形成结论,或开始新一轮的试验以验证修改修改假说,从而形成结论,或开始新一轮的试验以验证修改完善后的假说,如此循环发展,使所获得的认识或理论逐步完善后的假说,如此循环发展,使所获得的认识或理论逐步发展、深化。发展、深化。(二二)科学研究的基本方法科学研究的基本方法 1.选题选题2.2.文献文献3.3.假说假说 4.4.假说的检验假说的检验 5.5.试验的规划与设计试验的规划与设计 第二节第二节 试验方案试验方案一、试验因素与水平一、试验因素与水平二、试验指标与效应二、试验指标与效应三、制订试验方案的要点
3、三、制订试验方案的要点一、试验因素与水平一、试验因素与水平 试验方案试验方案是根据试验目的和要求所拟进行比较的一组是根据试验目的和要求所拟进行比较的一组试验处理试验处理(treatment)的总称。的总称。被变动并设有待比较的一组处理的因子称为试验因素,被变动并设有待比较的一组处理的因子称为试验因素,简称简称因素或因子因素或因子(factor)(factor),试验因素的量的不同级别或质的,试验因素的量的不同级别或质的不同状态称为不同状态称为水平水平(level)(level)。试验方案按其供试因子数的多少可以区分为以下试验方案按其供试因子数的多少可以区分为以下3类:类:(1)(1)单因素试验
4、单因素试验(single-factor experiment)(single-factor experiment)单因素试验是指整个试单因素试验是指整个试验中只变更、比较一个试验因素的不同水平,其他作为试验验中只变更、比较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。条件的因素均严格控制一致的试验。(2)(2)多因素试验多因素试验(multiple-factor or factorial experiment)(multiple-factor or factorial experiment)多因素试多因素试验是指在同一试验方案中包含验是指在同一试验方案中包含2个或个或2个
5、以上的试验因素,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。的试验。(3)(3)综合性试验综合性试验(comprehensive experiment)(comprehensive experiment)综合性试验中各因素综合性试验中各因素的各水平不构成平衡的处理组合,而是将若干因素的某些水的各水平不构成平衡的处理组合,而是将若干因素的某些水平结合在一起形成少数几个处理组合。平结合在一起形成少数几个处理组合。二、试验指标与效应二、试验指标与效应 用于衡量试验效果的指示性状称用于衡量试验效果的指示性状称试验指标
6、试验指标。试验因素对试验指标所起的增加或减少的作用称为试验因素对试验指标所起的增加或减少的作用称为试验试验效应效应(experimental effect)(experimental effect)。在同一因素内两种水平间试验指标的相差属在同一因素内两种水平间试验指标的相差属简单效应简单效应(simple effect)(simple effect)。一个因素内各简单效应的平均数称平均效应,亦称一个因素内各简单效应的平均数称平均效应,亦称主主要效应要效应(main effect)(main effect),简称,简称主效主效。两个因素简单效应间的平均差异称为两个因素简单效应间的平均差异称为交互
7、作用效应交互作用效应(interaction effect)(interaction effect),简称,简称互作互作。三、制订试验方案的要点三、制订试验方案的要点 1.拟订试验方案前应通过回顾以往研究的进展、调拟订试验方案前应通过回顾以往研究的进展、调查交流、文献探索等。查交流、文献探索等。2.根据试验目的确定供试因素及其水平。根据试验目的确定供试因素及其水平。3.试验方案中应包括有对照水平或处理,简称对照试验方案中应包括有对照水平或处理,简称对照(check,符号,符号CK)。4.试验方案中应注意比较间的唯一差异原则,试验方案中应注意比较间的唯一差异原则,以便正确地解析出试验因素的效应。
8、以便正确地解析出试验因素的效应。5.拟订试验方案时必须正确处理试验因素及试拟订试验方案时必须正确处理试验因素及试验条件间的关系。验条件间的关系。6.多因素试验提供了比单因素试验更多的效应估多因素试验提供了比单因素试验更多的效应估计,具有单因素试验无可比拟的优越性。计,具有单因素试验无可比拟的优越性。第三节第三节 试验误差及其控制试验误差及其控制一、试验数据的误差和精确性一、试验数据的误差和精确性二、试验误差的来源二、试验误差的来源三、随机误差的规律性三、随机误差的规律性四、随机误差的层次性四、随机误差的层次性五、试验误差的控制五、试验误差的控制一、试验数据的误差和精确性一、试验数据的误差和精确
9、性 将每次所取样品测定的结果称为一个将每次所取样品测定的结果称为一个观察值观察值,以,以y表表示。理论值或真值,以示。理论值或真值,以 表示,则表示,则 ,即观察值,即观察值=真值真值+误差,每一观察值都有一误差误差,每一观察值都有一误差 ,可正,可负,可正,可负,。观察值间存在的变异可归结为两种情况观察值间存在的变异可归结为两种情况:一种是完全偶然性的,找不出确切原因的,称为一种是完全偶然性的,找不出确切原因的,称为偶偶然性误差然性误差(spontaneous error)(spontaneous error)或随机误差或随机误差(random error)(random error);另一
10、种是有一定原因的称为另一种是有一定原因的称为偏差偏差(bias)(bias)或系统误差或系统误差(systematic error)(systematic error)。系统误差影响了数据的准确性,准确性是指观测值与系统误差影响了数据的准确性,准确性是指观测值与其理论真值间的符合程度;其理论真值间的符合程度;而偶然误差影响了数据的精确性,精确性是指观测值而偶然误差影响了数据的精确性,精确性是指观测值间的符合程度。间的符合程度。二、试验误差的来源二、试验误差的来源 一般讲,随机误差是偶然性的。整个试验过程中涉一般讲,随机误差是偶然性的。整个试验过程中涉及的随机波动因素愈多,试验的环节愈多,时间愈
11、长,及的随机波动因素愈多,试验的环节愈多,时间愈长,随机误差发生的可能性及波动程度便愈大。随机误差发生的可能性及波动程度便愈大。理论上,系统误差是可以通过试验条件及试验过理论上,系统误差是可以通过试验条件及试验过程的仔细操作而控制的。实际上一些主要的系统性偏差程的仔细操作而控制的。实际上一些主要的系统性偏差较易控制,而有些细微偏差则较难控制。较易控制,而有些细微偏差则较难控制。三、随机误差的规律性三、随机误差的规律性图1.3 随机误差的分布模式 以大豆品种蛋白质含量的测以大豆品种蛋白质含量的测定为例,若从一批种子中抽取定为例,若从一批种子中抽取100份样品,分别进行蛋白质含份样品,分别进行蛋白
12、质含量的测定,若无系统偏差的干量的测定,若无系统偏差的干扰,则所获扰,则所获100个数据,将其平个数据,将其平均数当作理论真值均数当作理论真值 ,根据,根据 可计算出可计算出100个误差值。这个误差值。这100个误差值有个误差值有“”有有“”,平均起来正负相抵消等于,平均起来正负相抵消等于0。若将其画成坐标图,接。若将其画成坐标图,接近于一个对称的钟形图近于一个对称的钟形图(图图1.3),在靠近),在靠近0的、范围内的、范围内出现的误差次数多,越远离出现的误差次数多,越远离0出现的次数越少。出现的次数越少。四、随机误差的层次性四、随机误差的层次性 仍以大豆品种蛋白质含量测定为例,可以看到大豆蛋
13、仍以大豆品种蛋白质含量测定为例,可以看到大豆蛋白质测定中抽取样品时,因为取样过程的随机性存在取样白质测定中抽取样品时,因为取样过程的随机性存在取样的随机误差,对于同一份样品,由于测定过程中的随机因的随机误差,对于同一份样品,由于测定过程中的随机因素导致存在随机误差,两者虽都是随机误差,但发生的时素导致存在随机误差,两者虽都是随机误差,但发生的时段或层次不一样,因此,随机误差具有层次性。这里前一段或层次不一样,因此,随机误差具有层次性。这里前一阶段的是取样误差,后一阶段的是测定过程误差。此时,阶段的是取样误差,后一阶段的是测定过程误差。此时,观测值可表示为:观测值可表示为:五、试验误差的控制五、
14、试验误差的控制 根据以上关于试验误差来源的分析,研究工作者为根据以上关于试验误差来源的分析,研究工作者为保证试验结果的正确性,必须针对各种可能的系统偏差保证试验结果的正确性,必须针对各种可能的系统偏差原因预防多种多样的系统误差;同时针对不同阶段、不原因预防多种多样的系统误差;同时针对不同阶段、不同层次偶然性因素造成的随机误差分别尽量控制这种不同层次偶然性因素造成的随机误差分别尽量控制这种不同阶段、不同层次上发生的随机误差,使之尽量缩小。同阶段、不同层次上发生的随机误差,使之尽量缩小。第四节第四节 试验统计学的发展和本课程的主要内容试验统计学的发展和本课程的主要内容一、试验统计学的发展一、试验统
15、计学的发展二、本课程的主要内容二、本课程的主要内容17世纪世纪Pascal 和和Fermat的概率论;的概率论;18世纪世纪De Moivre、Laplace和和Gauss的正态分布理论;的正态分布理论;19世纪达尔文应用统计方法研究生物界的连续性变异;世纪达尔文应用统计方法研究生物界的连续性变异;孟德尔应用统计方法发现显性、分离、独立分配等遗传孟德尔应用统计方法发现显性、分离、独立分配等遗传 定律;定律;Karl Pearson用统计方法研究进化问题,并创建了用统计方法研究进化问题,并创建了 Biometrika杂志;杂志;Galton研究了亲子身高的回归问题;研究了亲子身高的回归问题;20
16、世纪以来世纪以来Gosset用实验方法发现了用实验方法发现了t分布;分布;一、试验统计学的发展一、试验统计学的发展Fisher提出了方差分析,建立了试验设计的三大原理,提出了方差分析,建立了试验设计的三大原理,并提出了随机区组、拉丁方等试验设计,还将统计方法用并提出了随机区组、拉丁方等试验设计,还将统计方法用之于研究数量性状的基因效应;之于研究数量性状的基因效应;Yates、Yule等发展了一系列的试验设计包括后来的混杂等发展了一系列的试验设计包括后来的混杂设计和不完全区组设计等;设计和不完全区组设计等;英国英国Rothamsted试验场在生物统计和田间试验设计方面试验场在生物统计和田间试验设
17、计方面卓有贡献;卓有贡献;Neyman和和E.S.Pearson建立了统计推断的理论;建立了统计推断的理论;Snedecor建立了统计实验室并出版了建立了统计实验室并出版了“Statistical Methods Applied to Experiment in Agriculture and Biology”;Wald建立序贯分析和统计决策函数的理论;建立序贯分析和统计决策函数的理论;Cochran和和Cox系统地归纳了试验设计和抽样方法研究系统地归纳了试验设计和抽样方法研究 的进展,出版了的进展,出版了“Experimental Design”和和“Sampling Technique”二
18、书;二书;Kempthorne将统计方法应用于数量性状的遗传研究,将统计方法应用于数量性状的遗传研究,出版了出版了“An Introduction to Genetic Statistics”;而而Mather则出版了则出版了“Biometrical Genetics”。二、本课程的主要内容二、本课程的主要内容本课程包括本课程包括7个单元个单元15章。章。第一单元在介绍科学研究基本过程、试验方案制订和试验第一单元在介绍科学研究基本过程、试验方案制订和试验误差及其控制的基础上进一步讲述田间试验的误差来源、误差及其控制的基础上进一步讲述田间试验的误差来源、土壤差异和控制误差的小区技术、试验设计、实
19、施规则以土壤差异和控制误差的小区技术、试验设计、实施规则以及试验数据的获取。及试验数据的获取。第二单元从样本试验数据最基本的描述统计开始,进而介第二单元从样本试验数据最基本的描述统计开始,进而介绍研究对象总体的理论分布、统计数的抽样分布及其概率绍研究对象总体的理论分布、统计数的抽样分布及其概率计算。计算。第三单元在误差理论的基础上引入通过假设测验进行第三单元在误差理论的基础上引入通过假设测验进行统计推断的基本方法,介绍平均数比较的统计推断的基本方法,介绍平均数比较的u测验、测验、t测验和测验和F测验,以及计数资料的测验,以及计数资料的 测验及其应用等。测验及其应用等。第四单元承上启下介绍参数估
20、计方法包括矩法、最小第四单元承上启下介绍参数估计方法包括矩法、最小二乘法和极大似然法等。二乘法和极大似然法等。第五单元进入第五单元进入2个及个及2个以上变数间的回归与相关分析,个以上变数间的回归与相关分析,包括一元、多元线性回归与相关,以及曲线回归。第六单包括一元、多元线性回归与相关,以及曲线回归。第六单元为方差分析的进一步应用,介绍单因素、多因素及不完元为方差分析的进一步应用,介绍单因素、多因素及不完全区组试验结果的统计分析。全区组试验结果的统计分析。第七单元介绍应用于调查研究的抽样调查方法、抽样第七单元介绍应用于调查研究的抽样调查方法、抽样结果的统计分析以及抽样方案的设计。结果的统计分析以
21、及抽样方案的设计。第二章第二章 田间试验的设计与实施田间试验的设计与实施第一节第一节 田间试验的特点和要求田间试验的特点和要求第二节第二节 田间试验的误差与土壤差异田间试验的误差与土壤差异第三节第三节 田间试验设计的原则田间试验设计的原则第四节第四节 控制土壤差异的小区技术控制土壤差异的小区技术第五节第五节 常用的田间试验设计常用的田间试验设计第六节第六节 田间试验的布置与管理田间试验的布置与管理第七节第七节 田间试验的观察记载和测定田间试验的观察记载和测定第八节第八节 温室与实验室的试验温室与实验室的试验第一节第一节 田间试验的特点和要求田间试验的特点和要求一、田间试验的特点一、田间试验的特
22、点二、田间试验的基本要求二、田间试验的基本要求 一、田间试验的特点一、田间试验的特点 (1)由农作物或其他生物体本身的反应来直接检测试验由农作物或其他生物体本身的反应来直接检测试验的效果,这是田间试验的重要特点。试验材料本身便存在产的效果,这是田间试验的重要特点。试验材料本身便存在产生试验误差的多种因素。生试验误差的多种因素。(2)田间试验是在开放的自然条件下进行的,因而田间试田间试验是在开放的自然条件下进行的,因而田间试验的环境条件也存在着导致试验产生试验误差,包括系统误验的环境条件也存在着导致试验产生试验误差,包括系统误差和随机误差的多种可能性。差和随机误差的多种可能性。二、田间试验的基本
23、要求二、田间试验的基本要求(1)试验目的要明确试验目的要明确(2)试验条件要有代表性试验条件要有代表性(3)试验结果要可靠试验结果要可靠(4)试验结果要能够重演试验结果要能够重演(5)体现唯一差异原则体现唯一差异原则第二节第二节 田间试验的误差与土壤差异田间试验的误差与土壤差异一、田间试验的误差一、田间试验的误差二、试验地的土壤差异二、试验地的土壤差异三、试验地选择和培养三、试验地选择和培养 一、田间试验的误差一、田间试验的误差(一一)田间试验的误差来源田间试验的误差来源(1)试验材料固有的差异试验材料固有的差异(2)试验时农事操作和管理技术的不一致所引起的差异试验时农事操作和管理技术的不一致
24、所引起的差异(3)进行试验时外界条件的差异进行试验时外界条件的差异 (二二)控制田间试验误差的途径控制田间试验误差的途径(1)选择同质一致的试验材料选择同质一致的试验材料(2)改进操作和管理技术,使之标准化改进操作和管理技术,使之标准化(3)控制引起差异的外界主要因素控制引起差异的外界主要因素 选择肥力均匀的试验地;选择肥力均匀的试验地;试验中采用适当的小区技术;试验中采用适当的小区技术;应用良好的试验设计和相应的统计分析。应用良好的试验设计和相应的统计分析。二、试验地的土壤差异二、试验地的土壤差异试验地的土壤差异来源试验地的土壤差异来源 (1)由于土壤形成的基础不同,历史原因造成土壤的物)由
25、于土壤形成的基础不同,历史原因造成土壤的物理性质与化学性质方面有很大差异;理性质与化学性质方面有很大差异;(2)由于在土地利用上的差异,如种植不同作物,以及)由于在土地利用上的差异,如种植不同作物,以及在耕作、栽培、施肥等农业技术上的不一致等。在耕作、栽培、施肥等农业技术上的不一致等。土壤差异集中地表现为土壤肥力的差异。以往研究证明,土壤差异集中地表现为土壤肥力的差异。以往研究证明,土壤差异具有持久性土壤差异具有持久性。测定土壤差异程度的方法测定土壤差异程度的方法l最简单的方法是目测法,即根据前茬作物生长的一致情况加以最简单的方法是目测法,即根据前茬作物生长的一致情况加以评定。评定。l更精细地
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