第1章實驗設計與數據處理簡介1

1.1 實驗設計的作用2

1.2 實驗設計的類型2

1.2.1實驗設計的基本類型2

1.2.2優化實驗的基本類型3

1.3 實驗設計的三要素4

1.3.1實驗設計的基本概念4

1.3.2實驗設計三要素5

1.3.3實驗設計中因素與水平的選取5

1.4 實驗設計的四原則8

1.5 實驗設計中的誤差控制10

1.5.1實驗誤差10

1.5.2實驗數據的精準度11

1.5.3壞值及其剔除13

1.6 數據處理常用方法14

1.7 實驗設計與數據處理的基本過程15

習題1 16



第2章對比實驗與方差分析17

2.1 基於Excel的t檢驗與方差分析17

2.2 兩個處理的水平對比t檢驗19

2.2.1兩個處理的水平對比t檢驗實例19

2.2.2正確判斷兩個處理水平對比t檢驗的實驗條件22

2.3 多處理對比的方差分析25

2.3.1單因素方差分析26

2.3.2兩因素不重復實驗的方差分析28

2.3.3兩因素等重復實驗的方差分析29

2.3.4有關方差分析的兩個問題31

習題2 31



第3章回歸分析33

3.線性回歸分析34

3.非線性回歸分析38

3.線性回歸分析43

3.非線性回歸分析45

3.5 逐步回歸分析47

3.5.1逐步回歸分析的主要思路47

3.5.2逐步回歸分析的主要計算步驟47

3.5.3用SPSS作逐步回歸分析49

3.6 神經網絡51

3.6.1神經網絡簡介51

3.6.2BP神經網絡的Matlab工具箱函數53

3.6.3BP神經網絡應用實例54

習題3 58



第4章單因素實驗設計60

4.1 均分法61

4.2 對分法62

4.3 黃金分割法64

4.4 分數法68

4.5 拋物線法70

4.6 分批實驗法72

4.7 單因素優選法在材料科學與工程中的應用72

習題4 76



第5章多因素實驗設計77

5.1 多因素優選實驗概述77

5.2 因素輪換法78

5.3 隨機實驗法80

5.4 全面實驗法83

5.5 拉丁方實驗法88

習題5 88



第6章正交實驗設計90

6.1 正交表及其基本性質91

6.2 正交實驗設計的基本步驟92

6.3 正交實驗設計結果的直觀分析93

6.4 正交實驗設計結果的方差分析96

6.4.1計算離差平方和與方差分析96

6.4.2基於Excel的正交實驗設計方差分析97

6.5 有交互作用或者水平不等的正交設計99

6.5.1有交互作用的正交設計99

6.5.2水平不等的正交設計102

6.6 多指標的正交實驗設計105

6.7 回歸正交實驗設計112

6.7.1因素水平編碼112

6.7.2選擇正交表113

6.7.3回代求原回歸方程113

6.7.4回歸正交實驗設計的應用113

6.8 正交實驗在材料科學與工程中的應用116

習題6 118



第7章均勻設計121

7.1 均勻設計和正交設計的比較121

7.2 均勻設計表及構造122

7.2.1均勻設計表符號及特點122

7.2.2均勻設計表構造124

7.3 用均勻設計表安排實驗125

7.4 均勻設計的實驗結果分析128

7.5 均勻設計的靈活應用130

7.6 均勻設計在材料科學與工程中的應用131

習題7 136



附錄137

附錄1 課程實驗及簡要指導書137

附錄2 常用正交實驗表（簡表）138

附錄3 相關繫數臨界值表143

附錄4 典型試卷及參考答案144

附錄5 常用正交實驗表（詳表）（二維碼）151

附錄6 常用均勻設計表（二維碼）151

附錄7 常用Excel函數（二維碼）151



參考文獻152

認識世界可以通過學習，更重要的是通過實踐。有理論指導的實踐纔是有目的的實踐、科學的實踐，隻有這樣的實踐纔能更深刻地認識世界。實驗就是一種理想的科學實踐，是在尋求真理過程中的一種積極的、主動性的活動。目前各高校均在強調學生應用知識的能力的培養，通過學生動手做實驗提高動手能力。但很多情況下僅靠專業知識是無法做好實驗的，還需要事先把實驗設計好，並把實驗數據分析好。必須要有正確的理論來指導實驗，這就涉及實驗設計的問題。但目前現狀令人擔憂，由於種種原因，相當一部分理工科學生對於應該掌握的實驗設計方法沒有掌握，甚至是不知道，這對以實驗為主要研究手段的未來工程師們、科學家們不能不說是缺陷！

針對這種情況，編者自2006年開始在南京理工大學材料科學與工程學院本科生中講授《實驗設計》課程，其目標是使材料相關專業的本科生能夠在科研訓練、工程訓練、畢業設計以及將來的更高層次的學習、工作中使用實驗設計方法，提高科研質量和效率。在選用教材時發現多數此類教材中的實例不能貼合材料科學與工程學科的實際，且書中有些實驗設計方法在材料科學與工程學科中並不涉及，如穩健設計等。

因此本書中，編者結合自己的科研論文和國內外材料科學與工程學科其他研究人員科研論文，介紹了相關的實驗設計方法以及科研思想，讓學生對材料科學與工程學科的科研有體會，激發起科研興趣。通過實際的科研案例教會學生們針對特定的研究目的設計實驗方案，對實驗數據進行合理有效的分析，並優化工藝、參數等，讓學生在將來的畢業設計、科研工作、生產實踐中能夠運用實驗設計與數據處理的方法。

本書2006年在國防工業出版社出版了版，經過多年使用以後，在版張新平、封善飛、洪祥挺、陳飛、陳珊等作者編寫的基礎上，根據讀者反饋和學科進展，進行修訂。

關於本次修訂，主要包括：

（1）修訂了版中的疏漏。包括文字、數據的錯誤。

（2）對部分重復內容進行整合，特別是在版多處出現的因素水平選擇方面的內容。

（3）增加了部分內容和案例，如第3章中的采用SPSS進行逐步回歸、神經網絡等內容是新加的。此外新增了部分案例。

本書編寫分工為：張新平負責全書編寫，詹曉非參與第4章編寫，江金國參與第5章編寫，王秀賓參與第6章編寫。

全書參考了國內外有關教材、科技著作及論文，並引用了有關文獻和教材的資料和插圖，在此特向有關作者和單位致以誠摯的感謝。

限於編者的本身水平和視野，書中難免存在一些紕漏和不足之處，誠懇地希望讀者予以指正。



編者

2021年3月