材料科学与工程实验设计与数据处理（张新平）

《材料科学与工程实验设计与数据处理》注重实用，通俗易懂。内容包括回归分析、方差分析的Excel软件实现方法，单因素实验优化设计、多因素实验设计、正交实验设计和均匀设计等全部简单实用的实验设计方法。各章节间有一定的独立性，读者可以根据自己的情况有选择地学习。书中案例大部分选自编者的科研工作和国内外材料科学与工程学科其他研究人员的科研论文，应用和参考价值高。

《材料科学与工程实验设计与数据处理》可作为工科相关领域技术人员的参考书，也可作为高等院校相关专业高年级本科生及研究生学习实验设计并进行毕业论文实践的教材。

 

第1章实验设计与数据处理简介1

1.1 实验设计的作用2

1.2 实验设计的类型2

1.2.1实验设计的基本类型2

1.2.2优化实验的基本类型3

1.3 实验设计的三要素4

1.3.1实验设计的基本概念4

1.3.2实验设计三要素5

1.3.3实验设计中因素与水平的选取5

1.4 实验设计的四原则8

1.5 实验设计中的误差控制10

1.5.1实验误差10

1.5.2实验数据的精准度11

1.5.3坏值及其剔除13

1.6 数据处理常用方法14

1.7 实验设计与数据处理的基本过程15

习题1 16

第2章对比实验与方差分析17

2.1 基于Excel的t检验与方差分析17

2.2 两个处理的水平对比t检验19

2.2.1两个处理的水平对比t检验实例19

2.2.2正确判断两个处理水平对比t检验的实验条件22

2.3 多处理对比的方差分析25

2.3.1单因素方差分析26

2.3.2两因素不重复实验的方差分析28

2.3.3两因素等重复实验的方差分析29

2.3.4有关方差分析的两个问题31

习题2 31

第3章回归分析33

3.1 一元线性回归分析34

3.2 一元非线性回归分析38

3.3 多元线性回归分析43

3.4 多元非线性回归分析45

3.5 逐步回归分析47

3.5.1逐步回归分析的主要思路47

3.5.2逐步回归分析的主要计算步骤47

3.5.3用SPSS作逐步回归分析49

3.6 神经网络51

3.6.1神经网络简介51

3.6.2BP神经网络的Matlab工具箱函数53

3.6.3BP神经网络应用实例54

习题3 58

第4章单因素实验设计60

4.1 均分法61

4.2 对分法62

4.3 黄金分割法64

4.4 分数法68

4.5 抛物线法70

4.6 分批实验法72

4.7 单因素优选法在材料科学与工程中的应用72

习题4 76

第5章多因素实验设计77

5.1 多因素优选实验概述77

5.2 因素轮换法78

5.3 随机实验法80

5.4 全面实验法83

5.5 拉丁方实验法88

习题5 88

第6章正交实验设计90

6.1 正交表及其基本性质91

6.2 正交实验设计的基本步骤92

6.3 正交实验设计结果的直观分析93

6.4 正交实验设计结果的方差分析96

6.4.1计算离差平方和与方差分析96

6.4.2基于Excel的正交实验设计方差分析97

6.5 有交互作用或者水平不等的正交设计99

6.5.1有交互作用的正交设计99

6.5.2水平不等的正交设计102

6.6 多指标的正交实验设计105

6.7 回归正交实验设计112

6.7.1因素水平编码112

6.7.2选择正交表113

6.7.3回代求原回归方程113

6.7.4回归正交实验设计的应用113

6.8 正交实验在材料科学与工程中的应用116

习题6 118

第7章均匀设计121

7.1 均匀设计和正交设计的比较121

7.2 均匀设计表及构造122

7.2.1均匀设计表符号及特点122

7.2.2均匀设计表构造124

7.3 用均匀设计表安排实验125

7.4 均匀设计的实验结果分析128

7.5 均匀设计的灵活应用130

7.6 均匀设计在材料科学与工程中的应用131

习题7 136

附录137

附录1 课程实验及简要指导书137

附录2 常用正交实验表（简表）138

附录3 相关系数临界值表143

附录4 典型试卷及参考答案144

附录5 常用正交实验表（详表）（二维码）151

附录6 常用均匀设计表（二维码）151

附录7 常用Excel函数（二维码）151

参考文献152

 

认识世界可以通过学习，更重要的是通过实践。有理论指导的实践才是有目的的实践、科学的实践，只有这样的实践才能更深刻地认识世界。实验就是一种理想的科学实践，是在寻求真理过程中的一种积极的、主动性的活动。目前各高校均在强调学生应用知识的能力的培养，通过学生动手做实验提高动手能力。但很多情况下仅靠专业知识是无法做好实验的，还需要事先把实验设计好，并把实验数据分析好。必须要有正确的理论来指导实验，这就涉及实验设计的问题。但目前现状令人担忧，由于种种原因，相当一部分理工科学生对于应该掌握的实验设计方法没有掌握，甚至是不知道，这对以实验为主要研究手段的未来工程师们、科学家们不能不说是缺陷！

针对这种情况，编者自2006年开始在南京理工大学材料科学与工程学院本科生中讲授《实验设计》课程，其目标是使材料相关专业的本科生能够在科研训练、工程训练、毕业设计以及将来的更高层次的学习、工作中使用实验设计方法，提高科研质量和效率。在选用教材时发现多数此类教材中的实例不能贴合材料科学与工程学科的实际，且书中有些实验设计方法在材料科学与工程学科中并不涉及，如稳健设计等。

因此本书中，编者结合自己的科研论文和国内外材料科学与工程学科其他研究人员科研论文，介绍了相关的实验设计方法以及科研思想，让学生对材料科学与工程学科的科研有体会，激发起科研兴趣。通过实际的科研案例教会学生们针对特定的研究目的设计实验方案，对实验数据进行合理有效的分析，并优化工艺、参数等，让学生在将来的毕业设计、科研工作、生产实践中能够运用实验设计与数据处理的方法。

本书2006年在国防工业出版社出版了版，经过多年使用以后，在版张新平、封善飞、洪祥挺、陈飞、陈珊等作者编写的基础上，根据读者反馈和学科进展，进行修订。

关于本次修订，主要包括：

（1）修订了版中的疏漏。包括文字、数据的错误。

（2）对部分重复内容进行整合，特别是在版多处出现的因素水平选择方面的内容。

（3）增加了部分内容和案例，如第3章中的采用SPSS进行逐步回归、神经网络等内容是新加的。此外新增了部分案例。

本书编写分工为：张新平负责全书编写，詹晓非参与第4章编写，江金国参与第5章编写，王秀宾参与第6章编写。

全书参考了国内外有关教材、科技著作及论文，并引用了有关文献和教材的资料和插图，在此特向有关作者和单位致以诚挚的感谢。

限于编者的本身水平和视野，书中难免存在一些纰漏和不足之处，诚恳地希望读者予以指正。

编者

2021年3月