25、实验设计：原理、结构与R语言分析

实验设计：原理、结构与R语言分析

1. 实验设计概述

实验通常用于探索系统或过程的行为。研究人员可能认为一个或多个因素会影响可测量的某个量或特征，实验就是通过改变这些因素并评估其影响来进行的。与其他情况不同的是，实验中的测量是在实验者直接控制的条件下进行的，这使得我们能够对因果关系做出陈述。

1.1 实验的组成部分

每个实验，无论情况如何，都有相同的组成部分：
- 感兴趣的问题 ：这是进行实验的动机。例如，玻璃折射率是否存在系统性空间变化、子弹的速度、形状和硬度是否影响地面上玻璃碎片的数量等。
- 响应变量 ：确定合适的响应变量是实验中的一项难题。理想的响应变量应与感兴趣的问题密切相关、自然变异性低、对处理变化有一定敏感性且成本不高。不同实验的响应变量由问题直接定义，如空间变异性实验中的玻璃碎片折射率、霰弹枪实验中的弹丸散布图案面积等。
- 处理因素 ：是实验者可以直接改变的输入或变量。例如，霰弹枪实验中的目标距离和霰弹枪品牌、饮用容器实验中的饮用容器/饮料组合和饮用与样本采集之间的时间间隔等。每个处理因素可能有多个水平，每个水平的组合称为处理。
- 实验单元 ：是应用处理的对象或主体。如空间变异性研究中的玻璃板、霰弹枪实验中的硬纸板目标等。
- 实验单元的结构 ：许多情况下实验单元并非完全同质，存在可观察和测量的差异，这可能影响实验结果。应对策略主要有分块和随机化。考虑实验单元的系统结构可使实验更高效，比较更准确。
-