[摘 要] 广义试验是实物试验与非实物试验的总称，它从根本上突破了实物试验成本高、人力物力消耗大等特点。本文主要对试验设计课程中存在的问题、广义试验设计的定义、特点及其在试验设计教学中的实践进行阐述，目的是让学生充分认识广义试验设计，使试验设计作为通用技术的通用性更强、应用范围更广。广义试验设计在教学中的实践扩展了传统试验设计的教学方法，极大的调动了学生的学习热情。
[关键词] 试验设计；广义试验设计；教学方法
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1005-4634（2013）03-0068-04
0 引言
《试验设计》课程主要研究如何科学、合理地编制试验计划，制定试验方案，并统计其试验结果，从而使试验工作达到好且省的效果。试验设计从不同优良性出发，合理设计试验方案，有效控制试验干扰，科学处理试验数据，全面进行优化分析，直接实现优化目标[1]。试验设计技术具有设计灵活、计算简便、试验次数少、优化成果多、可靠性高、适用面广等特点，已成为现代优化技术体系中一种先进的优化方法，它对于提高生产率、创造利润起着巨大的作用，已广泛应用于各个领域。例如，采用试验优化设计优化了苯酚液化和化学镀铜工艺[2，3]，提高了汽车的平顺性[4]，改进了涡轮增压器涡壳的结构[5]，获得了绿茶提取以及甜叶菊甙提取液絮凝的工艺[6，7]。此外，我国作为正在大步前进的发展中国家，无论是科学研究、技术开发，还是工程设计、经营管理，都应大力推广和应用试验优化技术，这是加快我国建设与发展步伐的客观需要。根据社会需求，各个学校都开设了试验设计相关课程。如何提高试验设计教学质量，促进试验设计教学内容与实践以及科研的紧密结合，调动学生的主动性、积极性和创造性，使试验设计的教学内容更丰富，涉及更多专业领域，更具有实用性，是各个高校《试验设计》课程教学面临的挑战。本文将对广义试验设计这一新的教学方法进行阐述，以促进《试验设计》课程教学质量的改善。
1 高校《试验设计》课程中存在的问题
目前，高校《试验设计》课程教学中普遍存在的一个问题就是试验设计未得到充分重视，把较多的课时放在了统计分析方法的应用和原理的理解上[8]。同时，多数高校《试验设计》课程教学内容都是实物试验设计。实物试验是指由专门人员，在确定的条件下，利用某些仪器、设备和一定的测试技术进行的实地试验。实物试验耗费大量的人力、物力、财力，而且受某些条件的限制，实施困难。例如，考察某个县各乡去年工业生产情况及规律，由于其规律系统是历史性的，无法进行实物试验；而飞船、导弹、航天飞机等大型贵重试验，其物力和财力花费较大，在一定程度上限制了试验的顺利进行，影响了试验设计的通用性、适用性及其技术推广。
其次，多数学校的《试验设计》课程仅仅针对食品、化工、农业等某一个专业或领域开设，教学过程中所采用的教材以及案例也仅针对某一专业，这在一定程度上限制了试验设计在不同专业及领域的应用和推广。
因此，如何丰富《试验设计》课程的教学内容，改进教学方法，扩大试验设计技术的应用范围，提高学生的学习创造力是亟待解决的问题，而广义试验设计则能较好的解决这个问题。
2 广义试验设计的定义及内涵
广义试验是为了察看某事的结果或某物的性能而从事的某种活动，是实物试验与非实物试验的总称。从数理统计上理解，随机抽样就是试验，一次抽样就是一次广义试验，一次抽样结果就是一个随机事件，就是一个试验指标值，因此关于样本的研究就是试验设计，且是广义试验。进行抽样使用的种种手段和方法，包括实物试验的方法都属于广义试验方法的范畴。从信息科学理解，广义试验就是获取信息的某种活动。凡是获取信息而进行的种种手段与方法都属于广义试验方法的范畴；对广义试验进行设计就是广义试验设计；广义试验就是关于信息的量的科学，是研究如何既快又省地获取既多又好的信息的一门学科。
广义试验设计具有三个基本特点：（1）广义试验设计作为一门通用技术，其通用性更强、应用范围更广，是对传统试验设计方法的一种扩展。除实物试验和技术领域以外，非实物试验领域以及非技术领域，如生产编制、产品经销、市场预测、领导决策、社会调查、日常事务等，凡是需要抽样获取信息的场合，都有可能应用广义试验设计。例如，运用数理统计的方法，对港作拖轮油耗随船龄增长而发生变化的情况进行相关性分析[9]，对军队转业技术人才的考评方法[10]、交通意向调查[11]、提高课程教学效果[12]、大学生英文报刊使用效果与影响因素的分析[13]等均是广义试验设计范畴；（2）广义试验设计的试验方法灵活多变，除实物试验方法外，如观察、调查、统计、一般测量、数学计算、销售、考核、民意测验等，一切获取信息的方法都是广义试验设计的试验方法；（3）广义试验设计不受实物试验的条件限制，既可以满足实际需要，又能提高实验效率，提高经济效益。
3 《试验设计》课程教学中的广义试验设 计实践
广义试验设计在教学中的目的是引导学生突破实物试验设计的思维限制，开阔思路，从而拓宽试验设计的实际应用。广义试验设计的设计原则、分析方法及步骤都与普通的试验设计基本相同，主要区别在于试验方法和思路。因此，广义试验设计教学方法在《试验设计》课程教学中的实践体现在教学内容改革上，在实际教学中针对不同学科和领域，结合我国企业界人士、工程技术人员、研究人员和管理人员等对试验设计技术需求的具体情况，增加不同学科及领域的相关教学内容，并为每一种试验设计方法配上一个广义试验设计案例，包括实物试验设计和非实物试验设计。《试验设计》课程教学以讲授设计思路为主，向学生灌输试验设计的“广义”概念，强调广义试验设计不同于传统试验设计的设计思路，激发学生的学习热情。
3.1 故障辨析设计
产品零件很多，但只要一两个零件出现问题就会出现产品故障，而且故障原因不易查出；同时当产品的故障率很低时，要寻找产生问题的原因尤其困难。因此针对故障率非常低的产品采用试验设计技术寻求隐藏在众多零件中的缺陷原因。
教学时以典型试验设计方法——齿轮箱故障辨析试验设计为例[1]，在搜集的有缺陷的齿轮箱中任选一定数目的产品，将产品中的可疑零部件作为考察因素的一个水平；从好产品中取出相同数目的产品，将同样的零部件作为考察因素的另一水平，然后按照正交表将之重新组装，进行试验，获取试验数据并进行分析，寻找对故障具有高度影响的一个或多个零件，实现对少量组合进行产品质量检验，达到大量零件状况调查的目的。传统实物试验设计方法进行故障辨析时，需要重新设计和制造加工变速箱从而进行故障辨析，而广义试验设计方法则只需采用常规检测方法搜集缺陷产品即可实现故障辨析，极大降低了企业进行故障辨析的成本，提高了生产率。
3.2 寿命试验设计
通过产品寿命试验，提高产品设计寿命和使用寿命，是可靠性设计和质量管理中的一个重要内容。通常企业和科研单位专门组织，往往耗费大、时间长，且由于试验条件的局限，使所得试验结果适应范围不广、代表性不强。广义试验设计采用组织生产、销售与使用三方进行寿命试验，通过统计以及产品的实际使用获取试验数据。
讲授《试验设计》课程时以汽车轮胎寿命试验设计为例[1]，从用户处搜集试验数据，寿命试验对道路条件、行驶距离和驾驶习惯不作限制，考虑不同汽车的效应和同一汽车不同轮胎安装位置效应，选择正交表，将该正交表所形成的轮胎分别安装在汽车的4个不同位置，随意驾驶，测取试验数据。
该试验设计方法避免了因传统试验设计需选择完全相同的汽车和道路条件而产生的费时费资以及代表性差、试验数据不准等问题，既可以控制试验干扰、使试验数据更准确，而且轮胎寿命更接近实际使用条件，同时也可使生产和使用双方的效益提高。
3.3 市场分析试验设计
影响产品市场销售的因素很多，且各因素影响程度各异。通过试销以及对各因素影响程度的分析，可以依轻重缓急对这些因素进行处理，以使该产品快速稳步占据市场。但怎样去分析各种因素对试销产品的综合影响程度，以前并没有一个较好的方法。采用试验设计技术对各影响因素进行试验，可以合理取舍，使产品快速打入并占有市场。
以皮鞋营销试验设计为例[14]，根据定性分析结果，消费者在选择皮鞋时特别关注鞋底、鞋帮和价格，因此选择鞋底、鞋帮和价格为试验因素，对各因素设定水平，确定营销组合方案，采用选择法和打分法进行营销方案的评价，依据调查结果确定各因素重要性顺序，推断最优营销组合方案，制定企业经营发展战略和市场营销策略。该试验与传统实物试验有所区别，无需进行实际销售，而是通过访问消费者的方式搜集试验数据，调查分析方法简单易行，分析结果的可信度高，具有较高的实用性。
3.4 数学试验设计
数学试验指不需要进行实物试验而是通过数学计算获取试验数据的试验，是非实物试验中的一种典型试验。采用试验设计技术可以考察因素与试验指标关系式中各因素的特点、变化规律，进而筛选因素，或者寻求最优组合或极值。
以电磁继电器触点分段速度试验设计为例[15]，继电器的电寿命与电磁继电器触点的分断速度变化有关，而触点的分断速度与衔铁行程、返簧预压力矩、静合压力、触点间隙以及动合超程等调整参数有关。因此有必要研究影响触点分断速度的关键参数，以提高继电器电寿命。以调整参数为因素、触点分断速度为指标进行正交试验设计，根据因素水平表编制试验方案，根据专业知识，用动态数学模型计算触点的分断速度，对计算试验结果进行分析，得到影响触点分段速度的主次因素，在确定关键调整参数的基础上，对关键参数进行优化，获取最佳调整参数。整个试验设计过程中都未进行实物试验，而是通过数学计算的方法获得试验指标，若进行实物试验，难度大、干扰多且时间长。数学试验可以很好地解决传统实物试验存在的实际问题。
3.5 生产计划试验设计
约束理论认为，瓶颈控制着整个系统的运作，瓶颈上的产出率决定了整个系统的产出率，因此最大限度地提升瓶颈资源的生产能力是提高生产系统生产能力和经济效益的关键[16]。现有的瓶颈识别方法大部分都是在生产系统运行一段时间后，通过对生产过程数据的采集、模拟和仿真分析进行瓶颈识别，都属于事后的瓶颈识别方法。
针对现有瓶颈识别方法的不足，提出一种基于正交试验的瓶颈识别方法。该方法利用正交表和多种分派规则构造试验方案，以生产系统的所有机器为因素，以机器采用的调度规则为水平，以生产系统作业目标为试验指标，安排正交试验方案，并进行正交试验，通过各因素的极差计算，确定各因素对指标影响的主次顺序，寻找对生产系统作业目标影响最大的瓶颈机器，并优选出最优调度方案[17]。试验优化设计可以在生产任务执行之前，预先给出瓶颈机器所在，指导生产计划和相关生产准备，提高企业的经济效益。
以案例教学为手段，以设计思路为主体，通过广义试验设计教学方法在《试验设计》课程教学中的实践，扩展了传统试验设计的教学方法和教学内容，突破了传统试验设计实物试验设计方法和应用领域，使试验设计通用性更强、应用范围更广。使不同学科领域的学生可以获得相关领域的试验设计方法，实现了广义试验设计的目的。
4 结束语
广义试验设计可以大大突破实物试验应用领域的限制，使试验设计应用范围扩展到科研、生产、管理和日常生活等技术和非技术领域。广义试验设计在《试验设计》课程教学中的实践，突破了《试验设计》课程的传统实物试验教学方法，将试验设计作为一种数学工具，一种优化思想，不仅拓展到非实物试验领域，更重要的是将其提升到设计科学、管理科学的层面，使试验设计作为通用技术的通用性更强、应用范围更广，可极大地调动学生的学习热情和能动性，产生显著的教学效果。
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