试验设计在《生物反应工程实验》中的应用

试验设计在《生物反应工程实验》中的应用

曹亮，吴志军，曹宏伟，张华，李丽阳，赵蕊 *

(黑龙江八一农垦大学，黑龙江大庆，1 63319 )

【摘要】 针对生物工程专业学生工学基础薄弱的特点，将试验设计的方法融入《生物反应工程实验》课程中，让学生掌握基本的试验设计方法和数学分析工具，建立基本的工程思维。同时具有从纷繁复杂的影响因素中快速找出关键因子的能力。本课题根据生物反应工程实验课程中存在的问题提出解决方案，拓展学生的知识范畴，采用新的思路，采用新的实验教学方法，通过设计试验，建立与生物反应工程实验课程相适应的完善的试验设计体系。

【关键词】回归正交试验 响应面分析 试验设计 生物反应工程

生物反应工程是生物工程专业的核心课程之一，该课程对培养学生的工程实践能力起到十分关键的作用，在生物工程专业新工科建设中发挥重要作用^[1]。该课程是一门以生物学、数学、化工等多学科为基础的交叉学科，它以生物反应动力学为基础，将传递过程原理、设备工程学及最优化原理等化学工程学方法与生物反应过程方面的知识相结合。试验设计是将统计学与数学相结合的试验设计方法，能够通过少量试验次数对影响生物反应过程的各个因素进行评价，迅速筛选出对目标响应值有显著影响的因子，并进一步对目标响应值进行优化^[2]。

1．回归正交试验设计

回归正交试验设计是正交试验与回归分析的直接耦合，是一种利用回归模型扩展正交试验中最优方案选择的方法。自然科学和工程技术的实验是有计划的实践，只有科学的试验设计，才能在短时间内用较少的试验达到预期的实验目标，否则会浪费大量的实验数据。只有对实验数据进行合理的分析和处理，才能得到准确的研究，才能达到生产和科研的目的。

在19世纪40年代，日本统计学家田口源一博士使用正交表来安排实验。这种方法简单，从此正交设计在世界范围内得到普遍推广使用^[3]。然而，正交实验设计得到的最优方案仅限于一定水平，而不是某个实验范围内的最优解。因此，将正交试验设计与回归分析直接耦合的回归正交试验设计，可以利用合理的试验设计、较少的试验次数建立有效的数学模型。

2．响应面分析试验设计

近年来，随着统计学的发展，应用到试验中的统计学观念逐渐增多。其中响应面分析试验方法不仅可以减少试验量，而且简化了数据分析，不影响得出的结论，在节省人力、物力和时间方面取得了良好的效果，在减少试验次数的同时，可以得到更加丰富的信息。

响应面分析试验方法（Response Surface Analysis, RSM）可以通过在三维空间中绘制多项式回归分析的结果^[4]。这种技术比差异评分或传统的适度回归分析具有更大的解释潜力，并适用于广泛的研究问题。响应面试验设计包括中心组合设计（CCD）、Box-Behnken设计 (BBD)、Koshal设计和Hybrid设计等，

中心组合设计可以减少试验次数，用有限的次数评价各个因素之间的影响，分析各因素之间的互作程度。目前，响应面分析中心组合设计是用得最为广泛的试验设计。由于统计学在各个领域中的发展和应用，响应面分析在生物反应工程领域都得到了广泛的应用。

3总结

本文通过将试验设计方法进入生物反应工程实验课程，提高生物工程专业的本科生的试验设计、统计学分析以及计算机软件使用的具体实施办法，使学生掌握一套完整、合理、科学的试验设计方法，使学生更好地掌握本专业的实验技能，增强工程设计能力。

参考文献

[1]吴志军,陶玲玲,徐淑艳,李丽阳,刘昕旸,张华,曹宏伟.试验设计方法在生物反应工程实验课程教学中的应用[J].畜牧与饲料科学,2021,42(02):121-124.

[2]张湑泽,赵明德,杨婷,李军乔.民族院校生物反应工程实验教学改革与实践[J].轻工科技,2015,31(03):155-156.

[3]陈彰旭,李先学,傅明连.《试验设计与数据处理》课程教学研究[J].赤峰学院学报(自然科学版),2014,30(19):196-198.

[4] Shanock L R , Baran B E , Gentry W A , et al. Polynomial Regression with Response Surface Analysis: A Powerful Approach for Examining Moderation and Overcoming Limitations of Difference Scores[J]. Journal of Business & Psychology, 2010, 25(4):543-554.

1第一作者：曹亮( 1990-) ，男，讲师，主要从事大豆高产栽培。E-mail:caoliang66@ 126. com。

通讯作者：赵蕊（1975-），女，教授，主要从事防治肿瘤的研究。E-mail: zr601@163.com

项目基金：黑龙江八一农垦大学教学研究项目（NDJY1922）；黑龙江省高等教育教学改革研究项目（SJGY20200504）；学成、引进人才科研启动计划（XYB202011)。