实验方案设计的前提是必须明确要解决的问题，然后是分析问题和做实验方案。分析问题也是一个很重要的步骤，甚至分析问题，进行文献调研和现场调研，前期实验所花费的时间并不比正式解决问题的实验时间短，三个月，半年甚至一年都有。在前一篇博文《科研问题的四个层次》中也有提到，但太粗略，本篇想从实际操作层面讲讲，当然这个也只是我的个人经验，如有不对和补充，请多指点。另外由于学科的不同，可能也有局限，因此如有不对，请指正，如有补充，请多指点。

先将前面一文关于实验方案设计部分的内容摘过来，这是个纲，是总体思路。节选如下“实验方案的设计，主要是二三四层的体现。这里建议实验方案也分成三种，每一种对应一个层次。第二层次对应的实验方案基本上就等同与论文前面的绪论了，你为什么要干这个，解决什么问题，别人怎么做，做到什么程度，你打算怎么做，为什么这么做？最后做哪些实验，如何串联，画个图。第三层次的实验方案要求说明，你想说明一个什么问题，如何说明这个问题，哪些步骤？这些可靠否？可行否？为什么？依据？别人工作的相关的关键性图表证据是什么？这里面学生容易犯的是：根据书上的理论应该会有生成，而前期工作中也有，于是这个可行，真的可行？这样的论述是不完备的，因为我们的目标光是有还不行，必须要一定的规格，你如何保证他达到这个规格，这是个技术问题，他的原理是什么？规律是什么？要继续深查，如果查不到，就做前期试验，确定目前可控因素下的规律分析，讨论可行性。第四个层次的方案，如果前面的两个方案做扎实了，可以简化点：学生做哪个检测前，要把别人的工作中最能说明问题，最具代表性的，最理想预期的那张图表带在身边，然后再去做，这样，有的放矢。”。

设计实验方案的第一步是：搞清你要解决是什么问题。这个一般没什么问题。当然有的放羊式的管理，老师没有给你很明确的问题，这就让人比较迷茫了。对于一个完全没有经验的新人，那么首先去调研，优先看实验室前人的论文，也可以去企业调研或者文献调研，可能对于学生文献调研的多，那么首先看看这个大方向里大家都在干什么，解决的是什么问题？性能？成本？可靠性？看综述和硕博士论文，然后选择其中一个点，我建议选择一个热门的，实验室前辈们有相关工作的点，因为热门意味着矿多，你可以参考的文献也多，选一个生僻的点，不一定错，但是对一个新人而言，自己单打独斗，感觉不是很适合。如果实验室前人有相关工作说明实验室有一定的条件，可以来做，也可以提供一定的思路。

问题有了，第二步接下来是要解决的关键技术问题和科学问题。那么就关心两个问题，一是别人做的工作还存在什么问题，为什么这个问题还没有解决？二是实验室前人工作的特点是什么?这个特点是否真的可以有助于解决问题。对于第一个问题主要通过文献阅读来解决，文献阅读后面会讲。可能有的人我师兄们没啥特色的地方，都是跟别人一样的啊，很传统的材料，很传统的工艺，别人也都这么干的，基本上他用的是猫，不过我们用的是狗，那就跳过这个问题，后面会谈到。当然对于一个新手可能想不清楚这些问题，尤其是里面的科学问题和关键技术，这个想不清楚就先放一放，因为文献看多了，没有做实验，总是很迷糊，没有感性认识。“思而不学则殆，学而不思则罔”，下面是第三步。

第三步是尝试性的做一点实验，目的是先将别人的东西先重复出来，这个也不用多，就选择一个点，重复一下。当然有的人说我们的实验贼老贵，一个试剂盒就干好几千，重复不起，我这不是说的是那种老师完全不管的，极端情况么?如果实验真的那么贵，老师肯定不会这么不管。老师要是管的话，那就按照老师说的办。

第四步：在初步重复出来后，将实验过程程序化，变的只是某些参量，操作步骤和方法不变。（当然操作步骤和方法不会永远不变，后面实验室管理中会谈到，这种变与不变）接下来就要对自己的结果，结合要解决的问题及已知的参考文献，一起来思考。首先自己的结果做得怎么样，已经做出来了，性能还好，各项表征也都还好，如表面完好，无瑕疵。那么跟别人的对比，感觉怎么样？别人的改进的是哪方面的？我们的目标是什么？我们的目标是提高性能？研究规律和机制？选择优化优选？人家做到没有？我们做到没有？为什么？下一步怎么做？

对于性能提高型的目标，似乎永远也改进不完，改进之后还想改进，各种方法，那么这些方法对我们有什么借鉴作用？我们应该怎么做？似乎我们做的大家都做完了，都在跟着炒菜。我觉得跟着炒菜也可以，炒完之后要思考，我们这种改进的机制是什么？比如纳米硬质陶瓷颗粒加入到材料中可以改进其耐磨，这个是一个很一般的普遍规律，现在要解决材料的耐磨问题，加这个进去，加那个进去，基材再换换，没啥意思。说到提高的机制都跟着炒这个纳米粉体的增强作用，这就显得很一般了，我们必须要联合其他的机制，更深入的思考其作用机制。设想我们加入一种粉体不仅具有纳米增强机制，还有其他的机制？从更细微，更细节，更微观层面上寻找创新，如材料制备的机理，形成机制，比如纳米颗粒的晶格与基材具有共格关系，那么这个共格关系会促进形核，导致整个材料的晶粒更均匀细小。更进一步的可否，通过一种方法，让这些纳米颗粒择优取向，形成强织构，进而改进性能。那么这里的特点和关键技术就来了。还有一种就是跨学科的，当然这个需要更多见识与了解。我觉得对于学生而言，积累不够，更多是从机理机制的细节和深度上去创新，这里面要想怎么才能是自己的特色，从机理上，更深入一点，更微观一点，从某个小细节上深入，或者联和其他的改进机制来一起作用。

对于研究作用规律和机制，这个似乎别人的实验结果都很圆满，都解决了问题，那么既然解决了，怎么还要做？肯定是有问题的。那怎么办？最起码得知道别人的相关工作是什么?最具代表性的假说是哪几个，其关键证据是什么？这些假说的发展历程是怎样的？优点和不足有哪些？互相比较一下。下一步是提出自己的假说，这个是一个极难的事，我也不知道有什么通用的方法，而且感觉各学科之间差异甚大。但是我想最基本的还是那句话：过硬的基础+丰富的想象=成功，文献基础和实验基础都要扎实了，不行就先重复，然后再根据实验数据总结出规律，然后提出机制。

对于优化优选，就没啥说的，参数就那么多，做去吧。当然这里要注意一个问题，对于优化优选，不是说选出哪个最好就行，还要找出规律，甚至还要揭示原因，不然这就无法成为一个学生课题。

第五步是实验方案的设计，这个如果前面的都做得好，基本上没有问题。但需要注意的是，实验方案设计时一定要注意1.对于一切影响因素尽量可控，明确，只允许单一变量变化。这里强调的是各种因素的可控和明确，尽量不要说应该是稳定的，应该是可靠的，要说稳定的范围是多少？可靠性系数事多少。这里面要非常小心，要求对细节把握好，因为有的时候这些该明确的东西是大家默认的，都忽略了它。2.对于一切参数，尤其是重要参数，不要去蒙，拍脑袋决策。你的参数必须要么依据实际工程工况，要么文献报道，要么理论推算，要么前期工作总结，要么是可靠的人经验总结。如果没有，如果不知道，就去找，去算，去做。3.实验方案的设计一定要兼顾，系统性，可行性。始终要围绕一个核心：解决一个什么问题。可行性，既要在大的方面可行，也要在小的操作层面可行，如实验室条件，技术要求等。既要要落实到原理上是否可行，前期工作是有支撑，也要检验每一步的可靠性与可行性。

能想到的基本就这么多吧，希望大家能提提意见，多交流交流。

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1.      有人反对“过硬的基础+丰富的想象=成功”这句话，主要是反对强调过硬的基础，有人问爱因斯坦在专利局上班的时候基础扎实么？德布罗意半路出家，基础扎实么？这个可能是例外吧，可能他们是天才，我是笨鸟，慢慢来。

2.      工程领域的优选优化和科研领域的优选优化是不一样的。比如优选一个耐磨材料，三种钢，两种高温合金，这在工程领域磨一下就可以了，出报告，OK。但在科研领域不行，必须要找到规律揭示原因。但钢是杂乱的，高温合金也是杂乱的，我们讲单一变量法，你的变量是什么？是金属材料？那你的规律只能是哪个材料好，为什么好？怎么解释？这样的课题就属于不适宜为一个学生课题。这样的课题也无法锻炼学生，你要解决什么问题？找到一种耐磨性好的金属材料，里面的科学问题或关键技术问题是什么？没有。这样的课题如果真的接到了，就让学生干干零活，赶紧出报告，赶紧完事，不要作为课题。

3.      对于实验方案的设计，必须要考虑到体系，也就是说各个实验的联系是什么？可以是平行的，一起来解决一个问题，也可以是逐步深入递进的解决问题。因此当我们从细节细微层面寻找创新点时，应该兼顾一下这个，做到这一步之后，怎么走，与其他章节如何联系，需要稍加注意。

4.      还有一种情况就是要搞清楚核心指标。比如硬度与强度，耐磨性，应力都有关系，于是天天拿硬度来说事，但是真正关键的核心指标一个也没有。虽然硬度也是一个指标，但是对于一般的材料而言，他不是关键指标，关键性能不能由它来标定。这种比较鸡肋的指标只适合偶尔用一用和前期试验时用一用。当然有的人反驳我说有的人连长度都作为评价的核心指标，那就需要注意他要解决一个什么问题，这个问题的核心关键是什么，长度可能是一个关键指标。对于硬度，在有的情况下也可以作为关键指标，但是当你需要考察耐磨性的时候，你打那多硬度干啥？不是不可以打，但不要太多，真正的说明问题还是要看关键指标。

5.      写到这里，深深的感觉到：对于方案设计，一定要搞清楚要解决的科学问题或关键技术问题是什么？即使是探索性的，进行工艺摸索，参数试验，也要想清楚，你为什么要选用这种方法，你为什么选用这个技术？成本低？性能优？既然如此别人为什么没用这个技术？这个技术的哪个部分会成为关键技术？你做了什么改进？不然的话，你的摸索可能也只会停留在前期实验的层面。你想到的别人早想到了，只有在传统的基础上加入自己的东西，才能形成自己的特色。

6.对于我所在的材料，冶金和化学学部而言，我将研究的级别分为：团簇级别（组织，晶粒，相，聚合物，当然团簇这个称呼有待商量），分子级别（纳米，分子和非常有限个原子的集合体），原子级别，电子级别，能量也是如此相对应的分级（有人说这个划分不严密，确实，请多包涵）。对于物质体系而言，目前比较前沿的研究是分子和原子级别，电子级别极其困难，大多是模拟计算来实现，而能量的研究不论哪个级别都是很困难的。因此当我们设计实验方案的时候，不要随意说某个机制现在研究不清，想对其进行研究，单就提法是没有问题的，但是具体落实，别人为什么没研究明白？你为什么就能研究明白？你的创新方法是什么？就傻眼，做实验方案，一定要有大的方案，思路，还要有小的执行，每一个实验如何做，步骤，材料，哪些检测项。比如有人研究渗氮的微观机制，说得很好，可是渗氮，这属于原子级别的研究，你采用什么方法来检测？费用能否承受？你要是做一般的检测，能解决解释你的问题么？一定要想好每个细节的可行性。

7.对于原理上可行，也要想得很深入。比如解决高温抗氧化的问题，有人就提出用一种有机硅液体涂在材料上，高温下有机硅分解成二氧化硅，从而抗氧化。原理上对不对？应该说想法可以，但是不够细致？应该进一步的想，真的可行么？有没有相关研究？理想的抗氧化的二氧化硅膜应该是什么样的，实际是什么样子？如何才能得到想要的结构，这就是关键技术问题？许多的老师，号称自己点子很多，都是拍脑袋只想到好，至于真的可行么？不知道。然后就让学生去做，学生做了下或查了下，不行或没有，然后就完事，结果浪费学生不少时间，浪费不少钱。点子不要多，有一两个就行，好好去调研，去做前期论证，然后再立项，这就是大胆假设，小心求证。

8.许多人在总结实验写论文的时候，面对这自己的实验现象和证据，往往推论说是什么什么原因早场的或者根据什么理论来接解释自己的东西，只追求理论解释现象，而现象和证据能否充分的可以导出他所说的这个理论，对于他的证据能否一阵见血，直接的证据来证明就是这个原因，并不关心。起码至少有一个与这个理论直接相关的证据，不要有了现象就都是推测引用，而与理论相关的直接证据一个也没有。这个需要注意，应当设计实验来补充。

写得有点多，请大家多多指点，谢谢。