Instruções para o planejamento de experimentos

1. Reconhecimento e caracterização do problema

Reconhecer algum processo que necessite de experimentação e desenvolver todas as ideias sobre os objetivos do problema. É importante usar todo o conhecimento já existente sobre o problema. Por esse motivo, uma abordagem de grupo deve ser adotada. É útil preparar uma lista com problemas e perguntas específicas que poderão ser respondidas pelo experimento. Existem muitos objetivos para se realizar um experimento, mas os principais são:

• Caracterização (para processos novos)
• Otimização (níveis ótimos de funcionamento)
• Confirmação (se funciona como no passado ou alguma teoria)
• Descoberta (novos materiais ou abordagens)
• Estabilidade (em quais condições o sistema degrada?)

Considerar ao invés de um grande experimento muito compreensivo, uma abordagem sequencial, ou seja, uma série de experimentos menores.

2. Escolha da variável resposta

• Certificar que a variável resposta é de fato relevante para responder as perguntas do problema.
• Pode haver mais de uma.
• Verificar de que forma, e com qual precisão ela será medida.

3. Escolha de fatores, níveis e amplitude

Fatores podem ser classificados como fatores do desenho e fatores nuisance (acessórios, secundários, de segunda ordem, …).

Os fatores do desenho são aqueles que o experimentador tem o interesse em variar. Podem ser classificados em:

• Fatores do desenho: aqueles realmente de interesse e selecionados para o experimento.
• Fatores mantidos constantes: aqueles que podem influenciar na resposta, mas que não há interesse para o experimento específico, e será mantido à um nível específico.
• Fatores em que se permite variar: pequenas variações de material, por exemplo, podem ser permitidas. A casualização é fundamental para se anular essas pequanas variações.

Geralmente se assume que os fatores mantidos constantes e aqueles em que se permite variar possuem efeitos relativamente pequenos.

Fatores nuisance, no entanto, podem ter efeitos grandes na resposta, mas também não se tem interesse neles no experimento atual. Podem ser:

• Controláveis (entram no modelo, como blocos por exemplo)
• Não controláveis (se puderem ser medidos podem entrar no modelo)
• Ruídos (varia e não pode ser controlado)

Após definir os fatores, é necessário selecionar o número de níveis (à princípio vamos usar 2) e a amplitude de variação entre eles. Se o objetivo for caracterização, por exemplo, as amplitudes devem ser grandes.

4. Escolha do desenho experimental

Escolha do tamanho da amostra (número de réplicas), a seleção da ordem de execução, e se haverá blocagem.

5. Execução do experimento

Controlar o processo como planejado. Geralmente é recomendado realizar algum (ou alguns) experimentos piloto, para se ter uma ideia do erro experimental, e se serão necessários ajustes no experimento.

6. Análise dos dados

Se o planejamento e execução foram bem feitos, a análise já estará pré-determinada. Deve-se utilizar métodos gráficos, fazer a seleção de modelos, analisar resíduos e re-analisar se necessário.

7. Conclusões e recomendações

Após o experimento, o experimentador deve descrever conclusões práticas baseadas nos resultados, e ainda recomendar estudos posteriores, com os ajustes que descobriu-se ser necessário.

Note que todo esse processo é iterativo!

Os passos 1-3 são chamados de planejamento pré-experimental, e são fundamentais para o bom desenvolvimento de um experimento. Por isso, vamos usar este guia para facilitar essa fase:

1. Objetivos do experimento
2. Conhecimento relevante sobre o problema
3. Listar:
   • variável resposta
   • os níveis normais de operação dessa variável
   • os níveis que podem ser de fato medidos
4. Listar: fatores controláveis
5. Listar: fatores que serão considerados fixos
6. Listar: fatores nuisance
7. Listar: possíveis interações
8. Listar: restrições do experimento (aquisição de dados, material, etc)
9. Desenho experimental inicial
10. Propor a análise e técnicas de representação dos resultados e do experimento
11. Experimento piloto deverá ser conduzido? Sim/não. Por que?

O guia completo está disponível em: guia-planejamento.html, e o código fonte está em guia-planejamento.Rmd.