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实验是人们探索和认识事物客观规律的一种基本手段和方法，自从有了人类以来，人们就不断地为了生存而努力，通过自发性的实验和实践获取狩猎、捕鱼和耕作等方面的工具、方式和经验。作为一门科学技术，实验是在 20 世纪初才发展起来的，与社会生产紧密相连。其发展分为 3 个阶段：第一阶段即早期的由英国生物统计学家、数学家R. A.费希尔(R. A. Fisher)提出的方差分析法，最先应用于农业和生物学方面，很快应用到其他领域。第二阶段以日本的田口玄一为代表，提出的传统正交试验设计法。第三阶段即 1957 年，以田口玄一为代表，信噪比实验设计与三次设计，将信噪比设计和正交表设计方差分析相结合，开辟了更为重要、更为广泛的应用领域。
费希尔是英国的一位著名生物统计学家，运用数理统计和组合数学先在农业、后在生物学和遗传学等方面进行实验设计并取得了很高的学术成就。他最早提出了科学实验方法，并将这种方法第一次应用在罗隆姆斯台特农场，使得农场的农作物大获丰收。1925 年在他的一本关于统计方法的著作中，最早提出了实验设计的概念，之后进一步研究、实践和总结这个方法、技术以及过程。1935 年正式出版了 The Design of Experiments 一书，从而开创了一门新兴学科，促成了实验设计这门科学技术的广泛应用。
20 世纪的三四十年代，在生产发达的英国、美国和苏联的一些学者继续对实验设计进行研究，并在采矿、冶金、建筑、机械、纺织和医药等行业推广与应用，这对提高产品质量、降低生产成本起到了至关重要的作用。第二次世界大战期间，以美国为首的同盟国将实验设计这一优化的方法应用到军工生产中，使军需物品及时保质保量地供应战时前方，并取得了显著效果。
20 世纪 50 年代，战败国日本经济一落千丈，为了恢复工业、农业的生产，尽快赶上世界经济发展的步伐，在日本国内涌现出一批生产管理学者，其中田口玄一最具代表性，他不仅在质量工程与管理中有着突出的贡献，而且在实验设计方面也有许多独到的建树。1949 年田口玄一在日本电讯所研究电话通信系统质量时，发现英国人在农业上所用的实验设计方法不能完全适应工业生产。于是，田口玄一带领一批学者在费希尔实验设计的基础上加以改进和补充，创造了运用正交表安排实验的统计与分析方法，称为正交试验设计。
将正交试验设计应用到产品的系统设计、参数设计和容差设计中，又是田口玄一的重大成果，称为三次设计思想。三次设计是在专业设计的基础上，运用正交设计的技术来选择产品的最佳参数组合和最合理的公差范围，达到尽可能使用价格低廉的元件或器件来替代价格贵重的元器件，通过相得益彰的搭配组装成整机产品的一种优化方法。应用这种设计技术可以使消费者获得价廉物美的商品，为企业创造低成本和质量优良的产品，达到用户和厂家双赢的效果。在三次设计的基础上，近年来又发展和形成了产品质量的稳健性设计体系。
中国科学院院士华罗庚教授是最早在国内推广和应用优选法的数学家，在 20 世纪五六十年代，他以一位科学家的睿智亲临各个工农业建设的现场，讲解、示范实验设计的应用，为国民经济的发展和普及推广优选法做出了重大贡献。
中国科学院数学研究所和系统研究所的科技人员从 20 世纪 50 年代开始，就使用正交试验设计进行实践和研究，并提出了新的见解，编制出一套实用的正交表，简化了实用分析方法，出版了实验设计和统计技术方面的系列普及书籍。在科研、生产和教学中，我国的科学工作者运用实验设计这一工具，解决了工作中的许多关键问题，取得了丰硕的成果。
1978 年，王元教授和方开泰教授创建了均匀设计，构造了一系列的均匀实验设计表，应用在导弹设计中并取得显著效果。