基于实验误差分析的土力学实验教学实践

2018-06-05赵秀绍刁心宏莫林利胡文韬石钰锋

实验技术与管理 2018年5期

赵秀绍, 刁心宏, 莫林利, 胡文韬, 石钰锋

(1. 华东交通大学江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室, 江西南昌 330013； 2. 华东交通大学软件学院, 江西南昌 330013)

1 误差分析在人才能力培养中的重要地位

误差分析及其数据处理在各行各业占据非常重要的地位,通过实验误差分析及其数据处理能发现问题,并提出问题解决的方案[1]。由于学生的操作、仪器和实验时间的差异,会出现各种各样的实验误差,因此有必要对误差进行系统分析。通过实验误差分析及其数据处理,可以培养学生严谨的科学态度和科学的实验方法,有助于培养和提高学生的观察能力和思维能力,激发学生的求知欲、探究欲和创造欲[2]。通过写实验报告复核，可以使学生进一步巩固理论基础知识、自检实验中数据误差产生的原因、分析操作过程中失误的地方,是培养学生独立分析问题和解决问题的重要环节[3-5]。

土力学是一门实践性、经验性较强的力学学科,其“感性”多于理性[6],很多基础理论均来源于实验[7],要在实验基础上趁热打铁,让学生既掌握操作技巧,又掌握相关理论知识[8]。

2 误差来源分析可增强对实验原理的掌握

误差来源分析往往比做实验操作更能锻炼学生的思维能力,是逻辑分析能力的体现,相对实验操作本身更能训练学生的理性认识。要合理分析误差产生的原因,首先必须了解实验原理。例如土粒比重是土的3项基本指标之一,需在实验室里测定,是土力学必开实验之一。该实验主要包括6个步骤:①查表或称重得比重瓶质量m瓶；②加入干燥土粒并称得瓶土质量m瓶土；③在电炉上进行煮沸排气1 h,实验时由于时间限制一般为20 min；④加水近满至瓶口,放入恒温水槽冷却澄清20 min；⑤加满水,擦干比重瓶外部的水,称量瓶水土总质量m瓶水土；⑥测定水温。在实验完成后,学生仅需要把相关步骤实测的质量指标填入表1中,然后依据表中第3行指示的计算方法即可得土粒比重,无需知道实验的原理即可得出实验结果。在教学和检查实验报告时发现,许多学生测出的土粒比重已经大大偏离了实际值2.7,但让学生寻找误差原因时,学生却无从下手。

表1 土粒比重实验计算表

2.1 实验原理分析

当误差(差错)产生以后,并不是所有误差原因均是学生操作不当,因此必须让学生理解土粒比重实验的测试原理,掌握实验规范,分析误差产生的原因。根据土粒比重的定义,土粒比重是土粒密度与4 ℃时水密度的比值,其表达式如式(1)所示。

(1)

(2)

即土粒比重在数值上与土粒密度相等(注:土粒比重无单位,而土粒密度单位为g/cm3)。为了测定土粒比重,实验室常采用如图1所示原理进行测定。

图1 土粒比重实验原理

如图1等式右边分子部分为“m瓶土-m瓶”,剩余质量就是干土粒的质量ms；分母部分通过换算,剩余项是为土粒排出同体积水的质量,mw/Gwt即为t温度下土粒排开水的体积Vw,此部分水的体积正是土颗粒排开的,因此Vw=Vs,其计算原理与公式(2)对应。

当学生实验完成后,可能产生或大或小的结果,应引导学生分析产生误差(或差错)的原因。首先学生分析时,要理解图1所示的土粒比重的实验原理,可以从分子、分母2个方向考虑误差的原因。

2.2 引导学生通过实验原理分析误差来源

根据多年的教学经验,大部分学生测试结果都偏小,应当在实验结束后立即检查实验报告,让学生自己对产生误差的环境进行分析,查看实验原理图,辅以适当的引导,可以加深学生对实验原理及实验方法规范的认识,有时效果要优于让学生重新做一遍实验。仍以土粒比重为例,可能引起土粒比重偏小的原因有:

(1) 煮沸步骤中摇动比重瓶不及时,土颗粒随煮沸液溢出。土粒溢出很显然会引起公式(2)中的ms减小,则Gs测试结果偏小。

(2) 煮沸时间偏短。《土工试验方法标准GB/T50123—1999》和规定煮沸时间为1 h,但由于实验时间限制,实验时仅煮沸20～30 min,导致煮沸不充分,土颗粒中的空气没有充分排出,致使分母部分土粒排出水的质量偏大,即Vs偏大,根据公式(2),则会引起Gs偏小。

通过实验原理对误差进行分析,不但加深了学生对实验原理的认识,同时也知道自己误差的来源,同时对误差做出分析并对结果进行修正。如果是系统误差，例如煮沸时间较短,是受实验时间限制引起的,如果学生能正常煮沸1 h,这个误差是可以消除的,因此没有必要重新做实验；如果是没有称量瓶塞,则可以把瓶塞烘干,把公式上下需要加瓶塞的质量进行叠加,则可以得出正确结果；如果是液体溢出引起的实验误差,则需要重新做实验,并加强动手能力和操作技巧的训练。

3 误差预判有利于操作能力的培养

在土力学实验教学中,教师不仅要求学生注意实验条件的控制,正确地操作和测量,还要鼓励学生站在实验设计者的角度思考和分析有关实验问题,并设法在实验中减少错误操作,使学生在实验过程中逐渐变被动为主动,提高其动手能力。要根据学生在实验操作过程中所暴露的具体情况,结合土粒比重实验教学重点进行分析预判,减少学生在实验操作中犯错误,增加实验的成功率。

土粒比重的重点就是利用土粒排开水的体积来计算土粒的体积。目前土粒比重实验中以下方面容易产生操作上的失误:

(1) 称量m瓶土时,比重瓶与瓶塞没有一起称量,造成m瓶土质量过小,同时引起m土过小。

(2) 在电炉上煮沸时,由于没有及时摇动比重瓶,造成土液混合体沸腾溢出。

(3) 在称量m瓶水土时,比重瓶表面的水分没有擦拭干净。

(4) 煮沸液体时,瓶塞没有拔下,造成液体喷涌。

(5) 使用电炉加热煮沸时,开始采用大功率进行加热,目的是缩短加热时间。如果沸腾后继续使用大功率煮沸,则容易造成煮沸的液体溢出。

4 误差设计加强分析能力的培养

土力学实验操作是帮助学生深刻理解知识、培养解决问题能力必不可少的重要一环。如果仅仅满足于让学生经历实验操作过程,而没有充分发掘实验操作中蕴含的思维因子,就会造成实验操作中思维环节的缺失[9]。强调对实验结果的剖析和再认识,可以改变传统实验操作环节流于形式、效率低下的弊端,增强实验中求知务实的科学精神,切实提高实验操作活动的实效,从而实现土力学教学的最优化。

根据土力学实验操作的设计初衷和知识目标,引导学生根据实验偏差进一步将实验预期目标明确化、具体化,引导学生将注意力集中到实验操作活动中的重点和难点上[10]。通过回顾与反思,在学生所经历的实验操作过程中对设计的各种信息进行比对和思考,实现加深印象、突出重点的教学效果。

目前,实验报告评判的主要依据仍然是实验结果的正误。以土粒比重为例,只要学生测定出了相关指标,填入实验报告册中的表格,根据表中的计算方法,很容易得出实验结果。因此教师仅对实验结果作出评判,则不可能引起学生对实验原理的重视。

4.1 设计误差环境加强学生的分析问题能力

在实验报告中设计实验误差环境,由浅入深,由容易出现的操作错误入手,设计一些比重可能过大或过小的环境,让学生依据实验原理对原因进行分析。例如在实验报告册中设计简答题,引导学生根据实验原理对误差原因进行分析。

4.2 设计误差数据对学生思维能力的锻炼

误差环境设计有时不太直观,要通过逻辑推理来确定误差的大小,部分学生难以确定误差的偏大与偏小。此时可以设计一些误差数据,让学生通过计算对实验的偏差有直观的认识。

首先设计一组正确的数据,然后根据实际的环境,让学生通过正确的数据，计算由实际失误操作引起的误差,例如:误差A，煮沸时土粒溢出,溢出土粒1.000 g；误差B，由于煮沸时间不足,实验完成后测得m瓶水土比实际小0.231 g；误差C，称m瓶水土时,比重瓶外表没有擦干净,造成m瓶水土比实际多0.323 g；误差D，在实验第6步,测量比重瓶里液体温度时,测定时间延迟,造成测定结果比实验时温度低了2 ℃；误差E，测量m瓶土时,没有称取瓶塞的质量6.561 g；误差F，测量m瓶土和m瓶水土时,均没有称瓶塞的质量6.561 g。

根据上面的误差数据设计,分析计算结果见表2。

表2 误差因素对实验结果的影响

注:m的单位为g,表中划横线的数据为误差设计数据。

对于误差情况B、C、D,属于单因素失误,需要根据正确的数据,把相应的数据改成错误的,则可以通过计算得出土粒比重,并与正确数据对比,得到误差评价为偏小或偏大。对于情况E,仅在称m瓶土时没有称瓶塞的质量,则计算结果为负,这是实验失误,可以补称m瓶塞质量得到正确结果,实验无需重做。对于误差情况A,液体溢出不但会引起m瓶土和m土减小1 g,且会影响m瓶水土的质量,需要分析计算由于土粒溢出后换成同体积水的质量:

m瓶水土2=m瓶水土1-1.000+1.000/2.691×0.997

(3)

根据式(3)可得溢出后m瓶水土质量变为143.330 g,求的结果为Gs=2.538,所以实验结果会偏小。

对于误差情况F,m瓶土与m瓶水土均没有称取瓶塞的质量,此时代入公式计算可得实验结果严重偏小,m瓶水土项中瓶塞所排开水的体积无法修正,此种情况与情况A类似,均需要重新做实验。

通过上述的计算,学生可以直观地判断误差A—F 6种情况下错误操作对实验结果的影响。在误差设计与问题引导下,学生必须熟悉实验原理,并针对每一个误差设计进行针对性的分析,必要时做出一定的假设,从而验证各因素对实验结果的影响,从而达到锻炼学生思维能力和解决问题能力的目的。

5 误差分析教学法的应用效果

传统土力学实验教学过分依赖于《土力学实验指导书》,而实验指导书主要是从《土工试验方法标准》摘录而来,因此,大部分学生反映指导书过于条框，生硬、抽象、晦涩难懂,由此降低了学习的主动性和亲自动手实验的积极性[11]。多数学生表示依赖实验指导书是“照葫芦画瓢”,因此,对土力学实验的本质、原理没有充分认识。

5.1 以误差分析为中心,采用多种教学手段

在土力学实验教学过程中采用了提问式、启发式、讨论式和研究式等多种教学手段,在教学模式上按教学内容和误差分析分为操作教学和理论分析2个阶段。第一阶段,训练基本实验技能,让学生先掌握土力学特有的实验操作技术。在教师的指导下,通过多媒体、演示等教学手段,让学生按照实验指导内容独立完成,使学生掌握土力学实验最基本的实验操作技能,同时熟悉各个实验项目的实验规程和规范化要求。第二阶段,强化综合能力与思维能力的培养,主要是在实验操作与记录的基础上,通过实验误差分析、实验误差设计、实验误差预判等环节,进一步增强学生思维能力培养,加强学生对理论的掌握,为将来科研奠定基础。

5.2 减少了学生的依赖性

由于实验台套数限制,土力学实验均为分组进行,对于30人的标准班级,一般分为8～10组。分组造成了不愿动手的学生依赖动手能力强的学生,部分学生在实验中存在“看热闹”现象。学生课后的反馈表明,每个实验均亲自动手操作过仪器和实验数据处理的学生仅占很少部分,而从未动手操作过仪器和计算的也大有人在。对此,教师除了过程控制外,可以根据实验结果设计误差,让学生对误差产生的原理及可能产生误差的步骤进行分析,加深学生对实验的认识。如果学生没有参与实验和实验数据处理,则其对实验误差的分析也是浅显的,甚至对误差基本无知。

5.3 提高了学生的参与度

除了土粒比重实验,在土力学其他实验教学中,也制定了误差原因分析、误差设计等环节,并通过实验报告进行独立的考核。学生通过实验操作、实验数据记录、误差原理分析、误差问题引导、提交实验报告等环节,观察实验过程中土的各种现象,认识土的各种特性,养成独立思考结合理论学习的习惯,了解测试指标在工程中的应用。通过亲自动手实验,熟悉各种土工实验仪器设备的原理,掌握实验技巧,增加工程实践能力[12]。对实验资料、误差数据的分析整理,充分调动了学生学习参与度与学习兴趣,根据近2年的调查,学生实验参与度提高较大。