芻議控制變量法在化學(xué)探究教學(xué)中的應(yīng)用

王宇宙

【摘要】通過在《影響化學(xué)反應(yīng)速率因素》的教學(xué)中滲透控制變量法的思想,幫助學(xué)生形成科學(xué)探究的方法理論,既培養(yǎng)了學(xué)生的主體意識,也提高了學(xué)生的探究學(xué)習(xí)能力。

【關(guān)鍵詞】探究 控制變量法 反應(yīng)速率 影響因素

探究性學(xué)習(xí)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中具有十分重要的地位和作用。學(xué)生在探究性學(xué)習(xí)過程中,一方面可以通過體驗科學(xué)探究的過程,來感受科學(xué)探究的樂趣,學(xué)習(xí)科學(xué)的探究方法,領(lǐng)悟科學(xué)探究的思想和精神;另一方面,也可以使學(xué)生更加輕松地掌握基本的知識與技能,讓學(xué)生從被動接受向主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化,從而培養(yǎng)他們的科學(xué)探究能力、實事求是的科學(xué)態(tài)度和敢于創(chuàng)新的科學(xué)精神。因此,培養(yǎng)和提高學(xué)生的探究學(xué)習(xí)能力,是化學(xué)教師必須面對的重大課題。然而,對于如何培養(yǎng)學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)能力,目前還缺乏具體的方法指導(dǎo)。筆者在市級公開課上講有關(guān)《影響化學(xué)反應(yīng)速率因素》的內(nèi)容時,首次嘗試了運用“控制變量法”來指導(dǎo)教學(xué),通過這種方式培養(yǎng)學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)能力,取得了很好的教學(xué)效果,也得到了專家的高度評價。本文綜合了筆者自身的教學(xué)心得和專家評議,就控制變量法在探究學(xué)習(xí)中的有效應(yīng)用作些淺陋分析。

一、應(yīng)用控制變量法進行探究的基本原則

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科,很多化學(xué)理論都是從實驗中總結(jié)得出的。然而,一個實驗的結(jié)果往往會受到很多因素的影響,且多種因素又相互交錯、共同作用,很容易干擾對實驗探究的準(zhǔn)確把握。因此,如何在研究過程中化繁為簡,突出主要因素,創(chuàng)設(shè)“理想”的探究環(huán)境,以利于探究實驗?zāi)康牡倪_成,就顯得尤為重要。

針對具有這種特征的探究性問題,控制變量法無疑是一種很好的指導(dǎo)方法?？刂谱兞糠ǖ膬?yōu)點在于:如果有多個因素(即變量,下同)對實驗的結(jié)果存在影響,往往控制其它的因素保持不變,而僅僅對其中的一個因素進行改變,并通過對比實驗來明確該因素是否會產(chǎn)生影響以及如何影響的一種方法。

如圖所示,假設(shè)某個探究的實驗對象可能受到A、B、C、D、E等因素的影響,為了確證其中A因素是否會對實驗對象造成影響,以及可能產(chǎn)生怎樣的影響,可以控制除A以外的B、C、D、E等因素,使之保持恒定,僅改變因素A一個量,通過對比,在A(如A1、A2)不同的情況下,觀察實驗對象的變化情況。如果存在變化,則說明A因素有影響,而且可以通過具體的變化情況判斷出A因素影響的實際效果,由此完成實驗對象中對A因素的探究。對其他因素的探究則依此類推。所以,控制變量法在探究這一類型的問題方面有其獨特的優(yōu)勢。

二、應(yīng)用控制變量法進行探究教學(xué)的基本思路

1.確立探究對象及其可能的影響因素。根據(jù)運用控制變量法探究的基本原則,需要明確探究的對象和可能的影響因素這兩個要件,其中,確立探究對象相對容易,往往比較直接,多包含在探究的課題之中,如本課題的探究對象就是化學(xué)反應(yīng)速率。但確立可能影響探究對象的因素就相對難一些,這也是運用控制變量法進行探究的關(guān)鍵所在。對于這個要件,筆者通過常識及學(xué)生已有的知識設(shè)疑來引起他們的思考,然后再自己假設(shè)并提出可能對反應(yīng)速率產(chǎn)生影響的因素。

如:為什么冰箱可以延長食物的保質(zhì)期,為什么鐵絲在純氧中比在空氣中反應(yīng)劇烈得多,為什么煤粉碎后燃燒會更旺盛,為什么實驗室用KClO3制氧氣時要加MnO2,為什么實驗室有些物質(zhì)要用棕色試劑瓶盛裝?

學(xué)生分組討論后就可從感性上認(rèn)識到溫度、濃度、反應(yīng)物的形狀(即接觸面積)、催化劑等因素可能會影響化學(xué)反應(yīng)的速率,由此確立第二個要件。

2.在已有條件下構(gòu)思實驗思路并設(shè)計具有可行性的探究方案。教材給學(xué)生提供的用品有:塊狀碳酸鈣、碳酸鈣粉末、0.5mol/L鹽酸、3.0mol/L鹽酸、5%H2O2溶液、MnO2粉末;試管若干、試管夾、藥匙、膠頭滴管、鑷子、量筒、酒精燈、火柴、導(dǎo)管、水槽。如何在這些條件下運用控制變量法來研究化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素呢?筆者通過以下兩個方面來啟發(fā)學(xué)生思考、討論和交流。

首先,確定探究對象。啟發(fā)學(xué)生找出哪些物質(zhì)間可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)已有知識,上述條件下能夠發(fā)生的反應(yīng)只有兩個:①CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2?邙+H2O;②2H2O2=2H2O+O2?邙。由此明確了探究的對象是這兩個反應(yīng)。

然后,根據(jù)影響化學(xué)反應(yīng)速率因素的感性認(rèn)識,結(jié)合提供的條件,確定可控制變量和不變量。比如,以反應(yīng)①為探究對象時,根據(jù)提供的條件,可以分別確定濃度(0.5mol/L鹽酸、3.0mol/L鹽酸)、溫度(加熱、常溫)和接觸面積(塊狀碳酸鈣、碳酸鈣粉末)等為可變量,其它的則控制為不變量;若以反應(yīng)②為探究對象,則可以分別確定催化劑(是否加入MnO2)和溫度(加熱、常溫)作為可變量。

最后,根據(jù)確立的探究對象和可控制的變量與不變量,設(shè)計具體可實施的實驗方案(見表1、表2)。

3.實施實驗方案,觀察實驗現(xiàn)象,整理實驗結(jié)果并作出相應(yīng)結(jié)論。根據(jù)討論形成的實驗方案,組織學(xué)生分組實驗,并予以實施,啟發(fā)他們根據(jù)兩個對象反應(yīng)都有氣體生成的特征,利用導(dǎo)管將生成的氣體導(dǎo)入水槽中,通過觀察單位時間內(nèi)產(chǎn)生氣泡的劇烈程度,并以此判斷該控制變量對對象反應(yīng)速率是否產(chǎn)生影響以及具體的影響效果。學(xué)生經(jīng)過實驗/分析、討論后得出相應(yīng)的結(jié)論,見表3:

三、運用控制變量法進行探究式教學(xué)后的思考

控制變量法早已滲透到化學(xué)、物理、生物等學(xué)科的教學(xué)中,然而,把控制變量法作為一種科學(xué)的方法論來指導(dǎo)探究教學(xué)卻并不多見,因此,筆者大膽嘗試,以期能夠讓學(xué)生形成控制變量法在科學(xué)研究中具有方法論的重要作用和地位。

因此,在應(yīng)用控制變量法進行探究式教學(xué)時,教師要幫助學(xué)生理解變量的概念,建立控制變量的初步意識,讓學(xué)生掌握控制變量法的精髓——確立探究對象、尋找可控制的變量和不變量。對于可能存在的變量,要設(shè)計一些學(xué)生容易忽略,同時又能讓他們進行思考的問題,從而引起其注意,并激發(fā)他們的求知欲和表現(xiàn)欲。由此,就能使學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與教師之間形成良好的合作與溝通關(guān)系,提高學(xué)生的主體參與意識,培養(yǎng)學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)能力,并增強學(xué)生的綜合素質(zhì)與能力。

該內(nèi)容在教學(xué)實施過程中完成了課前的構(gòu)想,學(xué)生積極參與,敢于發(fā)言,并在生生交流、師生交流中很輕松地學(xué)到了知識,取得了超過預(yù)期的教學(xué)效果,也獲得了專家的一致好評,讓筆者倍受鼓舞。然而,畢竟是第一次嘗試應(yīng)用控制變量法進行探究式教學(xué),難免還有許多需要在實踐過程中不斷加以完善的地方。正如深圳市化學(xué)教研員吳運來老師在評課時所說,教學(xué)過程中過多的啟發(fā)反而限制了學(xué)生的主體創(chuàng)新思維;特級教師左香華老師還指出,學(xué)生動手能力相對不足的軟肋也制約了探究教學(xué)的高效性,這些也都是在今后的教學(xué)實施過程中需要加以注意的地方。

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