運(yùn)用控制變量法的教學(xué)實(shí)踐與反思

葛明海

（南京市天印高級(jí)中學(xué) 江蘇 南京 211100）

化學(xué)新課程要求以學(xué)生的發(fā)展為本，引導(dǎo)學(xué)生正確地了解科學(xué)過(guò)程、了解科學(xué)方法，學(xué)習(xí)科學(xué)思想，形成科學(xué)態(tài)度、科學(xué)觀，提高科學(xué)素養(yǎng)。開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)，無(wú)疑是很好的切入點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)選題一旦選定，同學(xué)們往往最關(guān)心的就是如何實(shí)驗(yàn)，即“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”了。幾乎所有的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)都必須涉及到實(shí)驗(yàn)變量及其控制。而“了解控制實(shí)驗(yàn)條件的方法”恰恰是高中化學(xué)新課程《考試大綱》［1］提出的新考查要求。針對(duì)這方面教學(xué)實(shí)踐及反思闡述如下。

一、如何引入控制變量法

在《化學(xué)2》的“化學(xué)反應(yīng)速率與限度”的教學(xué)時(shí)，引入了控制變量法的教學(xué)流程如下：

展示圖片：冰箱保存食物、鐵絲在氧氣中燃燒、氯酸鉀制取氧氣、硝酸保存在棕色瓶中。

1．思考①為什么冰箱能延長(zhǎng)食物的保質(zhì)期，為什么鐵絲在純氧比在空氣中反應(yīng)劇烈得多，為什么煤粉碎后燃燒會(huì)更旺盛，為什么實(shí)驗(yàn)室用KClO3制氧氣時(shí)要加MnO2，為什么實(shí)驗(yàn)室有些物質(zhì)用棕色試劑瓶盛裝？②請(qǐng)你總結(jié)影響反應(yīng)速率可能因素？

思考的目的：引出常見(jiàn)影響速率的因素如：溫度、濃度、固體表面積、催化劑、光等。

2．思考對(duì)于多種因素影響化學(xué)反應(yīng)速率的問(wèn)題，應(yīng)該如何實(shí)驗(yàn)？ 閱讀實(shí)驗(yàn)2－5，分析實(shí)驗(yàn)中涉及到哪些因素，做了幾組實(shí)驗(yàn)？ 對(duì)比實(shí)驗(yàn)中保持哪些因素相同，哪些因素不同？ 為什么這樣做？

［實(shí)驗(yàn)2－5］［1］在2 支大小相同的試管中，裝入2～3mL 約5℅的H2O2溶液，分別滴入1～2 滴1mol／L FeCl3溶液。待試管中均有適量氣泡出現(xiàn)時(shí)，其中一支試管放入盛有5℃左右冷水的燒杯中； 另一支試管放入盛有40℃左右熱水的燒杯中，觀察現(xiàn)象并進(jìn)行對(duì)比，待放入熱水的燒杯試管里出現(xiàn)大量氣泡時(shí)，用帶火星的火柴梗檢驗(yàn)放出的氣體。

思考的目的：保持濃度、體積、催化劑不變，只改變溫度。

3．思考①如果我們想探究催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，我們應(yīng)保持哪些因素不變呢？ 哪些因素改變呢？②學(xué)生小組討論，分析，③代表發(fā)言。教師小結(jié)。事實(shí)上是怎樣做的？

閱讀［實(shí)驗(yàn)2－6］［2］在3 支大小相同的試管中各裝入2～3mL 約5%的H2O2溶液，再向其中2 支試管中分別加入少量MnO2粉末、1～2 滴1 mol／L FeCl3溶液。對(duì)比觀察現(xiàn)象。

思考的目的：保持濃度、體積、溫度不變，只改變催化劑。

4．實(shí)驗(yàn)后能否改進(jìn)呢？ 你還有什么設(shè)想？

通過(guò)引導(dǎo)與學(xué)生實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自然得出：當(dāng)研究多個(gè)因素之間的關(guān)系時(shí)，往往先控制其他幾個(gè)因素不變，集中研究其中一個(gè)因素的變化所產(chǎn)生的影響，這種方法叫控制變量法。從促進(jìn)學(xué)生知識(shí)建構(gòu)角度審視教材實(shí)驗(yàn)，就能觸摸到教材編寫(xiě)者的智慧。教師必須在教學(xué)中發(fā)掘?qū)嶒?yàn)間的關(guān)系和內(nèi)涵，站在對(duì)學(xué)生知識(shí)建構(gòu)的作用和意義上去思考去引導(dǎo)。

二、如何在教學(xué)中拓展應(yīng)用控制變量法

高中化學(xué)新課程“倡導(dǎo)以科學(xué)探究為主的多樣化的學(xué)習(xí)方式”，如何進(jìn)行科學(xué)探究呢？ 讓我們先研究一個(gè)實(shí)驗(yàn)：

1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康模喝绾伪容^梨汁、橙汁中維生素C 含量的相對(duì)多少呢？

2．實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化

教師拋出問(wèn)題：方案一可以嗎？

［方案一］取相同體積、不同濃度高錳酸鉀于燒杯中，分別滴入梨汁、橙汁。

教師繼續(xù)拋出問(wèn)題：方案二可以嗎？

［方案二］取不同體積、相同濃度高錳酸鉀于燒杯中，分別滴入梨汁、橙汁。

教師進(jìn)一步深化：方案三可以嗎？

［方案三］取相同體積、相同濃度高錳酸鉀于燒杯中，分別滴入梨汁、橙汁。

教師逆向思維引導(dǎo)深化：方案四可以嗎？

［方案四］取相同體積、相同濃度梨汁、橙汁于燒杯中，分別滴入等濃度的淀粉和碘混合液。

三、如何深化研究實(shí)驗(yàn)——定量實(shí)驗(yàn)

1．實(shí)驗(yàn)原理［2］

維生素C 具有強(qiáng)還原性，能將碘還原成碘離子。碘遇淀粉變藍(lán)色，而碘離子不能使淀粉溶液改變顏色；因此，在含有維生素C 的溶液中，加入淀粉溶液，就可以用碘溶液來(lái)滴定被檢測(cè)樣品中的維生素C。記錄滴定用去的碘溶液量，再根據(jù)已知的每毫升碘溶液可以與多少毫克的維生素C 發(fā)生反應(yīng)，通過(guò)對(duì)比，就可以計(jì)算出被檢測(cè)樣品的維生素C 含量。（注：由于維生素C 的還原性很強(qiáng)，在空氣中易被氧化，特別是在堿性介質(zhì)中更易被氧化，故在測(cè)定時(shí)須加入少量稀醋酸或鹽酸使溶液呈弱酸性，以減少副反應(yīng)的發(fā)生。）

2．儀器與藥品

容量瓶（250mL），酸式滴定管（50mL），錐形瓶，量筒，玻璃棒，尼龍紗布，天平，多功能食物粉碎機(jī)，漏斗，pH 試紙，燒杯。

新鮮的蘋(píng)果、梨、楊桃、橙子、葡萄、番茄等。0．02mol／L 碘溶液，鹽酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%）或2mol／L醋酸，可溶性淀粉溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%），蒸餾水，維生素C 藥片（100mg／片）．

3．方法與步驟

（1）制備果蔬組織提取液

①稱取50g 水果或蔬菜，放入食物粉碎機(jī)中，再加入50mL 蒸餾水，然后進(jìn)行粉碎。

②在漏斗中墊上尼龍紗布，將粉碎后的果蔬液過(guò)濾到燒杯中。取出1／2 的濾液，放入潔凈的錐形瓶中。

③向錐形瓶中加入2mL 淀粉溶液，然后滴加鹽酸或醋酸，將pH 調(diào)至3。

（2）滴定維生素C 藥片溶液和果蔬組織提取液

①將一片維生素C 藥片溶解在25mL 蒸餾水中。

②用碘溶液滴定維生素C 藥片溶液3 次，記錄每次滴定的初讀數(shù)和末讀數(shù)。

③用碘溶液滴定與果蔬組織提取液。滴定過(guò)程中，邊滴定邊晃動(dòng)錐形瓶，直到提取液呈現(xiàn)藍(lán)色，并且在0．5min 內(nèi)不褪色為止。重復(fù)滴定兩次，記錄每次滴定的初讀數(shù)和末讀數(shù)（末讀數(shù)與初讀數(shù)之差，就是每次滴定所用去的碘溶液量）。最后，計(jì)算出兩次滴定所用去的碘溶液量的平均值。

（3）操作要點(diǎn)（各實(shí)驗(yàn)步驟中的操作關(guān)鍵點(diǎn)）

①試樣溶解后應(yīng)立即進(jìn)行滴定，以防止維生素C被空氣所氧化；

②接近終點(diǎn)時(shí)的滴定速度不宜過(guò)快，溶液呈顯穩(wěn)定的藍(lán)色即為終點(diǎn)。

（4）本實(shí)驗(yàn)的成敗關(guān)鍵

①滴定時(shí)溫度、速度的控制；

②淀粉指示劑的特點(diǎn)及終點(diǎn)的判斷；

③深色溶液在滴定管中的讀數(shù)。

（5）數(shù)據(jù)處理

①滴定標(biāo)準(zhǔn)維生素C 藥片溶液所用去的碘溶液體積為：4．26mL；

②果蔬組織中的維生素C 含量：能夠大致計(jì)算果蔬組織中的維生素C 含量 （每100g 樣品中含維生素C 的毫克數(shù)）滴定結(jié)果如下：

平均值（mL）蘋(píng)果 1 0.8 0.9 0.9梨子 1.1 0.9 0.8 0.93楊桃 1.2 1.3 1.1 1.2橙子 1 0.7 0.9 0.86葡萄 1.3 1.1 1.4 1.26番茄 1 1 0.9 0.96維生素C 片 4 4.3 4.5 4.26加碘次數(shù)水果種類第一次（mL）第二次（mL）第三次（mL）

實(shí)驗(yàn)總是先從模仿開(kāi)始。引導(dǎo)學(xué)生逐步實(shí)施方案，親手配制試劑，并對(duì)實(shí)驗(yàn)的成功與失敗進(jìn)行總結(jié)與分析。學(xué)生有了一個(gè)展現(xiàn)自我、鍛煉自我的空間，也有了參與科研的一個(gè)良好開(kāi)端。在中學(xué)階段現(xiàn)有條件下嘗試如何大致測(cè)量水果維生素C 含量，在控制變量同時(shí)運(yùn)用了轉(zhuǎn)換思維。所謂“轉(zhuǎn)換思維”，如維生素C藥片做基準(zhǔn)，間接求解；是指在保證效果相同的前提下，將難以測(cè)量或測(cè)準(zhǔn)的“量”轉(zhuǎn)換為能夠測(cè)量或測(cè)準(zhǔn)的“量”等，從而間接地獲取問(wèn)題解決的思維方法。

四、控制變量法的教學(xué)思考

1．控制變量法將隨著探究性學(xué)習(xí)的展開(kāi)而深入

化學(xué)教學(xué)中的科學(xué)方法是培養(yǎng)學(xué)生思維的催化劑，是從知識(shí)學(xué)習(xí)到能力發(fā)展的中間環(huán)節(jié)，是溝通知識(shí)和能力的橋梁，從某種意義上講科學(xué)方法比知識(shí)更重要。從教師教的角度看，在傳授知識(shí)的同時(shí)，適時(shí)地引入控制變量法，有機(jī)地滲透。若脫離化學(xué)知識(shí)大講科學(xué)方法，便是空中樓閣，若埋頭只講化學(xué)知識(shí)而不注重講科學(xué)方法教育，則猶如一堆雜亂的磚瓦。只有把科學(xué)方法與化學(xué)知識(shí)有機(jī)的結(jié)合、水乳交融，才能相輔相成，讓學(xué)生得到全面發(fā)展，創(chuàng)造一個(gè)優(yōu)化的知識(shí)和智能結(jié)構(gòu)。

2．運(yùn)用控制變量法的目的是尋找“不變”

化學(xué)教學(xué)的內(nèi)容載體是自然科學(xué)知識(shí)，它是人類主動(dòng)探索自然奧秘的成果，是人類文明的精華之一?？刂谱兞糠ǖ膬?yōu)點(diǎn)在于：如果有多個(gè)因素（即變量，下同）對(duì)實(shí)驗(yàn)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(duì)其中的一個(gè)因素進(jìn)行改變，并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)明確該因素是否會(huì)產(chǎn)生影響以及如何影響的一種方法。該方法可以使研究的問(wèn)題簡(jiǎn)單化。如我們?cè)谘芯坑绊懟瘜W(xué)反應(yīng)速率的因素，其目的是化學(xué)平衡怎樣移動(dòng)，進(jìn)而得到勒夏特列原理。由此可以看出自然現(xiàn)象是千變?nèi)f化的，科學(xué)就是要從這變幻不定的表象中發(fā)現(xiàn)不變的自然規(guī)律。而知識(shí)中相對(duì)“不變”的部分恰恰是知識(shí)中最關(guān)鍵的部分。潛移默化引導(dǎo)學(xué)生“要善于在變化之中看到不變”，去發(fā)現(xiàn)那些洞察人生事理的人，哪一個(gè)不是能正視世間及人生的自然規(guī)律，在千變?nèi)f化的人生中尋找到那永恒不變的人。

3．控制變量法控有其一定適用范圍

控制變量法適用于相對(duì)獨(dú)立的變量，有一定適用范圍。若不是相對(duì)獨(dú)立的變量，必須引入其他分析方法加以輔助。自然科學(xué)與社會(huì)的復(fù)雜性是復(fù)雜的事物，其中往往有許多因素互相制約又互相依存。例如在對(duì)于共同影響一個(gè)變量的許多變量（因素）之間，找出哪些是重要因素，哪些是次要因素，這些因素之間又有什么關(guān)系等等。對(duì)于重要因素，再通過(guò)控制變量法，進(jìn)行清理、分析。一種有效的方法就是以果為始。以最終的結(jié)果作為思考的開(kāi)始，以最初需要的數(shù)據(jù)或者信息為這個(gè)循環(huán)思維的終點(diǎn)。在思考一個(gè)重要問(wèn)題，或者做出重要結(jié)論前，先確定真正的問(wèn)題，思索一下所有的相關(guān)因素，進(jìn)行清理。然后針對(duì)重點(diǎn)提出假設(shè)，并明確支持或者推翻假設(shè)需要的數(shù)據(jù)，然后明確目的地，收集數(shù)據(jù)。這樣的思考方式，能幫助我們變得更高效、更科學(xué)、更強(qiáng)大［3］。

［1］ 人教社化學(xué)室．高中化學(xué)2（必修）［M］．北京：人民教育出版社，2007．3：48

［2］ 水果中維生素C的測(cè)定http：／ ／wenku．baidu．com／view／7b8856f57c1cfad6195fa761．html

［3］ 夏時(shí)君．控制變量法在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用 ［J］．化學(xué)教學(xué)，2011，（2）：53－54