控制變量并非一種實驗方法
——質(zhì)疑“控制變量法”之說

王紹符

(河北大學(xué) 河北 保定 071002)

一個時期以來，對于中學(xué)物理實驗，無論是在教學(xué)活動中還是在各種教學(xué)刊物上經(jīng)常出現(xiàn)“控制變量法”的說法.最典型的例子是“歐姆定律實驗”，實驗中控制“電壓”不變，研究“電流”與“電阻”的關(guān)系；然后再控制“電阻”不變，研究“電流”與“電壓”的關(guān)系.與此類似的還有一些，如“牛頓第二定律實驗”，實驗中控制“質(zhì)量”不變，研究“加速度”與“外力”的關(guān)系；然后再控制“外力”不變，研究“加速度”與“質(zhì)量”的關(guān)系.這種進(jìn)行實驗的方法就是現(xiàn)在流傳的所謂 “控制變量法”.

把控制變量說成是諸多實驗方法中的一種方法，其實這是一種誤解.

1 控制乃實驗立足的條件任何實驗都不會缺少

觀察和實驗是科學(xué)研究的重要方法，這里所說的觀察是指對自然發(fā)生的現(xiàn)象的觀察，而實驗的對象則是 “人為制造”的現(xiàn)象，是通過對某些無關(guān)因素加以控制，有系統(tǒng)地操縱控制某些實驗條件(自變量)，觀測伴隨發(fā)生變化的現(xiàn)象(因變量)，從而確定條件與現(xiàn)象間的因果關(guān)系。即實驗是在人為控制條件下的觀察。

實驗就是由控制變量搭建起來的，所謂“變量”包括：

(1)自變量：實驗操縱控制的變量；

(2)因變量：由自變量引起變化的變量；

(3)無關(guān)變量：跟實驗?zāi)繕?biāo)無關(guān)但會造成干擾的變量.

實驗中自變量必須能夠很好地被“孤立”起來，避免與其他變量混淆. 無關(guān)變量會使實驗偏離目標(biāo)，干擾破壞實驗，對其實施控制使其保持不變，或被消除，或被補償．

比如，在做“驗證牛頓第二定律”的實驗中，常規(guī)的做法是(見現(xiàn)行人教版教科書).控制木板沒有滑輪的一端墊高一些，使摩擦力得以被平衡，消除其干擾；還要控制小桶(包括其中的沙子)的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車(包括車上的砝碼)的質(zhì)量，從而可以近似地認(rèn)為作用于小車上的合力的大小與小桶(包括其中的沙子)的重量相等．對“歐姆定律實驗”也是一樣，要選用電阻溫度系數(shù)小的純電阻元器件作為實驗對象，以及控制環(huán)境溫度不會發(fā)生大的起伏等，這都是不可忽視的需要加以控制的變量．

一些簡單的演示實驗也少不了控制．例如在做“覆杯實驗”時，控制使用的器材，如杯子、紙片等，一定是水可以潤濕的材料做成的，用滿是油污的杯子，或用荷葉代替紙片都會使實驗失敗．

在做“小試管逆流而上的實驗”時，要控制大小試管的內(nèi)徑，保證將小試管插入大試管時有一個合適的間隙．此外，還要控制小試管插入大試管水中的深度．

如果認(rèn)為“控制變量”是諸多實驗方法之一，因而稱之為“控制變量法”，那么它必然是只有某幾個或某些個實驗使用，而不是所有的實驗都使用.事實是所有的實驗都少不了控制，這還能說控制變量是“一種”實驗方法嗎？

上述“歐姆定律實驗”和“牛頓第二定律實驗”(以及類似的其他實驗)使用的方法屬于“單因子(或稱‘單因素’，下同)”實驗，也就是有兩個因子(自變量)影響我們要觀察的實驗結(jié)果(因變量)，先使一個恒定，研究另一個的影響，然后再使后一個恒定，研究前一個的影響.其實兩個因子一起研究(雙因子或多因子實驗)也是有的，對于“歐姆定律實驗”和“牛頓第二定律實驗”也不是不可以，同樣可以得到應(yīng)有的結(jié)論，電荷相互作用的庫侖扭秤實驗不就是兩個電荷量都改變嗎？

如果操縱控制一個因子的實驗叫做“控制變量法”的話，那么操縱控制兩個(或多個)因子的實驗是否也應(yīng)叫做“控制變量法”？如此說來還有不是“控制變量法”的實驗嗎？

實驗就是由控制變量搭建起來的.什么時候說“控制變量”都沒錯，筆者質(zhì)疑的是把“控制變量”作為諸多實驗方法中的一種方法，并命名為“控制變量法”！

“控制變量法”之說現(xiàn)在如此風(fēng)傳，從百度上可以“找到相關(guān)結(jié)果約1 890 000個”(截至到2013-3-2)，看來勢不可擋(筆者的這篇文章大概會少有人認(rèn)同)，但是卻不見于經(jīng)典，就連現(xiàn)行的人教版初高中物理教科書中講到“第二定律”和“歐姆定律”的實驗章節(jié)都沒“控制變量法”一詞的蹤跡.難道不值得三思嗎？

2 控制是實驗的靈魂沒有控制就沒有實驗

前些年筆者在某市聽過一次公開課，講的是初中物理“比熱容”，在實驗室上的，全班五十多人，兩人一組做實驗.實驗的方法是：兩個試管分別裝有等量的煤油和水，置于三腳架上的石棉網(wǎng)上，下面用酒精燈加熱．本來是要觀察在加熱時間長短相同的情況下，煤油的溫度比水的溫度升高得多，從而引入“比熱容”概念．然而實驗結(jié)果卻與預(yù)料的大相徑庭，結(jié)果是煤油的溫度比水的溫度升高得少的小組不在少數(shù)，相差不多無法下結(jié)論的還有一些．

所以會出現(xiàn)事與愿違的結(jié)果，其原因就在控制．這個實驗源于很久以來教科書上的實驗，教科書使用兩個燒杯盛煤油和水，量比較大，實驗用時較長；分別用兩個酒精燈加熱，火焰不易調(diào)節(jié)得一樣.改用試管盛煤油和水，量可以減少，省時；用一個酒精燈，免去了調(diào)整．

殊不知實驗的對象是“煤油和水”，用試管盛裝少量的煤油和水必定使構(gòu)成試管的玻璃對煤油或水的比例增加，這就混淆了實驗的對象究竟是煤油和水，還是玻璃.干擾因素沒有得到很好的控制，觀察到的溫度變化究竟主要是哪種物質(zhì)溫度變化也就分不清了．在不同的小組試管中煤油或水與試管玻璃的比例也有不同．此外，實驗中的加熱方法也無法控制煤油和水得到的熱量相等．這個實驗完全失去了控制，不能成為實驗.

從以上討論可以看出，控制乃一切實驗立足的條件，是靈魂，是生命.實驗就是由控制變量搭建起來的，對于一切實驗沒有控制就不能成為實驗，絕不是諸多實驗方法之一.