“控制變量法”與高考化學(xué)試題命制

張秀球

隨著新課程改革的深入，無(wú)論是化學(xué)課堂教學(xué)，還是高考試題的命制，探究學(xué)習(xí)都受到越來(lái)越多的研究?！?013普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試大綱（理科）》清晰表述了對(duì)探究實(shí)驗(yàn)測(cè)量的要求：“設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案”，“了解控制實(shí)驗(yàn)條件的方法”，“分析或處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出合理結(jié)論”[1]。什么是“控制實(shí)驗(yàn)條件的方法”呢？它在高考化學(xué)試題命制中有何特點(diǎn)呢？這是筆者要努力回答的問(wèn)題。

1 控制變量法

“控制實(shí)驗(yàn)條件的方法”就是控制變量法，即把多因素的問(wèn)題變成多個(gè)單因素的問(wèn)題，每一次只改變其中的某一個(gè)因素，而控制其余幾個(gè)因素不變，從而研究被改變的這個(gè)因素對(duì)事物的影響，然后分別研究其他因素，最后綜合解決問(wèn)題。它是科學(xué)探究中的重要思想方法，廣泛地運(yùn)用在各種科學(xué)探索和科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究之中。

把“控制變量法”運(yùn)用于具體實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，常常稱(chēng)為對(duì)照實(shí)驗(yàn)。即在具體的實(shí)驗(yàn)操作中，我們把除了對(duì)實(shí)驗(yàn)所要求研究的條件（因素）或操作改變以外，其他條件（因素）都保持一致，并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，這種實(shí)驗(yàn)為對(duì)照實(shí)驗(yàn)。通常，一個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)組，是接受實(shí)驗(yàn)變量處理的對(duì)象組；對(duì)照組也稱(chēng)控制組。對(duì)照實(shí)驗(yàn)的方法在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中有四種，具體見(jiàn)表1。

表1 對(duì)照實(shí)驗(yàn)的類(lèi)別及其比較

控制變量法或?qū)φ諏?shí)驗(yàn)，是一種歸納推理，其運(yùn)用分類(lèi)、對(duì)比差異的方法，從現(xiàn)象中找到結(jié)果。把那些與被研究的現(xiàn)象不能同步出現(xiàn)或消失或變化的候選原因或候選結(jié)果排除，把唯一留下的那個(gè)現(xiàn)象或因素看成被研究現(xiàn)象的原因或結(jié)果[2]。依據(jù)實(shí)驗(yàn)提供充分的證據(jù)，得出相應(yīng)的科學(xué)結(jié)論。

2 相關(guān)高考化學(xué)試題的命制特點(diǎn)

2.1 表格中體現(xiàn)出控制變量的思想

實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)的要素是“提出問(wèn)題、猜想假設(shè)、設(shè)計(jì)方案、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)、得出結(jié)論、交流表達(dá)、實(shí)驗(yàn)評(píng)估”[3]，它要和實(shí)驗(yàn)探究能力統(tǒng)攝一起反映在試題之中，和試題的要素相得益彰。那么什么是試題的要素呢？試題的要素包括“立意、情境、設(shè)問(wèn)、答案與評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)”[4]。實(shí)驗(yàn)試題以探究能力為立意，圍繞立意設(shè)計(jì)豐富、新穎、多樣化的情境，追求設(shè)問(wèn)的針對(duì)性和巧妙性，答案規(guī)范、有創(chuàng)見(jiàn)并與評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)一致。為了體現(xiàn)試題生動(dòng)活潑，一般會(huì)插入圖表、坐標(biāo)、裝置、模型等，對(duì)立意進(jìn)行多樣化表征。

表格設(shè)計(jì)在對(duì)照實(shí)驗(yàn)中屬于常見(jiàn)方法，在人民教育出版社出版的《化學(xué)反應(yīng)原理》“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”[5]中就使用了6個(gè)表格進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，體現(xiàn)控制變量的思想。所以高考試題用表格設(shè)計(jì)考查探究能力，是學(xué)生“熟悉的情境”，也是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的常用表征方法。例如2009年安徽省高考28題。

例1（2009年安徽省高考28題部分）fenton法常用于處理含難降解有機(jī)物的工業(yè)廢水，通常是在調(diào)節(jié)好pH和Fe2+濃度的廢水中加入H2O2，所產(chǎn)生的羥基自由基能氧化降解污染物。現(xiàn)在運(yùn)用該方法降解有機(jī)污染物p-CP，探究有關(guān)因素對(duì)該降解反應(yīng)速率的影響。

［實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)］控制p-CP的初始濃度相同，恒定實(shí)驗(yàn)溫度在298K或313K（其余實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表2），設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

請(qǐng)完成以下實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表2（表中不要留空）。

表2

試題設(shè)置了“對(duì)照組”——實(shí)驗(yàn)①，要求“實(shí)驗(yàn)組②”探究溫度的影響。也就是說(shuō)，溫度是變化因素，而pH、H2O2和Fe2+濃度都是控制因素?！皩?shí)驗(yàn)組③”則是從逆向推理的方法，需要學(xué)生觀察對(duì)比表格，判斷變化的因素，然后表達(dá)“實(shí)驗(yàn)的目的”。在考查的知識(shí)向度上與實(shí)驗(yàn)②一致，但考查的方式上和能力要求上有一定變化。這道作為安徽省新課程改革初期的實(shí)驗(yàn)探究試題，應(yīng)該說(shuō)是成功的，但隨著課程改革的深入，試題的隱藏性會(huì)更大，待挖掘性更深。

2.2 現(xiàn)象中表現(xiàn)出控制變量的思想

實(shí)驗(yàn)試題有2個(gè)關(guān)鍵因素，一個(gè)是試題的真實(shí)性，還有一個(gè)是實(shí)驗(yàn)的過(guò)程性。真實(shí)性體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的生命力，過(guò)程性則是探究學(xué)習(xí)的重要維度?？刂谱兞康乃枷胧沁\(yùn)用對(duì)比分析的方法尋找原因，而在真實(shí)的探究世界中，不一定有邏輯上兩極的“是與非”狀態(tài)。如果課堂上認(rèn)真實(shí)施了探究教學(xué)，多數(shù)情況下是主次要因素的分析與辨別。另外，這么多年來(lái)，高考實(shí)驗(yàn)試題努力做到2個(gè)分開(kāi)：把做實(shí)驗(yàn)的與講實(shí)驗(yàn)的分開(kāi)、把做思結(jié)合的與做而不思的分開(kāi)。這兩種分開(kāi)也要靠實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性與過(guò)程性來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以，描述“實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象”而非“書(shū)本上的現(xiàn)象”是命制此類(lèi)試題的本質(zhì)要求。從異?，F(xiàn)象中，運(yùn)用對(duì)比分析的方法，尋找主次因素，凸顯探究學(xué)習(xí)的內(nèi)涵。例如2011年北京市高考27題。

例2（2011年北京市高考27題部分）甲、乙兩同學(xué)為探究SO2與可溶性鋇的強(qiáng)酸鹽能否反應(yīng)生成白色BaSO3沉淀，用圖1所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（夾持裝置和A中加熱裝置已略，氣密性已檢驗(yàn)）

圖1

實(shí)驗(yàn)操作和現(xiàn)象（見(jiàn)表3）：

（4）分析B中不溶于稀鹽酸的沉淀產(chǎn)生的原因，甲認(rèn)為是空氣參與反應(yīng)，乙認(rèn)為是白霧參與反應(yīng)。

表3

為證實(shí)各自的觀點(diǎn)，在原實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上：甲在原有操作之前增加一步操作，該操作是________；

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，B中現(xiàn)象（見(jiàn)表4）：

表4

檢驗(yàn)白色沉淀，發(fā)現(xiàn)均不溶于稀鹽酸。結(jié)合離子方程式解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象異同的原因：_________。

試題以濃硫酸與銅反應(yīng)為情境，3次再現(xiàn)真實(shí)的“實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”。其中，“A中有白霧生成，銅片表面產(chǎn)生氣泡，B中有氣泡冒出，產(chǎn)生大量白色沉淀、C中產(chǎn)生白色沉淀液面上方略顯淺棕色并逐漸消失”都略顯“異常”和“矛盾”。甲乙兩學(xué)生進(jìn)行了假設(shè)：“甲認(rèn)為是空氣參與反應(yīng)，乙認(rèn)為是白霧參與反應(yīng)”。這2個(gè)假設(shè)“好像”構(gòu)成了邏輯上的“兩極”?？墒菍?shí)驗(yàn)結(jié)果是“都有沉淀”?，F(xiàn)象中沉淀的“多與少”就構(gòu)成對(duì)比思考的基點(diǎn)，決定了因素“主與次”，這種主次因素反映了科學(xué)思維的特質(zhì)。科學(xué)探究中控制變量是對(duì)復(fù)雜因素的分析方法之一，是在多因素、多條件下思維的方法。如何增強(qiáng)證據(jù)的說(shuō)服力？怎樣設(shè)計(jì)與合理解釋實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象？如何判斷相隨現(xiàn)象與因果關(guān)系？都是這種科學(xué)歸納的方法必需面臨的問(wèn)題。

2.3 選項(xiàng)中隱蔽著控制變量的思想

無(wú)論是給出具體的單變量表格，還是描述實(shí)驗(yàn)事實(shí)，都是一種“外顯式”的出題方式，學(xué)生比較容易找到變量得出結(jié)論。但是，隨著高考命制技術(shù)的發(fā)展與成熟，越來(lái)越深的“隱藏式”出題方式得到應(yīng)用。這種命題方式設(shè)置了新的陌生情境，考生不一定能理解到其中控制變量的思想，也就是說(shuō)試題有良好的遮蔽性。

選擇題中的選項(xiàng)可以提供很多信息，好像為學(xué)生解決問(wèn)題提供了支撐。如果信息不具有某種相互提醒的作用，且呈現(xiàn)形式又遠(yuǎn)離“對(duì)照實(shí)驗(yàn)”的常用“原型”——列表對(duì)比，那么其隱藏性就不會(huì)低于非選擇題。由于用變量進(jìn)行列表對(duì)比，可以增加實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的清晰性，所以教材編寫(xiě)和探究學(xué)習(xí)常常使用這種樣式。而學(xué)生在平時(shí)的學(xué)習(xí)中，已將這種“原型”存于認(rèn)知結(jié)構(gòu)中。遇到新的問(wèn)題，最易提取的就是匹配新情境的“原型”及其線索。一旦匹配程度降低，解題就增加了困難。所以“隱藏式”命題會(huì)盡量避開(kāi)教材中的原型，尋找新的突破口。在主干知識(shí)上，如果試題情境及其呈現(xiàn)形式與學(xué)生真正的“原型”相距越遠(yuǎn)，那么對(duì)學(xué)生能力要求就會(huì)越高，同時(shí)其規(guī)避應(yīng)試的作用也越好。比如2009年北京市高考27題。

例3（2009年北京市高考27題部分）（14分）某學(xué)習(xí)小組探究濃、稀硝酸氧化性的相對(duì)強(qiáng)弱的，按圖2裝置進(jìn)行試驗(yàn)（夾持儀器已略去）。實(shí)驗(yàn)表明濃硝酸能將NO氧化成NO2，而稀硝酸不能氧化。由此得出的結(jié)論是濃硝酸的氧化性強(qiáng)于稀硝酸。

圖2

可選藥品：濃硝酸、3mol/L稀硝酸、蒸餾水、濃硫酸、氫氧化鈉溶液及二氧化碳

已知：氫氧化鈉溶液不與NO反應(yīng)，能與NO2反應(yīng)2NO2+2NaOH=NaNO3+NaNO2+H2O

（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)裝置①中溶液呈綠色，而不顯藍(lán)色。甲同學(xué)認(rèn)為是該溶液中硝酸銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高所致，而乙同學(xué)認(rèn)為是該溶液中溶解了生成的氣體。同學(xué)們分別設(shè)計(jì)了以下4個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)判斷兩種看法是否正確。這些方案中可行的是（選填序號(hào)字母）

a.加熱該綠色溶液，觀察顏色變化

b.加水稀釋綠色溶液，觀察顏色變化

c.向該綠色溶液中通入氮?dú)?，觀察顏色變化

d.向飽和硝酸銅溶液中通入濃硝酸與銅反應(yīng)產(chǎn)生的氣體，觀察顏色變化

試題已經(jīng)展示了兩種觀點(diǎn)：甲同學(xué)認(rèn)為是該溶液中硝酸銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高所致，而乙同學(xué)認(rèn)為是該溶液中溶解了生成的氣體（NO2）。硝酸銅與二氧化氮顏色疊加產(chǎn)生新的顏色，學(xué)生在平時(shí)的訓(xùn)練題中也遇到過(guò)。但是，這里以選項(xiàng)的形式提供了4種方案，每一種方案都將變量隱藏在新的情境之中，學(xué)生知道顏色疊加原理也無(wú)法有效提取變量，得分率很低。如果筆者把選項(xiàng)形式轉(zhuǎn)化為下列表格形式（見(jiàn)表5），那么答案一下就清楚明白了，大部分學(xué)生都不會(huì)感覺(jué)困難。

表5 不同條件下c（Cu2+）、c（NO2）濃度變化

2.4 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)中蘊(yùn)含控制變量的思想

實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)是實(shí)驗(yàn)探究的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，這個(gè)環(huán)節(jié)能很好地考量學(xué)生的思維水平，在布盧姆的教育目標(biāo)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)中屬于高級(jí)思維層次[6]。首先，評(píng)價(jià)是學(xué)生基于標(biāo)準(zhǔn)或準(zhǔn)則的分析判斷過(guò)程。在新情境之中，第一，要依據(jù)相關(guān)知識(shí)作為標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生一般較易找到相關(guān)的知識(shí)標(biāo)準(zhǔn)；第二，是依據(jù)探究方法作為標(biāo)準(zhǔn)，比如依據(jù)“控制變量法”作為標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生就不一定容易找到。如果學(xué)生缺乏“控制變量法”的系統(tǒng)思想培訓(xùn)或者對(duì)“對(duì)照實(shí)驗(yàn)”的概念模糊不清、理解不透，同時(shí)又缺乏基本的探究實(shí)踐活動(dòng)，那么面對(duì)這類(lèi)試題就會(huì)束手無(wú)策。

其次，需要檢查試題情境中的矛盾或錯(cuò)誤，在此基礎(chǔ)之上運(yùn)用批判性思維從正面、反面或正反兩面進(jìn)行評(píng)論。一方面，“檢查環(huán)節(jié)”中，試題的任何一個(gè)細(xì)節(jié)都可能成為解題的關(guān)鍵；而且，試題表征信息的背后還會(huì)隱含其他重要信息。另一方面，“評(píng)論環(huán)節(jié)”中要求對(duì)“直接證據(jù)”和“間接證據(jù)”進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)“強(qiáng)弱證據(jù)”進(jìn)行分類(lèi)，然后才形成對(duì)“證據(jù)說(shuō)服力”大小的整體判斷。比如2010年安徽28題。

例4（2010年安徽省高考28題部分）（13分）某研究性學(xué)習(xí)小組在網(wǎng)上收集到如下信息：Fe（NO3）3溶液可以蝕刻銀，制作美麗的銀飾。他們對(duì)蝕刻銀的原因進(jìn)行了如下探究：

［實(shí)驗(yàn)］制備銀鏡，并與Fe（NO3）3溶液反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)銀鏡溶解。

［提出假設(shè)］

假設(shè)1：Fe3＋具有氧化性，能氧化Ag。

假設(shè)2：Fe（NO3）3溶液顯酸性，在此酸性條件下NO3-能氧化Ag。

［設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，驗(yàn)證假設(shè)］

甲同學(xué)從上述實(shí)驗(yàn)的生成物中檢驗(yàn)出Fe2＋，驗(yàn)證了假設(shè)1成立。請(qǐng)寫(xiě)出Fe3＋氧化Ag的離子方程式：_________。

乙同學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證假設(shè)2，請(qǐng)幫他完成表6中內(nèi)容（提示：NO3-在不同條件下的還原產(chǎn)物較復(fù)雜，有時(shí)難以觀察到氣體產(chǎn)生）。

表6

甲同學(xué)驗(yàn)證了假設(shè)1成立，若乙同學(xué)驗(yàn)證了假設(shè)2也成立。則丙同學(xué)由此得出結(jié)論：Fe（NO3）3溶液中的Fe3+和都氧化了Ag。你是否同意丙同學(xué)的結(jié)論，并簡(jiǎn)述理由：_______。

試題從問(wèn)題入手，為了解決問(wèn)題提供了兩種假設(shè)：“Fe3＋具有氧化性，能氧化 Ag；Fe（NO3）3溶液顯酸性，在此酸性條件下能氧化Ag”。第一種假設(shè)，有直接證據(jù)的支持——檢驗(yàn)出Fe2＋，第二種假設(shè)，只有銀溶解而沒(méi)有pH相等情況下被還原的產(chǎn)物。那么兩種假設(shè)的支持力度就不一樣，結(jié)論就會(huì)不一樣。當(dāng)然，本題用硝酸鐵腐蝕銀做情境使隱含變量：氫離子濃度，從而使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求以定量方式研究定性的問(wèn)題，如“pH相等情況下”進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。這也是試題的難點(diǎn)所在。

2.5 裝置中運(yùn)用控制變量的思想

新課程改革之前，實(shí)驗(yàn)裝置只承載著實(shí)驗(yàn)知識(shí)與技能2個(gè)維度，學(xué)生只需理解靜態(tài)時(shí)裝置的功能，以及理解實(shí)驗(yàn)如何運(yùn)行的動(dòng)態(tài)要求；做到避免其他雜質(zhì)的干擾以便達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。而?duì)實(shí)驗(yàn)思想特別是“控制變量法”幾乎無(wú)法涉及。

實(shí)驗(yàn)裝置中氣體的運(yùn)行主要依靠“開(kāi)關(guān)”控制流向，依據(jù)“氣壓”決定走向，至于容器的形狀與體積的大小都可以“拓?fù)浠?。所以“一種儀器多種用途、多種儀器一種用途”的現(xiàn)象是很普遍的。對(duì)照實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)變量的對(duì)比，不是試管與試管的對(duì)比、燒瓶與燒瓶的對(duì)比。如果是涉及定性的變量，只存在有無(wú)多少的關(guān)系；如果是涉及定量的變量，則要考慮數(shù)據(jù)的一致性或可比性。儀器的形狀、大小，位置的擺放、開(kāi)關(guān)的使用、條件的有無(wú)、接觸點(diǎn)的處理、儀器周?chē)沫h(huán)境、藥品的種類(lèi)與用量等，既可以影響、干擾判斷或也可以成為判斷的依據(jù)，其變化之大難以預(yù)測(cè)。比如2010年北京27題。

例5（2010北京市高考27題部分）為驗(yàn)證鹵素單質(zhì)氧化性的相對(duì)強(qiáng)弱，某小組用圖3所示裝置進(jìn)行試驗(yàn)（夾持儀器已略去，氣密性已檢驗(yàn)）。

圖3

試驗(yàn)過(guò)程：

Ⅰ.打開(kāi)彈簧夾，打開(kāi)活塞a，滴加濃鹽酸。

Ⅱ.當(dāng)B和C中的溶液都變?yōu)辄S色時(shí)，夾緊彈簧夾。

Ⅲ.當(dāng)B中溶液由黃色變?yōu)樽厣珪r(shí)，關(guān)閉活塞a。

Ⅳ……

（5）過(guò)程Ⅲ實(shí)驗(yàn)的目的是_______。

裝置B、C都指向10mL1mol/L的NaBr溶液，這是隱藏變量的方式。但是，理解為什么這樣處理還需要經(jīng)過(guò)較多步驟的推理。首先，理解實(shí)驗(yàn)的目的：驗(yàn)證鹵素單質(zhì)氧化性強(qiáng)弱。這個(gè)實(shí)驗(yàn)取材于人民教育出版社的必修2“鹵素元素”的實(shí)驗(yàn)1-1[7]，但書(shū)上沒(méi)有干擾因素存在。其次，要考慮實(shí)驗(yàn)中多種因素的相互干擾與制約。對(duì)比實(shí)驗(yàn)1-1與本裝置，發(fā)現(xiàn)氯氣會(huì)干擾溴置換出碘，這一步推理難度較大。然后，才可以去理解裝置的作用——“怎樣才能實(shí)現(xiàn)不對(duì)溴單質(zhì)置換碘單質(zhì)的干擾呢？”

表7 含曲線的實(shí)驗(yàn)試題命制的基本組合方式

2.6 曲線斜率反映了控制變量的思想

定量實(shí)驗(yàn)在新考試大綱中定位為一種科學(xué)方法——“了解定量研究的方法是化學(xué)發(fā)展為一門(mén)科學(xué)的重要標(biāo)志”[8]，可見(jiàn)其地位之高。有定量研究必有數(shù)據(jù)表征，坐標(biāo)曲線就是科學(xué)研究常用的一種數(shù)據(jù)表征方法。要理解曲線的實(shí)際意義，必須實(shí)現(xiàn)曲線與一般數(shù)據(jù)之間的意義轉(zhuǎn)換[9]，因?yàn)榍€的意義更具隱蔽性。

如果曲線是某種變量干預(yù)的結(jié)果，就會(huì)帶來(lái)多重干擾。解讀曲線意義，并與條件對(duì)接，尋找內(nèi)在因素，這種連環(huán)的推理方式造就試題的難度與區(qū)分度。試題既可以給定清晰的條件而隱蔽曲線的意義；也可以給定不清晰的條件而簡(jiǎn)化曲線意義。其基本組合情況如表7。

下面以2010年江蘇省高考15題為例。

例6（2010年江蘇省高考15題部分）（12分）高純MnCO3是制備高性能磁性材料的主要原料。實(shí)驗(yàn)室以MnO2為原料制備少量高純MnCO3的操作步驟如下：

（1）制備MnSO4溶液：

在燒瓶中（裝置見(jiàn)圖4）加入一定量MnO2和水，攪拌，通入SO2和N2混合氣體，反應(yīng)3h。停止通入SO2，繼續(xù)反應(yīng)片刻，過(guò)濾（已知MnO2＋H2SO3=MnSO4＋H2O）。

圖4

①石灰乳參與反應(yīng)的化學(xué)方程式為_(kāi)______。

②反應(yīng)過(guò)程中，為使SO2盡可能轉(zhuǎn)化完全，在通入SO2和N2比例一定、不改變固液投料的條件下，可采取的合理措施有。

③若實(shí)驗(yàn)中將N2換成空氣，測(cè)得反應(yīng)液中Mn2+、SO42-的濃度隨反應(yīng)時(shí)間t變化如圖5。導(dǎo)致溶液中Mn2+、濃度變化產(chǎn)生明顯差異的原因是

圖5

本試題實(shí)驗(yàn)情境簡(jiǎn)單，裝置易于理解。而且變量已經(jīng)給定——“若實(shí)驗(yàn)中將N2換成空氣”，但曲線的意義轉(zhuǎn)換較難。首先，必須理解1h前發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，然后定量判斷n（Mn2+）、n（）的關(guān)系。

可以得出n（Mn2+）：n（）為1∶1。在1h至2h之間增多，根據(jù)得失電子守恒只有MnO2做氧化劑顯然無(wú)法滿足要求，引入O2做氧化劑才能進(jìn)一步解釋。問(wèn)題是試題要求分析“導(dǎo)致溶液中Mn2+、濃度變化產(chǎn)生明顯差異的原因”。什么是“明顯差異”？是指曲線上的3h之后，溶液濃度變化遠(yuǎn)大于Mn2+。而此時(shí)僅用一個(gè)變量（O2）是無(wú)法解釋的，意味著還有隱藏得很深的變量在起到重要作用——使反應(yīng)迅速加快進(jìn)行。只有引入Mn2+做催化劑這個(gè)陌生度很高的變量才好解釋。所以曲線的蘊(yùn)藏非常豐富，在定性和定量2個(gè)維度上都能巧妙地隱含多步推理過(guò)程。

2.7 數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)暗藏控制變量的思想

事物變化的原因總是復(fù)雜的，是多個(gè)變量共同影響的結(jié)果，所以相互對(duì)照實(shí)驗(yàn)是實(shí)踐常用的試驗(yàn)方法。因?yàn)樗哂胸S富地對(duì)比組，容易淘汰無(wú)關(guān)變量，縮小認(rèn)知的范圍，逐步逼近事物的原因。在命制試題時(shí)，如果變量達(dá)到或超過(guò)2個(gè)因素，一般采用表格表征，否則語(yǔ)言拖沓、字?jǐn)?shù)過(guò)多且描述不清。

利用數(shù)據(jù)表征變量是近年來(lái)高考試題命制的趨勢(shì)之一。從數(shù)據(jù)的變化中尋找變量，從數(shù)據(jù)的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)原因。當(dāng)然，數(shù)據(jù)是最含有隱藏性的，它總是和不同的化學(xué)反應(yīng)原理、條件聯(lián)系在一起，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生“矛盾”。所以對(duì)數(shù)據(jù)及其規(guī)律的“挖掘”顯得非常重要，因?yàn)閿?shù)據(jù)不但是原因的反映，也是規(guī)律的反映；同時(shí)也是錯(cuò)誤規(guī)律的反映?！皵?shù)據(jù)挖掘”的3個(gè)作用是：排除無(wú)關(guān)變量，對(duì)尋找新變量的啟發(fā)作用，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的特征或規(guī)律。這3個(gè)作用既是試題命制的考慮因素，也是相關(guān)解題的思維過(guò)程。下面例7、例8、例9解釋以上三方面的作用。

表8

例7（2010年課表卷28題第（5）小題）

（5）為了進(jìn)一步研究硫酸銅的量對(duì)氫氣生成速率的影響，該同學(xué)設(shè)計(jì)了如下一系列實(shí)驗(yàn)。將表8所給的混合溶液分別加入到6個(gè)盛有過(guò)量Zn粒的反應(yīng)瓶中，收集產(chǎn)生的氣體，記錄獲得相同體積的氣體所需時(shí)間。

①請(qǐng)完成此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其中：V1= ___，V6= ___，V9=___；

②反應(yīng)一段時(shí)間后，實(shí)驗(yàn)A中的金屬呈__色，實(shí)驗(yàn)E中的金屬呈___色；

③該同學(xué)最后得出的結(jié)論為：當(dāng)加入少量CuSO4溶液時(shí)，生成氫氣的速率會(huì)大大提高。但當(dāng)加入的CuSO4溶液超過(guò)一定量時(shí)，生成氫氣的速率反而會(huì)下降。請(qǐng)分析氫氣生成速率下降的主要原因________。

從數(shù)據(jù)表格中可以發(fā)現(xiàn)唯一變量是硫酸銅的濃度，但是現(xiàn)象確是：“當(dāng)加入少量CuSO4溶液時(shí)，生成氫氣的速率會(huì)大大提高。但當(dāng)加入的CuSO4溶液超過(guò)一定量時(shí)，生成氫氣的速率反而會(huì)下降?！憋@然需要利用這個(gè)現(xiàn)象排除無(wú)關(guān)變量。濃度不是真的原因，因?yàn)樗饍蓚€(gè)截然相反的結(jié)果。少量硫酸銅可以加快反應(yīng)，是因?yàn)榕cZn反應(yīng)生成銅，銅鋅形成原電池的原因。當(dāng)硫酸銅增多到一定量時(shí)，有需要排除“原電池”這個(gè)原因了，需找到固體接觸面積這個(gè)原因。所以說(shuō)，這個(gè)“數(shù)據(jù)挖掘”過(guò)程，就進(jìn)行了兩次有效地排除，找到合理解釋的原因。這就是命制試題時(shí)設(shè)計(jì)的“數(shù)據(jù)挖掘”。

而例8不但要經(jīng)歷排除階段，還要經(jīng)歷到第二個(gè)階段——啟發(fā)階段。見(jiàn)例8。

例8（2010年江蘇省21B第（3）小題）

（3）下列給出了催化劑種類(lèi)及用量對(duì)甲苯硝化反應(yīng)影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表9）。

①NaHSO4催化制備對(duì)硝基甲苯時(shí)，催化劑與甲苯的最佳物質(zhì)的量之比為_(kāi)______。

②由甲苯硝化得到的各種產(chǎn)物的含量可知，甲苯硝化反應(yīng)的特點(diǎn)是________。

③與濃硫酸催化甲苯硝化相比，NaHSO4催化甲苯硝化的優(yōu)點(diǎn)有。

試題并沒(méi)有無(wú)效變量，命制設(shè)計(jì)了2種變量——“催化劑種類(lèi)及用量”，定性與定量的結(jié)合。當(dāng)幾個(gè)變量以數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)時(shí)，需要找出“最優(yōu)用量”或“最佳催化劑”。這就是先排除次佳，再找到最佳。完成“排除不佳”的任務(wù)，需要對(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多次粗略地比較；然后，精確比較數(shù)據(jù)，找出最佳。試題沒(méi)有設(shè)置大的干擾，所以無(wú)論是排除還是啟發(fā)都較容易。

例9充分體現(xiàn)了“數(shù)據(jù)挖掘”的第三個(gè)階段的要求。

（1）該實(shí)驗(yàn)的目的______。

表9

表10

（2）顯色時(shí)間t2＝_____。

（3）溫度對(duì)該反應(yīng)的反應(yīng)速率的影響符合一般規(guī)律，若在40℃下進(jìn)行編號(hào)③對(duì)應(yīng)濃度的實(shí)驗(yàn)，顯色時(shí)間t2的范圍為_(kāi)___（填字母）

A.＜22.0s B.22.0～44.0s

C.＞44.0s D.數(shù)據(jù)不足，無(wú)法判斷

（4）通過(guò)分析比較上表數(shù)據(jù)，得到的結(jié)論是________。

試題只涉及2種反應(yīng)物濃度的變量，而且每組數(shù)據(jù)之間都有規(guī)范的數(shù)據(jù)聯(lián)系，所以定性判斷非常容易。但是，試題著重考察的是數(shù)據(jù)規(guī)律。需要深刻理解數(shù)據(jù)之間的強(qiáng)聯(lián)系。并建立數(shù)學(xué)模型：

學(xué)生只滿足定性理解，而不會(huì)做這種深度挖掘。這也是對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的“片面理解”，對(duì)“對(duì)照實(shí)驗(yàn)”的淺層理解所致，沒(méi)有形成完整的控制變量的思想方法所致。以上有關(guān)對(duì)“控制變量”的試題命制基礎(chǔ)性解釋?zhuān)Ｍ麑?duì)正常的課堂教學(xué)有所裨益、有所啟發(fā)；也期待高考試題命制得更精彩、更具創(chuàng)造性。

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