例談“控制變量法”在物理教學(xué)中的運(yùn)用

劉東生

好的探究方案是科學(xué)探究成功的先導(dǎo)，在此環(huán)節(jié)中，盡可能引導(dǎo)學(xué)生使用一些具體科學(xué)的研究方法，對(duì)于提高探究能力起著重要的作用。比如，初中階段常用的控制變量法、轉(zhuǎn)換法、科學(xué)推理法、等效替代法等。

一、例如在猜想環(huán)節(jié)中促進(jìn)學(xué)生對(duì)控制變量法的理解

案例一：關(guān)于猜想的教學(xué)

（教師）播放視頻：晴天正午，小明從樹蔭下走過(guò)時(shí)，發(fā)現(xiàn)地面上有許多大小、形狀不同的光斑（如圖1）。光斑形狀與什么因素有關(guān)呢？光斑又是如何形成的呢？請(qǐng)學(xué)生討論。

圖1

學(xué)生瞎猜，有說(shuō)樹葉形狀的，有說(shuō)葉子大小的?？磥?lái)，學(xué)生還沒有去用心觀察過(guò)。我就布置任務(wù)，請(qǐng)學(xué)生去觀察，看看光斑的形狀并試圖去揭開形成的原因。

在下次課上，我們?cè)俅芜M(jìn)行了討論。

（學(xué)生）光斑是太陽(yáng)光透過(guò)樹葉間的縫隙照在地面上形成的，由于太陽(yáng)光是平行光，透過(guò)孔后照在地面上形成的光斑應(yīng)當(dāng)與孔的形狀相似，所以孔的形狀決定了光斑的形狀。

（學(xué)生）那么，為什么圓形光斑較小和較暗呢？

（學(xué)生）因?yàn)闃淙~間的圓形縫隙較小。

（學(xué)生）光斑是不是與樹葉到地面的距離還有關(guān)系？

（教師）大家說(shuō)了這么多因素，我們?cè)趺撮_展研究呢？

（學(xué)生）我們可以先研究大部分人認(rèn)同的因素，即光斑形狀可能與下與樹葉間空隙大小和樹葉間空隙形狀有關(guān)。其他的先放放再說(shuō)。

（學(xué)生）這樣做不夠科學(xué)。控制變量法控制什么？當(dāng)研究的問(wèn)題與多個(gè)因素有關(guān)時(shí)，雖然在多個(gè)因素中可能有某幾個(gè)因素與研究的問(wèn)題無(wú)關(guān)，在沒有排除之前，要研究與某一因素的關(guān)系時(shí)，其他的因素都應(yīng)該“被控制”。

經(jīng)過(guò)學(xué)生討論和教師引導(dǎo)，最終我們決定“同時(shí)”研究四個(gè)因素對(duì)光斑的影響：1.小孔成像與孔的形狀有關(guān)嗎？2.小孔成像與孔的大小有關(guān)嗎？3.小孔成像與物距有關(guān)嗎？4.小孔成像與像距有關(guān)嗎？

在實(shí)踐活動(dòng)中我們希望達(dá)到兩個(gè)目的，一是在猜想影響光斑的因素時(shí)，需要去觀察。猜想就是根據(jù)部分事實(shí)得出的不確定的結(jié)論。二是在進(jìn)行研究的時(shí)候，我們要進(jìn)行科學(xué)方法的引導(dǎo)，針對(duì)學(xué)生容易將控制變量“虛控制”，強(qiáng)調(diào)“要將其他所有的因素都控制”，這是控制變量法的關(guān)鍵。因此，在猜想環(huán)節(jié)就有一個(gè)整體的變量規(guī)劃對(duì)控制變量法的理解是很有幫助的。

二、在實(shí)踐活動(dòng)方案的設(shè)計(jì)中促進(jìn)學(xué)生對(duì)控制變量法的理解

案例二：實(shí)驗(yàn)方案的評(píng)價(jià)

（教師）請(qǐng)學(xué)生小組討論，并拿出設(shè)計(jì)方案。

（學(xué)生）展示了甲、乙、丙三張帶孔卡片（如圖所示），其中，甲、乙卡片中小孔的尺寸均為3mm，甲、丙卡片中大孔的尺寸均大于2cm。在進(jìn)行探究時(shí)，在地上鋪上一張白紙，把帶孔的卡片置于上方，讓太陽(yáng)光透過(guò)卡片上的孔，觀察紙面上出現(xiàn)的光斑形狀。

甲組 乙組 丙組

（教師）這是三個(gè)小組的設(shè)計(jì)。請(qǐng)各自說(shuō)明一下自己的設(shè)計(jì)方案。

（乙組學(xué)生）我們想研究“光斑是否與樹葉間空隙形狀有關(guān)”，因而設(shè)計(jì)了四種大小相同而形狀不同的小孔。

（丙組學(xué)生）我們也想研究“光斑是否與樹葉間空隙形狀有關(guān)”，除了乙的方案外，我們還設(shè)計(jì)了丙圖。我們想看看小孔和大孔是不是遵循一樣的規(guī)律。

（甲組學(xué)生）我們想研究“光斑是否與樹葉間空隙大小有關(guān)”，所以小孔的形狀不變，只改變孔的大小。

（學(xué)生）甲組的方案是有漏洞的。物體（太陽(yáng)）是圓的，小孔也是圓的，如果最后的光斑是圓的，分不清是什么原因?qū)е碌摹?/p>

（教師）你會(huì)如何改進(jìn)？

（學(xué)生）我們的方案如圖①，這樣只讓樹葉間空隙大小發(fā)生改變，與此同時(shí)也與太陽(yáng)的形狀不一樣。

（學(xué)生）我們的方案如圖②，上下兩行是對(duì)比“光斑形狀與樹葉間空隙大小是否有關(guān)”的，左右2列是觀察規(guī)律是否具有普遍性。

（學(xué)生）我們的方案如圖③，至少要觀察三種情況，所以我們這樣設(shè)計(jì)。

[①][②][③] [①][②][③]

還有一些組設(shè)計(jì)了一些更有創(chuàng)意的方案，看到同學(xué)的各種畫法，師生連聲叫好。

[⑤][⑥]

[⑦][⑧]

經(jīng)過(guò)生與生之間、師與生之間的相互評(píng)價(jià)、討論，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，讓學(xué)生說(shuō)出來(lái)、議起來(lái)，讓學(xué)生的錯(cuò)誤充分暴露、發(fā)生碰撞后對(duì)控制變量法就有了更深的理解。

三、在實(shí)踐活動(dòng)方案的落實(shí)中促進(jìn)學(xué)生對(duì)控制變量法的理解

僅僅在腦中實(shí)驗(yàn)是不夠的，我們要走出教室，在做中學(xué)，去感受控制變量法帶來(lái)的喜悅。

案例三：動(dòng)手中的發(fā)現(xiàn)

小孔成像與孔的直徑究竟是什么關(guān)系？是不是孔越小越好？孔大了就成不了像？帶著這個(gè)問(wèn)題，學(xué)生分小組開展了研究。

（學(xué)生）：我們的方案如圖①，這樣只讓樹葉間空隙大小發(fā)生改變，與此同時(shí)也與太陽(yáng)的形狀不一樣。

觀察物體：摩天360的尖頂（夜晚有燈光點(diǎn)綴）

小組人數(shù)：6人

（見附表）

經(jīng)過(guò)動(dòng)手操作，學(xué)生對(duì)小孔的理解更加全面。原來(lái)的認(rèn)識(shí)是小孔成像的條件是孔要足夠小，現(xiàn)在的理解是這個(gè)“小”是相對(duì)于孔到光屏的距離而言的。所謂小孔，指的是孔的邊長(zhǎng)或直徑遠(yuǎn)小于孔到光屏的距離（像距）。舉個(gè)例子：若方孔的邊長(zhǎng)為10 cm時(shí)，這個(gè)孔應(yīng)該不小了吧，如果該孔到光屏的距離大于40 m時(shí)，也能成太陽(yáng)圓形的像，這個(gè)邊長(zhǎng)為10 cm的方孔也應(yīng)該叫小孔。

在學(xué)生的自主探究活動(dòng)中，有的學(xué)生為觀察發(fā)現(xiàn)進(jìn)行猜想而興奮；有的學(xué)生為方案的改進(jìn)而興奮；有的學(xué)生為巧妙的動(dòng)手制作而自豪興奮。無(wú)論哪一種，都足以讓學(xué)生對(duì)科學(xué)方法感興趣，都會(huì)促進(jìn)對(duì)科學(xué)方法的理解與運(yùn)用。這就是實(shí)踐活動(dòng)的魅力。

（責(zé)編 趙建榮）