“控制變量法”在初中化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用及其考查

洪茲田 陳女婷

福建省廈門市翔安第一中學(xué)(361101)

基金項(xiàng)目：本文系福建省中學(xué)化學(xué)嚴(yán)業(yè)安名師工作室和廈門市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2016年度重點(diǎn)課題《“讓學(xué)”理念下改進(jìn)化學(xué)課堂教學(xué)行為研究》(1620)的階段性研究成果。

1 設(shè)計(jì)探究性實(shí)驗(yàn)的原則

1.1 科學(xué)性原則

所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的原理應(yīng)該科學(xué)，操作程序、方法正確，不能憑空捏造。

1.2 對(duì)照性原則

設(shè)置對(duì)照性實(shí)驗(yàn)，若要使該實(shí)驗(yàn)更能夠說明問題，一定要有正、反兩個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)。

1.3 等量性原則

所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中的平行反應(yīng)，試劑的取用應(yīng)等量。

1.4 單一變量原則

實(shí)驗(yàn)受到多個(gè)因素的影響，實(shí)驗(yàn)中要人為控制條件，使眾多變量中只能有一個(gè)因素是變量，其余因素保持不變。

2 “控制變量法”的概念

當(dāng)事物受到多個(gè)因素影響時(shí)，每一次只改變其中的某一個(gè)因素，而控制其他因素不變，從而研究被改變的這個(gè)因素對(duì)事物的影響，分別加以研究，最后再綜合解決，這種方法叫“控制變量法”。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)探索和實(shí)驗(yàn)研究中。

3 利用“控制變量法”進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)的一般思路

利用“控制變量法”進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)的一般思路是:明確探究問題、尋找影響因素、控制其他因素、改變研究因素。

4 利用“控制變量法”進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)的思維模型

利用“控制變量法”進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚩疾閷W(xué)生對(duì)于圖表的觀察、分析以及處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納得出合理結(jié)論的能力，因此在中考化學(xué)實(shí)驗(yàn)試題中備受青睞。“控制變量法”實(shí)驗(yàn)由想要研究的影響因素(自變量)、其他影響因素(不變量)和影響結(jié)果(因變量)三部分組成。分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)論三者之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，建立解答此類試題的思維模型。利用“控制變量法”進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)的思維模型如圖1所示。

圖1 思維模型

5 利用“控制變量法”進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)的常見考查視角

5.1 考查實(shí)驗(yàn)?zāi)康拇_定

考查分析對(duì)照實(shí)驗(yàn)中的影響因素(自變量)、其他因素(不變量)和影響結(jié)果(因變量)，從而確定探究實(shí)驗(yàn)的目的。有時(shí)也直接考查根據(jù)探究實(shí)驗(yàn)方案，確定探究實(shí)驗(yàn)的目的。

5.2 考查實(shí)驗(yàn)變量控制

考查根據(jù)探究實(shí)驗(yàn)的目的，確定對(duì)照實(shí)驗(yàn)中的影響因素(自變量)、其他因素(不變量)和影響結(jié)果(因變量)，從而控制合適的探究實(shí)驗(yàn)條件。

5.3 考查實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

考查在明確探究實(shí)驗(yàn)的目的或?qū)嶒?yàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步確定實(shí)驗(yàn)變量和控制合適的實(shí)驗(yàn)探究條件，設(shè)計(jì)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案。

5.4 考查實(shí)驗(yàn)結(jié)論

考查在明確探究實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮吞骄繉?shí)驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上，通過分析實(shí)驗(yàn)變量(自變量、不變量)及其對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響(因變量)，從而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

6 中考關(guān)于利用“控制變量法”進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)”的考題透析

圖2 鐵釘生銹實(shí) 驗(yàn)裝置圖

例題：(2017安徽中考試題)某研究小組為探究“影響鐵制品銹蝕快慢的因素”，取相同濃度的稀氨水和稀醋酸用圖1所示裝置完成表1中的實(shí)驗(yàn)，回答下列問題。

表1 鐵釘生銹實(shí)

(1)鐵銹的主要成分是________(填化學(xué)式)。

(2)實(shí)驗(yàn)②和④可探究________因素對(duì)鐵制品銹蝕快慢的影響；欲探究試劑酸堿性對(duì)鐵制品銹蝕快慢的影響，應(yīng)選擇的實(shí)驗(yàn)是________(填實(shí)驗(yàn)序號(hào))。

(3)根據(jù)表中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出的結(jié)論是________(寫出1點(diǎn)即可)。

(4)影響鐵制品銹蝕快慢除上述因素外，還有____(寫出1點(diǎn)即可)，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案____。

解析:本題中問題(2)考查對(duì)照實(shí)驗(yàn)中的影響因素(自變量)的確定及根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇實(shí)驗(yàn)方案。問題(3)考查分析探究實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。問題(4)考查猜測(cè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)中的影響因素(自變量)并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

(1)鐵銹的主要成分是氧化鐵，其化學(xué)式為Fe2O3。(2)實(shí)驗(yàn)②和實(shí)驗(yàn)④中的反應(yīng)溫度(自變量)不同，所用試劑(不變量)都是稀醋酸，導(dǎo)致出現(xiàn)鐵銹所需時(shí)間(因變量)不同，故探究的是溫度對(duì)鐵制品銹蝕快慢的影響。欲探究試劑酸堿性對(duì)鐵制品銹蝕快慢的影響，則自變量應(yīng)為試劑酸堿性，不變量為其他條件，如實(shí)驗(yàn)溫度等應(yīng)完全相同。故可選擇實(shí)驗(yàn)①②(溫度保持25 ℃，試劑酸堿性不同——稀氨水、稀醋酸)或?qū)嶒?yàn)③④(溫度保持70 ℃，試劑酸堿性不同——稀氨水、稀醋酸)問題。(4)對(duì)比表格中實(shí)驗(yàn)①②或?qū)嶒?yàn)③④的信息可知，相同條件下，酸性越強(qiáng)，金屬生銹越快。除了溫度和試劑的酸堿性影響鐵制品銹蝕的快慢外，酸的濃度也會(huì)影響鐵制品銹蝕的快慢。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，選取的自變量為酸的濃度，不變量為實(shí)驗(yàn)溫度、酸的種類和體積、鐵釘?shù)拇笮『唾|(zhì)量等，因變量為出現(xiàn)鐵銹所需時(shí)間。故實(shí)驗(yàn)方案為相同條件下，將相同的鐵釘分別放入試管中，分別加入兩份體積相同不同濃度的醋酸浸泡鐵釘，觀察出現(xiàn)鐵銹所需的時(shí)間。

答案:(1)Fe2O3。(2)溫度；①②或③④。(3)溫度相同時(shí)，酸性越強(qiáng)，金屬生銹越快。(4)酸的濃度(或其他合理答案)；相同條件下，將相同的鐵釘分別放入兩支試管中，分別加入兩份體積相同不同濃度的醋酸浸泡鐵釘，觀察出現(xiàn)鐵銹所需的時(shí)間(或其他合理答案)。

7 關(guān)于利用“控制變量法”進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)的同步試題檢測(cè)

例題：(2017江蘇蘇州中考試題)為了探究相同條件下同種溶質(zhì)在不同溶劑中的溶解性，某興趣小組學(xué)生進(jìn)行了如下兩組實(shí)驗(yàn)(提示:本實(shí)驗(yàn)所用汽油與KMnO4、碘均不發(fā)生化學(xué)反應(yīng))。

實(shí)驗(yàn)1：KMnO4晶體在不同溶劑中的溶解實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)表2中實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)操作圖示填寫相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

表2 實(shí)驗(yàn)1實(shí)驗(yàn)過

實(shí)驗(yàn)2:碘在不同溶劑中的溶解實(shí)驗(yàn)

根據(jù)表3中實(shí)驗(yàn)操作圖示，回答相關(guān)問題。

表3 實(shí)驗(yàn)2實(shí)驗(yàn)過

反思與應(yīng)用:

(5)碘易溶于酒精。若實(shí)驗(yàn)2中汽油用酒精代替，振蕩后靜置，最終所得液體____(選填“分層”或“不分層”)。“從稀碘水中提取碘”是“海帶提碘”工藝中的一個(gè)重要步驟，其原理類似實(shí)驗(yàn)2中第二步操作。工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)時(shí)使用其他揮發(fā)性液體代替汽油，這種揮發(fā)性液體必須具備的條件是____。

解析:(1)高錳酸鉀能溶解在水中形成紫紅色溶液。(2)將高錳酸鉀溶液倒入汽油中，B試管中的高錳酸鉀會(huì)溶解在水中，且還會(huì)發(fā)生分層現(xiàn)象，即液體分層，上層為無色，下層為紫紅色，試管底部無固體殘留。(3)由圖示可知，加入水后變成了淡黃色，故碘微溶于水。(4)碘微溶于水，但能溶解在汽油中形成碘的汽油溶液。(5)汽油和酒精均屬有機(jī)溶劑，有機(jī)物能溶解在有機(jī)溶劑中，即碘能溶解在酒精中形成碘酒溶液，故實(shí)驗(yàn)2中汽油用酒精代替，振蕩后靜置，最終所得液體不分層，“從稀碘水中提取碘”，使用其他揮發(fā)性液體代替汽油，這種揮發(fā)性液體必須與水不互溶，碘在該液體中的溶解度遠(yuǎn)大于在水中的溶解度。

答案:(1)紫(紫紅、紅)。(2)液體分層，上層為無色，下層為紫紅色，試管底部無固體殘留。(3)微。(4)碘的汽油溶液；強(qiáng)。(5)不分層；與水不互溶，碘在這種液體中的溶解度遠(yuǎn)大于在水中的溶解度。