基于控制變量思想的化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究復(fù)習(xí)教學(xué)案例

陳女婷 吳冷貞 洪茲田

摘要：本文以探究金屬的活動(dòng)性和探究影響金屬與酸反應(yīng)速率的因素為復(fù)習(xí)教學(xué)活動(dòng)主題，幫助學(xué)生建立解決控制變量法解決化學(xué)問(wèn)題的一般思路和思維模型，并通過(guò)課堂檢測(cè)和校本作業(yè)鞏固學(xué)習(xí)成果.

關(guān)鍵詞：控制變量法;實(shí)探究驗(yàn);思維模型;復(fù)習(xí)教學(xué)案例;初中化學(xué)

控制變量法是科學(xué)探究領(lǐng)域常用的一種研究方法.近幾年各省、市中考及模擬卷中加強(qiáng)了對(duì)實(shí)驗(yàn)探究題的考查力度，而且常與控制變量思想的考查相結(jié)合.設(shè)計(jì)此復(fù)習(xí)案例幫助學(xué)生建立解決控制變量法解決化學(xué)問(wèn)題的一般思路和思維模型.有效提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力，形成學(xué)科思想方法和解決問(wèn)題的關(guān)鍵能力.

1教學(xué)目標(biāo)

1.1知識(shí)與技能目標(biāo)

（1）學(xué)會(huì)尋找影響化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的各種因素;（2）學(xué)會(huì)利用控制變量思想確定探究的問(wèn)題、研究因素及探究方法.

1.2過(guò)程與方法目標(biāo)

（1）循序漸進(jìn)參與實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，學(xué)會(huì)利用控制變量分析問(wèn)題思路確定研究因素、控制實(shí)驗(yàn)條件、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論;

（2）在實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中進(jìn)行提升，形成控制變量解決問(wèn)題的一般思路并建構(gòu)思維模型.

1.3情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)

在實(shí)驗(yàn)探究和參與問(wèn)題解決中，樹(shù)立勤于思考、樂(lè)于探究和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度.

2教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：應(yīng)用控制變量思想解決實(shí)驗(yàn)探究問(wèn)題.

教學(xué)難點(diǎn)：建立解決控制變量法解決問(wèn)題的一般思路和思維模型.

3學(xué)情分析

經(jīng)過(guò)小學(xué)科學(xué)、初中生物和物理學(xué)科學(xué)習(xí)，初三學(xué)生已經(jīng)初步了解了控制變量法的思想，并具備一定的方法基礎(chǔ).調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多數(shù)同學(xué)對(duì)于例舉初中化學(xué)用到控制變量的課題存在困難.即使能夠舉出，也思路混亂、表達(dá)不清，無(wú)法建立控制變量法解決探究實(shí)驗(yàn)的解題范式和思維模型.主要存在探究問(wèn)題不明確、變量條件（自變量、不變量）和實(shí)驗(yàn)結(jié)果（因變量）找不到、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c方案設(shè)計(jì)不相匹配、探究思路不清楚等問(wèn)題.

4設(shè)計(jì)思路

初中化學(xué)教材中多次涉及“控制變量法”思想.典型課例有：“吸入空氣和呼出氣體比較”“氧氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)”“分子和原子”“二氧化碳與水反應(yīng)”“燃燒條件探究”“鐵生銹條件探究”等.本案例設(shè)計(jì)的“探究金屬的活動(dòng)性探究”“影響金屬與酸反應(yīng)速率的因素”活動(dòng)主題，符合學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”，消除了學(xué)生探究活動(dòng)的陌生感.案例設(shè)計(jì)注重情境創(chuàng)設(shè)、方法引導(dǎo)和思維建模.讓學(xué)生在“探究金屬的活動(dòng)性”和“探究影響金屬與酸反應(yīng)速率的因素”的活動(dòng)體驗(yàn)中，學(xué)會(huì)利用控制變量確定研究因素及方法，歸納控制變量法解決化學(xué)問(wèn)題的一.般思路并建立思維模型.

5教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

教學(xué)活動(dòng)主題一：探究金屬的活動(dòng)性

[問(wèn)題導(dǎo)入]設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案比較鎂和鐵的金屬活動(dòng)性（可用文字或圖示描述）

[個(gè)人展示]學(xué)生代表提出幾種方案，并進(jìn)行師生點(diǎn)評(píng)，生生互評(píng).

[問(wèn)題遞進(jìn)]請(qǐng)您具體說(shuō)明實(shí)驗(yàn)方案如何設(shè)計(jì)？（提示：可從金屬和酸的要求入手）

[問(wèn)題思考]通過(guò)金屬內(nèi)容的學(xué)習(xí)，我們知道活潑金屬能夠和酸反應(yīng).那么，影響金屬與酸反應(yīng)速率的因素還有哪些？探究此問(wèn)題，要用到控制變量法.

[設(shè)問(wèn)]聯(lián)系之前對(duì)控制變量法的認(rèn)識(shí)，嘗試給“控制變量法”下定義.

[概念導(dǎo)學(xué)]控制變量法是指改變可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的多個(gè)因素中的任一個(gè)，其他可能因素保持不變的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將這個(gè)被改變的因素的實(shí)驗(yàn)效果與不改變?nèi)魏我蛩氐膶?shí)驗(yàn)效果進(jìn)行對(duì)比，從而來(lái)論證實(shí)驗(yàn)猜想是否正確.

[概念組成]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.

設(shè)計(jì)意圖：注重復(fù)習(xí)課情境的創(chuàng)設(shè)，從學(xué)生熟悉的“探究金屬的活動(dòng)性”的方法入手，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維.再者進(jìn)行思維收斂，將實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)聚焦在“控制變量法”，從而引出復(fù)習(xí)主題.

教學(xué)活動(dòng)主題二：探究影響金屬與酸反應(yīng)速率的因素

[過(guò)渡]以“探究影響金屬與酸反應(yīng)速率的因素”為例，學(xué)習(xí)“控制變量法”在化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究中的運(yùn)用.

[提問(wèn)]在上述探究活動(dòng)中，哪些因素可能影響金屬和酸的反應(yīng)速率？多因素變量中，如何研究某一因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響？

[活動(dòng)與探究]影響金屬與酸反應(yīng)速率的因素任選其一進(jìn)行探究.

實(shí)驗(yàn)用品：試管、鎂帶、鎂粉、鐵粉、5%鹽酸、10%鹽酸等.

猜想1：（見(jiàn)表1）金屬與酸反應(yīng)的劇烈程度與有關(guān).

[提問(wèn)]“猜想一”給定實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，請(qǐng)同學(xué)們思考“猜想一”的猜想和可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是什么？

[追問(wèn)]本實(shí)驗(yàn)中，自變量、不變量和因變量分別是哪些？

[遷移運(yùn)用]變換角度，給出猜想，讓學(xué)生小組為單位設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn).

猜想2：金屬與酸反應(yīng)的劇烈程度與酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（濃度）有關(guān).（完成表2）

[個(gè)人展示]學(xué)生代表發(fā)言展示成果.

[強(qiáng)化練習(xí)]以小組為單位，任選一個(gè)影響因素（不能與上述因素重復(fù)），設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（實(shí)驗(yàn)用品同上）.（填入表3）

你驗(yàn)證的猜想是：________.

[個(gè)人展示]學(xué)生代表發(fā)言展示成果.

[講解]探究影響金屬和酸反應(yīng)速率的因素活動(dòng)中，有多種影響因素，為了研究一種因素，必須控制其他因素不變.

[思考與分析]根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果，總結(jié)影響金屬與酸反應(yīng)劇烈程度的因素.

[方法與歸納]老師引導(dǎo)學(xué)生分析實(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，建立解決控制變量法解決問(wèn)題的一般思路和思維模型.

（1）控制變量法解決問(wèn)題的一般思路

明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模ㄌ骄繂?wèn)題）→尋找影響因素→控制其他因素（不變量）→改變研究因素（自變量）→設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案→分析影響結(jié)果（因變量）→揭示實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

（2）控制變量法解決問(wèn)題的思維模型（如圖1）

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)探究影響金屬與酸反應(yīng)速率的因素，讓學(xué)生學(xué)會(huì)應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，感受化學(xué)知識(shí)的實(shí)用性.學(xué)生在特定的情境中應(yīng)用、找到變量條件和思路，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案等，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究的樂(lè)趣.從感性到理性，從特殊到一般，歸納控制變量解決問(wèn)題的一般思路并建構(gòu)思維模型，提升復(fù)習(xí)教學(xué)的有效性.

教學(xué)活動(dòng)主題三：課堂檢測(cè)和校本作業(yè)

[課堂檢測(cè)]完成課堂練習(xí)，檢測(cè)學(xué)習(xí)成果.

1.設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，控制變量是學(xué)習(xí)化學(xué)的重要方法，下列對(duì)比實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)表4）不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡氖牵ǎ?/p>

解析本題考查控制變量設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的匹配性.設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須注意控制變量，只有一個(gè)條件不同，才能知道該條件對(duì)實(shí)驗(yàn)是否有影響.選項(xiàng)A中，溶劑（水、汽油）為自變量，溶質(zhì)（氯化鈉）為不變量，溶解性為因變量.根據(jù)氯化鈉在汽油、水呈現(xiàn)的不同現(xiàn)象說(shuō)明物質(zhì)的溶解性與溶劑種類(lèi)有關(guān)，故可達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?選項(xiàng)B中，涉及燃燒條件探究實(shí)驗(yàn).通過(guò)銅片上的白磷和紅磷的對(duì)比，說(shuō)明燃燒與可燃物的著火點(diǎn)有關(guān);通過(guò)銅片上的白磷和熱水中的白磷對(duì)比，說(shuō)明燃燒需要氧氣，故可以到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?選項(xiàng)C中，一段時(shí)間觀察試管①中的鐵釘明顯銹蝕，①試管中既提供了空氣，也提供了水，②試管內(nèi)鐵釘不生銹，試管內(nèi)只提供水，可以得出鐵生銹需要和氧氣接觸，還要增加一個(gè)有水和無(wú)水的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，方能探究出鐵生銹是否需要有水，故無(wú)法達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)?選項(xiàng)D中，二氧化碳和與水、氫氧化鈉都反應(yīng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比塑料瓶變癟程度說(shuō)明二氧化碳能夠和氫氧化鈉反應(yīng)，故可達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?答案：C.

2.探究H2O2分解的影響因素

（1）王老師使用壓強(qiáng)傳感器等設(shè)備，檢測(cè)不同溫度下H2O2分解時(shí)氣體壓強(qiáng)的變化.經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等，獲得壓強(qiáng)—時(shí)間的曲線變化（如圖2）.由此可知，其它條件一定時(shí)，溫度越高，H2O2的分解速率

（填“越快”、“越慢”或“不變”）;

（2）請(qǐng)你設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，探究濃度對(duì)H2O2分解速率的影響（寫(xiě)出簡(jiǎn)要實(shí)驗(yàn)步驟）__.

解析本題中（1）考查根據(jù)曲線信息分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.（2）考查根據(jù)探究實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案.（1）本實(shí)驗(yàn)中H2O2的分解速率可用氣體壓強(qiáng)來(lái)表征，分解時(shí)的氣體壓強(qiáng)越大，H2O2的分解速率越快.由于溫度是自變量，氣體壓強(qiáng)是因變量.根據(jù)反應(yīng)速率圖像可知，其它條件一定時(shí)，溫度越高，分解時(shí)氣體壓強(qiáng)越大，H2O2的分解速率越快;（2）探究濃度對(duì)H2O2分解速率的影響時(shí)，H2O2溶液的濃度是自變量，其他條件（如二氧化錳用量、H2O2溶液體積、試管規(guī)格和溶液溫度等）必須保持不變，產(chǎn)生氣體的快慢為因變量.故實(shí)驗(yàn)方案為在兩支規(guī)格相同的試管中分別加入10mL5%和10%的H2O2溶液，同時(shí)分別加入少量等量的二氧化錳，觀察兩支試管中產(chǎn)生氣體的快慢.答案：（1）越快（2）在兩支規(guī)格相同的試管中分別加入10mL5%和10%的H2O2溶液.

[展臺(tái)投影]投影學(xué)生的作業(yè)，紅筆批改.

[課堂小結(jié)]學(xué)完本節(jié)課，談?wù)勀愕氖斋@？

[校本作業(yè)]1.（福建2018年中考）某研究小組對(duì)H2O2溶液制取氧氣進(jìn)行如下探究2.

實(shí)驗(yàn)一氧氣制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

（1）（題目略）

實(shí)驗(yàn)二探究H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液pH、溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響

（2）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案（表5）

①實(shí)驗(yàn)1～3的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖莀;②a=___，b=___.

實(shí)驗(yàn)三探究制取氧氣的適宜催化劑

（3）實(shí)驗(yàn)方案如下：

Ⅰ.用MnO2、CuO、Fe2O3、Cr2O3四種催化劑分別與海藻酸鈉溶液混合，滴入CaCl2溶液制成含等質(zhì)量催化劑、大小相同的海藻酸鈉微球，備用.

Ⅱ.取30粒含MnO2的海藻酸鈉微球，采用（圖3）實(shí)驗(yàn)裝置.改用其他三種微球，分別重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，得到錐形瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)隨時(shí)間變化曲線圖（圖4）.

①每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，海藻酸鈉微球數(shù)應(yīng)相同的原因___.

②用含MnO2的海藻酸鈉微球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，60s時(shí)壓強(qiáng)瞬間回落，其原因是___.

③從實(shí)驗(yàn)曲線看，催化效果較好、反應(yīng)溫和的催化劑是___.

答案：（1）（略）.

（2）①探究溶液的pH對(duì)反應(yīng)速率的影響.②a=30，b=30或a=15，b=20（提示：對(duì)實(shí)驗(yàn)4、5進(jìn)行對(duì)比，分情況討論.若H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為變量，則a=30，b=30;若溫度為變量，則a=15，b=20）.

（3）①確保催化劑用量一致.②產(chǎn)氣速率過(guò)快，導(dǎo)致氣壓過(guò)大，橡膠塞被彈出（提示：由壓強(qiáng)瞬間回落得出裝置內(nèi)、外壓強(qiáng)趨于一致，即橡膠塞被彈出）.③CuO（提示：從實(shí)驗(yàn)曲線看，MnO2作催化劑產(chǎn)氣速率過(guò)快，反應(yīng)劇烈！;其余三種催化劑相比，CuO的產(chǎn)氣速率最快，所以催化效果較好、反應(yīng)溫和的催化劑是CuO）.

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生建立解決控制變量法解決化學(xué)問(wèn)題的一般思路和思維模型后，通過(guò)課堂檢測(cè)和校本作業(yè)鞏固學(xué)習(xí)成果.習(xí)題源于教材但高于教材，聚焦化學(xué)學(xué)科思想方法，考查學(xué)科關(guān)鍵能力.

參考文獻(xiàn)：

[1]洪茲田，陳女婷.“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[J].中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，2018，28（04）：50—52.

[2]洪茲田，陳女婷，蔡輝舞.聚焦關(guān)鍵能力培育創(chuàng)新核心素養(yǎng)考查——2018年福建中考化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究題評(píng)析和教學(xué)啟示[J].教育與裝備研究，2018，34（12）：79—83.