巧設(shè)探究實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)控制變量思維

林健苗

【摘 要】本文以H2O2分解速率影響因素的探究實(shí)驗(yàn)為例，闡述了如何引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與到實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、交流研討、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、結(jié)果分析等活動(dòng)，幫助學(xué)生建立起控制變量思想的核心概念，充分體驗(yàn)控制變量法在實(shí)驗(yàn)操作中的運(yùn)用，并靈活運(yùn)用控制變量思維分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】控制變量；實(shí)驗(yàn)探究

【中圖分類號(hào)】G633.8 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】2095-3089（2019）13-0284-01

一、問(wèn)題的提出

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，科學(xué)探究是實(shí)驗(yàn)的根本?！痘瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》2017年版明確指出：科學(xué)探究過(guò)程包括提出問(wèn)題和假設(shè)、設(shè)計(jì)方案、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、獲取證據(jù)、分析解釋或建構(gòu)模型、形成結(jié)論及交流評(píng)價(jià)等核心要素[1]。控制變量法是人們進(jìn)行科學(xué)探究、解決問(wèn)題的重要手段和方法，是學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究中必須掌握的基本技能。化學(xué)教材的實(shí)驗(yàn)幾乎都滲透了控制變量的思想。面對(duì)眾多的影響因素，控制變量的思維與運(yùn)用能力會(huì)直接影響學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解、操作，因此，教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生控制變量的思維非常重要。

但在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，有很多學(xué)生仍缺乏控制變量的思維，不會(huì)運(yùn)用控制變量法來(lái)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。例如，有這樣一道實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題：

H2O2是一種綠色氧化還原試劑，在化學(xué)研究中應(yīng)用廣泛。某小組擬在同濃度Fe3+的催化下，探究H2O2濃度對(duì)H2O2分解反應(yīng)速率的影響。限選試劑與儀器：30%H2O2、0.1mol·L-1Fe2（SO4）3、蒸餾水，參照下表格式，擬定實(shí)驗(yàn)表格，完整體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)方案（列出所選試劑體積、需記錄的待測(cè)物理量和所擬定的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)用字母表示）。

這是2014年的廣東高考題節(jié)選，要求學(xué)生根據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，考查的是學(xué)生的實(shí)驗(yàn)分析和設(shè)計(jì)能力，控制變量思維在這里得到充分的體現(xiàn)。

作為高二學(xué)生的測(cè)試題，大部分的學(xué)生完成情況不理想，很多學(xué)生不能完整地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。主要存在問(wèn)題有：（1）不知道怎樣改變H2O2濃度。（2）不知道還要控制其它變量，如催化劑Fe2（SO4）3的濃度，收集氧氣的體積或時(shí)間等。（3）蒸餾水有什么作用？出現(xiàn)以上問(wèn)題的原因是學(xué)生只有控制變量的意識(shí)，卻沒(méi)有控制變量的思維，在實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用起來(lái)自然是錯(cuò)漏百出。

二、什么是控制變量法

控制變量法就是控制實(shí)驗(yàn)條件的方法，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，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)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，然后分別研究其他因素，最后綜合解決實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題。它是科學(xué)探究的重要思維方法，廣泛運(yùn)用在各種科學(xué)探索和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中[2]。

控制變量法的運(yùn)用首先需要明確探究的對(duì)象（因變量）和可能的影響因素（自變量）這兩個(gè)要件，確立探究對(duì)象相對(duì)容易！一般就在探究的課題中，但確立其它可能影響探究對(duì)象的因素（控制變量）就較有難度，這也是運(yùn)用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的關(guān)鍵所在！

三、怎樣培養(yǎng)控制變量思維

怎樣培養(yǎng)控制變量思維？一些老師為了節(jié)省時(shí)間，在教學(xué)過(guò)程中仍然停留在教實(shí)驗(yàn)題和練實(shí)驗(yàn)題上，通過(guò)練習(xí)幫助學(xué)生掌握控制變量法的運(yùn)用。大量的教學(xué)實(shí)踐證明這種側(cè)重知識(shí)的訓(xùn)練而忽視了知識(shí)獲得過(guò)程的方法并不能起很好的效果。授人以魚(yú)不如授人以漁！筆者認(rèn)為通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助學(xué)生建立控制變量的思維；讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中理解控制變量的概念，學(xué)會(huì)運(yùn)用控制變量思維分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，才是較好的途徑。

下面以探究H2O2分解速率影響因素的實(shí)驗(yàn)為例，談?wù)勅绾卧趯?shí)驗(yàn)探究中引領(lǐng)學(xué)生對(duì)控制變量法基本概念的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，并把握控制變量法在實(shí)驗(yàn)探究中的運(yùn)用。

例題：探究H2O2分解速率的影響因素，反應(yīng)原理：2H2O2=2H2O+O2↑，提供試劑：30%H2O2、0.1mol·L-1 FeCl3溶液、0.1 mol·L-1CuSO4溶液、蒸餾水，其他物品任選。

任務(wù)1：根據(jù)表格完成以下探究實(shí)驗(yàn)（1）探究不同催化劑FeCl3溶液、CuSO4溶液對(duì)H2O2分解速率的影響。（2）探究有無(wú)FeCl3溶液作催化劑對(duì)H2O2分解速率的影響。

學(xué)生活動(dòng)1.1、填寫并交流實(shí)驗(yàn)方案。

同學(xué)們先了解自變量、因變量和控制變量的概念，再根據(jù)對(duì)概念的理解并結(jié)合該實(shí)驗(yàn)要求，填寫表格中的自變量和因變量，明確需要控制的變量，并交流方案。

學(xué)生活動(dòng)1.2、實(shí)施實(shí)驗(yàn)，觀察現(xiàn)象，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)（收集相同體積的氣體所需要的時(shí)間）。

學(xué)生活動(dòng)1.3、處理數(shù)據(jù)，對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

探究實(shí)驗(yàn)（1）：同學(xué)們得出的結(jié)論是：其它條件相同，用FeCl3作催化劑比用CuSO4對(duì)H2O2的分解速率影響要更大一些。但在具體實(shí)驗(yàn)操作中同學(xué)們所測(cè)得的速率各不相同，數(shù)據(jù)上的差異讓學(xué)生意識(shí)到H2O2的濃度和催化劑的濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率都有影響，探究（1）的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中必須控制H2O2的濃度、催化劑的濃度相同，經(jīng)過(guò)交流和實(shí)驗(yàn)實(shí)施，同學(xué)們得出了必須保持溶液總體積一定和各試劑用量一定的結(jié)論。探究實(shí)驗(yàn)（2）：同學(xué)們得出的結(jié)論是：有FeCl3作催化劑比不加催化劑對(duì)H2O2的分解速率影響要大得多，有了探究（1）的基礎(chǔ)，大部分同學(xué)都明白了不加催化劑的對(duì)比實(shí)驗(yàn)應(yīng)加蒸餾水來(lái)調(diào)節(jié)溶液總體積一致，以達(dá)到H2O2濃度一致的目的，從而充分認(rèn)識(shí)了蒸餾水對(duì)調(diào)整反應(yīng)物濃度所起的重大作用。

簡(jiǎn)單的探究任務(wù)讓學(xué)生初步理解了控制變量法中的自變量和因變量究竟是什么，對(duì)需要控制的變量及如何控制變量有了一定的認(rèn)識(shí)。

任務(wù)2：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，探究用0.1mol·L-1 FeCl3作催化劑，不同反應(yīng)物濃度對(duì)H2O2分解速率的影響。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并按照方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生活動(dòng)2.1、設(shè)計(jì)、討論、交流實(shí)驗(yàn)方案。

同學(xué)們根據(jù)對(duì)控制變量法的認(rèn)識(shí)和理解及上述實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案，如下表：

絕大多數(shù)同學(xué)能很快明確了自變量（H2O2的濃度）、因變量（H2O2分解速率），對(duì)需要控制的變量（溫度、催化劑的濃度）也十分清晰。

學(xué)生活動(dòng)2.2、實(shí)施實(shí)驗(yàn)，觀察現(xiàn)象，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)（收集相同體積的氣體所需要的時(shí)間）。

學(xué)生活動(dòng)2.3、處理數(shù)據(jù)，對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中怎樣實(shí)現(xiàn)不同反應(yīng)物濃度？同學(xué)們有不同的操作，操作一：先在試管1和試管2中分別加入30%的 H2O2各5ml，再在試管1中加入蒸餾水5ml，最后分別在兩試管中各加入0.1 mol·L-1 FeCl3溶液1ml。操作二：先在試管1和試管2中分別加入30%的 H2O25ml和10ml，再分別加入0.1 mol·L-1 FeCl3溶液1ml，最后在試管1中加蒸餾水5ml；操作三：先在試管1加入30%的 H2O25ml，蒸餾水5ml，試管2中加入30%的 H2O210ml，最后分別在兩試管中各加入0.1mol·L-1 FeCl3溶液1ml。三種不同的實(shí)驗(yàn)操作導(dǎo)致了不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果，哪種操作才能體現(xiàn)出控制自變量是唯一的變量？經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，討論交流，同學(xué)們明白了：操作一是誤將H2O2的起始濃度當(dāng)作是反應(yīng)時(shí)的濃度；操作二沒(méi)有注意加試劑的先后順序，不能體現(xiàn)出反應(yīng)物的濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。操作三體現(xiàn)出自變量（H2O2的濃度）是唯一變量。

此探究任務(wù)沒(méi)有直接給出實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)試劑中也沒(méi)有直接給出不同濃度的H2O2，而是利用蒸餾水調(diào)節(jié)來(lái)獲得不同濃度H2O2后進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)操作的不同、認(rèn)知上的沖突促使了同學(xué)們思考、交流，從而加深了對(duì)控制變量概念的理解。

任務(wù)3：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，探究催化劑、反應(yīng)物濃度、溫度對(duì)H2O2分解速率的影響。

學(xué)生活動(dòng)3.1、設(shè)計(jì)、研討實(shí)驗(yàn)方案。

有了前面實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)，同學(xué)們的思路逐漸清晰，已基本具備了控制變量的思維，經(jīng)過(guò)交流研討，同學(xué)們得出了實(shí)驗(yàn)探究方案，如下表：

學(xué)生活動(dòng)3.2、實(shí)施實(shí)驗(yàn)，觀察現(xiàn)象，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)（收集相同體積的氣體所需要的時(shí)間）。

學(xué)生活動(dòng)3.3、處理數(shù)據(jù)，對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

該實(shí)驗(yàn)探究多因素對(duì)H2O2分解速率的影響，融合了前面的探究?jī)?nèi)容，目的是讓同學(xué)們?cè)诿鎸?duì)眾多影響因素時(shí)保持清晰的控制變量的思維，不至于手忙腳亂、顧此失彼。實(shí)施結(jié)果表明這對(duì)提升學(xué)生的控制變量思維是很有好處的。至此，探究實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)實(shí)施對(duì)學(xué)生而言已不如當(dāng)初困難，說(shuō)明已經(jīng)有了控制變量的思維方法和實(shí)驗(yàn)探究的經(jīng)驗(yàn)。將探究H2O2分解速率的影響因素這一實(shí)驗(yàn)分解成多個(gè)探究任務(wù)，從單一因素到多個(gè)因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，逐步提升了學(xué)生的控制變量思維能力。

四、課后反思

對(duì)于課本的實(shí)驗(yàn)，若老師們對(duì)其內(nèi)容所承載的實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能和價(jià)值挖掘不深，或演示、或分組， 按照要求按步就班地進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，會(huì)使學(xué)生的思維空間狹小甚至固化，失去實(shí)驗(yàn)的意義和價(jià)值，本課把選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》第二章的實(shí)驗(yàn)2-1及P23科學(xué)實(shí)驗(yàn)巧妙設(shè)計(jì)成探究實(shí)驗(yàn)，從簡(jiǎn)到繁，從單一到綜合，讓同學(xué)們從實(shí)驗(yàn)探究的科學(xué)角度理解實(shí)驗(yàn)思想，逐步掌握控制變量法的精髓——確立探究對(duì)象、把握“自變量唯一性”的原則。該設(shè)計(jì)幫助學(xué)生建立起控制變量的核心概念，培養(yǎng)控制變量思維，并使其了解了控制變量法在科學(xué)探究中的重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1]《化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，2017年版.

[2]張秀球.“控制變量法”與高考化學(xué)試題命制[J].中國(guó)考試，2013，9：48-56.