“控制變量法”的難點分析及教學策略

楊建峰

摘要：實驗探究是初中《科學》教材中重要內(nèi)容之一，也是學習和研究科學的重要方法，而“控制變量法”又是實驗探究中的重要實驗方法。根據(jù)“教材要求學生達到的水平狀態(tài)與學生學習該知識時原有知識水平狀態(tài)之間的差異”大小作為確定教學難點的依據(jù)，本文認為“確定研究對象、區(qū)分實驗組和對照組、精心設計和改進實驗方案、指出實驗中不足之處”是“控制變量法”的教學難點。筆者結合十多年科學教學實踐提出突破這些難點的相應教學策略。

關鍵詞：控制變量法;研究對象;實驗組;對照組

一、問題疊出——“控制變量法”的研究緣起

首先來分析下杭州近5年中考科學試題中“實驗探究題”分數(shù)占總分百分比的情況，見表1：

從上表數(shù)據(jù)分析不難看出“實驗探究”所占的比例都較大，約在22%和27%之間變化。這說明實驗探究題已成為科學中考試卷中的一個重要板塊，并且“實驗探究”題具有分值高、得分率低的特點。而“控制變量法”又是實驗探究類試題的主要內(nèi)容，它不僅在“實驗探究”題有充分“展示”，而且在選擇題和填空題中也時有它的影子。因此，分析“控制變量法”的難點，研究突破這一難點的教學策略，對于提高教師的專業(yè)水平和科學教學質(zhì)量具有十分重要的現(xiàn)實意義。

我們知道，學習和研究科學和方法有很多，如控制變量法、轉換法、類比法、模型法、等效替代法、實驗推理法等，但最重要的方法是觀察和實驗。而其中“控制變量法”是學習和研究自然現(xiàn)象，探究并掌握事物發(fā)生、發(fā)展和變化規(guī)律比較有效的實驗探究方法之一。理解和掌握控制變量法不僅對學生順利建立科學概念、探究科學規(guī)律和完成科學實驗是有十分有益的，而且還對實施以“培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力”為核心的素質(zhì)教育具有重要的實踐意義。

二、運籌帷幄——“控制變量法”的難點分析

1.確定教學難點的依據(jù)

所謂教學難點，就是教材要求學生達到的水平狀態(tài)與學生學習該知識時原有知識水平狀態(tài)之間的差異，如果這個差異較大，則為教學難點。如“控制變量法”是一個全新的概念，在學生原有知識結構中“變量”就是一個不斷變化的因素;而在“控制變量法”中又出現(xiàn)一個“控制×××保持不變”，從“變量”到“不變”增大了學生認知差異，所以就成為學習“控制變量法”的難點了。

2.教學難點分析

用通俗的教學語言來定義，“控制變量法”的實質(zhì)就是“研究對象（某一個變量）一定不同，其它因素（變量）都要控制相同（不變）”。由于多數(shù)學生處于“家庭、學校二點一線”的生活狀態(tài)，遠離實際勞動生活和社會實踐活動，嚴重缺少對事物的感知。基于這樣的分析和學生在學習“控制變量法”實踐中所表現(xiàn)出來的問題，主要有以下幾個難點：

（1）確定“研究對象”。探究性實驗往往在“提出問題”環(huán)節(jié)中就隱藏著“研究對象”。如“探究光照對種子萌發(fā)率是否有影響？”、“研究電流與電阻有什么關系？”、“探究溫度對液體蒸發(fā)快慢是否有影響”等等。其中“研究電流與電阻有什么關系？”這一問題中同時出現(xiàn)了“電流”和“電阻”兩個變量，學生就難以確定其中哪個變量（因素）是我們所解決問題中的“研究對象”。

（2）區(qū)分“實驗組”還是“對照組”。在“探究性實驗”中一般要出現(xiàn)兩組或兩組以上的實驗，這就給學生增加的辨別誰是實驗組（或是對照組）的難度。

（3）根據(jù)實驗要求合理設計（或改進）實驗方案。“設計（或改進）實驗方案”對于學生是一個“未知領域”，如何下手？方案的基本結構是什么？撰寫方案的基本要求是什么？對此，學生全然不知。

（4）根據(jù)所實驗探究中的信息“指出實驗中的不足之處”或“對該實驗提出的改進意見”。學生對實驗方案還屬于“未知領域”，更何況要“修改”！

三、暗香浮動——突破“控制變量法”難點的教學策略

策略一：確定“研究對象”

由于“研究對象”隱藏在試題的“提出問題（或假設）”中，那么我們就要從試題（或問題）本身著手尋找突破口。首先，必須讓學生明確，研究對象實質(zhì)上就是影響實驗結果的某個因素或變量。其次，我們對試題中提出問題（或假設）的表述進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)不外乎兩種情況：第一種情況是前后兩變量之間用“連詞”——跟、與、和。如“研究滑動摩擦力與壓力的關系”、“探究物體的動能和質(zhì)量的關系”、“研究液體壓強跟液體深度的關系”。這類問題文字表述方式中的“研究對象”就是連詞后面的變量！這樣的教學語言對學生來說既降低了難度.又貼近學生生活，在考試審題時就有思考的“方向”和線索了。如上述三個問題中“壓力、質(zhì)量和液體深度”就是對應的研究對象。第二種情況是問題文字表述中的兩變量中間不是用“連詞”——跟、與、和，而是有個“對”字。如“探究溫度對液體蒸發(fā)快慢是否有影響”，那么這一類問題的研究對象就是“對”字前面的變量或因素（溫度）了。

[例1]（2016嘉興）某同學為探究電流通過導體產(chǎn)生熱量的多少跟電阻的關系，設計如下電路圖，其中正確的是（）

分析：首先，這是一道考查“控制變量法”的試題;其次，根據(jù)連詞“跟”后面的變量，確定研究對象是“電阻”;第三，根據(jù)Q=I2Rt可知，該電路圖中一定體現(xiàn)“電流和通電時間保持不變”和“電阻不同”這一“控制變量法”的本質(zhì)特征，就比較容易選出正確答案是B。在實際教學中，我們還可以對此題進行改造（創(chuàng)新），增加“給你三個電阻5Ω，10Ω，10Ω，請低從中選擇兩電阻……”這個條件，對于學生在“研究對象一定不同”這一點上就增加的難度，思維更有開放性.如果有的學生選用兩只10Ω電阻串聯(lián)設計電路圖，那么恰好掉入命題者設計的陷阱之中。

從上述教學策略中可以看出，把遠離學生生活的“研究對象”這個難點，轉化為融入學生生活化（接地氣）的語言——連詞：跟、與、和、對，它們是突破這一難點的關鍵所在。

策略二：區(qū)分“實驗組”和“對照組”

對照組是不需要加任何研究因素（即變量）的對象組;或在自然狀態(tài)下對研究因素不做任何處理的對象組。而實驗組是加入研究因素的對象組;或自然狀態(tài)下對研究因素進行人為處理的對象組。通過對大量“控制變量法”的探究性實驗考題的分析發(fā)現(xiàn)，對照組一般具有明顯的“自然”屬性，而實驗組又具有“人為”的特點。在實驗探究教學中教師要重視引導學生根據(jù)“自然”和“人為”這兩個特征，正確區(qū)分實驗組還是對照組。如“螞蟻在尋找食物的過程中，頭部的觸角像天線似的自由轉動，螞蟻觸角的運動有什么意義。請你設計實驗方案證明觸角在螞蟻尋找食物過程中的作用。設置兩組：甲組為保留觸角的螞蟻，乙組為剪去觸角的螞蟻。自然狀態(tài)下對研究的因素—觸角進行處理（人為剪除）的乙組為實驗組;自然狀態(tài)下對研究因素—觸角不進行處理（剪除）的甲組為對照組”。

[例2]（2015臺州）如下圖是小柯探究種子呼吸作用的實驗裝置。（1）實驗前用手握住裝置乙的試管外壁，觀察紅色水滴是否移動。這是為了檢驗裝置的;設置乙裝置的目的是。

分析：從實驗裝置中可以看出，除了種子是否死活這一變量不同外，其它因素都相同，因此甲是自然條件下的“對照組”，而乙是人為“煮熟”條件的實驗組。所以第1空是“氣密性”;第2空是“形成對照”。

[例3]（2017寧波）過度肥胖有損健康，有人建議喝綠茶減肥，因為綠茶中含有茶多酚。茶多酚真的有減肥作用嗎？小科用小白鼠對此展開探究。

[提出假設]茶多酚對小白鼠營養(yǎng)性肥胖具有減肥作用。

[實驗步驟]

（1）分組：質(zhì)量為20g左右的同齡幼年雄性小白鼠30只，隨機平均分成A、B、C三組，分別養(yǎng)殖在相同適宜環(huán)境中。

（2）喂養(yǎng)和灌胃：每天定時給各組小白鼠喂養(yǎng)等量適量飼料，并在晚上8時進行灌胃，具體見表2。（備注：灌胃是動物實驗中常見的給藥方式）

第46-90天，A、C兩組實驗__________形成對照。（選填“可以”或“不可以‘）

在“第46-90天”內(nèi)，由于C組內(nèi)灌胃液體是“茶多酚”，而“茶多酚”絕非自然狀態(tài)的胃液成分，因此，C組中的“茶多酚”的人為所致，所以C組中實驗組，A組是對照組，可以形成對照。

因此，根據(jù)實驗中的“自然”屬性和“人為”特征來區(qū)分實驗組和對照組，是突破這一難點的有效策略。

策略三：精心設計和改進實驗方案

通過對歷年科學中考試題的分析研究可以發(fā)現(xiàn)，要求完成實驗方案（原理）的實驗探究題比較多。這對學生來說如同寫“作文”，心里比較懼怕，不知從何下手。為了解決這一問題，能否給學生一定類似“公式”一樣東西，做到“有章可循”。因此，建議對于定量類的探究實驗，在設計實驗方案時，既要按①②③…分步寫（考慮閱卷時有利于分步給分），又要在每個步驟后書寫表示所測量變量的字母，這是重要的解題經(jīng)驗;如果是定性類實驗，則不需書寫字母。

[例4]現(xiàn)有一只彈簧秤，一只燒杯（內(nèi)有水）和一根細線，不用量筒，如何測出小石塊的密度，請寫出實驗方案和石塊密度的表達式。

解：（1）實驗步驟：①用細線系住小石塊，掛在彈簧秤下;②記下石塊靜止在空氣中時彈簧秤的示數(shù)F1;③將石塊慢慢浸入水中，直至全部浸沒，記下彈簧秤的示數(shù)F2。

ρ石=F1·ρ水/（F1-F2）

注意，解決“表達式”這類問題，一定要注意等號右側只能出現(xiàn)測量值字母（已知量）和常數(shù)字母。所以，在書寫步驟時就必須附上表示測量值的字母，以便回答表達式之方便。

下面我們再來看一個后綴不需要加“字母”的“定性實驗步驟”試題：

[例5]（2016杭州）“現(xiàn)有一個電壓表、若干導線、兩節(jié)干電池和一個開關。請你設計一個實驗來判斷兩段材料不同，長度、橫截面積都相同的甲、乙兩根合金絲電阻的大小。（2）說明實驗的步驟以及需要測量的物理量?！币灿蓄愃埔?。讓我們看看這3分是如何分步給的？

答：合理的實驗步驟應該是：

①按照電路圖，把兩根合金絲與兩節(jié)干電池、開關、導線連成串聯(lián)電路。（1分）

②用電壓表分別測出甲乙合金絲兩端的電壓分別為：U甲和U乙（1分）

③因為串聯(lián)電路電流處處相等。根據(jù)歐姆定律，電阻大的合金絲，它兩端的電壓也就大。（1分）

從上面給分標準可以看出，實驗步驟分①②③…書寫的重要意義就是的利于“分步計分”的評分原則。在相同答題情況下，分步回答時只要有一步答對，就可以獲得相應的分數(shù)，否則就會少得分。因此，分步書寫實驗步驟就是值得借鑒的教學策略。

策略四：指出實驗中不足之處

筆者通過對近十年中考“實驗探究”類試題的統(tǒng)計分析，一般有4個思考方向：

（1）是否缺少對照組。浙江中考的實驗探究題中經(jīng)?？疾鞂φ战M的判斷和設計對照組，需要我們?nèi)ブ匾?。比如?/p>

[例6]根據(jù)下面探究實驗表格中步驟、項目和數(shù)據(jù)請回答：

實驗中的研究對象（變量）是;指出該實驗中的明顯不足之處是。

分析：

① 題目“對”字前面是“PH值”，所以研究對象（變量）是PH值;

② 根據(jù)“控制變量法”。我們可知，除了研究對象不同，其他因素（變量）都要控制相同，所以最明顯的不足之處是“缺少pH=7的對照組”。

當然還有“當用碘液檢驗實驗結果，只能說明淀粉是否分解，不知道分解程度”和“在步驟123時，淀粉已開始分解，因為酶具有高效性，實驗研究PH值對酶活性的影響，應先將各自溶液在所控制的酸堿條件下處理一段時間”也是本實驗中的不足之處。

（2）有無控制單一變量。控制變量法本質(zhì)就是只允許一個因素（變量），不同，而其他因素（變量）都要控制相同。所以如果實驗中有兩個或兩以上因素不同，都屬于“沒有控制單一變量”這一實驗錯誤。

[例7]（2016紹興）控制變量是一種常用的科學方法，下列實驗中變量控制不合理的是（）

A.研究影響電磁鐵磁性強弱的因素 B.研究壓力效果的相關因素

C.研究摩擦力的相關因素 D.研究種子的呼吸作用

分析：這就是典型是考查控制變量法中“有無控制單一變量”的考題。A圖只線圈匝數(shù)不同，是探究電磁鐵磁性強弱與線圈匝數(shù)的關系，是正確的;B圖中既有壓力不同，又有受力面積不同，實驗中同時有兩個變量，不符合控制變量法中要“控制單一變量”的原則，所以錯誤;C圖只有受力面積一個變量，可以探究摩擦力大小與受力面積的關系，正確;D;就辦有種子是否活的一個變量，其他因素相同，正確。所以本題正確答案是B。

其實，類似問題在中考試卷中屢屢出現(xiàn)，是命題者運用“兩個或多個變量”來干擾學生思考問題。

（3）是否有足夠?qū)嶒灅颖?。我們知道有些實驗如果取樣太少，那么其實驗結果就有一定的偶然性，不具有普遍性。所以，實驗時要取足量的實驗樣本進行實驗，就能增加實驗結果的可靠性。

[例8]（2014杭州）為了探究環(huán)境溫度對菜豆種子萌發(fā)的影響，小金同學設計了如下實驗：①選用籽粒飽滿、均勻一致的菜豆種子60粒，將種子隨機平均分成3組，分別放入三個墊有二層濕濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)。②用記號筆在每個培養(yǎng)皿上做好標記（如圖所示），然后將三個培養(yǎng)皿分別放到4℃、25℃、40℃的培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)7天。③……。請回答下列問題：

（5）有同學說上述實驗材料過于浪費，每個培養(yǎng)皿只需要放一粒菜豆種子就可以了。你是否同意這個說法并說明理由__________________。

分析：否;1粒種子具有偶然性，實驗結果不可靠.

（4）有無重復實驗。有些實驗，單憑一次實驗提出的結論往往可靠，因為它具有一定的偶然性。如“串聯(lián)電路中電流處處相等”這一結論，必須在相等電阻和不等電阻，還有不同電壓多種情況下重復實驗，并記錄實驗數(shù)據(jù)，然后再經(jīng)過統(tǒng)計分析方能得出可靠結論。否則就會被“相等電阻并聯(lián)時電流也相等”這一特例干擾正確結論，或者“兩電阻中的電流相等，則一定串聯(lián)”的錯誤認識。其實，光的反射定律的“反射角=入射角”，折射規(guī)律中“當光從空氣斜射入水或別的透明物質(zhì)里時，折射角小于入射角”，凸透鏡成像規(guī)律中“當u>2f時，成倒立縮小實像”，杠桿平衡條件等等，都是在一定條件下“重復實驗”才能得到的結論。

[例9]在研究通過導體的電流與兩端電壓關系的活動中，同學們進行了如下實驗探究.

[實驗步驟]

①按圖甲所示電路圖連接好電路;

②閉合開關，改變滑動變阻器滑片P的位置，讀出電壓表和電流表的示數(shù)，并記錄數(shù)據(jù);

③對數(shù)據(jù)進行處理，并繪制成如圖乙所示的圖象

[實驗反思]某小組的同學在處理數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，根據(jù)一組數(shù)據(jù)計算電壓與電流的比值恰好等于R的阻值，于是就得出“電阻一定時，電流與電壓成正比”的結論。你認為這個結論可靠嗎？同學想利用其他小組的實驗數(shù)據(jù)來進一步論證，并提出了以下兩種收集數(shù)據(jù)的方案;

方案一：收集電阻值均為10Ω的幾個小組的數(shù)據(jù);

方案二：收集電阻值不同的幾個小組的數(shù)據(jù)。

你認為方案____更合理。

分析：方案一不合理！因為一次實驗結果具有偶然性，要得到具有普遍性的可靠實驗結論，還必須采取方案二重復實驗。

四、滿載而歸——收獲與反思

筆者經(jīng)過5年的實踐運用并且對進行訓練的班級學生在期中和期末考試中實驗探究題得分率進行了的統(tǒng)計（見表3）。

綜上所述，經(jīng)過筆者的教學實踐證明，教師正確指導學生合理運用這四個方面的策略去思考問題，學生頭腦中掌握了突破“控制變量法”難點的策略，在審題時依據(jù)策略逐個審核試題所提供的信息中有無匹配的信息從而提高實驗探究題的解題效果。同時有利于培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力從而提高學生的科學素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]李子明等“中考探究實驗試題的走向與策略”《教育實踐與研究（B）》2015

[2]互聯(lián)網(wǎng)文檔資源“怎樣區(qū)分‘對照組和‘實驗組”2015.（http：//www.360doc.com/content/10/1125/12/3771619_ 72282866.shtml）

[3]陳蒼鵬“例析中考實驗試題編制的命題思想——以2016年浙江省各地中考物理試題為例”《物理教學探討》2017

[4]謝文棟“中學生物學實驗探究教學法實施的研究”《生物學教學》2007

[5]洪盼盼“初中科學學業(yè)評價與課程標準一致性研究”《江西師范大學碩士論文》2018