通過預(yù)設(shè)和糾正錯(cuò)誤示范培養(yǎng)“變量控制”科學(xué)方法

陳秀榮

江蘇省豐縣中學(xué)(221700)

“變量控制”是一種重要的科學(xué)方法,《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》明確把“能運(yùn)用變量控制的方法探究并確定合適的反應(yīng)條件”作為高中學(xué)生學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的要求[1],人教版化學(xué)必修第二冊(cè)教材在顯眼位置以“方法引導(dǎo)”欄目專門介紹變量控制方法。同時(shí),變量控制作為設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)的常用方法,貫穿學(xué)生整個(gè)化學(xué)學(xué)習(xí)過程,也是科學(xué)探究的核心能力[2]。

但在實(shí)際教學(xué)中,學(xué)生對(duì)變量控制方法的學(xué)習(xí)主要是在教師的明確指引下進(jìn)行的,缺少獨(dú)立的設(shè)計(jì),尤其難以識(shí)別可能存在的“未控制”變量導(dǎo)致結(jié)果不可靠的情況[3]。為了強(qiáng)化控制變量科學(xué)方法的培養(yǎng),本文提出可以預(yù)設(shè)錯(cuò)誤的(未控制變量的)實(shí)驗(yàn)示范,引導(dǎo)學(xué)生尋找其中未被控制的額外變量,并重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行糾正。

1 初識(shí)方法:感受變量控制的價(jià)值

人教版教材中第一次專門介紹變量控制的方法,是在必修第二冊(cè)“化學(xué)反應(yīng)的速率與限度”一節(jié)的“方法引導(dǎo)”部分。在常規(guī)的教學(xué)設(shè)計(jì)中,教師一般會(huì)先介紹變量控制的方法,再應(yīng)用這個(gè)方法設(shè)計(jì)“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”探究實(shí)驗(yàn)來體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的控制變量思想。但是,這樣的“順序”設(shè)計(jì)不容易讓學(xué)生感受到控制變量方法的必要性和價(jià)值,因此本文提出一種“倒序”的教學(xué)設(shè)計(jì)。

教師進(jìn)行如下演示實(shí)驗(yàn),在試管中倒入5 mL 10% H2O2溶液,然后滴加2滴10% CuSO4溶液,發(fā)現(xiàn)溶液中緩慢地形成一個(gè)個(gè)的小氣泡,說明此時(shí)反應(yīng)速率較慢。過1～2 min后,教師往原試管中繼續(xù)滴加2滴10% FeCl3溶液,溶液中快速冒出了許多氣泡,說明此時(shí)反應(yīng)速率較快。隨后,師生就實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展開討論。

教師:從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中,你發(fā)現(xiàn)什么因素影響了過氧化氫分解的速率?

學(xué)生1:催化劑種類。FeCl3比CuSO4的催化效果更好,反應(yīng)速率更快。

教師:這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以證明這一點(diǎn)嗎?

學(xué)生2:可以,因?yàn)榧覨eCl3的時(shí)候,過氧化氫已經(jīng)反應(yīng)掉一部分了,理論上反應(yīng)速率應(yīng)該更慢,但加FeCl3之后反應(yīng)速率卻變快了,可以證明FeCl3確實(shí)催化效果更好。

教師:從這個(gè)角度看,反應(yīng)物濃度這個(gè)變量雖然沒有被控制,但不影響結(jié)果的可信度。那其他方面呢,有沒有同學(xué)有不同意見?

學(xué)生3:我覺得結(jié)果不可信。因?yàn)榧覨eCl3之后,催化劑的量也改變了,也許4滴催化劑的反應(yīng)速率本來就比2滴催化劑要快。

教師:這位同學(xué)的質(zhì)疑很值得關(guān)注,因?yàn)榇呋瘎┑牧亢痛呋瘎┑姆N類都有可能導(dǎo)致反應(yīng)速率加快,在剛剛的實(shí)驗(yàn)中,這兩個(gè)變量都改變了,我們不知道反應(yīng)速率加快到底是哪個(gè)變量導(dǎo)致的,又或者是兩個(gè)變量共同作用導(dǎo)致的。除此以外,你還能找到實(shí)驗(yàn)中沒有被控制的變量嗎?

提出這個(gè)問題后,學(xué)生沉默思考,但久久沒有發(fā)言。教師播放了“鋁片與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)視頻,視頻中,鋁片與氫氧化鈉反應(yīng)初期速率緩慢,但過一會(huì)后突然劇烈反應(yīng),溶液快速沸騰,氣泡快速生成,夾雜著白霧升騰而起。學(xué)生想到,這個(gè)反應(yīng)是放熱反應(yīng),隨著溫度的不斷升高,反應(yīng)速率也不斷加快,導(dǎo)致溫度繼續(xù)升高,速率進(jìn)一步加快……聯(lián)想到剛剛的實(shí)驗(yàn),過氧化氫分解也是放熱反應(yīng),也可能出現(xiàn)類似的現(xiàn)象,即反應(yīng)放熱導(dǎo)致的溫度升高最終導(dǎo)致反應(yīng)速率加快。這樣,學(xué)生找到了原始實(shí)驗(yàn)第3個(gè)未被控制的額外變量——溫度。

通過上述的教學(xué)過程,學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)到,如果不經(jīng)過精心的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),即便得到了感覺上可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,也未必是科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。因?yàn)橛幸恍┪幢豢刂频念~外變量可能干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果,讓人無法區(qū)分究竟哪個(gè)變量才是導(dǎo)致結(jié)果發(fā)生的真正原因(又或者這些變量都是原因)。至此,教師順理成章地引出了“變量控制”的科學(xué)方法的教學(xué),并讓學(xué)生感受到這個(gè)方法的必要性和重要價(jià)值。

2 遷移方法:應(yīng)用變量控制的實(shí)踐

在學(xué)習(xí)了變量控制方法之后,教師在“化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能”的復(fù)習(xí)課上訓(xùn)練學(xué)生將控制變量方法遷移應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中(參考人教版必修二的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)6)。教師進(jìn)行預(yù)設(shè)的演示實(shí)驗(yàn)(錯(cuò)誤示范)如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)的目的是探究電極種類(銅、碳)對(duì)原電池電流的影響,在2個(gè)燒杯中放入等濃度等體積的硫酸,用2個(gè)相同的鋅片分別作為2個(gè)原電池的負(fù)極,用銅片作為第1個(gè)原電池的正極,用碳棒作為第2個(gè)原電池的正極,負(fù)極、正極均用導(dǎo)線相連并串聯(lián)電流表,比較電流表示數(shù)大小。教師在即將搭建好實(shí)驗(yàn)裝置時(shí),針對(duì)裝置是否實(shí)現(xiàn)了“變量控制”的問題展開討論。

圖1 未控制變量的探究電極種類對(duì)電流的影響的演示實(shí)驗(yàn)

教師:同學(xué)們認(rèn)為這樣的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)“變量控制”了嗎?

學(xué)生1:電解質(zhì)濃度和用量都一樣,控制了。

學(xué)生2:這里的變量很多……

教師:這個(gè)實(shí)驗(yàn)中變量確實(shí)很多,需要仔細(xì)梳理,請(qǐng)同學(xué)們填寫表1來識(shí)別變量,然后檢查額外變量是否被控制(表1中的“變量名稱”和“額外變量是否被控制”需要學(xué)生自己填寫)。

學(xué)生2:我發(fā)現(xiàn),一個(gè)是銅片,一個(gè)是碳棒,形狀不一樣,這樣2種電極與溶液的接觸面積可能是不同的。

表1 實(shí)驗(yàn)中的變量

教師:很好,你發(fā)現(xiàn)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)缺陷。同學(xué)們可以根據(jù)變量控制的方法,自己改進(jìn)實(shí)驗(yàn)嗎?(學(xué)生小組討論,形成方案。)

經(jīng)過討論,不同學(xué)生小組大致形成了2種方案。

學(xué)生方案一:測(cè)量浸入溶液的銅片的長、寬,計(jì)算其表面積;測(cè)量碳棒的直徑,計(jì)算其表面積;比較兩者的面積,如果不一致,把銅片剪成合適大小,使其表面積與碳棒一致。

學(xué)生方案二:把銅片換成與碳棒直徑相同的粗銅絲(見圖2),浸入溶液時(shí),確保與碳棒浸入深度相同。

圖2 改進(jìn)后的學(xué)生方案

教師:大家覺得哪種方案更好?

學(xué)生3:我覺得方案二更好,因?yàn)榉桨敢贿€有電極的形狀這一變量沒有被控制。平面的銅片靠近負(fù)極的那個(gè)面明顯生成的氣泡更多,另一面的氣泡很少。

經(jīng)過進(jìn)一步的討論,大家同意學(xué)生3的觀點(diǎn),最終采用方案二進(jìn)行了后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)教學(xué)過程中,學(xué)生把已學(xué)的變量控制方法應(yīng)用到批判性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方案的嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)性上,并進(jìn)一步用其設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案,這是對(duì)科學(xué)方法的遷移應(yīng)用。制的方法,久而久之可能會(huì)形成定勢(shì)思維,過分追

3 拓展方法:多因素變量控制與綜合應(yīng)用

學(xué)生在必修階段接觸的主要是單因素變量控求單因素的最優(yōu)條件,而忽略了系統(tǒng)的最優(yōu)條件。實(shí)際上,化學(xué)現(xiàn)象、化工生產(chǎn)是復(fù)雜的,存在許多自變量都能導(dǎo)致因變量(結(jié)果)的變化,要兼顧全局,考慮最優(yōu)的條件。

例如,在“探究原電池電流的影響因素”的實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生發(fā)現(xiàn)“電極與溶液的接觸面積越大,電流越大”,因此過分地追求將這單一變量最優(yōu)化。教師適時(shí)給予引導(dǎo)。

學(xué)生:能不能用一個(gè)很大的鋅片和銅片,讓電池電流更大呢?

教師:但是這樣燒杯就裝不下了。

學(xué)生:那就可以換一個(gè)更大的燒杯。

教師:在現(xiàn)實(shí)生活中,如果給你一個(gè)特別大的燒杯電池,你會(huì)愿意嗎?

學(xué)生:不愿意……看來鋅片和銅片也不能特別“占地方”。

教師:在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,“電極與溶液的接觸面積”只是眾多變量中的一種,我們應(yīng)該找到盡可能多的變量,然后考慮實(shí)際情況,優(yōu)先改進(jìn)更安全、更經(jīng)濟(jì)、更方便的變量,達(dá)到綜合情況的最優(yōu)化。

實(shí)際上,電極種類、電解質(zhì)種類、電解質(zhì)濃度、電極間距等眾多變量都能影響“燒杯電池”的電流,學(xué)生為了變量控制常常要把多因素問題轉(zhuǎn)化為單因素問題單獨(dú)實(shí)驗(yàn)和分析,但最后還需要綜合考慮,才能更好地解決實(shí)際問題。