基于“變量控制”策略的初中化學(xué)實驗探究教學(xué)

董俊 王瑛 吳俊明

摘要： 控制變量與變量控制是跟實驗方法有關(guān)的兩個不同概念?；谧兞靠刂撇呗酝ㄟ^對控制變量進(jìn)行控制來了解特定事物的影響因素，通常也稱為“變量控制法”。討論了變量控制法的教學(xué)意義，介紹了“采用‘變量控制法的化學(xué)實驗探究”專題課的設(shè)計和教學(xué)效果，以及教學(xué)中需要注意的若干問題。

關(guān)鍵詞： 變量控制; 實驗探究教學(xué); 教學(xué)設(shè)計; 初中化學(xué)教學(xué)

文章編號： 10056629（2022）04006705

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

實驗方法是人們根據(jù)科學(xué)研究的特定目標(biāo)，運用適當(dāng)?shù)目茖W(xué)手段，人為地控制或變革作為目的的客觀事物和過程，讓它們暴露出在自然條件下難以重復(fù)顯露的特性，以便深入地研究有關(guān)的自然規(guī)律的一種有效方法。跟自然觀察方法相比，實驗方法能夠突破自然條件的限制獲得更加豐富、更加全面的事實材料，能夠主動地獲取科學(xué)研究所需要和期望的精確數(shù)據(jù)，甚至能夠獲得自然條件下無法獲得的事實材料。因此，實驗方法對于自然科學(xué)來說十分重要;實驗方法的訓(xùn)練是各門自然科學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容;實驗方法和實驗技能歷來是各門實驗科學(xué)學(xué)科的基本素養(yǎng)之一[1]。

1 控制變量與變量控制

控制變量與變量（的）控制是跟實驗方法有關(guān)的兩個概念。鑒于這兩個概念常常被誤解，需要先對此作一些簡單討論。

任何事物都具有自身的質(zhì)的特點和量的特點，表現(xiàn)為一定的質(zhì)和一定的量。在科學(xué)實驗中，各種需要操縱、控制和測量的因素或條件都是變量。在（某）變化過程中始終保持不變的量稱為常量;可以取不同值的量則稱為變量?？茖W(xué)實驗中主要涉及三種變量： 自變量、因變量和控制變量，其中前二者統(tǒng)稱為實驗變量。自變量是在實驗中由實驗者操作和控制的變量;因變量是指實驗中被試對自變量操作的實驗反應(yīng)值，即實驗者觀察和記錄的隨著自變量變化而變化的被試行為;控制變量是指實驗中在實驗變量之外的、影響實驗變化和結(jié)果的潛在因素或條件，所以控制變量亦稱為額外相關(guān)變量。為了避免控制變量干擾實驗結(jié)果，常常要針對它采用某些特別的控制措施[2]。簡言之，控制變量跟自變量是不同的： 自變量的變化是為了引起因變量變化以供實驗者觀察測量;控制變量的變化會產(chǎn)生干擾，是需要通過控制來避免的。將自變量以外一切能引起因變量變化的變量控制好，才能弄清實驗中有關(guān)的因果關(guān)系。

當(dāng)自變量不止一個時，為了研究的簡便，常常只讓一個自變量發(fā)生變化、暫時控制其他自變量的變化，然后逐一地用同樣方法來研究其他自變量對因變量的影響（可見，自變量和控制變量具有相對意義，在整個研究過程中不是固定不變的）。在此基礎(chǔ)上，綜合各個自變量的最佳取值，可以形成（或者接近）最佳的實驗方案實際上，只讓一個自變量發(fā)生變化、暫時控制其他自變量的變化，逐一地研究各自變量對因變量的影響，這種做法忽略了多種因素同時變化時的交互作用，即忽略了多種因素同時變化時額外產(chǎn)生的影響，由此也會產(chǎn)生一些誤差。在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中通常暫不考慮由此引起的誤差。。如果對這個方案進(jìn)行實際驗證，結(jié)果確實很好，沒有很大偏差，這個變量控制的策略就取得了成功。所以，變量控制的策略是尋找可行的實驗方案的有效方法。

2 “變量控制法”及其教學(xué)意義

基于變量控制策略，通過對控制變量進(jìn)行控制來了解特定事物影響因素的研究方法通常稱為“變量控制法”。

教育部制定的《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》在課程內(nèi)容一級主題“科學(xué)探究”中要求學(xué)生能提出問題、進(jìn)行猜想與假設(shè)、制定計劃、進(jìn)行實驗等，學(xué)習(xí)科學(xué)探究的基本方法，初步形成科學(xué)探究能力?！渡虾Ｊ谐踔谢瘜W(xué)課程終結(jié)性評價指南》中也對學(xué)生提出相應(yīng)的能力目標(biāo)，即能用化學(xué)知識和科學(xué)研究方法探究與解決簡單的化學(xué)問題?！白兞靠刂品ā钡膶W(xué)習(xí)和應(yīng)用有助于實現(xiàn)上述要求。

“變量控制法”的學(xué)習(xí)和應(yīng)用還有助于強化學(xué)生的主體意識，使他們初步形成科學(xué)探究能力。

“變量控制法”比較簡單，容易被初三學(xué)生掌握。在初三化學(xué)中有不少多因素問題，如探究用過氧化氫分解制取氧氣的最佳方案、探究鐵生銹的條件、探究物質(zhì)燃燒的條件、探究金屬活動性、探究影響固體物質(zhì)溶解性的因素等，變量控制法可以把多種因素相互交錯、共同作用的復(fù)雜問題，簡化成研究對象與各個單一因素關(guān)系的簡單問題，從而降低化學(xué)學(xué)習(xí)難度，更加契合初三學(xué)生的認(rèn)知能力。

初三學(xué)生在物理學(xué)科的學(xué)習(xí)過程中已經(jīng)初步接觸過控制變量的方法，但是可能不會在化學(xué)學(xué)習(xí)中遷移應(yīng)用，出現(xiàn)找不到變量條件、設(shè)計實驗方案不完善、不會分析實驗結(jié)果等情況。把“變量控制法”在化學(xué)實驗探究中的應(yīng)用作為專題放在初三總復(fù)習(xí)階段比較適宜。

基于上述考慮，我們設(shè)計了“采用‘變量控制法的化學(xué)實驗探究”這一專題課。

3 “采用‘變量控制法的化學(xué)實驗探究”專題課設(shè)計

3.1 教學(xué)目標(biāo)

通過本專題的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠：

（1）理解“變量控制”策略和變量控制法，了解其要點和優(yōu)缺點;

（2）初步學(xué)會應(yīng)用“變量控制”策略設(shè)計并執(zhí)行研究方案;

（3）初步學(xué)會根據(jù)方案執(zhí)行結(jié)果形成初步結(jié)論，深化對有關(guān)問題的認(rèn)知。

3.2 教學(xué)重點與難點

教學(xué)重點： 依據(jù)所探究問題的具體情況，運用“變量控制”策略設(shè)計實驗方案，并通過分析實驗現(xiàn)象和測得數(shù)據(jù)，得出正確結(jié)論。

教學(xué)難點： （1）準(zhǔn)確地確定自變量、因變量和控制變量;（2）適當(dāng)?shù)卮_定各自變量的變化幅度;（3）在存在多種順序時，如何通過具體情況分析確定最佳順序。

3.3 教學(xué)過程

3.3.1 基本過程

以“探究影響過氧化氫溶液分解速率的因素”為例，先從這個特殊的探究過程中提煉得出采用“變量控制”法進(jìn)行實驗探究的一般步驟，然后再利用該“一般步驟”進(jìn)行其他化學(xué)問題的“特殊探究”，加深學(xué)生對“變量控制法”的印象，進(jìn)而提高學(xué)生解決實際探究問題的能力。

3.3.2 具體過程

步驟1： 了解有關(guān)的反應(yīng)原理以及裝置和操作原理，明確研究的目的。

步驟2： 經(jīng)驗分析： 尋找影響過氧化氫分解速率的自變量（溫度、濃度、催化劑等）。

步驟3： 明確過氧化氫分解研究方案中的因變量（制取相同體積氧氣所需時間）。

步驟4： 確定各自變量的合理取值分布，形成研究方案，然后通過實驗確定各自變量的最佳取值。

步驟5： 綜合各自變量的最佳取值形成最佳方案并進(jìn)行實驗驗證。

步驟6： 形成研究結(jié)論，在綜合運用中進(jìn)一步驗證、深化認(rèn)識。

3.3.3 特別措施

措施1： 讓學(xué)生學(xué)會通過實驗嘗試來確定各自變量的取值分布。

學(xué)生往往對如何確定各自變量的取值分布感到茫然，以至于影響后續(xù)的探究活動。為此，教師可向?qū)W生介紹、講解下列嘗試過程： 若要確定某自變量的最佳取值間隔，以形成該自變量試驗點的合理分布，可先隨意（或者參照既定方案）確定該自變量兩個相鄰取值的差值，隨后測量因變量數(shù)值。若測得因變量兩次測值之差過大或過小，隨即對相鄰取值的差值作適當(dāng)調(diào)整，直到達(dá)到滿意為止。一般說來，自變量的兩個相鄰取值之差過大，會增大實驗結(jié)果的誤差;自變量的兩個相鄰取值之差過小，可提高實驗結(jié)果的精細(xì)水平，但會增加實驗研究的工作量。

措施2： 訓(xùn)練學(xué)生學(xué)會記錄和處理實驗數(shù)據(jù)。

初期，學(xué)生往往不會記錄和處理實驗數(shù)據(jù)，教師可以提供部分記錄表格進(jìn)行示范，如

記錄表1（過氧化氫分解探究實驗）。

以上數(shù)據(jù)可以說明：

①

②

記錄表2（氫氣制備探究實驗）：

措施3： 促進(jìn)學(xué)生理解并學(xué)會設(shè)計實驗探究方案。

為促進(jìn)學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上學(xué)會設(shè)計實驗探究方案，可以通過“學(xué)習(xí)單”提供一些思考題、練習(xí)題。

例1 許多金屬的鹽溶液對雙氧水的分解具有催化作用。

為比較鐵鹽和銅鹽對H2O2分解的催化效果，某同學(xué)設(shè)計了圖1所示的實驗。

有同學(xué)提出將藥品CuSO4改為CuCl2更為合理，其理由是????????? 。

你認(rèn)為還有什么其他改進(jìn)方法？請回答： ??????。

例2 為了研究金屬銅生銹的條件，實驗中將四段相同長度的銅絲分別按如表3所示放置一個月，觀察并記錄現(xiàn)象如表3。

該實驗設(shè)計體現(xiàn)的思想方法是??? （選“控制變量”、“定量分析”或“節(jié)能”）;

結(jié)論： 銅生銹是銅與??? 作用的結(jié)果。

例3 用圖2所示的Y形管進(jìn)行實驗，實驗方案如表4所示，請在填空線處補上適當(dāng)內(nèi)容。

甲： 放入一小粒高錳酸鉀;乙： 放入一小粒碘

向甲、乙處分別注入等量蒸餾水甲中固體溶解形成紫色溶液;乙中固體幾乎不溶解相同條件下，高錳酸鉀在水中的溶解能力比碘強

4 “采用‘變量控制法的化學(xué)實驗探究”專題課教學(xué)效果

經(jīng)過教學(xué)實踐的總結(jié)和分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)置《采用變量控制法的化學(xué)實驗探究》專題課，除了能讓學(xué)生初步了解采用“變量控制”策略的化學(xué)實驗探究方法外，還獲得下列較為顯著的教學(xué)效果。

4.1 提升學(xué)生的思維品質(zhì)

思維品質(zhì)和實驗實踐能力是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容。

在本專題的學(xué)習(xí)中，學(xué)生學(xué)習(xí)了如何基于“變量控制”策略設(shè)計探究實驗，參與了實驗探究方案的設(shè)計和實施，涉及了關(guān)于變量和變量控制的思維以及關(guān)于實驗現(xiàn)象、結(jié)果的預(yù)測、解釋表征和應(yīng)用等思維。要完成本專題的學(xué)習(xí)任務(wù)，他們不僅要了解實驗現(xiàn)象的本質(zhì)，思考如何發(fā)現(xiàn)和研究影響主體問題的因素、找出實驗?zāi)康暮透饕蛩亻g的聯(lián)系，還要考慮實驗試劑的選擇和配制、規(guī)劃整體的實驗步驟、找到實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)論之間的聯(lián)系等等。毫無疑問，通過本專題的學(xué)習(xí)，他們的思維空間會被顯著拓展，他們的化學(xué)思維會生動發(fā)展，他們對科學(xué)探究策略和科學(xué)方法的認(rèn)識會被逐步深化。

認(rèn)知策略是科學(xué)方法的精髓?；瘜W(xué)認(rèn)知策略的豐富和化學(xué)科學(xué)方法的掌握不但會提升學(xué)生的思維品質(zhì)和認(rèn)知能力，也會提升學(xué)生通過實驗探究解決化學(xué)問題的能力，進(jìn)而提高化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

4.2 提升學(xué)生的實驗探究能力

采用變量控制法進(jìn)行化學(xué)實驗探究，需要學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)和明確有探究價值的化學(xué)問題，能根據(jù)探究目標(biāo)尋找、設(shè)計有效的問題解決方法，優(yōu)化實驗方案，并能在實施過程中觀察記錄和分析實驗信息，對實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、分析、判斷、歸納和概括，獲得探究結(jié)論，最終提升學(xué)生的化學(xué)實驗?zāi)芰Α?/p>

4.3 促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)精神

科學(xué)精神是化學(xué)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要目標(biāo)和內(nèi)容，科學(xué)態(tài)度是科學(xué)精神的重要表現(xiàn)。

采用變量控制法的化學(xué)實驗探究過程是“實事求是”的過程。在這個過程中，需要適當(dāng)?shù)剡x擇變量進(jìn)行控制，需要嚴(yán)格地實施控制量。因此，本專題的教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度，是培養(yǎng)學(xué)生求實、嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度的重要抓手。

創(chuàng)新是科學(xué)精神的本質(zhì)內(nèi)涵，也是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容。基于“變量控制”策略的探究實驗，能提升學(xué)生自主探究能力，是學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思維的重要基礎(chǔ)，有利于學(xué)生積極自主地開展化學(xué)創(chuàng)新活動，強化科學(xué)精神。

4.4 提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力

基于“變量控制”策略的探究實驗需要學(xué)生自主地決定和實施實驗措施，不但能夠調(diào)動和培養(yǎng)學(xué)生的主觀能動性，強化他們對于化學(xué)探究和化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，還能夠培養(yǎng)他們自主學(xué)習(xí)的能力，提升他們學(xué)習(xí)化學(xué)的效率。

5 需要注意的幾個問題

要搞好基于“變量控制”策略的實驗探究專題教學(xué)，需要注意下列幾個問題：

（1） 堅持以學(xué)生為主體，扶、幫要適當(dāng)，最終由“扶”轉(zhuǎn)化到“放”。基于“控制變量”策略的實驗探究教學(xué)過程可設(shè)計為“教師精選案例示范、教師指導(dǎo)學(xué)生模仿探究、學(xué)生獨立進(jìn)行探究”三個基本階段。

（2） 由易到難，循序漸進(jìn)，逐步提高學(xué)生的實驗探究能力。例如，探究影響物質(zhì)溶解性的因素時，可以先安排學(xué)生探究單因素變化的情況（比較相同溫度下，不

同溶質(zhì)在等量的同種溶劑中的溶解量;或者比較不同溫度下，同種溶質(zhì)在等量的同種溶劑中的溶解量;或者比較相同溫度下，等量的同種溶質(zhì)在等量的不同溶劑中的溶解量）。然后再安排多因素變化的情況。

（3） 注意結(jié)合課程內(nèi)容、學(xué)生特點選好研究題材。注意引導(dǎo)學(xué)生選取合適的研究因素，培養(yǎng)學(xué)生選擇研究課題的能力。教師可借助簡單的對比實驗讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，再借助問題引發(fā)學(xué)生思考更多因素，對可能的相關(guān)變量做更加透徹的分析，最終確定基于“變量控制”策略的對比實驗探究課題。

（4） 盡量做到每次只選擇一個自變量。對初中學(xué)生的要求不宜過高。當(dāng)有多個因素影響物質(zhì)的某種性質(zhì)時，在一組對比實驗中，只能選取單一變量，同時控制其他的條件都相同來設(shè)計實驗探究方案。

（5） 培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗習(xí)慣。注意培養(yǎng)學(xué)生全面、詳實地觀察、記錄實驗現(xiàn)象和相關(guān)數(shù)據(jù);堅持要求學(xué)生不僅要注意觀察和記錄實驗組的現(xiàn)象，也要觀察和記錄對照組的現(xiàn)象，并注意將二者進(jìn)行對照，力求得到正確的結(jié)論。

參考文獻(xiàn)：

[1]李建珊等著. 科學(xué)方法概覽[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2002： 83.

[2]https：//baike.baidu.com/item/控制變量/10403418？fr=aladdin.