控制變量法在高考探究實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用及教學(xué)啟示

廣東 駱 濤 蘇章順

1.問題的提出

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)建議開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，《課程標(biāo)準(zhǔn)》提出了學(xué)科核心素養(yǎng)和學(xué)業(yè)質(zhì)量水平兩個(gè)重要概念及其評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ蔡岢隽诵碌囊螅捍龠M(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容向?qū)嶒?yàn)思維轉(zhuǎn)變?；瘜W(xué)是研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及其應(yīng)用的自然科學(xué)。物質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程、物質(zhì)性質(zhì)的表現(xiàn)往往受到多種因素的影響，實(shí)驗(yàn)研究過程中必須面對(duì)多個(gè)變量的共同作用，因此控制變量法成為重要的研究方法。

控制變量法是指根據(jù)研究需要，運(yùn)用一定手段，主動(dòng)干預(yù)或控制事物發(fā)展的過程，在特定條件下探索客觀規(guī)律的一種方法。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，控制變量法就是把多因素影響的問題變成多個(gè)單因素影響的問題，每一次只改變其中某一個(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)事物的影響，然后分別研究其他因素的影響，最后綜合解決問題，其運(yùn)用體現(xiàn)在找出變量、明確目標(biāo)變量、實(shí)施變量控制、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的一系列過程中。

2.控制變量法在高考探究實(shí)驗(yàn)題中的應(yīng)用示例

高考真題中注重考查考生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)，主要有探究外部影響、探究物質(zhì)組成和探究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的微觀過程三種考查角度。

【例1】(2019·北京卷·28節(jié)選)化學(xué)小組實(shí)驗(yàn)探究SO2與AgNO3溶液的反應(yīng)。

(1)實(shí)驗(yàn)一：用如圖1所示裝置(夾持、加熱儀器略)制備SO2，將足量SO2通入AgNO3溶液中，迅速反應(yīng)，得到無(wú)色溶液A和白色沉淀B。

圖1

(2)對(duì)體系中有關(guān)物質(zhì)性質(zhì)分析得出：沉淀B可能為Ag2SO3、Ag2SO4或二者混合物(資料：Ag2SO4微溶于水；Ag2SO3難溶于水)。

實(shí)驗(yàn)二：驗(yàn)證B的成分

①寫出Ag2SO3溶于氨水的離子方程式：________________。

②加入鹽酸后沉淀D大部分溶解，剩余少量沉淀F。推斷D中主要是BaSO3，進(jìn)而推斷B中含有Ag2SO3。向?yàn)V液E中加入一種試劑，可進(jìn)一步證實(shí)B中含有Ag2SO3。所用試劑及現(xiàn)象是________。

②H2O2溶液，產(chǎn)生白色沉淀

【例2】(2018·北京卷·28節(jié)選)實(shí)驗(yàn)小組制備高鐵酸鉀(K2FeO4)并探究其性質(zhì)。

資料：K2FeO4為紫色固體，微溶于KOH溶液；具有強(qiáng)氧化性，在酸性或中性溶液中快速產(chǎn)生O2，在堿性溶液中較穩(wěn)定。

(1)制備K2FeO4(夾持裝置略)

圖2

(2)探究K2FeO4的性質(zhì)

①取C中紫色溶液，加入稀硫酸，產(chǎn)生黃綠色氣體，得溶液a，經(jīng)檢驗(yàn)氣體中含有Cl2。為證明是否K2FeO4氧化了Cl-而產(chǎn)生Cl2，設(shè)計(jì)以下方案：

表1

ⅰ.由方案Ⅰ中溶液變紅可知a中含有________離子，但該離子的產(chǎn)生不能判斷一定是K2FeO4將Cl-氧化，還可能由____________________產(chǎn)生(用方程式表示)。

ⅱ.方案Ⅱ可證明K2FeO4氧化了Cl-。用KOH溶液洗滌的目的是________。

理由或方案：________。

ⅱ.排除ClO-的干擾

②> 溶液酸堿性不同

【例3】(2021·廣東省學(xué)業(yè)水平選擇性考試·17節(jié)選)含氯物質(zhì)在生產(chǎn)生活中有重要作用。1774年，舍勒在研究軟錳礦(主要成分是MnO2)的過程中，將它與濃鹽酸混合加熱，產(chǎn)生了一種黃綠色氣體。1810年，戴維確認(rèn)這是一種新元素組成的單質(zhì)，并命名為chlorine(中文命名“氯氣”)。

(4)某合作學(xué)習(xí)小組進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)探究。

①實(shí)驗(yàn)任務(wù) 通過測(cè)定溶液電導(dǎo)率，探究溫度對(duì)AgCl溶解度的影響。

②查閱資料 電導(dǎo)率是表征電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力的物理量。溫度一定時(shí)，強(qiáng)電解質(zhì)稀溶液的電導(dǎo)率隨溶液中離子濃度的增大而增大；離子濃度一定時(shí)，稀溶液電導(dǎo)率隨溫度的升高而增大。25℃時(shí)，Ksp(AgCl)=1.8×10-10。

③提出猜想 猜想a：較高溫度的AgCl飽和溶液的電導(dǎo)率較大。

猜想b：AgCl在水中的溶解度S(45℃)>S(35℃)>S(25℃)。

④設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證猜想 取試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(不同溫度下配制的AgCl飽和溶液)，在設(shè)定的測(cè)試溫度下，進(jìn)行表2中實(shí)驗(yàn)1～3，記錄數(shù)據(jù)。

表2

⑤數(shù)據(jù)分析、交流討論 25℃的AgCl飽和溶液中，c(Cl-)=________mol·L-1。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果為A3>A2>A1。小組同學(xué)認(rèn)為，此結(jié)果可以證明③中的猜想a成立，但不足以證明猜想b成立。結(jié)合②中信息，猜想b不足以成立的理由有________。

⑥優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 小組同學(xué)為進(jìn)一步驗(yàn)證猜想b，在實(shí)驗(yàn)1～3的基礎(chǔ)上完善方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)4和5。請(qǐng)?jiān)诖痤}線上完成表3中內(nèi)容。

表3

⑦實(shí)驗(yàn)總結(jié) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)1～5的結(jié)果，并結(jié)合②中信息，小組同學(xué)認(rèn)為猜想b也成立。猜想b成立的判斷依據(jù)是________。

⑥45 Ⅱ 45

⑦A3>B2>B1

【試題分析】本題從探究外部條件影響的角度，以小組合作探究為活動(dòng)方式，目的是探究溫度對(duì)物質(zhì)溶解度的影響，相應(yīng)的必備知識(shí)包括“影響電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力的因素”和“影響溶解度的因素”，需獲取的新信息是“電導(dǎo)率的概念和影響因素”，考查考生運(yùn)用控制變量的思維分析實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。

通過回顧“影響電解質(zhì)溶液導(dǎo)電能力的因素”或閱讀題干中關(guān)于電導(dǎo)率影響因素的信息，可知電導(dǎo)率影響因素包括測(cè)試溫度和離子濃度，溫度升高、離子濃度增大均可導(dǎo)致溶液導(dǎo)電能力(電導(dǎo)率)增大，且AgCl的溶解度隨溫度升高而增大，可以迅速判斷實(shí)驗(yàn)1、2、3中兩個(gè)變量共同作用導(dǎo)致溶液電導(dǎo)率增大，本組實(shí)驗(yàn)沒有控制變量，因而不能證明猜想b。接下來由學(xué)生進(jìn)行控制變量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過控制相同測(cè)試溫度，比較不同溫度下配制的AgCl飽和溶液(不同濃度的AgCl溶液)的電導(dǎo)率達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，但是本題中存在一個(gè)不易察覺的認(rèn)知陷阱，當(dāng)測(cè)試溫度低于AgCl溶液的配制溫度時(shí)，AgCl飽和溶液會(huì)析出部分溶質(zhì)，導(dǎo)致溶液的濃度發(fā)生改變而變成該測(cè)試溫度下的飽和溶液，無(wú)法保證實(shí)驗(yàn)按預(yù)想進(jìn)行也就不可能順利得出不同溫度條件下的溶解度差異的結(jié)論。

【方法點(diǎn)撥】本題通過電導(dǎo)率的比較探究AgCl在水中的溶解度受溫度的影響情況，即探究外部條件的影響。首先要找到主要的外部影響因素；再分析溫度對(duì)體系的影響是否唯一，本題中溫度同時(shí)影響了電導(dǎo)率和溶解度，即溫度影響電導(dǎo)率和溫度影響溶解度是兩組變量；最后判斷變量是否得到控制，本題中表2中該組實(shí)驗(yàn)沒有控制變量，因此結(jié)論不合理。在外部條件影響的分析中，首先要找到影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵外部條件，通常為溫度、濃度、壓強(qiáng)、酸堿性、催化劑等，以及條件對(duì)體系的影響；然后分析這些外部條件是否能成為變量，若多個(gè)條件對(duì)同一物質(zhì)造成影響，則多個(gè)條件成為變量，若一個(gè)條件對(duì)多種物質(zhì)造成影響，則多種影響成為變量；最后判斷變量是否得到控制。

3.高考化學(xué)學(xué)科二輪復(fù)習(xí)建議

一輪復(fù)習(xí)是重溫鞏固基礎(chǔ)知識(shí)，特點(diǎn)是面面俱到，但是不深入，難點(diǎn)基本不深挖，而二輪復(fù)習(xí)就是在一輪復(fù)習(xí)夯實(shí)的基礎(chǔ)上拔高提分，進(jìn)行攻堅(jiān)克難，重點(diǎn)突破。在新高考中，作為綜合題中的必考題型，探究實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的概率極大，而控制變量法又是高中階段重要的實(shí)驗(yàn)探究方法。所以在二輪復(fù)習(xí)中教師需要將控制變量法的實(shí)驗(yàn)探究類試題作為一個(gè)重要的專題引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行突破。無(wú)論是探究物質(zhì)組成，探究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的微觀過程，還是探究外部條件的影響，其重要的實(shí)驗(yàn)思維都是找出多個(gè)變量，分析變量是否唯一或控制唯一變量，觀察現(xiàn)象得出結(jié)論，因此培養(yǎng)學(xué)生“控制變量”的思維和“控制變量”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力是教師化學(xué)教學(xué)和高考備考的重要內(nèi)容。二輪復(fù)習(xí)可以從以下幾個(gè)方面開展教學(xué)備考實(shí)踐。

3.1 構(gòu)建“控制變量法”的思維模型

控制變量法起源于《控制論》，目的性是“控制”概念的最本質(zhì)屬性。可見在實(shí)驗(yàn)中實(shí)施控制變量法離不開對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行分析，“明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹笔强刂谱兞克季S模型的第一步。第二步要在分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡倪^程中，找出并列的或是干擾的變量，也就是找變量。第三步是對(duì)變量實(shí)施控制，外部條件可以直接進(jìn)行設(shè)定，物質(zhì)組分則需加入合適試劑進(jìn)行規(guī)避。最后一步是觀察并描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖3 “控制變量法”的思維模型

3.2 回歸教材實(shí)驗(yàn)，在熟悉情境中落實(shí)“控制變量法”的思維模型和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

要真正掌握控制變量法，除了構(gòu)建思維模型，還需掌握控制變量的基本方法，也是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，包括單組法、等組法、輪組法，以列表的形式進(jìn)行呈現(xiàn)。如果在陌生情境中對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，情境的陌生性無(wú)疑增大了難度，因此教師在二輪復(fù)習(xí)中用好教材實(shí)驗(yàn)有利于降低情境陌生度，以教材實(shí)驗(yàn)為藍(lán)本進(jìn)行改編能夠有針對(duì)性的訓(xùn)練學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。例如人教版必修第一冊(cè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)3，同周期、同主族元素性質(zhì)的遞變，實(shí)驗(yàn)1比較了Cl2、Br2、I2的氧化性，除了按照教材設(shè)計(jì)的步驟完成實(shí)驗(yàn)，還可以進(jìn)行“探究鹵素單質(zhì)氧化性強(qiáng)弱”的實(shí)驗(yàn)，給出實(shí)驗(yàn)藥品——氯水、溴水、碘水、NaCl溶液、NaBr溶液、NaI溶液，學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，列表設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，最后評(píng)出最簡(jiǎn)便的實(shí)驗(yàn)方法。

再如人教版選擇性必修1中“探究反應(yīng)速率的影響因素”，教師除了按照教材實(shí)驗(yàn)一一演示、講解之外，還可以組織學(xué)生依據(jù)控制變量法的思維模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，落實(shí)“明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹薄罢页鲎兞俊薄翱刂谱兞俊薄坝^察并描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”一系列過程。廣東省2014、2015年高考實(shí)驗(yàn)題均取材自化學(xué)反應(yīng)原理教材中的實(shí)驗(yàn)。

3.3 在教學(xué)過程和高考真題中發(fā)現(xiàn)探究情境，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究

二輪復(fù)習(xí)過程中，隨著學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解更加深刻，思考更加深入，往往會(huì)對(duì)教材的內(nèi)容產(chǎn)生疑問，教師如果把學(xué)生的疑惑作為探究的問題，組織學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，就能有效地落實(shí)實(shí)驗(yàn)思維的教學(xué)。例如學(xué)生在學(xué)習(xí)膠體制備的實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中提出的“煮沸后冷卻的蒸餾水”“逐滴加入”“飽和FeCl3溶液”“繼續(xù)煮沸至紅褐色停止加熱”等要求感到繁瑣和不解，往往會(huì)提出質(zhì)疑，這時(shí)教師可以引導(dǎo)學(xué)生找出實(shí)驗(yàn)描述中的要點(diǎn)作為變量，分組實(shí)驗(yàn)對(duì)變量進(jìn)行控制，最后對(duì)比各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果印證教材內(nèi)容。