科學(xué)探究中“控制變量法”的教學(xué)策略

李 剛

（蘇州市教育科學(xué)研究院，江蘇 蘇州 215000）

控制變量法是解決復(fù)雜的、多因素影響的物理問題的一種有效方法.所謂控制變量法就是把受多因素影響的某一物理量問題，通過控制某幾個因素不變，只讓其中一個因素改變，從而轉(zhuǎn)化為多個單一因素影響某一物理量的問題的研究方法.筆者大量聽課發(fā)現(xiàn)，在教學(xué)中很多教師并沒有把這種研究問題的重要方法轉(zhuǎn)化為學(xué)生的思維方式和思維習慣.目前教師對控制變量這個方法的教學(xué)存著很多問題：一是控制變量法的內(nèi)涵不清楚，二是教學(xué)中控制變量法過早顯現(xiàn)化，三是只教是什么，不重視怎么做.這種教學(xué)帶來的危害就是學(xué)生只停留在淺層的認識上，一旦讓學(xué)生去解決新情境的實際問題，就難以運用.

控制變量法是初中物理教學(xué)中最常用的、而且是比較重要的研究問題方法之一.在教學(xué)中首先應(yīng)注意循序漸進性.由于控制變量法屬于程序性知識的范疇，具有抽象性和概括性，所以控制變量法的學(xué)習和掌握是一個由淺入深、由形象到抽象、循序漸進不斷深化的過程.

1 理解課標要求與教材呈現(xiàn)方式

1.1 控制變量法教學(xué)要求與解讀

2022年版《義務(wù)教育物理課程標準》，課程目標中指出：“有控制實驗條件的意識.”學(xué)業(yè)質(zhì)量中指出：“能針對提出的問題，運用控制變量法等制訂比較合理的科學(xué)探究方案.”從教學(xué)要求看，首先應(yīng)使學(xué)生認識到，物理學(xué)科中的許多問題都是由多個因素共同造成的結(jié)果.控制變量法的精髓是通過控制無關(guān)變量，化復(fù)雜為簡單；觀察判斷物理量之間的關(guān)系.因初中學(xué)生感性認識不足，所以控制變量法的教學(xué)應(yīng)以隱性為主，適時顯性.“隱性方式重在使學(xué)生感受科學(xué)方法，受到科學(xué)方法的啟蒙教育和熏陶，初步體會到科學(xué)研究方法和策略.”適時顯性就是讓學(xué)生知道這種研究方法是控制變量法，并不嚴格要求學(xué)生說出控制變量法的定義.

1.2 控制變量法在初中物理教材中的體現(xiàn)

控制變量法貫穿于整個初中物理的始終，是初中物理常用的非常重要的科學(xué)探究方法之一.對于初中學(xué)生學(xué)習物理有著重要的意義.筆者從章節(jié)分布和所在欄目等方面，梳理了蘇科版初中物理教材中關(guān)于“控制變量法”應(yīng)用的相關(guān)內(nèi)容知識點并匯總，如表1所示.

表1

續(xù)表

2 創(chuàng)設(shè)真實情境，體驗和滲透控制變量法

2.1 體驗控制變量法

初中學(xué)生剛接觸物理方法的時候，感覺比較抽象，此時教師可以從生活情境入手，創(chuàng)設(shè)良好的體驗氛圍.如教師展示兩盆相同的植物，提出以下問題：如果我們要研究植物生長與陽光的關(guān)系，怎么辦？通過這些簡單的生活事例，讓學(xué)生對控制變量法有初步的顯性認識，同時也激發(fā)了學(xué)生對科學(xué)方法的興趣.

2.2 滲透控制變量法

蘇科版初中物理教材相對以往的教材有一個顯著的特色，就是設(shè)置有“綜合實踐活動”.它是一種基于物理知識和科學(xué)研究方法的項目學(xué)習活動，學(xué)生圍繞項目任務(wù)進行探究和設(shè)計活動，經(jīng)歷全程的探究和設(shè)計，有利于學(xué)生對科學(xué)探究的理解和方法的掌握.如在比較材料的隔聲性能的活動中，當明確隔聲材料和聲源之后，接下來便讓學(xué)生設(shè)計方案比較不同材料的隔聲性能.學(xué)生用各種不同材料壓住音樂盒，通過聽聲音大小來進行比較.教師引導(dǎo)評價，這個方案是否合理？得出的結(jié)論是否可靠？引導(dǎo)學(xué)生得出要控制包裹材料的厚度相同等必要條件.這就用到控制變量法，但是教材直到9年級上冊的“探究通過導(dǎo)體的電流與電壓、電阻的關(guān)系”學(xué)生實驗中，“控制變量法”這個名詞才“閃亮登場”，可謂“千呼萬喚始出來”.

以真實問題為載體，讓學(xué)生在解決真實問題情境中感受到控制變量法的重要性.初二剛開始學(xué)物理，除了比較材料的隔聲性能外，這樣的綜合實踐活動還有很多，如比較材料的保溫性能、探究樹蔭下的光斑等.通過這樣的綜合實踐活動，讓學(xué)生明白，要想結(jié)論可靠，就要弄清結(jié)果變量和原因變量，要在控制變量的基礎(chǔ)上進行實驗的設(shè)計與探究.這樣的研究才是科學(xué)的、嚴謹?shù)?這是控制變量法的一種隱形滲透.

3 創(chuàng)設(shè)探究情境，掌握控制變量法

物理規(guī)律的教學(xué)中，一般采用以下步驟：觀察現(xiàn)象，提出問題，猜想和假設(shè)，小組討論，實驗驗證，總結(jié)規(guī)律等，在觀察、猜想、討論的基礎(chǔ)上，教師再引導(dǎo)學(xué)生用控制變量法進行問題探究.如何讓學(xué)生掌握這種方法呢？關(guān)鍵是要強化對這種研究方法的認識和運用.在運用控制變量法處理問題時可以采取如下教學(xué)程序，如圖1所示.

圖1

3.1 明確研究的對象（因變量）

如：探究滑動摩擦力大小與什么因素有關(guān)？研究對象就是“滑動摩擦力”，從數(shù)學(xué)的角度看“滑動摩擦力”就是因變量.明確好研究對象后，要追問“怎么測量”？有些研究對象可以直接測量，例如：質(zhì)量、電流等；大部分研究對象只能間接測量，例如：滑動摩擦力、壓力作用效果、動能、吸收的熱量等，都需要轉(zhuǎn)化為容易測量的物理量或者容易觀察到的現(xiàn)象.這里用到了轉(zhuǎn)化的思想.滑動摩擦力轉(zhuǎn)化為二力平衡條件下的拉力、壓力作用效果轉(zhuǎn)化為物體在沙坑中下陷的深度、動能轉(zhuǎn)化為物體撞擊木塊的遠近、吸收的熱量轉(zhuǎn)化為加熱時間等.學(xué)生經(jīng)過這樣的思考，不容易把轉(zhuǎn)化的量與因變量和自變量混淆.

3.2 猜想或確定出影響研究對象（自變量）的其他物理量（自變量）

從數(shù)學(xué)角度看就是自變量，在此特別注意的是運用控制變量法的自變量至少2個，如：影響液體壓強的因素有液體密度和深度；影響電流做功的因素有電壓、電流、通電時間3個因素.

在探究活動中，首先要做好猜想和假設(shè)環(huán)節(jié).學(xué)生有可能猜出很多自變量，如何排除有些看似相關(guān)的自變量，處理得好，就會讓學(xué)生很信服；處理得不好，就會影響到教學(xué)的效果.教師在猜想和假設(shè)環(huán)節(jié)之前增加一些體驗和感悟的活動，讓學(xué)生知道猜想不是瞎猜，科學(xué)猜想要做到猜想有依，假設(shè)有據(jù).如：探究導(dǎo)體電阻大小與什么因素有關(guān)？學(xué)生很容易猜出“材料”這個因素，而對于“長度”和“橫截面積”這兩個因素，則比較模糊.為了讓學(xué)生形成有效的猜想，筆者利用橡皮泥設(shè)計了一個創(chuàng)意小實驗：將電源、開關(guān)、靈敏電流表、橡皮泥連成電路；閉合開關(guān)，靈敏電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)；拉伸橡皮泥，電流表指針偏轉(zhuǎn)角度變小.橡皮泥是很好的導(dǎo)體，并且柔軟易形變，學(xué)生在拉伸的過程中，看到靈敏電流表的示數(shù)減小了，從而感知到了電阻大小可能與導(dǎo)體的“長度”和“橫截面積”是有關(guān)的，并且能有依據(jù)地幫助學(xué)生提出了自己的猜想.

其次對于自變量還要追問“如何改變”，把探究引向深處，增加探究活動的思維含量.如：探究物體動能大小與什么因素有關(guān)？要研究物體動能與速度的關(guān)系時，要控制質(zhì)量不變，改變其速度.當教師提出“如何改變”速度的問題后，學(xué)生就圍繞這個問題進行嘗試和思考.

生1：把同一輛小車從同一斜面的不同高度釋放.這個是大多數(shù)教師想要的答案，是否還有其他方案呢？教師可以追問一下.生2提出：把同一輛小車放在同一斜面的同一位置，改變斜面的傾斜程度后釋放.生3提出：把一輛小車從斜面的某一高度釋放.第1次撞擊物塊后，不把被撞擊的物塊放回原來位置，接著將該小車從原來斜面的原來高度釋放，再撞擊物塊.可以看出，這3種方案都是可行的，有些還在教師的預(yù)設(shè)之外.正是在“如何改變”這個問題的引領(lǐng)下，學(xué)生的思維一下激活了，自然而然想出很多的方法.一下也打破了探究活動中思維的固化，讓探究活動變得多元開放，讓學(xué)生的思維能力得到更大的發(fā)展.因此在引導(dǎo)學(xué)生用控制變量法進行問題探究時，這樣追問是很有意義和價值的.

對于有些定量研究，還要問自變量“如何測量”.如：探究通過導(dǎo)體的電流與電壓、電阻的關(guān)系.為了探究電流和電壓的關(guān)系，在電阻不變的條件下，如何做到改變電壓？如何測量電壓？這些問題的思考，讓學(xué)生知道了滑動變阻器和電壓表的必要性，它們所起的作用也就明白了.

3.3 做好變量的控制

變量的控制是前提，如：探究通過導(dǎo)體的電流與電壓、電阻的關(guān)系.為了探究電流和電阻的關(guān)系，如何做到保持電壓不變？怎么操作？如果做不到保持電壓相等，如何分析原因？這些問題的思考都是思維能力培養(yǎng)的增長點，也為后面的實驗探究鋪平道路.

無論演示實驗還是分組實驗，教師要做到心中有“法”，把物理方法的滲透落到實際教學(xué)中，還原問題本源，讓學(xué)生嘗試進行長程思維，讓學(xué)生學(xué)習過程多一些困難和挑戰(zhàn)，要遠比脫離實際的說教效果好得多.

4 創(chuàng)設(shè)問題情境，反思控制變量

在體驗壓強的課堂小實驗中，兩個食指同時按壓鉛筆的尾部和筆尖，有學(xué)生用如圖2（甲）的方法操作，筆者演示圖2（乙）所示，請學(xué)生評價這兩種方法有什么不同.實際上，沒有控制兩手指的壓力相等，貌似不起眼的操作，其物理意義發(fā)生了較大的改變，教師需要及時糾正并說明.

圖2

如圖3所示，在采用“向漏斗口吹氣，觀察乒乓球狀態(tài)”的方法來探究流速對流體壓強的影響時，讓學(xué)生判斷兩種方案的合理性.情境中的實驗基于教材，巧妙地針對實驗設(shè)計進行深入挖掘和思考.需要學(xué)生明確實驗?zāi)康?，進而知道要觀察的現(xiàn)象以及影響實驗的因素.考查學(xué)生實驗探究的能力和控制變量的意識，啟發(fā)物理教學(xué)要注重教學(xué)的過程，引導(dǎo)學(xué)生去解決情境化的問題.

圖3

在多變量（因素）中，一個研究對象可能會受到多個變量的影響.為了搞清楚研究對象與這些變量之間的關(guān)系，我們可以把多變量問題變成多個單變量問題，先逐個研究單個變量對研究對象的影響，即每次只改變某一個變量，同時控制其他量不變.最后把這些單變量的結(jié)論綜合起來，得到概括性的結(jié)論.在探究一個物理量與哪些因素有關(guān)時，要利用共變法去指導(dǎo)實驗的設(shè)計，用控制變量法設(shè)計實驗的過程中要嚴格做到只改變一個因素，保證其他可能的影響因素都不變，才能推理得出是有關(guān)因素還是無關(guān)因素，其流程如圖4所示.

圖4 控制變量法探究思維流程圖

5 重視習題教學(xué)，強化控制變量

教學(xué)實踐中，許多教師樂于講實驗，不喜歡讓學(xué)生自己動手做實驗，認為這是在浪費時間.當今的中考試題，越來越趨向于學(xué)生實驗的過程體驗和深度理解，靠死記硬背應(yīng)付實驗效果漸失.

例1.（2022年蘇州）興趣小組探究影響浮力大小的因素.猜想1：與物體浸在液體中的深度有關(guān)；猜想2：與物體浸在液體中的體積有關(guān)；猜想3：與液體的密度有關(guān).

小組為驗證上述猜想，用彈簧測力計、4個相同的小長方體磁力塊、2個分別盛有水和鹽水的燒杯等，按圖5所示步驟進行實驗：

圖5

①利用磁力將4個磁力塊組合成長方形物塊.

② 根據(jù)圖（A）（B）（C）的測量結(jié)果，小明認為猜想1是正確的，小華卻認為不一定正確.你覺得小華的理由是 .

③ 小華為了證明自己想法，利用上述器材設(shè)計實驗（D），根據(jù)（A）（B）（D）的測量結(jié)果，可得：浮力大小與浸在液體中的深度無關(guān)，請在圖5（D）中畫出她實驗時磁力塊的放置圖.

④興趣小組進一步研究得出浮力大小與物體浸在液體中的體積有關(guān).

⑤ 根據(jù)圖5（A）（C）（E）的結(jié)果，得出浮力大小還與___________有關(guān).

（2）小華把4個磁力塊組合成圖6，她還能探究浮力與___________的關(guān)系.

圖6

探究浮力的大小和與物體浸在液體中的深度關(guān)系時，要控制物體浸入液體的體積和液體的密度一定，而小明根據(jù)圖5（A）（B）（C）的3次實驗，得出浮力大小與浸在液體中的深度有關(guān)這個結(jié)論是不一定正確的.只有控制了物體浸入液體的體積和液體密度，改變浸在液體中的深度，才能得出浮力的大小是否與浸在液體中的深度有關(guān).這題不僅考查學(xué)生控制變量法的意識，還考查學(xué)生運用控制變量法制訂合理的科學(xué)探究方案的能力.

總之，教師要明確控制變量的教學(xué)價值，即解決多因素影響的復(fù)雜問題，認識起決定作用的影響因素，認識變量間的因果關(guān)系.通過深化函數(shù)關(guān)系的理解認識物理規(guī)律.教學(xué)時要根據(jù)物理教材實際和學(xué)生認知順序，把物理知識與控制變量法教學(xué)有機結(jié)合.此外，從一個較長的學(xué)習過程看，對控制變量法的認識都是在反復(fù)理解和運用中逐漸形成的，其間有一個由低級到高級的螺旋上升過程，對控制變量法應(yīng)該注意在不同知識階段的再現(xiàn).要想讓學(xué)生掌握好這種科學(xué)研究方法，教師就應(yīng)該為學(xué)生多創(chuàng)設(shè)認知問題情境，先使得學(xué)生對它的表象有初步認識，同時在實驗探究的教學(xué)活動中逐步滲透控制變量法，使得學(xué)生對它的本質(zhì)不斷地進行認識.還要為學(xué)生創(chuàng)設(shè)新的復(fù)雜問題情境或者布置一些具有控制變量法的綜合實踐活動，來幫助學(xué)生強化并掌握其內(nèi)核.