控制變量法在初中物理電學(xué)中的運(yùn)用

楊華

【摘要】電學(xué)是初中物理階段比較重要的知識模塊，也是后續(xù)學(xué)習(xí)電學(xué)知識的重要基礎(chǔ).初中學(xué)生正處于思維和能力迅速發(fā)展的時期，感性認(rèn)知不強(qiáng)，而電學(xué)知識中所包含的內(nèi)容關(guān)系具有一定的復(fù)雜性，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度.控制變量法可以應(yīng)用于電學(xué)知識的認(rèn)知、電學(xué)規(guī)律的理解以及電學(xué)實(shí)驗(yàn)的分析，有助于降低知識難度，幫助學(xué)生理解，提升學(xué)生學(xué)習(xí)電學(xué)知識的興趣和能力.

【關(guān)鍵詞】控制變量法；初中物理；課堂教學(xué)

所謂“控制變量法”，其實(shí)就是在進(jìn)行某一物理問題研究，或者分析一個物理量與其他因素之間的關(guān)系時，一次僅改變一個因素，維持其他物理量不變，分析這項(xiàng)因素與所研究的問題之間的關(guān)系，不但需要厘清問題與條件之間的關(guān)聯(lián)，還應(yīng)猜想控制變量問題.也就是說，在初中物理教學(xué)中應(yīng)用控制變量法，可以幫助學(xué)生深刻理解物理知識的規(guī)律和內(nèi)涵，對于提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和實(shí)踐能力等都具有重要作用.

1 控制變量法概述

在物理學(xué)的范疇中，每一個物理量都具備影響這一物理量本身的條件和因素，而這些因素以及條件發(fā)生變化，就會引起物理量發(fā)生變化.在電學(xué)的學(xué)習(xí)中應(yīng)用控制變量法，可以促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識電學(xué)，深刻把握電學(xué)知識原理，不斷構(gòu)建有關(guān)物理量影響因素的認(rèn)知，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自主解決實(shí)際物理問題的能力和水平.

在物理電學(xué)的學(xué)習(xí)中應(yīng)用控制變量法進(jìn)行研究，可以將復(fù)雜化的物理知識變得更加簡單易懂.然而，部分初中學(xué)生因自律性不強(qiáng)等因素，在學(xué)習(xí)中尚不能夠靈活、有效、獨(dú)立地應(yīng)用控制變量法.這要求初中物理教師在教學(xué)實(shí)踐中重視組織與引導(dǎo)，能夠有效幫助學(xué)生建立應(yīng)用控制變量法解決初中物理問題的意識，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用控制變量法的能力.

2 初中物理教學(xué)的不足

2.1 過分關(guān)注學(xué)習(xí)成績

盡管提倡素質(zhì)教育，推進(jìn)教學(xué)改革的口號已經(jīng)唱響很多年，并在教育教學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛關(guān)注和落實(shí)，但是考試對我國學(xué)生和教師的影響仍然是無法取締的，各種考試和考核仍然是進(jìn)行人才選拔的最直接、最有效的方式.雖然，通過單純的考試不能全面地確定學(xué)生的綜合素質(zhì)水平，比如活動準(zhǔn)備能力、學(xué)習(xí)積極性等，但是就目前的社會環(huán)境而言，多數(shù)人都只看重結(jié)果，而忽視過程，對于初中學(xué)生更多的是關(guān)注學(xué)習(xí)成績，而忽視學(xué)生多方面的能力.所以，考試制度和考試成績?nèi)匀皇浅踔袑W(xué)生在學(xué)習(xí)物理過程中必須要面臨的問題.

2.2 自主學(xué)習(xí)時間不足

初中物理重視知識的探索與實(shí)踐，電學(xué)知識更需要學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)實(shí)操去認(rèn)識和了解物理原理.單純依賴?yán)碚撝R的講解以及課上學(xué)習(xí)時間，是難以深刻認(rèn)識和熟練應(yīng)用知識解決實(shí)際問題的，需要學(xué)生充分利用課余的時間進(jìn)行知識預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和鞏固等.但是，就目前初中物理教學(xué)的課程設(shè)置而言，盡管多數(shù)學(xué)校都設(shè)置自習(xí)時間，但卻會經(jīng)常被其他學(xué)科教師占用，學(xué)生自主學(xué)習(xí)和鞏固物理知識的時間也就有所減少，這就導(dǎo)致學(xué)生的物理學(xué)習(xí)能力和解題能力不能得到有效的鍛煉.另外，面對中考的學(xué)習(xí)壓力，學(xué)生對于占用自習(xí)課的情況會感到厭煩，甚至?xí)W(xué)科的學(xué)習(xí)興趣.

2.3 缺乏硬件設(shè)備

缺少充足的硬件設(shè)備是導(dǎo)致目前多數(shù)學(xué)校物理課堂無法開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根本原因.眾所周知，物理課程以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以探究為根本.然而，部分學(xué)校并不具備充足的物理實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)環(huán)境簡陋.盡管學(xué)生對于物理實(shí)驗(yàn)探究充滿好奇心，但是受硬件設(shè)備短缺的限制，致使很多物理實(shí)驗(yàn)難以由學(xué)生親手操作完成，而是由教師進(jìn)行示范實(shí)驗(yàn)，甚至是只通過口頭描述來實(shí)現(xiàn)，這會明顯影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性.

3 控制變量法在初中物理電學(xué)中的應(yīng)用

3.1 控制變量法在探究物理電學(xué)規(guī)律中的應(yīng)用

在初中物理中，電學(xué)占有重要比重，而“歐姆定律”是電學(xué)中的重點(diǎn)和基礎(chǔ)內(nèi)容，屬于電學(xué)的核心.在以往的學(xué)習(xí)中，學(xué)生可以掌握電學(xué)中關(guān)于電壓、電流和電阻的基本概念，那么關(guān)于三者之間存在怎樣的關(guān)系，教材中安排了較為完整的探究活動，其中包含了三個要素：（1）怎樣應(yīng)用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計；（2）采用什么方式確保哪個變量不變；（3）用什么方式改變哪個物理量.

首先，保持電阻不變，改變導(dǎo)體兩端的電壓，來探究電流與電壓之間的關(guān)系.其中，保持電阻不變的方式為使用定值電阻.改變導(dǎo)體兩端電壓的方式可以有兩種方式.

（1）圖1中，改變電源兩端電壓即可改變導(dǎo)體兩端電壓.使用這個電路，可以使學(xué)生更加容易地應(yīng)用控制變量法來分析電壓和電流之間的關(guān)系，便于學(xué)生了解和掌握知識重點(diǎn).

（2）如圖2所示，采用調(diào)整滑動變阻器的方式也能夠達(dá)到改變電阻兩端電壓的目的.這樣能夠使學(xué)生清晰地明白所需要研究的對象是定值電阻這部分內(nèi)容，而選用滑動變阻器的目的是改變定值電阻兩端的電壓.

其次，保持導(dǎo)體兩端電壓不變，調(diào)整電阻，分析電阻和電流之間的關(guān)系.改變電阻的方式可以選擇使用不同定值電阻的方式進(jìn)行，而電阻變化的同時，應(yīng)確保導(dǎo)體兩端電壓不發(fā)生改變，可以采用的方式可以分為以下兩種：第一種方式是使用同一電源即可確保電壓的穩(wěn)定，而更換不同的定值電阻，能夠更加明顯地總結(jié)出電阻與電流之間的關(guān)系，使問題簡化.若實(shí)驗(yàn)中使用的電源為干電池，由于電池有內(nèi)阻，一旦外接電阻發(fā)生變化，其兩端的電壓也會發(fā)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果.第二種方式是更換不同電阻值的電阻，滑動變阻器的滑片不動，則定值電阻兩端的電壓會發(fā)生變化.若在實(shí)驗(yàn)過程中，電阻值和電壓都發(fā)生變化，就難以明確影響電流的具體因素是什么了.在實(shí)驗(yàn)過程中，初中學(xué)生經(jīng)常會忽視這一點(diǎn)，所以，教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生注意電壓表的變化，保證實(shí)驗(yàn)過程中電壓表的數(shù)值不發(fā)生變化.

通過以上兩個實(shí)驗(yàn)研究，在不斷地控制變量過程中，學(xué)生既可以比較容易地認(rèn)識到，導(dǎo)體中的電流和導(dǎo)體兩端的電壓與電阻之間的關(guān)系，在實(shí)際操作中深化對教材中知識的認(rèn)識，降低了理論知識的難度，使抽象知識更加具體化.

3.2 控制變量法應(yīng)用于電阻學(xué)習(xí)

在學(xué)習(xí)電阻的相關(guān)知識時，必須立足于學(xué)生學(xué)習(xí)電路知識時所了解的電壓、電流知識，這樣就使學(xué)生更容易理解和接受.但是，基于這樣的前提，初中學(xué)生對于物理知識的科學(xué)探究方式依然沒有什么概念.這需要教師在教學(xué)中巧妙地把握教學(xué)方式，善于使用有效的教學(xué)方法來構(gòu)建高效課堂.在物理電學(xué)中應(yīng)用控制變量法來輔助學(xué)生理解，可以配合相關(guān)例題進(jìn)行分析和講解，幫助學(xué)生深化理解知識內(nèi)容.在以往的學(xué)習(xí)中，學(xué)生對電壓和電流有了基本的了解，所以在后續(xù)的電阻學(xué)習(xí)中不會產(chǎn)生很大的學(xué)習(xí)壓力和陌生感.在教學(xué)中，結(jié)合教學(xué)大綱的要求和教學(xué)目標(biāo)完成教學(xué)任務(wù)后，可以有針對性地利用控制變量法進(jìn)行例題分析.

例如 在研究“導(dǎo)體電阻的影響因素有哪些”的電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，如果將一根粗細(xì)均勻的導(dǎo)體平均分成兩段后，分別連接到以下電路中，如圖3，這樣做的目的是研究（ ）問題.

（A）導(dǎo)體電阻和溫度之間的關(guān)系.

（B）導(dǎo)體電阻和電阻長度之間的關(guān)系.

（C）導(dǎo)體電阻和材料之間的關(guān)系.

（D）導(dǎo)體電阻和橫截面之間的關(guān)系.

例題解析 通過題目分析可以發(fā)現(xiàn)，兩段導(dǎo)體是由同一導(dǎo)體分割而來，且原導(dǎo)材質(zhì)紙均勻，可見分割后的兩段導(dǎo)體在溫度、橫截面和材質(zhì)上是相同的，而二者之間的差異只表現(xiàn)在長度上，所以選項(xiàng)（B）為正確答案.

3.3 控制變量法應(yīng)用于初中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)

在初中物理課程中，關(guān)于總結(jié)“電磁鐵磁性強(qiáng)弱的影響因素”這一實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生會接觸到下面這道例題：小明研究“電磁鐵磁性強(qiáng)弱的因素”時設(shè)計了如下電路裝置，見圖4，裝置的結(jié)構(gòu)包括滑動變阻器、電源、帶鐵芯的螺線管、開關(guān)、自制刻度板.在實(shí)驗(yàn)過程中，小明發(fā)現(xiàn)：①當(dāng)P（滑動變阻器的滑片）向（ ）滑動時，B（指針）的偏轉(zhuǎn)角度會（ ）.②保持P的位置不變，當(dāng)a（導(dǎo)線）由原來的與2號接線柱連接改為與1號接線柱連接，那么開關(guān)閉合后，B的偏轉(zhuǎn)角度會（ ）.通過研究電磁鐵可以得出，在線圈的匝數(shù)確定，電磁鐵的磁性隨著通過其中的電流量增加而（ ）；如果通過電磁鐵的電流是確定的，電磁鐵的磁性隨著線圈匝數(shù)的減少而（ ）.

這個實(shí)驗(yàn)的整個研究流程都是應(yīng)用控制變量法來進(jìn)行的，但是，在第二個環(huán)節(jié)中在使線圈匝數(shù)發(fā)生變化的同時，螺線管電阻也隨之改變，電流也發(fā)生變化.所以，在進(jìn)行第二環(huán)節(jié)的講解中，教師應(yīng)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，如果線圈不長，可以忽略電阻.在a改變接線柱時，可以視為通過電阻的電流未發(fā)生變化，所以可以得到這樣的結(jié)論：當(dāng)電流為定量時，電磁鐵的磁性隨著線圈的匝數(shù)增加而增強(qiáng).如果線圈電阻是不能忽略的條件，就應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)中串聯(lián)電流表，當(dāng)改變導(dǎo)線接線柱后，調(diào)節(jié)好電阻調(diào)節(jié)片，確保兩次實(shí)驗(yàn)過程中所通過的電流是一致的，才能得出正確的結(jié)論.

3.4 控制變量法在初中物理習(xí)題中的應(yīng)用

總結(jié)近年來的初中物理電學(xué)測試題不難發(fā)現(xiàn)，“比較物理量的大小”是一個重點(diǎn)考查的知識點(diǎn).并且，是初中學(xué)生失分率較高的知識內(nèi)容.這主要是初中學(xué)生尚未把握解題的竅門，解題思路不清晰導(dǎo)致的.筆者在分析和總結(jié)中發(fā)現(xiàn)，在這類題型的解答中使用控制變量法能夠取得較好的效果.

控制變量法其實(shí)就是由大于等于2種因素控制一個物理量.只有控制其中一個因素不發(fā)生改變，才能證實(shí)這個物理量是否變化.

例如 在同等溫度條件下，同等質(zhì)量的鐵塊和銅塊，吸收同等熱量后，（ ）的溫度較高.

（A）銅塊. （B）鐵塊.

（C）同樣. （D）不能確定.

4 結(jié)語

控制變量法對于多變量問題的分析具有積極的作用.控制變量法能夠在電學(xué)知識的學(xué)習(xí)中幫助學(xué)生了解電阻、電流和電壓三者之間的關(guān)系，在日常教學(xué)中應(yīng)重視引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟其中的深刻意義，使其能夠靈活應(yīng)用于具體問題的分析.

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