基于“變量控制”的初中化學(xué)實驗探究教學(xué)研究

張映偉

（慶陽第四中學(xué) 甘肅 慶陽 745000）

引言

化學(xué)包含與物質(zhì)世界相關(guān)聯(lián)的知識，涉及物理和化學(xué)兩種變化形式，并且具有生活應(yīng)用特征。探究性實驗是初中化學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，充分體現(xiàn)了化學(xué)作為自然學(xué)科的獨特魅力。在初中生初次接觸化學(xué)探究性實驗時，容易因為對復(fù)雜實驗步驟、抽象化學(xué)概念理解困難而產(chǎn)生畏難情緒，降低學(xué)習(xí)的積極性。隨著素質(zhì)教育政策和新課改的實行，初中化學(xué)教學(xué)不僅局限于基礎(chǔ)知識與技能的教學(xué)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生靈活運用知識的能力。因此，教師應(yīng)充分重視“變量控制”教學(xué)法。

1.教學(xué)整體分析

1.1 教學(xué)內(nèi)容

教師可以結(jié)合人教版教材中的內(nèi)容，按照初中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)學(xué)生探究。以教材中金屬的化學(xué)性質(zhì)、化學(xué)與生活等內(nèi)容為例，要求學(xué)生圍繞金屬的活動性強弱變化、水果中蘊含的化學(xué)元素等實驗探究內(nèi)容，運用變量控制方法探究并確定適合的實驗條件，順利完成實驗任務(wù)，并且對能夠?qū)嶒灧桨?、實驗過程和實驗結(jié)論進(jìn)行評價與分析，進(jìn)一步設(shè)計實驗，提出探究的構(gòu)想，引導(dǎo)學(xué)生在掌握鐵的化學(xué)性質(zhì)以及相關(guān)性知識的基礎(chǔ)上，對其活動性強弱變化和反應(yīng)條件深度認(rèn)識。同時，選取生活中常見的水果，如梨、橙子，通過變量控制設(shè)計實驗，探究梨汁、橙汁中蘊含多少維生素含量，認(rèn)識化學(xué)與生活的密切聯(lián)系，從中利用所學(xué)知識認(rèn)識生活、用于生活，提高設(shè)計、分析、探究和應(yīng)用能力，提升綜合探究素養(yǎng)[1]。

1.2 學(xué)情分析

對于初三學(xué)生來說，已經(jīng)初步了解和具備了“變量控制”的思想。從知識層面來看，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了金屬化學(xué)性質(zhì)，對其中金屬物質(zhì)的活動性、反應(yīng)條件、概念、設(shè)計方法等都有初步的了解；從能力層面來看，學(xué)生能夠運用知識遷移、實驗探究、綜合對比等方法認(rèn)識物質(zhì)的性質(zhì)，初步掌握了自主操作與設(shè)計、合作探究、分析與歸納、綜合評價的能力；從心理層面來看，初中學(xué)生思維活躍、好奇心強，喜歡動手做實驗[2]。但是經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生對于探究物質(zhì)性質(zhì)的學(xué)習(xí)方法還沒有達(dá)到有效應(yīng)用的程度，對于能否在實驗探究中列舉和有意識、正確地運用“變量控制”思想的實驗課題存在困難，并且在具體實驗操作中存在思路不清晰、探究問題不明確、找不到變量條件、實驗?zāi)康呐c實驗設(shè)計以及實驗結(jié)果不相匹配等情況，難以實現(xiàn)對變量的控制和利用變量控制思想來處理問題。

1.3 教學(xué)目標(biāo)

首先，明確知識與技能目標(biāo)。通過探究金屬的活動性、化學(xué)與生活的聯(lián)系這兩個實驗內(nèi)容，學(xué)會尋找影響化學(xué)實驗現(xiàn)象、反應(yīng)條件的因素。其次，明確過程與方法目標(biāo)。教師要有序指導(dǎo)學(xué)生參與實驗探究活動，讓學(xué)生學(xué)會利用變量控制思想明確實驗探究的問題、影響因素、設(shè)計方案、探究方法，得出與實驗?zāi)肯嗥ヅ涞膶嶒灲Y(jié)論，提高學(xué)生推理和分析等核心素養(yǎng)。同時，在探究活動中，學(xué)生能夠運用變量控制思想探究影響鐵與酸反應(yīng)速率的因素以及金屬生銹與二氧化碳濃度反應(yīng)的關(guān)聯(lián)性，安全順利地完成實驗任務(wù)，診斷和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)精神以及科學(xué)研究能力，形成基于變量控制思想的解決一般問題的思路和思維模型。最后，明確情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)。在實驗探究和參與問題解決中，樹立善于思考、主動探究和嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度。

2.教學(xué)流程設(shè)計分析

2.1 設(shè)計情境線索

教師應(yīng)通過創(chuàng)設(shè)情境的方式，由情境線索引領(lǐng)學(xué)生明確實驗內(nèi)容，選擇控制變量，從而設(shè)計實驗路徑和方案，選擇適合的探究方法，得出實驗結(jié)論。比如，探究金屬生銹的影響因素，想要通過實驗設(shè)計論證金屬生銹是否與二氧化碳濃度相關(guān)。首先，明確實驗內(nèi)容，以蒸餾水控制變量，將提前準(zhǔn)備好的兩個金屬銅片分別置于蒸餾水和干燥的空氣中，證明銅片生銹的影響因素。其次，加入氫氧化鈉溶液，利用兩個試管分別裝入蒸餾水和氫氧化鈉溶液，并用導(dǎo)管連接，讓裝有氫氧化鈉溶液的試管與空氣接觸，另一試管則與堿石灰接觸，并將銅片置于裝有蒸餾水的試管中。同時，再準(zhǔn)備三個銅片，分別裝在有干燥空氣的試管、有二氧化碳和蒸餾水的試管以及裝在只有蒸餾水的試管中，試分析銅片生銹是否與二氧化碳濃度存在聯(lián)系。最后，通過實驗探究，證明只有最后一個裝有蒸餾水的試管的銅片發(fā)生了銹蝕現(xiàn)象，得出結(jié)論是：金屬銅在潮濕的環(huán)境下容易產(chǎn)生銹蝕，發(fā)生銹蝕的條件是與水和空氣中的氧氣接觸和作用后的結(jié)果。

2.2 設(shè)計問題線索

以金屬與酸的反應(yīng)速率的影響因素為例，學(xué)生在初步掌握“變量控制”在化學(xué)實驗探究中的應(yīng)用方法后，結(jié)合具體探究活動，提出問題：分析哪些影響可能對金屬和酸的反應(yīng)速率產(chǎn)生影響？若存在多因素變量，如何控制某一因素對實驗結(jié)果的影響？通過問題引導(dǎo)方式導(dǎo)入探究性實驗課題，首先，為學(xué)生呈現(xiàn)實驗相關(guān)用品，如試管、鎂帶、鎂粉、鐵粉、5%鹽酸、10%鹽酸等，要求學(xué)生選擇一項影響金屬與酸反應(yīng)速率的因素，利用實驗用品進(jìn)一步探究。其次，設(shè)計猜一猜環(huán)節(jié)，猜想一：請學(xué)生們猜想金屬與酸反應(yīng)的劇烈程度與哪些因素有關(guān)，并給出具體實驗步驟和實驗現(xiàn)象，讓學(xué)生們思考可能得到的實驗結(jié)論是什么？同時，進(jìn)一步追問：在本實驗中，自變量、不變量和因變量分別是什么？再者，變換視角，明確猜想，讓學(xué)生以小組為單位開展合作學(xué)習(xí)，設(shè)計實驗和探究問題。猜想二：探究金屬與酸反應(yīng)的劇烈程度與酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（濃度）是否有關(guān)？完整記錄實驗數(shù)據(jù)，請小組學(xué)生代表發(fā)言并展示實驗成果，并小組內(nèi)任選一個影響因素，但要注意不能與之前選擇的影響因素重復(fù)，按照同上的實驗用品、設(shè)計實驗思路深入探究，以此強化練習(xí)驗證猜想，得出實驗結(jié)論[3]。最后，根據(jù)實驗探究結(jié)果，歸納和總結(jié)影響金屬和酸反應(yīng)劇烈程度的因素。

2.3 設(shè)計知識與活動線索

掌握知識的有效方法是系統(tǒng)性學(xué)習(xí)。教師應(yīng)制定適合的教學(xué)策略，以知識為線索，做好知識整體規(guī)劃，引導(dǎo)學(xué)生回顧舊知的同時，探索新知。比如，在學(xué)習(xí)《燃燒和熱量》內(nèi)容時，教師應(yīng)建構(gòu)進(jìn)階教學(xué)框架，恰當(dāng)處理每個進(jìn)階點的教學(xué)內(nèi)容和方式，認(rèn)識核心知識點、能力點與核心素養(yǎng)的關(guān)系。一是，在研究課題時，先帶領(lǐng)學(xué)生回顧舊知，即《燃燒和滅火》相關(guān)內(nèi)容，結(jié)合燃燒包含的三個條件，采用變量控制思想設(shè)計實驗探究方案。二是，設(shè)計教學(xué)流程，采用多媒體技術(shù)播放完整的實驗視頻，或者做完課本實驗，然后教師引導(dǎo)學(xué)生描述實驗現(xiàn)象，采用碎片提問的方式與學(xué)生一同探討，最終得出“燃燒的三個條件”的結(jié)論。最后，要求學(xué)生牢記結(jié)論，設(shè)計課堂檢測和校本作業(yè)，幫助學(xué)生深化對知識的理解，并掌握實驗結(jié)論和加以應(yīng)用。

3.基于“變量控制”思想的初中化學(xué)實驗探究教學(xué)實施路徑

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)出課題

教師在化學(xué)實驗探究教學(xué)中應(yīng)注意情境的創(chuàng)設(shè)，從學(xué)生熟悉的“探究金屬的活動性”方法出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散性思維，并設(shè)計實驗方案，集中于“變量控制”，從而引出教學(xué)主題。比如，設(shè)計實驗方案，比較鋅和鐵的金屬活動性，將鋅和鐵分別置于稀鹽酸中，發(fā)現(xiàn)鋅的表面產(chǎn)生氣泡的速度要比鐵快。在此基礎(chǔ)上，由此，創(chuàng)設(shè)問題，設(shè)置問題情境，引導(dǎo)學(xué)生猜想，如果將兩塊大小相同的鋅片和鐵片分別放到溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同、體積相同的稀鹽酸中，是鐵產(chǎn)生的氣泡快還是鋅產(chǎn)生的氣泡快？如何設(shè)計實驗？采用何種方法？以此引出控制變量的思想，讓學(xué)生認(rèn)識到控制變量是當(dāng)時物受到多種因素影響時，每次操作只能改變其中一個因素，通過控制其他因素不變，從而研究被改變的這個因素對事物的影響，并采用數(shù)據(jù)分析、對比、總結(jié)、歸納等方法，將影響實驗結(jié)果的多個因素比較與進(jìn)行探究，最后再綜合解決[4]。

案例分析：為了探究影響鋅和稀鹽酸反應(yīng)劇烈程度的因素，教師可以引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計對比實驗，劃分為三個學(xué)習(xí)小組，每個小組分別設(shè)計三組不同的實驗，但是實驗?zāi)康氖窍嗤?，然后將實驗結(jié)果放到一起進(jìn)行對比和分析，得出最終結(jié)論。第一組實驗：將0.5g的鋅放入5m的l5%的鹽酸溶液中。第二組實驗：將0.5g的鋅放入5ml的10%的鹽酸溶液中。第三組實驗：準(zhǔn)備一個燒杯，將燒杯中倒入50℃的水，并將裝有0.5g鋅、5ml的5%的鹽酸溶液的試管置于燒杯中。通過以上這三組實驗，讓學(xué)生在親身體驗和操作中感知實驗探究過程，在細(xì)致觀察中了解實驗現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)，并讓小組選出一位學(xué)生代表，說一說本組實驗過程和實驗感想。然后回歸到最初的問題：探究鋅在與稀鹽酸混合時產(chǎn)生距離程度的影響因素，思考上述實驗中哪些可以對比分析，論證實驗?zāi)康?。有學(xué)生認(rèn)為可以將第二組實驗和第三組實驗進(jìn)行對比分析，以此證明溫度對反應(yīng)劇烈程度的影響。這時教師可以加強與學(xué)生的互動，結(jié)合部分學(xué)生提出的問題，引導(dǎo)其他學(xué)生思考該學(xué)生所認(rèn)為的將第二組和第三組實驗對比分析是否可行？原因是什么？以此培養(yǎng)學(xué)生思維方法，加強學(xué)生在化學(xué)實驗探究中對變量控制思想的應(yīng)用。

3.2 問題激發(fā)，深入探究

問題激發(fā)方式是眾多學(xué)科教學(xué)中的有效方法，可以幫助學(xué)生帶著問題深入思考，找出解題的鑰匙，探索自然科學(xué)的奧妙。在不同教學(xué)環(huán)節(jié)中，問題切入的時間點、問題設(shè)計方式十分關(guān)鍵，可以起到不同的教學(xué)效果。比如，在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)中，教師以問題為切入點，可以有效導(dǎo)出課題，讓學(xué)生明確本堂課所學(xué)的重點和難點，幫助學(xué)生明確學(xué)習(xí)方向，帶著問題梳理知識脈絡(luò)，并深入探究課本實驗內(nèi)容。在課中實踐探究環(huán)節(jié)中，教師采用問題引導(dǎo)方式，更多是為了推動教學(xué)進(jìn)度，以問題為線索，在每一個問題上設(shè)計一個學(xué)習(xí)任務(wù)點、能力點，讓學(xué)生在思考問題和尋找答案過程中完成學(xué)習(xí)任務(wù)，提升學(xué)習(xí)能力和素養(yǎng)[5]。在課后鞏固環(huán)節(jié)中，設(shè)計問題是為了幫助學(xué)生夯實基礎(chǔ)，復(fù)習(xí)課堂所學(xué)內(nèi)容。所以，選擇問題的切入時間點至關(guān)重要，而如何設(shè)計問題，可以結(jié)合具體研究課題，選擇層層遞進(jìn)式設(shè)計方式。

案例分析：在“化學(xué)與生活”這一單元中，教師可以將生活內(nèi)容作為切入點，設(shè)計問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探究化學(xué)知識與生活的關(guān)聯(lián)性。比如，將實驗探究內(nèi)容設(shè)置為：測定梨汁、橙汁的維生素C的含量的相對多少。探究問題為：如何測定？同時，在學(xué)生測定過程中，以問題線索貫穿全程，讓學(xué)生跟隨問題，思考可行的設(shè)計方案，當(dāng)探究不斷深入，實驗方案也隨之更新，以此不斷調(diào)整變量因素，并控制相關(guān)變量對實驗的影響，以此找到最佳的可行方案。具體操作如下：第一，準(zhǔn)備好梨汁原汁和橙汁原汁，將梨汁原汁放入10ml的10%的高錳酸鉀溶液中，將橙汁原汁放入10ml的20%的高錳酸鉀溶液中，思考第一種方案是否具有可行性？帶著問題思考，最終實驗得出這種方案不可行，不可行的原因在于高錳酸鉀溶液的濃度應(yīng)該相同，而實驗過程中的高錳酸鉀溶液不同。第二，同樣的梨汁原汁和橙汁原汁，分別放入10ml的10%的高錳酸鉀溶液中和20ml的10%的高錳酸鉀溶液中。教師引導(dǎo)學(xué)生，探究第二種方案是否可行？最終發(fā)現(xiàn)第二種實驗方案也不可行，不可行的原因在于高錳酸鉀溶液的體積應(yīng)該相同，而實驗過程中高錳酸鉀溶液的體積不相同。第三，總結(jié)前兩組經(jīng)驗，再設(shè)計第三組實驗方案，并思考方案是否具有可行性？學(xué)生用同樣的橙汁和梨汁原汁分別倒入兩個10ml的10%的高錳酸鉀溶液中，在高錳酸鉀溶液的濃度和體積相同的情況下，發(fā)現(xiàn)第三組驗方案依然不可行，原因在于滴管中滴出的每一滴果汁原汁的體積不相同，梨汁原汁所在容器中的體積明顯高于另一杯的體積。這時有的學(xué)生想到取巧的辦法，在第三組實驗的基礎(chǔ)上，將橙汁原汁的所在容器加入水，使兩個容器的體積相同，其他因素不變，這時發(fā)現(xiàn)方案依然不可行，原因在于果汁不全是原汁。綜合上述測定過程，明確在實驗過程中應(yīng)該控制的條件需要遵循以下幾點：等濃度的高錳酸鉀溶液等體積的高錳酸鉀溶液、滴管中每滴出的果汁需要等體積、果汁都是原汁。

3.3 知識遷移，加深練習(xí)

教師可以根據(jù)當(dāng)天所學(xué)內(nèi)容，設(shè)計相應(yīng)的校本作業(yè)，幫助學(xué)生鞏固新知，鍛煉知識遷移和應(yīng)用能力[6]。比如，課堂實驗探究內(nèi)容是“影響鐵制品銹蝕快慢的因素”，取相同濃度的稀氨水和稀醋酸開展實驗。其一，明確實驗內(nèi)容是鐵生銹蝕，實驗?zāi)康氖翘骄坑绊戣F制品銹蝕快慢的因素，實驗用品是鐵釘、稀氨水、稀醋酸。其二，設(shè)計實驗方案，分別按照小組設(shè)計四組實驗方案。第一組：采用稀氨水，實驗溫度設(shè)置為25℃，所需時間為1d，通過實驗觀察發(fā)現(xiàn)并未出現(xiàn)銹蝕。第二組：采用稀醋酸，實驗溫度不變，所需時間為5min，通過實驗觀察發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)銹蝕。第三組：采用稀氨水，改變實驗溫度，將溫度提高至75℃。所需時間同第一組實驗，發(fā)現(xiàn)并未出現(xiàn)銹蝕。第四組：采用稀醋酸，實驗溫度同第三組，所需時間為1min，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)銹蝕情況。教師可以在實驗研究基礎(chǔ)上設(shè)計相應(yīng)的問題，讓學(xué)生通過練習(xí)題加深對課堂所學(xué)知識的理解，提高對知識的應(yīng)用能力。

案例分析：結(jié)合上述實驗內(nèi)容，教師可以設(shè)計以下練習(xí)問題：一是，鐵銹的主要成分是什么？請?zhí)顚懟瘜W(xué)式。二是，結(jié)合第二組和第四組實驗，可以探究影響鐵制品銹蝕快慢的因素。那么想要探究試劑酸堿性對鐵制品銹蝕快慢的影響，應(yīng)當(dāng)選擇哪一實驗？請?zhí)顚懴鄳?yīng)的實序號。三是，對照試驗中的影響因素，設(shè)計實驗方案，并得出相應(yīng)的實驗結(jié)論。根據(jù)課堂所學(xué)的知識，鐵銹的主要成分是氧化鐵，化學(xué)式是Fe203。結(jié)合第二組和第四組實驗，反應(yīng)溫度是自變量，試劑是不變量，所需時間是因變量，變量控制思想，反應(yīng)溫度不同，采用試劑相同，出現(xiàn)銹蝕所需時間不同，故探究溫度對鐵制品銹蝕快慢的影響。而想要進(jìn)一步探究試劑酸堿性對鐵制品銹蝕快慢的影響，就需要將自變量變?yōu)樵噭┧釅A性，不變量為其他條件，要求實驗溫度相同。這時可以選擇第一組和第二組實驗，也可以選擇第三組和第四組實驗。在設(shè)計實驗方案時，自變量為酸的濃度，不變量為實驗溫度、酸的種類和體積、鐵釘?shù)拇笮『唾|(zhì)量，因變量為所需時間。在相同條件下，將大小和質(zhì)量相同的鐵釘分別放入試管中，并分別加入體積相同、濃度不同的醋酸，觀察出現(xiàn)銹蝕所需要的時間。通過實驗對比分析，得出結(jié)論：在相同條件下，酸性越強，鐵制品生銹越快。

結(jié)語

綜上所述，以教材內(nèi)容、學(xué)生學(xué)情以及教學(xué)目標(biāo)為指導(dǎo)方向，結(jié)合具體實驗探究知識點，按照教學(xué)任務(wù)和素養(yǎng)目標(biāo)，采用創(chuàng)設(shè)情境、問題激發(fā)和知識遷移的教學(xué)方法，分別設(shè)計情境線索、問題線索以及知識線索，引導(dǎo)學(xué)生在具體情境下、在問題探究中和知識應(yīng)用中深度學(xué)習(xí)，讓學(xué)生更好地將化學(xué)知識與生活實際相結(jié)合。本文結(jié)合教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合鐵生銹的反應(yīng)程度、燃燒條件、金屬活動性強弱、果汁中的維生素C的含量等為實驗教學(xué)任務(wù)點，通過小組合作探究、實驗分析，強化學(xué)生對生活的體驗，利用化學(xué)知識解決問題。