談初中科學中的對照實驗和控制變量實驗

莊振海

摘 要:科學教育的目的是提高每一個學生的科學素養,科學素養包含了科學探究(過程、方法與能力),而實驗設計作為科學探究的重要步驟,它對學生的學業水平提高、創新能力的培養有著重要意義,更重要的是它能培養學生今后參與社會的能力、深刻理解科學與社會的關系。目前在初中科學中實驗設計的主要方法有兩個即對照實驗和控制變量實驗,本文將從兩者的定義、設計過程中的難點、區別和聯系展開討論。

關鍵詞:對照實驗 對照組 控制變量實驗 自變量因變量

初中科學的教材中并沒有明確提到對照實驗和控制變量實驗的定義,但教材中很多方面運用到對照實驗和控制變量實驗,如生命科學部分有:是什么將蝴蝶吸引到花上去的,食物上滋生微生物的條件(即研究微生物生長與溫度的關系、微生物生長與水分的關系),探究唾液淀粉酶分解淀粉的實驗,探究種子萌發的條件,溫度對酶的活性影響、PH值對酶的活性影響等,物質科學部分有:食鹽在水中溶解快慢的影響因素、影響導體電阻大小的因素、研究電壓、電阻對電流的影響等。在教學中,筆者經常發現學生很難判斷哪個實驗是對照實驗,哪個實驗是控制變量實驗,而且在對照實驗中,有些學生不能準確地判斷對照組和實驗組,在控制變量實驗中,有些學生不能識別自變量和因變量,不能有效地控制變量,不能把因變量轉化為可感知的、可量度的事物、現象或測量方法,而且有相當多的學生在實驗設計中,不知道如何用對照實驗和控制變量實驗,混淆兩者。所以在教學中澄清兩類實驗的定義,突破實驗設計中的難點,了解它們之間的聯系,辨別兩者的區別是非常有必要的。

一、對照實驗

1.定義:在浙教版七年級上冊課本52頁中提到:在實驗中應排除實驗對象外其他因素的干擾,這就需要對實驗條件進行控制。設置對照組是常用的控制實驗條件的方法。這段話主要闡明了對照實驗的作用,但并非對照實驗的定義。查閱有關材料可知,對照實驗的定義是為了研究某一因素對一個對象有無影響時,除了對該因素作處理外,其他因素都保持一致,并對實驗結果進行對比,這種實驗稱為對照實驗,對照實驗有對照組和實驗組。

2.常見的對照類型

(1)空白對照:指不做任何實驗處理的對照組。如研究唾液淀粉酶分解淀粉的實驗中,A、B兩試管都有等量的淀粉糊,在A試管中加入2ml唾液,在B試管中加入2ml的清水,其中B試管就是一個空白對照。

(2)自身對照:指實驗和對照在同一對象上進行,即不再另設對照組。如探究“蝸牛有視覺嗎?”實驗中,先讓蝸牛在燈光下爬行3分鐘后,用書本遮在它的上面,使它的一半身體處于陰影中,觀察蝸牛怎樣行動?實驗結果是爬向陰影部分,結論是蝸牛有視覺。本實驗中,實驗和對照在同一對象上進行,為了排除無關變量的干擾,創造了光線明暗不同,而其他條件相同的環境,觀察蝸牛的爬行情況,從而得出實驗結論。

(3)缺因對照:在實驗處理中,對照組施以全部實驗變量,而實驗組除研究的因素外,其余條件與對照組一樣。如,在研究種子萌發所需要的環境條件實驗中,作出的假設是:種子萌發需要適宜的溫度,充足的水分和充足的空氣。如果要驗證種子萌發需要充足的水分,我們就可以這樣來設計實驗:取兩個培養皿,第一個培養皿中有潮濕的紗布;第二個培養皿中放干燥的紗布,然后各放同種的玉米種子15顆,蓋上培養皿的蓋子,再放在室溫的環境中,7天后觀察種子的萌發情況。本實驗就是缺因對照,根據實驗結果,就可以知道種子萌發需要充足的水分。

(4)相互對照:實驗中,不再設對照組,而是利用幾個實驗組相互對照。如在探究“是什么將蝴蝶吸引到花上去的”中,同學們作出的假設有:可能是花的顏色把蝴蝶吸引到花上去,我們設計的實驗方案應是:取若干紙花,它們的顏色不同(有白色、紅色、粉紅色、黃色、黑色五種顏色),花的大小、形狀、氣味都相同,然后放若干只蝴蝶,觀察蝴蝶在花上的停留情況。在這個實驗方案中,不設對照組,所有的各組都是實驗組,通過相互對照,就可以知道不同顏色的花對蝴蝶的吸引作用。還有,如果我們要探究酶的最適宜的PH值,我們也可以把實驗組溶液的PH值設置為4、5、6、7、8、9等,根據相互對照,即可知酶的最適宜的PH值。

3.對照組和實驗組的確定

在確定實驗組和對照組時,首先要明確該實驗的目的。實驗組是針對實驗目的來控制,干預研究對象而進行的實驗操作,是用來證明假設的,對照組是為了排除其他無關因素或非研究因素的干擾而進行的操作?？梢?在空白對照和缺因對照中,實驗組和對照組的確定就比較容易,在空白對照中,不加任何實驗處理的那一組即為對照組。在缺因對照中,全部施以實驗變量的那一組即為對照組,缺乏某一因素的那一組為實驗組。在自身對照中要緊緊地抓住實驗目的來確定實驗組和對照組。如在研究“蝸牛有視覺嗎?”的實驗中,由于實驗的目的是為了驗證蝸牛有視覺,就對有光的環境作了處理,讓蝸牛的身體一半處于暗環境中,如果觀察到蝸牛的爬行情況和原先一樣,就能說明蝸牛無視覺,如果蝸牛爬向陰影部分,說明蝸牛的爬行情況發生了變化,從而證明了蝸牛有視覺,極據以上情況,我們就可判斷,遮光時為實驗組,光照正常時為對照組。在相互對照中,每組之間相互為對照組和實驗組,即它們既為實驗組,又為對照組。

二、控制變量實驗

控制變量實驗是指為了研究某一因素對一個實驗對象有怎樣的影響趨勢時,讓該因素處于不同水平,其他因素保持不變,通過對比結果,從而得出該因素對實驗對象有什么規律的影響。通俗地講,當某個實驗對象受較多因素影響時,為了研究某一因素對實驗對象的影響,單憑自然狀態下是看不出來的,這時就應該人為地控制其他因素不變,讓研究的因素不斷地改變,從而找出實驗對象受此因素影響的規律。在控制變量實驗中,學生要具備以下三種能力:識別變量的能力,根據實驗目的辨別自變量和因變量的能力,操作性地定義因變量的能力。那么什么是變量、自變量、因變量?如何操作性地定義因變量呢?所謂變量,是一項實驗活動中將會發生變化的事物特征,如在研究電流和電壓、電阻的關系中,電壓、電阻、電流均是變量,如果要研究電流和電壓的關系,我們常做的方法是:控制電阻不變,改變電壓的大小來研究電流的變化規律,這時,電壓的大小就是自變量,電流的大小就是因變量,由此可見,自變量就是有目的地改變的變量,也可稱為“由你改變”的變量,因變量是隨著自變量變化而變化的量,即“它自己變”的量。如學生在做研究性學習課題“溫度對大米發霉的影響”時,自變量為溫度,因變量為霉菌的數量,其他變量還有空氣的濕度、空氣中O2的含量、大米的干燥程度、大米的種類,這些變量在實驗中應予以控制不變,以防止對實驗結果的干擾,這些變量又叫控制變量,也稱無關變量。在設計控制變量研究的實驗中,如何操作性地定義因變量呢?也就是說如何將因變量轉化為可感知、可量度的事物、現象和方法,既說明在實驗中如何測量因變量,說明需要“做什么”和“怎么做”,這是控制變量實驗的一個關鍵點,它能清楚地讓其他人明白你在研究什么,而且這種明確性有助于其他人重復該實驗。如在討論“蜂蜜的粘度與溫度有什么關系?”的實驗中,我向學生提出:本實驗中如何去觀察或測量蜂蜜的粘度?在學生思考此問題前我先明確地告訴學生,你得讓其他人能照著你說的過程去做,你的操作性定義應該有以下幾個特征:①你的方法應該是可觀察的、重復的、直接操作的;②你所提示的測量或操作必須可行;③最好能把變量轉化成數據形式。經過學生個人思考,師生共同討論,總結出以下幾種方案:

1.用相同的4支膠頭滴管,分別吸足20℃、40℃、60℃、80℃的蜂蜜,垂直靜置,用秒表測量膠頭滴管中蜂蜜滴完的時間,比較時間的長短,時間越長蜂蜜粘度越大。或在膠頭滴管垂直靜置后,在相同的時間內,觀察膠頭滴管中剩余蜂蜜的體積,剩余的體積越多,蜂蜜的粘度越大。

2.用4支膠頭滴管,分別吸取20℃、40℃、60℃、80℃的蜂蜜,再拿4支相同的試管,傾斜到同一個角度,然后在1號試管口滴一滴20℃的蜂蜜,以此類推,在4號試管口也滴一滴80℃的蜂蜜,用秒表測量蜂蜜流到試管底部所需的時間,時間越長,粘度越大。

3.在20℃、40℃、60℃、80℃的蜂蜜中,放4個大小相同的鉤碼,然后分別用彈簧秤勻速拉起勾碼,讀出彈簧秤上的力,力越大,蜂蜜的粘度也越大。

4.也有學生提到,取相同體積的20℃、40℃、60℃、80℃的蜂蜜,放在4個相同的燒杯中,然后在液面處放鉤碼,用秒表測出鉤碼沉到燒杯底部所需的時間,時間越長,粘度越大。從以上幾個方法中,可以看出學生能用秒表測時間的長短、彈簧秤測拉力的大小、觀察體積的多少,來定義蜂蜜的粘度,方法簡單,操作方便。

三、對照實驗和控制變量實驗的聯系和區別

這兩種實驗在初中科學中運用非常廣泛,以后也會經常用到。在這兩種實驗方法中,都需要控制變量,這是它們的共同之處,但兩者研究的目的不一樣。如,對照實驗是研究某因素對實驗對象有無影響,而控制變量實驗是研究自變量對因變量有怎樣的影響,但有時兩者也可結合起來使用。如研究“不同程度煙草浸出液對水蚤生命活動的影響”課題中,自變量是煙草浸出液的濃度,因變量是水蚤的生命活動,可用每分鐘的心跳次數來表示,也可用單位時間內的水蚤死亡個數多少來表示。具體方案可以這樣設計:取蒸餾水、濃度1、濃度2、濃度3的煙草浸出液,把40只水蚤平均分到以上4種液體中,每隔一段時間測量4種液體中水蚤的心跳次數,共進行3次來測心跳。從以上設計中可看出,蒸餾水作為對照組,濃度1、濃度2、濃度3是實驗組。通過本實驗不僅可以知道煙草浸出液對水蚤的生命活動有無影響,而且通過對比、歸納,還會知道不同濃度的煙草浸出液對水蚤生命活動有怎樣的規律性的影響。

參考文獻:

1.《中小學科學教學-基于項目的方法與策略》.石磊譯.高等教育出版社出版

2.《中學科學教學論》.陳志偉.陳秉初主編.浙江教育出版社

3.《談對照實驗和對比實驗》.生物學教學2007年第12期

4.《探究實驗中試驗組和對照組的確定》.生物學教學2008年第1期

作者單位:溫州瑞安市安陽實驗中學