例談初中化學實驗教學中培養(yǎng)學生控制變量思想的方法

黎慧賢

摘要：闡述了控制變量的教學價值以及控制變量思想方法在教材和學業(yè)質(zhì)量評價標準中的體現(xiàn)。教學中要使學生明確控制變量思想在化學實驗中的意義，學習用控制變量思想控制實驗條件的方法，運用控制變量思想分析要控制的相關(guān)實驗條件。利用對比實驗，讓學生了解控制變量思想；利用科學探究活動，培養(yǎng)控制變量思想；利用實驗設計，運用控制變量思想；利用專題訓練，反饋教學效果。

關(guān)鍵詞：初中化學；實驗教學；控制變量；實驗條件；培養(yǎng)方法

文章編號：1005–6629（2015）1–0066–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

基于學科的特點，化學教學要以實驗為載體，實現(xiàn)傳授學科知識、滲透學科思想、訓練學習方法和培養(yǎng)學科能力等教學目標。《義務教育化學課程標準》和《廣州市義務教育階段學科學業(yè)質(zhì)量評價標準》倡導發(fā)揮學科優(yōu)勢，將科學探究作為課程改革的突破口，實現(xiàn)“知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀”全面整合和落實；提出通過相關(guān)的實驗內(nèi)容，讓學生逐步掌握控制實驗條件的思想和方法。控制實驗條件中常用到控制變量思想。因此，在教學中如何用控制變量思想分析和控制實驗條件，對能否培養(yǎng)學生控制實驗條件的思想和方法至關(guān)重要。

1 什么是控制變量

控制變量法是科學研究領(lǐng)域常用的一種研究方法。控制變量是指通過控制其他實驗條件不變，對可能影響實驗結(jié)果的多個因素逐一進行對比探究，然后通過數(shù)據(jù)分析、比對，總結(jié)、歸納，得出結(jié)論的方法。用控制變量法分析實驗，可以使研究的結(jié)論更具客觀性，有利于學生學習和探究物質(zhì)變化的規(guī)律，有利于學生掌握控制實驗條件的思想和方法。

2 控制變量的教學價值

2.1 有利于激發(fā)學生的學習興趣

化學實驗對學生的吸引力很強，但隨著學習的深入，學習內(nèi)容越來越需要思考。如果觀察實驗不明所以，做實驗不明目的，操作不明步驟，那么學生學習的興趣難以得到持續(xù)。教會學生用控制變量思想分析和控制實驗條件，能使許多學習內(nèi)容變得更有層次感，更能使學生產(chǎn)生討論、探究的沖動。

2.2 有利于激發(fā)學生的學習動力

控制變量思想的要點是：依據(jù)實驗目的，明確影響因素，研究各因素對探究實驗或探究問題有何影響，注意選擇數(shù)據(jù)或設置實驗的有效性，且變量要統(tǒng)一。學生在物理學中已接觸過這一方法，對新學科的期待和對學習方法的熟悉，有利于激發(fā)學生的學習動力和信心。

2.3 有利于激發(fā)學生的創(chuàng)新意識

沒有發(fā)現(xiàn)問題就沒有創(chuàng)新。用控制變量思想考慮問題，容易形成一個半開放的思維空間，通過逐一控制可變量進行討論、實驗，得到不同的結(jié)果，更能全面認識問題，打破以偏蓋全的觀念，實現(xiàn)還原科學的新思想、新觀念。很多科學定律都是通過控制變量法來進行實驗總結(jié)出來的。

3 控制變量思想方法的培養(yǎng)策略

3.1 控制變量思想方法在教材和《廣州市義務教育階段學科學業(yè)質(zhì)量評價標準》中的體現(xiàn)

3.1.1 物質(zhì)轉(zhuǎn)化類實驗

上冊：人們吸入的空氣與呼出的氣體有什么不同、分解過氧化氫的反應中二氧化錳的作用、二氧化碳與水的反應、燃燒條件的實驗等。下冊：金屬與鹽酸、稀硫酸的反應、鐵生銹的條件等。

3.1.2 物質(zhì)性質(zhì)類實驗

上冊：可燃物在氧氣里與在空氣里燃燒情況比較、二氧化碳的溶解性實驗等。

3.1.3 數(shù)據(jù)類實驗

上冊：測定空氣里氧氣的含量、分子運動現(xiàn)象、反應前后物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)系、高錳酸鉀的溶解性比較、溶解時的吸熱或放熱現(xiàn)象等。

3.1.4 物質(zhì)鑒別鑒定類實驗

上冊：用肥皂水區(qū)分軟水和硬水。下冊：物質(zhì)或離子的鑒別實驗、物質(zhì)是否變質(zhì)鑒定實驗等。

《廣州市義務教育階段學科學業(yè)質(zhì)量評價標準》對相關(guān)素材均有不同的要求，如在質(zhì)量守恒定律的探究實驗中提出的要求是：感受定量實驗的研究方法，認識定量研究對于化學學科發(fā)展的重大作用；在探究二氧化碳與水的反應時，要求利用對比實驗學習控制實驗條件的方法；燃燒條件的探究實驗，學習控制實驗條件的研究方法，體會對比實驗在科學探究中的運用，進一步學會觀察、描述和記錄實驗現(xiàn)象，以及分析實驗現(xiàn)象得出結(jié)論；金屬與鹽酸、稀硫酸的反應探究活動中，體驗提出問題、制訂計劃（控制實驗條件、對比實驗）、進行實驗、收集證據(jù)（觀察、描述、記錄）、得出結(jié)論的科學探究過程等等。

但是，教材和《廣州市義務教育階段學科學業(yè)質(zhì)量評價標準》都沒有連續(xù)地、系統(tǒng)地培養(yǎng)學生控制實驗條件的知識體系，而學習方法和能力不是一兩堂課或一兩天就能養(yǎng)成的，所以教師需要結(jié)合教學內(nèi)容和《廣州市義務教育階段學科學業(yè)質(zhì)量評價標準》的要求，設計好教學計劃，有目的、有步驟地做好方法指引、反復滲透才能逐步培養(yǎng)起來。

3.2 結(jié)合相關(guān)素材，制訂培訓方法

3.2.1 開門見山，明確控制變量思想在化學實驗中的意義

控制變量思想在八年級的物理學習中學生已有一定的了解，在九年級的化學入門（如緒言課的引入和第一單元的“對人體吸入的空氣和呼出的氣體的探究實驗”）適時利用教材內(nèi)容開門見山地提出控制變量思想在化學的學習中同樣適用，讓學生明確化學的學習方法，盡快入門。

3.2.2 注重對比，學習用控制變量思想控制實驗條件的方法

控制變量思想的培養(yǎng)需要一個循序漸進的過程。從簡單到復雜是不變的學習定律，從相關(guān)內(nèi)容中分別整理出探究一個條件、兩個條件到多個條件的典型實驗。運用對比的方法，逐步學習如何用控制變量思想分析和控制實驗條件，從研究角度引導學生思考要控制的實驗條件的方法。比較一個條件，通常用兩個實驗為一組去對比。如探究溫度對分子運動的影響（圖1），控制條件的方法是：對比實驗的方式是只有溫度不同，其他實驗條件相同。探究二氧化碳的溶解性實驗（如圖2），從課本圖片引發(fā)思考，筆者認為將素材稍作改動，改為用對比實驗的方式探究二氧化碳的溶解性更能說明問題。控制條件的方法是：對比實驗的方式是氣體不同，其他實驗條件相同，如對比實驗時要控制所用的塑料瓶是相同型號、氣體體積相同、所加入的水的體積相同。比較兩個條件，通常用三個實驗為一組進行對比：如探究鐵生銹的條件（如圖3），引導學生用控制變量思想理解對比實驗的設計思路——只有對比點不同，其他實驗條件相同。即如要探究生銹的條件是否需要氧氣，對比實驗的設計就為一個實驗是鐵與氧氣接觸，而另一個實驗沒與氧氣接觸，其他實驗條件相同。對比實驗在教學素材中多次出現(xiàn)，用對比實驗作為九年級階段學習控制變量思想的主要載體學生容易掌握方法，容易有成功體驗。

3.2.3 明確目的，運用控制變量思想分析要控制的相關(guān)實驗條件

運用控制變量思想分析實驗條件，要用到對比的方法，但又不局限于對比思維。為避免學生進入控制實驗條件就是固定某些實驗條件做對比實驗的誤區(qū)，有必要在學習完一個方法后，適時引入新的分析方法，避免學生機械套用。如“測定空氣里氧氣的含量”（見圖4），相當一部分學生經(jīng)過探究“人們吸入的空氣與呼出的氣體有什么不同”的活動后，對控制實驗條件做對比實驗來考慮問題的方法有較深刻的認識。到學習這部分內(nèi)容時就會產(chǎn)生困惑“老師教的方法用不上了”，所以在這部分內(nèi)容的學習中要讓學生明確，用控制變量思想考慮問題，并非都需要做對比實驗。如何判斷，方法很簡單，就是從實驗目的出發(fā)，分析在理想情況下實驗究竟是何種狀況，而在客觀實驗過程中可能出現(xiàn)哪些影響實驗結(jié)果的因素。我們就是要控制這些因素以達到或接近理想狀態(tài)，令實驗結(jié)果接近客觀事實。從實驗目的分析要控制的實驗條件是化學實驗中控制實驗條件的基本方法。要學生獨立思考，對學生來說有相當?shù)碾y度，在制訂教學方案時要充分預測學生的思維方法，在各個可能出現(xiàn)困惑的環(huán)節(jié)設置相關(guān)思考問題來解惑。如反應物的選擇：為什么是紅磷或白磷？為什么不能用木炭、硫代替？如實驗環(huán)境的選擇：為什么要在瓶內(nèi)先放少量的水，不放可不可以？為什么要氣密性良好，裝置漏氣會出現(xiàn)什么樣的情況等？實驗操作的選擇：為什么點燃紅磷后要立刻伸入瓶內(nèi)并馬上塞緊橡皮塞？為什么實驗前要先夾緊彈簧夾？為什么彈簧夾要在瓶冷卻后再打開？每一個問題都有針對性，為學生理解控制實驗條件而設，幫助學生從控制變量思想去理解實驗。類似的教學素材還有很多。學而不思則罔，思而不學則殆，教學中要注意把握機會，適時利用教材內(nèi)容，反復滲透。

3.3 由簡到繁，分步落實

“控制變量法”運用到實驗教學對教師提出了更新、更高的要求。教師在課前需花大量的時間和精力對教學目的、內(nèi)容和活動的形式等因素予以充分考慮，且在課堂中要善于關(guān)注學生實驗設計及操作技能，激活課堂氣氛，創(chuàng)設平等和諧的師生關(guān)系，分步落實教學設計。課堂上，教師不僅是課堂活動的設計者和組織者，而且還是學生學習的引導者。

3.3.1 利用對比實驗，了解控制變量思想

在初中化學的教學過程中，有相當一部分內(nèi)容適合用對比實驗來學習。如在第二單元“我們周圍的空氣”對比硫分別在空氣和氧氣中燃燒、鐵絲分別在空氣和氧氣中加熱、過氧化氫在不同條件下分解等對比實驗，是讓學生體會“物質(zhì)的變化是有條件的”的理想題材。簡單的對比實驗不僅能讓學生正確、清晰地感受到不變量、變量和因變量，還能幫助學生了解控制變量思想的核心內(nèi)容：通過控制其他實驗條件不變，變量將會對實驗結(jié)果產(chǎn)生什么影響。

案例1 比較硫在空氣和氧氣里燃燒情況（如圖5）

實驗條件：各取等質(zhì)量的硫粉于燃燒匙內(nèi)，在空氣中點燃后分別放入盛有等體積氣體的空氣和氧氣的集氣瓶中，讓其繼續(xù)燃燒，觀察并記錄現(xiàn)象。

實驗前向?qū)W生分析實驗要得出科學可信的結(jié)論，有必要對實驗條件進行控制。經(jīng)過分析后，對于方案中提到的條件控制，學生是比較易于理解和接受的，但如果教師反問學生哪些是變量，哪些是不變量，這樣設計的目的是什么，可能有相當多的學生不能全部答出來。原因不是問題難度大，也不是學生能力弱，而是學生還沒有習慣用控制變量的思想去分析問題，所以在平時的教學中適當提醒學生相應的學習方法是非常必要的。

案例2 軟水與硬水的檢驗

做這個對比實驗時，引導學生關(guān)注這個實驗的試劑用量：等量的軟水、硬水，加入等量的同一種肥皂水。用課堂提問的方式讓學生找出不變量和要研究的變量，學生思考如不控制試劑的用量，將可能出現(xiàn)哪些實驗結(jié)果，去體會控制某些實驗條件對研究物質(zhì)的必要性。

案例3 比較氧氣和二氧化碳的水溶性

教學中，筆者將二氧化碳水溶性的教學內(nèi)容與氧氣的水溶性作了整合，設計一個對比演示實驗：分別往兩個相同型號的塑料瓶中各收集一瓶氧氣和一瓶二氧化碳，觀察塑料瓶的瓶身是否都呈圓柱狀，再分別注入等量的水（約三分之一），振蕩，觀察，說出實驗現(xiàn)象和總結(jié)實驗結(jié)果。評價方式：課堂提問。簡單的問題，明顯的現(xiàn)象，學生能了解二氧化碳可溶于水這一性質(zhì)，但容易忽略控制實驗條件。授課時，教師必須引導學生關(guān)注這一問題，如提出問題“如果瓶的大小不同，或瓶的軟硬度不同或水的用量不同，得出的實驗結(jié)果又可能如何？哪一種設計比較合理？”學生通過交流，很快會明白要使實驗結(jié)果科學合理，必須控制可能影響實驗結(jié)果的一些因素不變。

筆者認為，學生學習對比實驗比學習單一的實驗精神更為集中，如果在教學中能注意引導學生關(guān)注實驗條件，在對比實驗中滲透控制變量思想比單一的文字表達更易讓學生接受。

3.3.2 利用科學探究，培養(yǎng)控制變量思想

《義務教育化學課程標準》和《廣州市義務教育階段學科學業(yè)質(zhì)量評價標準》非常強調(diào)科學探究，《廣州市義務教育階段學科學業(yè)質(zhì)量評價標準》中給出了一些評價例子讓廣大一線教師參考。但筆者在平時的教學中發(fā)現(xiàn)，即使學生了解控制變量的核心思想，也會在學習中出現(xiàn)搞不清變量、不變量，學習思路比較混亂，不會分析實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果表達不清，設計方案能力較弱等諸多問題。其實，初中化學教材中應用控制變量思想進行探究的內(nèi)容很多，如：燃燒的條件、鐵生銹的條件，金屬與酸反應的劇烈情況比較，固體物質(zhì)在不同溶劑中的溶解性等內(nèi)容。面對這么多可滲透控制變量思想的內(nèi)容，筆者認為，教師對教學內(nèi)容的合理編排、設計，能充分發(fā)揮教學內(nèi)容的載體作用。在學習的過程中同時掌握方法，有利于學生形成控制變量思想，更能有效提高課堂教學質(zhì)量。

數(shù)據(jù)類實驗中，催化劑的探究實驗也是培養(yǎng)學生控制變量思想不錯的素材。數(shù)據(jù)類實驗有一個好處就是可以通過比對數(shù)據(jù)，直接得出結(jié)論，在現(xiàn)象和結(jié)論中不需過多的引導。

案例4 探究二氧化錳的用量對反應速率的影響

筆者在講完催化劑概念后，設計了這樣的題目讓學生思考：某學習小組做了這樣一組實驗：每次均用30mL 10%的過氧化氫溶液，使用不同量的二氧化錳作催化劑測定每次收集到500mL氧氣所用的時間。結(jié)果如下（其他實驗條件相同）：

請分析表中數(shù)據(jù)后回答：二氧化錳的用量對反應速率有何影響？評價方式：筆紙測試。

分析：此題借助控制變量法，對催化劑的用量是否影響化學反應速率進行研究。引導學生審題時先要知道題中控制變量的目的，找出已知信息和問題；后要對數(shù)據(jù)進行分析，得出變量和變化范圍；最后，結(jié)合數(shù)據(jù)及實驗結(jié)果進行總結(jié)，得出結(jié)論。仔細審題后，學生大部分能找出變量是二氧化錳，但數(shù)據(jù)變化的范圍，學生在表達時可能會出現(xiàn)某些障礙，教師在點評時一定要示范或指導規(guī)范的表達方式，讓學生形成思路，樹立學習的信心。

案例5 探究氧化鐵能否作為過氧化氫溶液分解的催化劑

甲、乙、丙三位同學同時進行過氧化氫溶液的分解與氣體的收集實驗。實驗時間為30s（過氧化氫均未完全分解），其他可能影響實驗的因素均已忽略，相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

提問：欲探究Fe2O3在實驗中是否起催化作用，首先比較_____和_____（填“a”“b”“c”）的大小，其次需補充做以下實驗 （無需寫出具體操作）。

①_____ ②反應前后Fe2O3的化學性質(zhì)不變。評價方式：紙筆測試。

筆者認為教學中應引導學生從實驗目的“欲探究Fe2O3在實驗中是否起催化作用”出發(fā)，考慮設計實驗意圖和設計實驗時要包括的內(nèi)容，是否起催化作用，可設計為相同的實驗條件下，一個實驗有該物質(zhì)而另一個對比實驗沒有該物質(zhì)，比較兩個反應的速率是否相同。若相同，即無催化作用；若不同，即有催化作用。在這個引導過程中，學生對催化劑的概念加深了了解，既解決了教學問題，又能滲透好控制變量思想。

3.3.3 利用實驗設計，運用控制變量思想

探究實驗的設計，對學生來講是比較難的。筆者在授課過程中發(fā)現(xiàn)，如果要讓學生保持高漲的學習情緒，必需要有一定的獎勵，而最好的獎勵就是讓他們用自己設計的方案動手做實驗。教師應該肯定學生的這種想法，充分調(diào)動學生的積極性，鼓勵小組合作，共同討論，完成實驗設計，但這只適合有一定基礎(chǔ)的學生，不能要求全部學生達到這一水平。

案例6 請你設計實驗，比較鐵、銅、銀的金屬活動性強弱

可供選擇的試劑：固體：鐵、銅兩種常見金屬，有粒狀、粉狀、條狀

稀酸：5%稀鹽酸、10%稀鹽酸、5%稀硫酸、10%稀硫酸

鹽溶液：氯化亞鐵溶液、氯化鐵溶液、硫酸銅溶液、硝酸銀溶液

審題后，提示學生先根據(jù)題意，需收集哪些信息。

綜合學生的意見后總結(jié)所收集的信息：

（1）可用金屬與稀鹽酸或稀硫酸溶液反應的速率判斷金屬活動性強弱。

（2）可用金屬與鹽溶液反應能否進行判斷金屬的活動性強弱。

讓學生分小組討論實驗設計需考慮的因素（控制變量思想的運用）：考慮所用的試劑、試劑的濃度或形態(tài)等影響反應速率的條件。

指導：用表格的形式表達實驗設計（提示：要運用控制變量的思想“要對比的因素為可變量，其他因素為不變量”去完成以下實驗表格）。

教學反思：這是在第八單元復習金屬活動性順序的實驗設計題。學生經(jīng)過三個星期的學習，對金屬活動性已有初步的認識，為打開學生思維，培養(yǎng)實驗設計能力，讓學生運用控制變量思想，按實驗要求自行設計實驗。鑒于學生可能在表達上出現(xiàn)困難，故在設計中給出相應的提示信息，這也是學生迫切需要教師給予的幫助。活動后學生在思維和表達方面均有比較大的進步。

3.3.4 利用專題訓練，反饋教學效果

提高課堂教學質(zhì)量，除了要有好的教學設計，課堂的實施情況往往才是提升教學質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)。《廣州市義務教育階段學科學業(yè)質(zhì)量評價標準》在過程與方法目標中多次提出，要利用教學內(nèi)容為載體，逐步培養(yǎng)學生控制變量思想。如何判斷學生的學習情況呢？最好的辦法莫過于專題檢測了。近年的中考題也有這樣的試題，如2011中考第19題：為了探究影響鋅與鹽酸反應劇烈程度的因素，某學習小組設計了下列實驗：

下列說法正確的是

A.對比實驗①和②，可研究鹽酸的濃度對反應劇烈程度的影響

B.對比實驗②和③，可研究鹽酸的濃度對反應劇烈程度的影響

C.對比實驗②和③，可研究溫度對反應劇烈程度的影響

D.對比實驗①和②，可研究溫度對反應劇烈程度的影響

在專題訓練及檢測中，為實現(xiàn)專項訓練，可對考題作一定的改動，以適應實現(xiàn)本課教學目標的需要。如2010中考第27題可改為：某同學根據(jù)日常經(jīng)驗推測，可燃物燃燒可能與氧氣和溫度有關(guān)，設計并完成了下列實驗進行驗證：

（1）實驗_____和實驗_____證明了可燃物燃燒必須要接觸氧氣。

（2）實驗_____和實驗_____證明了可燃物燃燒必須要達到一定溫度。

只檢測控制變量思想的掌握情況，以適應實現(xiàn)專項檢測的目標，使學生課堂內(nèi)有足夠時間思考，保證課堂質(zhì)量。

4 結(jié)束語

控制變量法作為一種學習方法，不僅適用于理化學科，還適用于解決一些其他學科領(lǐng)域的問題。學生雖然對于這一思想的學習和理解有一定的困難，但作為一種常用的學習方法，在平時的教學中還是應該鼓勵學生去大膽嘗試，學會綜合運用方法解決問題。除了化學教材內(nèi)容，平時教學中涉及到生活中的化學問題，需用到控制變量思想的，也應適時練習強化，使控制變量思想真正成為學生解決學習和生活問題的一種方法。

參考文獻：

[1]王萍華.例釋變量控制思想的實驗考查[J].化學教與學，2011，（7）：87～89.

[2]李敏強博客.化學探究實驗中運用控制變量法的教學實踐. 2011-05-17. http：//blog.sina.com.cn/s/blog_7097eba50100scjv.html.

[3]豆丁網(wǎng).“控制變量法”在初中化學實驗教學中應用的分析研究課題. http：//www.docin.com/p-48931204.html.

[4]廣州市教育局教學研究室編.廣州市義務教育階段學科學業(yè)質(zhì)量評價標準（化學）[M].廣州：廣東教育出版社，2009.