結合中考題談控制實驗條件及相關教學時機的把握

李俊紅

摘要：“具有控制實驗條件的意識”是新課標的要求。比較了控制實驗條件和對比實驗研究，在此基礎上對近幾年中考化學試卷中考查“控制實驗條件”試題的表現形式進行了分類和評析，從把握教學內容、遵循學生認知規律、捕捉教學異常狀況三方面闡述把握最佳時機，開展以“控制實驗條件”的教學實踐，以實現從知識技能本位教學到學生核心素養提升的轉變。

關鍵詞：控制實驗條件；對比實驗；核心素養；教學時機；試題命制

文章編號：1005–6629（2016）8–0073–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

《義務教育化學課程標準（2011年版）》在對一級主題“科學探究”的具體要求中指出：“發展科學探究能力”八大要素的“制訂計劃”包含“根據所要探究的具體問題設計簡單的化學實驗方案”和“具有控制實驗條件的意識”?！?015普通高等學校招生全國統一考試大綱（理科）》清晰表述了對探究實驗考查的要求：“設計、評價或改進實驗方案”，“了解控制實驗條件的方法”。2014年《教育部關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》（教基二[2014]4號）文件出臺后，專家們對構成中學化學核心素養之一“實驗探究”的水平描述中指出：“形成化學變化是有條件的觀念，學會運用控制實驗條件研究化學反應?！贝撕螅珖鞯夭粩嘤楷F出了以“素養立意”的試題。在此形勢下，課程標準、考試說明、考試大綱和中學化學核心素養中提出的“對比實驗研究”的要求是如何以試題的形式出現的？控制實驗條件與對比實驗研究是什么關系？在課堂中如何把握最佳教學時機開展針對“素養立意”命題的教學？這是本文要探討的主要問題。

1 控制實驗條件與對比實驗研究

化學是以實驗為基礎的科學，無論是定性實驗還是定量實驗，都需要人為地控制一定的實驗條件。實驗條件的控制，就是把影響實驗對象的諸條件中的一個條件作為可變，其他條件保持不變，探尋此條件的變化對實驗結果的影響，以便找出最佳實驗條件的一種科學方法[1]?？刂茖嶒灄l件主要研究影響化學反應的因素[2]，控制對某個實驗結果可能產生影響的其他實驗條件（即無關變量或干擾變量），通過改變單一變量，研究對化學反應的影響。例如，在初中化學教學中，經常要控制的實驗條件主要有反應物（種類、純度、狀態、形狀、用量、體積和濃度等）、實驗儀器和裝置（儀器規格和裝置的不同連接）和實驗操作（點燃、加熱、冷卻、振蕩、溶解、攪拌、洗滌、過濾、蒸發、蒸餾、時間、壓強等）[3]。對比實驗研究是指設置兩個或兩個以上的實驗，每次實驗只能改變某個單一因素（稱為自變量或刺激變量），控制其他因素（稱為無關變量或干擾變量）保持不變，從而觀察該單一因素的改變引發或導致的實驗結果（稱為因變量或觀測變量）的一種收集證據的實驗研究方法。對比實驗研究主要研究兩種或兩種以上物質性質的差別，例如，探究金屬的活動性順序，“同樣的試管、大小厚薄相同的金屬、相同濃度的鹽酸或硫酸、相同的溫度”都是為了控制無關變量，而“不同種類的金屬”是自變量，“反應速率的差異”就是學生要觀察的因變量。對比實驗是運用比較的方法來揭示事物的性質和變化規律的一種實驗方法。

2 中考試題中控制實驗條件題目類型

2.1 以表格和數據形式出現的“控制實驗條件”題

例1 （2013廈門）探究影響鋅與稀硫酸反應快慢的因素。反應過程中，用前10min內收集的氫氣體積比較反應的快慢。控制其他條件相同，進行下表四組實驗，獲得數據如表1。①比較實驗a和實驗b，可以得到的結論是 。②為了研究硫酸濃度對反應快慢的影響，需比較實驗和實驗 （填編號）。③控制其他條件相同，需控制的條件是 （例舉一種條件即可）。

評析：本題實驗探究的是影響鋅與稀硫酸反應速率的因素，試題通過表格和數據的形式體現控制裝置、溫度、壓強等（無關變量）相同，觀察自變量（鋅的純度、稀硫酸的濃度和體積）對反應速率（因變量）的影響，考查學生分析數據、處理信息，控制單一變量，通過對比實驗得出結論的能力。

2.2 以現象描述形式出現的“控制實驗條件”題

例2 （2015廈門）用裝置（如圖1）完成以下實驗：探究燃燒條件：若B處盛放木炭。Ⅰ.先在A處通入氮氣一段時間后，在B處加熱，B、C處沒有明顯變化；Ⅱ.待B處冷卻至室溫，在A處通入氧氣一段時間后，B、C處沒有明顯變化；Ⅲ.在A處繼續通入氧氣，然后在B處加熱，發現木炭燃燒，C處變渾濁。Ⅰ與Ⅲ對比，說明燃燒的條件之一是 ；Ⅱ與Ⅲ對比，說明燃燒的條件之一是 。

評析：本題實驗探究的是燃燒條件，試題配以實驗裝置圖，通過實驗操作及其對應實驗現象描述的呈現方式，考查學生通過比較現象的差異，分析造成實驗結論差異的根本原因是實驗操作上的不同，控制不同的實驗操作就是控制實驗條件。

2.3 以曲線圖形式出現的“控制實驗條件”題

例3 （2011廈門）研究性學習小組對碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質進行探究，請你參與實驗。比較與鹽酸反應生成相同體積的二氧化碳氣體的快慢。取碳酸氫鈉4.2g放入如圖2裝置的錐形瓶中，取碳酸鈉5.3g放入另一相同裝置的錐形瓶中，分別加入相同質量、相同濃度的鹽酸（足量）。相同的條件下，通過圖3裝置測量生成氣體的體積，得到時間-體積關系曲線如圖4所示。數據與分析：根據圖4曲線，可得出有關“比較與鹽酸反應生成相同體積二氧化碳氣體的快慢”的結論是。反思與討論：實驗中“取碳酸氫鈉4.2g、碳酸鈉5.3g”的目的是 。

評析：本題實驗過程中生成二氧化碳氣體體積和時間的關系，是通過數形結合的思想——函數圖像體現的，試題考查學生定性分析曲線的變化規律得出控制單一變量（反應物的種類）對實驗結果（反應速率）的影響，同時考查學生定量分析得到等體積二氧化碳和控制實驗條件（反應物的量）的關系。

2.4 以實驗裝置形式出現的“控制實驗條件”題

例4 （2015泰安）用變量控制方法探究影響物質溶解性的因素。實驗（圖5）目的是探究對硝酸鉀溶解性的影響；實驗（圖6）是探究溶劑種類對物質溶解性的影響，該實驗中需要控制的變量是溫度和 。

評析：本題的控制實驗條件是通過實驗裝置圖的形式呈現的，考查學生通過讀圖比較裝置圖的差異（找出自變量），控制其他條件相同（無關變量），得出自變量對因變量（物質溶解性大?。┑挠绊?。

2.5 以設計實驗方案形式出現的“控制實驗條件”題

例5 （2015杭州）實驗室小金分別用甲鹽的晶體配置了溶質質量分數為5%的A溶液和30%的B溶液，但忘了貼標簽，請你運用兩種不同的科學原理，分別設計兩個簡單實驗來判別這兩瓶溶液。請寫出簡要的實驗方案和明確的判別依據。有下列儀器、物品供選擇：量筒、天平、小燒杯、酒精燈、三腳架、石棉網、漏斗、玻璃棒、濾紙、溫度計、新鮮蘿卜、甲鹽的晶體。（實驗室的室溫為30℃，30℃甲鹽的溶解度為50g）方案1： ；判別依據： 。方案2：；判別依據： 。評析：本題鑒別兩種同一溶質不同濃度的不飽和溶液，無論是采取蒸發溶劑比較溶質結晶的先后順序，還是加溶質比較哪種溶液先達到飽和狀態，設計實驗方案中均需考慮控制無關變量。

2.6 蘊含在實驗評價中的“控制實驗條件”題

例6 （2015泰安）定量測定空氣中氧氣的含量。裝置一（圖7）比裝置二（圖8）更合理，理由是；根據表2提供的實驗數據，完成表2。定量實驗操作中易產生誤差，如果反應前氣球中存在氣體（其量小于注射器內的空氣），而實驗后冷卻至室溫，將氣球內的氣體全部擠出讀數，導致實驗測得的結果 （填“偏小”“偏大”或“無影響”）。

評析：本題以實驗評價（裝置更合理或誤差分析）的形式考查學生分析控制實驗條件（儀器連接或實驗操作）對實驗結果產生的影響。

2.7 隱蔽在選擇題選項中的“控制實驗條件”題

例7 （2015無錫）如圖9所示：若關閉Ⅱ閥打開Ⅰ閥，紫色小花（用石蕊溶液染成）變紅；若關閉Ⅰ閥打開Ⅱ閥，紫色小花不變紅。則甲瓶中所盛的試劑可能是 ①濃H2SO4 ②濃NaOH溶液 ③飽和NaCl溶液。選項：A.只有①；B.只有②；C.①②；D.①②③。

評析：本試題雖然以選擇題的形式呈現，隱蔽在題中的“控制實驗條件”是操作和裝置，操作不同，裝置不同，產生了不同的實驗現象，得出了不同的結論。

綜上所述，近幾年中考試題體現出對構成中學化學核心素養之一“實驗探究”水平描述的考查：（要）“形成化學變化是有條件的觀念，學會運用控制實驗條件研究化學反應。”試題表現方式多樣，體現其價值導向：讓學生形成控制實驗條件的意識，學會控制變量研究化學反應的科學方法。因此，教學中適時把握教學時機，開展以“素養立意”命題的教學實踐意義重大。

3 把握最佳時機開展以“素養立意”的教學實踐

核心素養是學生在接受相應學段的教育過程中，逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力。根據“高中化學核心素養研制課題組”第6次討論稿，化學學科核心素養包括“宏微結合”、“分類轉化”、“變化守恒（辯證思維）”、“模型認知”、“實驗探究”、“綠色應用”等內容?？刂茖嶒灄l件是培養學生具有“實驗探究”核心素養的重要內容。而教學最佳時機是針對特定的教育者與教育對象之間客觀存在的可以獲得最佳教育效能的一段時間中的一種機遇[4]。在學生知識建構的過程中，科學地創設、捕捉與利用最佳的教育教學時機，開展以“素養立意”的教學實踐，培養學生形成“控制實驗條件研究化學反應”的意識，能使教與學的活動收到事半功倍的效果。

3.1 把握教學內容，適時滲透“控制實驗條件”的方法教育

學生科學素養的養成，不是靠做題解決的，而是在體驗問題解決的過程中逐漸養成的。初三化學課本中各個單元的教學內容，知識本體的背后均承載著“物質是變化的，變化是有條件的，控制實驗條件就能控制化學反應”的化學觀念，這就要求教師充分理解課本中實驗教學的功能及其蘊含的學科思想和研究方法，挖掘實驗背后的學科素養價值，適時開展培養學生具有控制實驗條件的核心素養和科學方法教育。例如，課本中檢驗氧氣的實驗，如果多次把燃著的木條伸入瓶內，直到木條火焰熄滅，適時引導學生分析實驗現象的差異（即因變量）是由氧氣的濃度（自變量）引起的，從而可以得出：控制氧氣的濃度就能控制木條的燃燒情況即控制反應物的濃度就能控制化學反應。如果進一步探究，從定性上升到定量，收集不同濃度的氧氣（自變量），探究木條的燃燒情況（因變量），控制木條的規格、火焰大小、伸入氧氣內的速度相同（無關變量）。如果更進一步探究木條從燃燒到熄滅過程中氧氣濃度的變化，可采用手持技術適時向學生展示氧氣濃度隨木條燃燒時間的變化曲線，引導學生分析氧氣濃度隨時間的變化規律，同時轉化了部分學生錯誤的前概念“木條火焰熄滅，是因為瓶內氧氣反應完了”。由此可見，通過對這個看似簡單的課本實驗背后功能價值的挖掘，創設問題情境，激發了學生的認知沖突和探究欲望。在設計實驗方案的體驗過程中，使學生對控制實驗條件、對比實驗、定性到定量的研究方法逐步養成，從而解決問題促進能力發展的學科素養得以提升。

3.2 遵循認知規律，適時把握“控制實驗條件”的層次要求

對于初三學生而言，化學是啟蒙學科，培養學生“控制實驗條件”的意識和方法應遵循學生的認知規律，由淺及深，循序漸進。如課程內容中的一級主題“身邊的化學物質”性質的學習，教材的編排順序是氧氣、二氧化碳、一氧化碳、金屬到酸堿鹽，學生認識物質的性質經歷了從典型代表物到類別物質、從單一角度到多角度、從宏觀到微觀、從定性到定量的層級發展過程[5]。氧氣的實驗主要基于觀察和描述，如硫在空氣中燃燒和在氧氣中燃燒的差異。而碳的氧化物的實驗開始有方案設計層面的要求，如驗證二氧化碳和水的反應，當二氧化碳溶于水，塑料瓶變癟，繼續往其中注射適量的紫色石蕊試液，發現紫色石蕊變紅，教學中利用課堂生成的資源適時引導學生分析造成此實驗現象（因變量）是由哪些因素（自變量）引起的，當自變量不單一時，需要控制單一變量設計實驗方案做對照。到九年級化學（下），學生第一次研究一類物質金屬的性質，學生初步認識到要從相似性和差異性兩方面去認識，其中差異性的研究，就需要控制變量做對比實驗，如金屬和酸的反應。酸、堿、鹽是初中化學學習臨近結束時要研究的物質，除了要繼續基于類別的思想來探究外，還可嘗試引導學生從微觀組成的角度來探究酸、堿、鹽的性質，如酸、堿溶液使指示劑變色，究竟是溶液中的什么離子使指示劑變色的，設計實驗驗證同樣需要控制實驗條件，研究單一變量對實驗結果的影響。由此可見，培養學生形成“控制實驗條件的意識”，要充分領悟教材內容編寫順序的意圖，從整體上規劃，既要考慮義務教育階段化學的啟蒙性，又要兼顧學生的認知規律，從宏觀到微觀，從特殊到一般，從定性到定量，螺旋上升，防止隨意拔高要求，造成欲速則不達的后果。

3.3 捕捉異常狀況，適時把握“控制實驗條件”的教學時機

教學是動態的、生成的，即使教師事先預設充分，課堂上也難免會發生一些突發事件。如果把課堂上這些本不愿發生的“意外”處理好，充分發揮教學機智，同樣是教育學生控制實驗條件的最佳時機。教學中的異常狀況往往有以下幾種：實驗失敗或現象異常，如測定空氣里氧氣含量的實驗[6]，一旦發現水不倒流或者倒流過來水的體積大于或小于1/5，怎么辦？如果引導學生分析原因，并且馬上改進裝置，控制操作或反應物的量，繼續實驗，不僅能鍛煉學生對實驗成敗的反思能力，而且加深了學生對控制實驗條件影響實驗結果的理解；學生回答與預期不符，如課堂上學生回答“二氧化碳易溶”，如果教師事先對學生的回答有充分的預期，可馬上補做氯化氫溶于水，塑料瓶變癟的對照實驗，不僅糾正了學生錯誤的前概念，而且向學生滲透了控制變量做對照實驗的研究方法；學生學化學的“頑疾”，如書寫化學方程式常常忘記寫條件，可反復通過改變條件做對照實驗，或者探究燃燒條件時通過控制變量，讓學生理解燃燒是條件控制下的燃燒，控制條件就能控制燃燒即控制化學反應。

總之，課堂中的“異常狀況”是課堂即時生成的很好的教學資源，需要教師事先充分預見并且發揮教學機智，根據教學內容把握教學時機適時向學生滲透“控制實驗條件的意識”，避免教學“滑過”現象，從而提高課堂教學效益。

參考文獻：

[1]鄭長龍.試論化學教學中的實驗方法[J].中學教師培訓，1992，（9）：31～33.

[2]王紅玲.充分利用教育教學資源，發展學生控制實驗條件的能力[J].黑龍江科技信息，2009，（34）：246.

[3]王鳳芝，李德才.實驗條件控制方法在化學教學法實驗中的運用[J].吉林師范學院學報，1996，（8）：63～64.

[4]胡志剛.教育時機論[M].哈爾濱：黑龍江人民出版社，2013.

[5]羅濱，王磊.初中化學關鍵問題指導[M].北京：高等教育出版社，2015.

[6]占晨達.基于誤差分析的實驗教學研究[J].教學儀器和實驗，2015，（7）：23～24.