初中物理中的控制變量法研究

張建云

摘 要：控制變量法是學(xué)習(xí)初中物理最常用的一種方法，其在整個(gè)物理學(xué)中有著舉足輕重的地位。因此，作為初中物理教師，教會(huì)學(xué)生應(yīng)用控制變量法很重要。這不僅對(duì)學(xué)生將來(lái)學(xué)習(xí)高段物理大有裨益，同時(shí)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理素養(yǎng)、科學(xué)思維、探究精神等也有很大的幫助。結(jié)合自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)文獻(xiàn)，淺談一下控制變量法在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究與應(yīng)用，希望能給廣大教師同行帶來(lái)參考和啟示。

關(guān)鍵詞：初中物理；控制變量法；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

物理學(xué)是一門非常注重觀察和實(shí)驗(yàn)的學(xué)科，很多物理規(guī)律都是建立在實(shí)驗(yàn)之上的。因此，要想讓學(xué)生學(xué)好初中物理，并且能夠靈活應(yīng)用，教師首先要做的，就是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的能力以及主動(dòng)探究的思維方式。作為物理學(xué)中最慣用的科學(xué)方法，控制變量法在初中物理教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用十分廣泛，很多概念和規(guī)律都可以用這種方法來(lái)推導(dǎo)。俗話說(shuō)得好，一通百通，雖然這么說(shuō)有些夸張，但是從初中物理的角度來(lái)看，控制變量法對(duì)學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)有著不可估量的啟示作用。

一、控制變量法的概念

物理學(xué)中對(duì)于研究多個(gè)變量的問(wèn)題，經(jīng)常采用控制變量的方法將多變量問(wèn)題轉(zhuǎn)變成多個(gè)單變量的問(wèn)題。在研究過(guò)程中，每一次只改變一個(gè)變量，同時(shí)控制其他變量不變，進(jìn)而探求被改變的那個(gè)變量對(duì)事物發(fā)展變化的影響，然后分別加以研究，最后再一起解決，這樣的方法就叫做控制變量法。為了方便理解，舉個(gè)通俗的例子，班里的窗戶被人用石頭打破了，通過(guò)多方面的調(diào)查，所有的證據(jù)都指向了李×和王××，為了鎖定到底是這兩人中的哪一個(gè)，可以采用控制變量的方式，監(jiān)督其中一個(gè)，看是否還有類似的事情發(fā)生，然后就知道是誰(shuí)干的了。

二、控制變量法的重要性

隨著新課程改革的開(kāi)展和深入，學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)越來(lái)越成為廣大教育工作者所看重的。控制變量法作為常用的科學(xué)探究法之一，在初中物理教學(xué)之中備受教師青睞。因?yàn)檫@種方法不僅能夠幫助學(xué)生梳理和理解抽象難懂的物理知識(shí)，還有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主探究、歸納總結(jié)以及自主分析的能力。因此，學(xué)好控制變量法，對(duì)學(xué)生未來(lái)的發(fā)展非常有益。除此之外，初中物理因?yàn)橄鄬?duì)比較基礎(chǔ)和簡(jiǎn)單，控制變量法幾乎能解決大部分的初中物理問(wèn)題，對(duì)于初中物理教師和學(xué)生來(lái)說(shuō)，這種方法簡(jiǎn)直堪稱剖析初中物理的利器。

三、控制變量法的要求

控制變量法幾乎貫穿于初中物理的始終。無(wú)論是在解釋晦澀難懂的物理概念時(shí)，還是在設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，控制變量法都能發(fā)揮非常重要的作用。因此，保證控制變量法的正確運(yùn)用很有必要，這就對(duì)教師和學(xué)生提出了一些要求。

1.控制變量法對(duì)教師的要求

在講授控制變量法的時(shí)候，教師一定要注意，切莫照本宣科。當(dāng)然，讓學(xué)生明白控制變量法的概念和其可以應(yīng)用的條件很重要，但作為物理教師，絕對(duì)不能忽略物理實(shí)驗(yàn)的價(jià)值，要理論聯(lián)系實(shí)際，引導(dǎo)學(xué)生利用控制變量法去設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)，并幫助他們?cè)谀X中建立相應(yīng)的物理模型，使他們不但能從真正意義上理解控制變量法的內(nèi)涵，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)該方法的靈活運(yùn)用。此外，在日常教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)避免太過(guò)功利，不能為了提高學(xué)生的應(yīng)試成績(jī)而讓學(xué)生背誦一些生澀的物理概念和科學(xué)方法，這就好比練武功只練招式，不練心法，結(jié)果往往只能適得其反。

2.控制變量法對(duì)學(xué)生的要求

初中物理是學(xué)習(xí)高中物理的基礎(chǔ)，而控制變量法對(duì)于初中物理意義非凡。所以這就要求學(xué)生必須要對(duì)該方法足夠重視。不僅要熟知該方法的概念和使用條件，還應(yīng)在此基礎(chǔ)上積極探究、深入分析。除此之外，學(xué)生有必要在課后有針對(duì)性地做大量練習(xí)以夯實(shí)基礎(chǔ)，無(wú)論模擬試卷還是實(shí)驗(yàn)操作，都應(yīng)不遺余力。之后，還應(yīng)當(dāng)定期進(jìn)行自我考核，以判斷自己是不是已經(jīng)將該方法運(yùn)用熟練。

3.控制變量法在應(yīng)用上的要求

如果把物理學(xué)比成一座高峰，那么控制變量法就是攀登這座高峰的一條捷徑。因此，學(xué)生能不能對(duì)控制變量法靈活運(yùn)用，將直接影響他們對(duì)物理知識(shí)的理解和獲取。作為一種科學(xué)方法，控制變量法在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有一些要求。換句話說(shuō)，方法就好比是器物，鋤頭是用來(lái)鋤地的，斧子是用來(lái)伐木的，每一種方法、每一種器物都會(huì)有它特有的使用說(shuō)明。而控制變量法的“使用說(shuō)明”就要求所研究的變量至少要有兩個(gè)。此外，在研究和應(yīng)用的過(guò)程中，使用者一定要知道哪些是不變量、哪些是變量以及哪些是自變量，只有這樣才能保證控制變量法的正確應(yīng)用，只有這樣才能保證控制變量法在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮其真正的效用。

四、控制變量法實(shí)例分析

控制變量法能夠解決很多問(wèn)題，這使得該方法在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用十分普遍。因此，要將這種方法運(yùn)用得當(dāng)，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)初中物理非常有利。

【案例1】利用控制變量法啟發(fā)式教學(xué)

教師在引入控制變量法這一方法時(shí)，不妨采用情景設(shè)置的方式，啟發(fā)式教學(xué)。因?yàn)檫@比教師直接干巴巴地解釋控制變量法的概念和適用范圍更容易讓學(xué)生接受和理解。具體實(shí)例如下：

教師開(kāi)課前給學(xué)生展示兩根同樣大小的胡蘿卜。

教師：親愛(ài)的同學(xué)們，現(xiàn)在我們要研究胡蘿卜水分的蒸發(fā)和陽(yáng)光的關(guān)系，要怎么設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

學(xué)生甲：用小刀剖開(kāi)胡蘿卜，一根放在光照見(jiàn)的地方，一根放在光照不見(jiàn)的地方，然后過(guò)一段時(shí)間觀察胡蘿卜水分蒸發(fā)的情況。

教師：嗯，這個(gè)想法很好。但有些不太嚴(yán)謹(jǐn)，我們有哪位同學(xué)能發(fā)現(xiàn)這里面的小問(wèn)題嗎？

學(xué)生乙：老師，應(yīng)該用玻璃罩把兩根胡蘿卜分別罩上，或者用保鮮膜將兩根胡蘿卜分別裹上。

教師：為什么要這么做？

學(xué)生乙：因?yàn)轱L(fēng)會(huì)影響胡蘿卜水分的蒸發(fā)。此外，我們還應(yīng)該注意溫度、濕度的影響。

教師：不錯(cuò)不錯(cuò)。那么，我們要是想研究胡蘿卜水分的蒸發(fā)與溫度的關(guān)系，需要控制什么條件呢？

學(xué)生乙：控制陽(yáng)光、濕度以及風(fēng)的影響，然后改變溫度。

教師：非常好，看來(lái)你已經(jīng)對(duì)控制變量法有所掌握了。同學(xué)們，你們聽(tīng)懂乙同學(xué)所表達(dá)的意思了嗎？

學(xué)生們：聽(tīng)懂了。

教師：好。接下來(lái)是重點(diǎn)了（敲黑板），請(qǐng)跟著我遷移目前的思路。我們?cè)囍骄恳幌拢阎绊憽盎瑒?dòng)摩擦力大小”的因素有“接觸面積大小”“壓力大小”和“接觸面粗糙程度”，那么我們?cè)谘芯俊盎瑒?dòng)摩擦力大小”時(shí)，可不可以同時(shí)改變“接觸面積”“壓力”和“接觸面粗糙程度”？

學(xué)生丙：不可以。

教師：為什么不可以？

學(xué)生丙：因?yàn)槿绻瑫r(shí)改變，我們就無(wú)法判斷到底是哪一種因素在影響“滑動(dòng)摩擦力的大小”。

教師：那我們?cè)撛趺醋瞿兀坎灰敝卮穑蠹椰F(xiàn)在小組討論一下，待會(huì)兒告訴我答案。

……

學(xué)生丁：做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候我們應(yīng)該分次進(jìn)行：第一次探究“滑動(dòng)摩擦力大小與接觸面積大小的關(guān)系”；第二次探究“滑動(dòng)摩擦力與壓力大小的關(guān)系”；第三次探究“滑動(dòng)摩擦力與接觸面粗糙程度的關(guān)系”。

教師：好，那么我們?cè)谶M(jìn)行第一次探究的時(shí)候應(yīng)該注意什么呢？

學(xué)生丁：讓“壓力”和“接觸面的粗糙程度”保持不變，然后改變“接觸面積”的大小。

教師：非常棒！我們?cè)谶M(jìn)行第一次實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，為了探究“滑動(dòng)摩擦力大小與接觸面積大小的關(guān)系”，需要控制住“壓力”和“接觸面粗糙程度”，讓它們保持不變，這種實(shí)驗(yàn)方式，我們物理學(xué)稱之為控制變量法。這是一種常見(jiàn)而且非常重要的科學(xué)方法，同學(xué)們一定要引起重視。

……

在本案例中，教師先將學(xué)生引入“胡蘿卜水分蒸發(fā)”的實(shí)驗(yàn)中，然后借此將學(xué)生的思路平行遷移到了物理實(shí)驗(yàn)的探究上，這兩種思維模式的嫁接恰到好處，既幫助學(xué)生理解了控制變量法的真意，又使得“影響滑動(dòng)摩擦力的因素”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)水到渠成。

【案例2】利用控制變量法設(shè)計(jì)歐姆定律實(shí)驗(yàn)

物理教師在講授歐姆定律的時(shí)候，一定不要忽視實(shí)驗(yàn)的作用。雖然學(xué)生通過(guò)教師的講授結(jié)合物理課本也能知道電流、電壓和電阻之間的關(guān)系，但在學(xué)生的腦海中，可能很大程度上對(duì)歐姆定律的印象只是文字和公式的堆積，并不能做到靈活運(yùn)用，因此，利用控制變量法設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)非常有必要，這不僅能幫助學(xué)生理解歐姆定律，還能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和自主探究精神。

（1）探究電流和電壓的關(guān)系：定值電阻維持不變，然后改變滑動(dòng)變阻器的阻值，進(jìn)而使定值電路兩端的電壓發(fā)生變化，如圖1所示。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生需要對(duì)有關(guān)數(shù)值進(jìn)行記錄，并加以分析，借此推導(dǎo)可知：電阻不變，電壓越大，電阻就越大。

（2）探究電流與電阻的關(guān)系：通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器維持定值電阻兩端的電壓恒定，然后更換不同電阻值的定值電阻，還如圖1所示，對(duì)記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，之后可以推導(dǎo)出：電壓不變，電阻越大，電流就越小。

于是，將兩次實(shí)驗(yàn)綜合起來(lái)，可以得出歐姆定律的公式表達(dá)，即：I=U/R。應(yīng)用控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)學(xué)習(xí)歐姆定律，效果非常顯著，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)這一定律非常有益。

【案例3】利用控制變量法幫助學(xué)生理解壓強(qiáng)的概念

在學(xué)習(xí)滬科版八年級(jí)第八章壓強(qiáng)時(shí)，學(xué)生時(shí)常會(huì)感到這一概念特別的抽象。因此，教師不妨利用控制變量法來(lái)幫助學(xué)生理解并掌握這一物理概念。上課過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行以下研究，如圖2所示：（1）壓力大小與物體受力面積的關(guān)系；（2）壓力大小與物體重量的關(guān)系。然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，推導(dǎo)出壓力大小與受力面積、物體重量的關(guān)系，進(jìn)而將抽象的概念化成了具體的物理模型，學(xué)生不僅能很快理解并記住這一概念，還能為以后學(xué)習(xí)液體壓強(qiáng)、大氣壓強(qiáng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

總之，對(duì)于初中物理而言，控制變量法幾乎貫穿了它的始終。無(wú)論是研究八年級(jí)的運(yùn)動(dòng)，還是探究九年級(jí)的電路，控制變量法都能起到非常重大的作用。可是縱觀當(dāng)前初中物理的教學(xué)現(xiàn)狀，竟然有不少學(xué)生對(duì)控制變量法的認(rèn)知十分模糊，甚至完全不會(huì)運(yùn)用。追其緣由，還是因?yàn)楹芏辔锢斫處煂?duì)這一方法不夠重視，而且在講解的過(guò)程中往往一筆帶過(guò)，這對(duì)學(xué)生學(xué)好初中物理是非常不利的。因此，廣大初中物理教師務(wù)必充分認(rèn)識(shí)到控制變量法的深遠(yuǎn)意義，并在日后的教學(xué)中有效地落實(shí)控制變量法的教學(xué)。

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