也談控制變量法在初中化學教學中的實施

?劉學安

一、概述

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》中提出，“教育部將組織研究提出各學段學生發展核心素養體系，明確學生應具備的適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力。”楊梓生先生認為，“初中化學科核心素養具有凸顯化學本質特征、反映化學基本問題、揭示化學學科思維、體現課程育人價值等內涵特點。”[1]在初中化學教學過程中，有效利用化學學科思想(如“模型思想”、“分類思想”、“控制變量思想”、“哲學思想”……)，對培養學生“關鍵能力”顯得尤為重要。經周紀萍研究，“學生對控制變量法的掌握情況與其化學學科成績呈正相關。也就是說學生能夠靈活運用控制變量法對其化學學科成績的提高是有幫助的，同時學生的化學成績的好壞在一定程度上跟學生本身控制變量的能力有關系。”[2]本文只對控制變量法在初中化學中的具體實施進行闡述。

二、控制變量法的概念及實施方法

化學是一門研究物質變化的科學，同時又是一門建立在實驗基礎之上的科學。而世界是由物質構成的。控制變量法是科學工作者在研究物質的變化過程、總結物質的變化規律時所使用的一種常用科學研究方法。初中化學是化學啟蒙學段，在初中化學教學中使用控制變量法，讓學生有更多的機會主動地體驗科學探究的過程，在知識的形成、相互聯系和應用過程中養成科學的態度，學習科學方法，在“做科學”的探究實踐中培養學生的創新精神和實踐能力。[3]

(一)控制變量法的概念 自從美國數學家諾伯特·維納在1948年出版《控制論》以來，“控制論”給各個學科(領域)的專家或學者的研究思想帶來了重大思想變革。控制論研究的系統稱為控制系統，對任意一個控制系統來說，有目的才有控制，目的性是“控制“概念的最本質屬性。或許控制論最基本的貢獻說是它關于目的性或目的性行為的闡釋，從控制和信息的角度看，目的性是智力和生命的一個本質特征。[4]

在科學研究的過程中，當研究對象受多種因素影響而無法得到真實可靠的實驗結論時，可以用控制論思想的精髓，將其中一個或一些因素控制起來，以達到預期的效果，這種方法被總結為控制變量法。[5]

在初中化學教學中運用控制變量法研究問題的方法是：若一個研究問題(實驗)受到多個因素的影響，先控制1個或多個因素，使之保持不變，僅使其中1個因素發生改變，把多因素對該問題(實驗)的影響轉變為單因素的影響。然后再依次逐個改變另外1個因素。最后通過對比、歸納、總結得出研究結論。

(二)控制變量法的實施方法 在探究某一個化學問題或設計(進行)某一個化學探究實驗過程中，選擇正確的控制因素，可以降低探究過程的復雜性，也使得探究過程更加契合于實驗目的。根據所要選擇控制因素的多少，可以將控制變量法劃分為單因素控制法和多因素控制法。

1.單因素控制法

在一個事件的多個影響因素中，選擇一個因素進行控制，從而達到解決問題的目的，可以將這種方法稱為單因素控制法。單因素制控法是一種解決通常化學實驗問題的通常方法。事實上，任何一個化學實驗都包含多種影響該實驗結論的實驗條件，即使是最簡單的實驗室利用鋅與稀硫酸反應制到氫氣的實驗，如果只要求制取氫氣的體積，其影響因素也包含稀硫酸的濃度與體積、鋅粒的質量等。我們可以根據實驗要求，選擇控制其中一個因素，如鋅粒的質量，然后進行實驗，不必對每個因素都進行控制。

2.多因素控制法

在一個事件的多個影響因素中，選擇多個因素進行控制，只改變其中一個因素，從而達到解決問題的目的，我們把這樣的方法稱為多因素控制法。對化學實驗而言，多因素控制法是對多種實驗條件進行控制，情況比較復雜。[2]從實驗條件對實驗結果的影響程度來看，多因素控制法又可以分為兩種。一種是固定其他條件，改變一種條件。如探究稀硫酸與鋅粒反應制取氫氣的速率實驗中，可以控制好實驗溫度、稀硫酸的濃度、稀硫酸的體積等因素，選擇不同顆粒大小的鋅粒進行實驗，或控制實驗溫度、鋅粒顆粒大小、稀硫酸的體積等條件，選擇不同濃度的稀硫酸的濃度進行實驗……這種方式所控制的實驗條件對實驗結果的影響具有要對獨立性，每種實驗條件都能單獨影響實驗結果。這也是控制實驗中通常所需要的。另一種是對幾種實驗條件同時加以綜合控制。如在探究稀硫酸與鋅粒反應制取氫氣的速率時，控制相同質量及顆粒大小的鋅粒，選擇幾組不同的實驗溫度、稀硫酸的濃度、稀硫酸的體積綜合因素組進行實驗。這種方式所控制的實驗條件對實驗結果的因素并不是單一的，而是共同作用的結果，具有綜合性。[2]事實上，這種實驗方法在初中化學實驗中并不常見。

三、控制變量法在初中化學教學中的具體實施

義務教育階段中，化學中并未明確要求使用控制變量思想進行教學，但作為化學學科思想之一的控制變量思想，無疑對培養學生所謂“關鍵能力”、“核心素養”，具有無可替代的作用。控制變量思想，更容易在化學實驗教學中實施，事實上，近年中考試題的化學實驗考查中也加大了慣穿在探究性實驗的控制變量思想。

(一)利用控制變量法組織進行探究性實驗 義務教育階段課程中的科學探究，是學生積極主動地獲取化學知識、認識和解決化學問題的重要實踐活動。它涉及提出問題、猜想與假設、制訂計劃、進行實驗、收集證據、解釋與結論、反思與評價、表達與交流等要素。學生通過親身經歷和體驗科學探究活動，激發學生化學的興趣，增進對科學的情感，學習科學探究的基本方法，初步形成科學探究能力。[3]

初中化學教材上冊驗證二氧化錳對雙氧水分解速率的催化作用實驗，是一個十分簡單的實驗。這個實驗當然能很好地說明化學是一門以實驗為基礎的學科[3]這一課程性質。教師在組織完成這一驗證實驗并得出結論后，可以馬上提出問題：除二氧化錳外，還有沒有其他質可能作為雙氧水分解反應的催化劑呢?然后引導學生設計并完成如下探究實驗：

本探究性實驗所使用的方法是典型的多因素控制變量法，控制因素為實驗溫度與3% H2O2的體積，改變因素為所加入的另一種物質。

以人教版九年級化學教材上冊為例，可以利用控制變量法進行的探究性實驗如下表所示：

序號實驗課題控制變量自變量因變量說明1能影響H2O2分解速率的催化劑溫度、H2O2濃度改變所加物質種類氣泡產生速率改編2稀硫酸濃度對實驗室制取氫氣的影響稀硫酸體積、鋅粒顆料形態與質量、溫度不同濃度的稀硫酸氣泡產生速率改編3滅火原理的探究點燃的一小段蠟燭,空氣隔絕空氣或降低溫度或燃燒完全燃著的蠟燭是否熄滅改編4實驗室制備CO2氣體的實驗裝置選擇稀鹽酸的濃度及用量、常溫碳酸鈣狀態碳酸鈣是否能被支撐改編

利用控制變量法進行實驗教學，需要注意三個問題。一是要確定實驗研究的關題與所確定的影響因素是否有關系；二是在確定好自變量，其他無關變量一定要控制好(保持不變)，如果其他無關變量中的某一個變量發生改變，因變量也會發生改變，最終導致實驗失去意義；三是一定要使自變量的改變到位，如果因某些細節處理不到位或實驗時馬虎，使得自變量在本質上沒有改變，最終會導致錯誤的結果。

(二)利用控制變量法考查學生的綜合思維能力 為提高義務教育階段學生的綜合思維能力，除利用控制變量法設計部分探究性實驗以外，將控制變量法的思想滲透到各種訓練、考試試題中也是必不可少的。其實，近年來各地中考試題都加大了考查學生滲透控制變量法的綜合思維能力的力度。

例1(2018年益陽市中考第30題)某研究性學習小組欲測定石灰石中碳酸鈣的質量分數，采用的方法如下：取該石灰石樣品5g，把60g稀鹽酸分四次加入，實驗過程所得數據如下表(已知石灰石樣品中含有的雜質不溶于水，也不與稀鹽酸反應)。根據實驗數據計算：

實驗次數1234加入稀鹽酸的質量/g15151515剩余固體的質量/g3.502.000.750.75

1.石灰石樣品中碳酸鈣的質量分數為。

2.求原60g稀鹽酸中溶質質量分數(要求書寫計算過程)。

這是一道典型的利用控制變量法，結合化學試驗的計算題，其中控制變量(無關變量)為5g石灰石樣品，自變量為加入的稀鹽酸的質量(分別為15g、20g、45g和60g)，因變量為剩余固體的質量。此題計算量不大，但思維量、分析力都有較高要求。

例2(益陽市2015年中考第24題)某同學發現，上個月做實驗用的NaOH溶液忘記了蓋瓶蓋。對于該溶液是否變質，同學們開始實驗探究。

【猜想假設】

猜想(1)：該溶液沒有變質，為NaOH溶液。

猜想(2)：該溶液全部變質，為Na2CO3溶液。

猜想(3)：該溶液部分變質，為NaOH和Na2CO3的混合溶液。

【查閱資料】Na2CO3溶液呈堿性

【設計方案】請你完善下表幾組同學探討的設計方案

實驗操作可能出現的現象與結論同學評價第1組若溶液變紅,則猜想(2)不成立第2組同學認為:此方案結論不正確,理由是。第2組若產生白色沉淀,反應方程式是:則猜想(1)不成立。第3組同學認為:此方案還不能確定猜想(2)還是猜想(3)成立。第3組 第一步 第二步若濾液不變紅,則猜想(2)成立;若濾液變紅,則猜想(3)成立。第1組同學認為:不需過濾也能達到實驗目的,更簡單的操作方法是:

【探究實驗】綜合各小組的方案后，動手實驗。

【結論與反思】NaOH溶液易與空氣中CO2反應而變質，所以要密封保存。

【拓展延伸】同學們設計了下列兩套裝置進行實驗：

用膠頭滴管吸取某種液體，錐形瓶中充入一種氣體或放入一種固體物質，擠壓膠頭滴管。一段時間后，兩裝置中氣球明顯脹大。

1.甲裝置中可能發生反應的方程式是。

2.若乙裝置中膠頭滴管吸取的是稀鹽酸，則錐形瓶中放入的固體可能是。

這是一道探究性實驗題，利用了控制變量法進行分組實驗設計，將設問放在對實驗評價及對知識的拓展延伸之上，既考查學生對探究實驗的一般方法的撐握程度，又對實驗中所加試劑(自變量)的變化所產生的不同實驗理象(因變量)進行考查。這樣的試題重在考查學生的能力，是為高中選拔優秀學生服務的。

四、結語

說到底，控制變量法是一種純粹數學思維方法，將控制變量思想利用到化學中，也就成了一種化學學科思想。控制變量思想起源于控制論，在義務教育階段，有效利用控制變量思想，對培養學生的“關鍵能力”、“核心素養”是有益的。