“變量控制”思想方法在中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

趙西安

【摘要】化學(xué)概念與化學(xué)反應(yīng)原理普遍存在各種條件或影響因素，若從概念的形成條件入手，應(yīng)用變量控制方法建構(gòu)化學(xué)概念，將有利于深度理解化學(xué)概念的內(nèi)涵，有利于形成完整的化學(xué)觀念?！白兞靠刂啤彼枷敕椒ǖ呐囵B(yǎng)策略在于創(chuàng)設(shè)問題情境，引領(lǐng)學(xué)生形成“變量控制”思維模型，培養(yǎng)思維品質(zhì)，形成學(xué)科素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】“變量控制”;化學(xué)學(xué)習(xí);應(yīng)用

在中學(xué)化學(xué)基本概念與化學(xué)反應(yīng)原理教學(xué)主題中，涉及一些變量之間的邏輯關(guān)系，往往存在某一變量受多個變量影響的現(xiàn)象，指導(dǎo)學(xué)生建立“變量控制”思想方法，有利于發(fā)展學(xué)生的思維品質(zhì);有利于建立科學(xué)、正確的化學(xué)概念并形成知識體系。

一、“變量控制”是一種科學(xué)思想方法

對于分析因變量與多個自變量之間的關(guān)系，可采用“變量控制”的方法，只改變其中的某一個自變量，從而研究這個自變量對因變量的影響，分別加以研究，最后再綜合解決，這種“把多變量的問題變成單個變量問題”的方法稱為“變量控制法”。例如，影響化學(xué)反應(yīng)速率的外界因素有溫度、催化劑、濃度、壓強(qiáng)、光照、反應(yīng)物接觸面積等，探究其中催化劑這一個變量對化學(xué)反應(yīng)速率的影響，就要控制其它變量不變，只選用一種或幾種催化劑，測定化學(xué)反應(yīng)速率變化情況，進(jìn)而分別得出催化劑對于化學(xué)反應(yīng)速率的影響結(jié)果，形成科學(xué)概念。引導(dǎo)學(xué)生建立“變量控制”思想方法，用之于實(shí)際問題的分析與推測，解決問題變得簡便易行。

二、找準(zhǔn)變量，探究不同情境下變量之間的關(guān)系

關(guān)于多變量問題，往往存在主要變量和次要變量，在不同條件下，主要變量與次要變量將發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。分析此類問題，需要識別主要變量，先分析主要變量，再分析次要變量與因變量的關(guān)系，進(jìn)而得出合理結(jié)論。

1.在多變量體系中，主要變量與次要變量在一定條件下可能發(fā)生變化

[例1]用數(shù)字儀器測定0.1mol.L-1鹽酸溶液與足量鎂條發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速率v-時間t曲線如圖。

教師提出問題：觀察曲線，在0～t1時間區(qū)間，為什么化學(xué)反應(yīng)速率呈上升趨勢，t1時刻以后，化學(xué)反應(yīng)速率呈下降趨勢？請同學(xué)們就影響化學(xué)反應(yīng)速率各種因素中的主要變量與次要變量加以綜合分析，做出合理解釋。

學(xué)生探究：在教師的指導(dǎo)下，經(jīng)過獨(dú)立思考，小組合作探究，大多數(shù)學(xué)生能做出合理解釋：該化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)是固、液反應(yīng)物相接觸的放熱反應(yīng)，在0～t1時間區(qū)間，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)放出的熱量使溶液溫度不斷升高，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率不斷加快。然而，鹽酸的濃度、鎂條表面積隨反應(yīng)的進(jìn)行將不斷減小，這兩個因素導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率不斷減慢。0～t1時間區(qū)間，溫度升高屬于影響化學(xué)反應(yīng)速率的主要變量，反應(yīng)物濃度與接觸面減小屬于次要變量，因而，在0～t1時間區(qū)間，隨著反應(yīng)不斷放熱導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率增大。在t1時刻，溶液達(dá)到較高溫度，t1時刻之后，原次要變量反應(yīng)物濃度與接觸面減小因素上升為主要變量，而原主要變量溫度升高因素轉(zhuǎn)化為次要變量，因而，t1時刻之后，隨著鹽酸濃度與反應(yīng)物接觸面減小，化學(xué)反應(yīng)速率呈下降趨勢。

2.在多個化學(xué)平衡共存的體系，不同條件下，各個化學(xué)平衡對于化學(xué)反應(yīng)體系某些性質(zhì)的影響程度有所不同

[例2]實(shí)驗(yàn)測得0.5mol·L-1CH3COONa、0.5 mol·L-1CuSO4溶液以及H2O的pH隨溫度變化曲線如圖。

教師提出問題：0.5mol·L-1CH3COONa與0.5 mol·L-1CuSO4溶液pH都隨溫度升高而呈現(xiàn)減小趨勢，如何從鹽類水解平衡與水的電離平衡移動角度去解釋上述變化？

學(xué)生探究：（1）為什么0.5mol·L-1CH3COONa溶液隨溫度升高而pH減小？由于CH3COONa溶液存在2個化學(xué)平衡：CH3COO-+H2OCH3COOH+OH-⊿H>0 H2OH++OH-⊿H>0。

根據(jù)勒夏特列原理，溶液升溫，CH3COONa水解平衡與水的電離平衡均向右移動，CH3COO-水解致使溶液呈堿性，c（OH-）增大。H2O的電離使H+和OH-濃度增大，Kw增大。兩平衡的反應(yīng)限度相對大小將影響溶液中c（H+）的升降，若CH3COO-水解程度較大，則溶液中c（H+）減小，pH增大，與實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果不符。若H2O的電離程度較大，則溶液中c（H+）、c（OH-）均增大，pH減小，符合實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果。因而，同一溶液中存在上述2個化學(xué)平衡的限度作為兩個自變量，使因變量c（H+）的增大或減小，取決于兩個自變量中哪種自變量作為主要影響因素。

（2）為什么0.5mol·L-1CuSO4溶液隨溫度升高而pH減??？在CuSO4溶液存在兩個化學(xué)平衡：Cu2++2H2OCu（OH）2+2H+⊿H>0 H2OH++OH- ⊿H>0。

根據(jù)勒夏特列原理，當(dāng)溶液升溫，上述兩個平衡均向右移動，均使c（H+）增大，pH減小。同時c（OH-）增大，Kw增大。

綜上所述，在多個自變量體系中，主要變量與次要變量并不是一成不變的，在一定條件下，主要變量與次要變量是可以相互轉(zhuǎn)化的，找出不同條件下的主要變量，先分析主要變量與因變量的關(guān)系，合理推測物質(zhì)的性質(zhì)或解釋化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象。

三、應(yīng)用“變量控制”，建立化學(xué)基本概念

化學(xué)基本概念往往是有條件的，在學(xué)習(xí)化學(xué)概念過程中，若從概念的形成條件入手，應(yīng)用“變量控制”方法建構(gòu)化學(xué)概念，將有利于深度理解化學(xué)概念的內(nèi)涵，有利于形成完整的化學(xué)觀念。

1.應(yīng)用“變量控制”思想，建立化學(xué)基本概念

[例3]以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，應(yīng)用“變量控制”方法，建立“燃燒”概念。

教師提出問題：燃燒現(xiàn)象隨處可見，燃燒的條件有哪些？請同學(xué)們應(yīng)用“變量控制”的方法，設(shè)計實(shí)驗(yàn)，從可燃物性質(zhì)、氧氣是否參加、燃燒物所需溫度等方面探究燃燒的條件。

學(xué)生探究：在教師引導(dǎo)下，以蠟燭、木條燃燒條件為基礎(chǔ)，應(yīng)用教師提供的實(shí)驗(yàn)用品，設(shè)計對比實(shí)驗(yàn)，控制變量，探究出燃燒的條件。

最后，師生互動，總結(jié)出燃燒反應(yīng)的必備條件：（1）有可燃物;（2）有氧氣參加;（3）可燃物達(dá)到一定溫度。通過“變量控制”過程，學(xué)生深刻理解了燃燒所必須同時具備上述三個條件，這樣形成的燃燒概念是一個建構(gòu)過程，有利于學(xué)生去理解燃燒反應(yīng)的內(nèi)涵，而不是靠死記硬背簡單得到一個結(jié)論。

2.應(yīng)用“變量控制”方法，建立化學(xué)反應(yīng)原理模型

建立在對研究對象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察和證據(jù)推理的基礎(chǔ)上，利用抽象、簡化、類比等方法，將反映研究對象的本質(zhì)特征形成一種概括性的描述或認(rèn)識思路，即認(rèn)知模型。運(yùn)用“變量控制”方法，建立化學(xué)反應(yīng)原理模型，有利于把抽象的化學(xué)反應(yīng)原理要點(diǎn)化，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的提升。

[例4]原電池工作原理模型與構(gòu)成原電池條件探究。

教師提出問題：電池在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活、科技前沿等領(lǐng)域提供便捷能源，原電池是如何把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿?？?gòu)成原電池條件有哪些？請同學(xué)們應(yīng)用“變量控制”思想設(shè)計實(shí)驗(yàn)，探究原電池電極材料由什么組成？為什么需要電解質(zhì)溶液？為什么要形成閉合電路？原電池所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)類型是什么？

學(xué)生探究：在教師引導(dǎo)下，利用鋅與稀硫酸發(fā)生置換反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的反應(yīng)原理，應(yīng)用教師提供的實(shí)驗(yàn)器材，控制變量，設(shè)計對比實(shí)驗(yàn)方案，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，探究出原電池工作原理及其構(gòu)成條件。

總之，分別控制電極材料、電解質(zhì)溶液、形成閉合電路等變量，對比實(shí)驗(yàn)，觀察電流表指針是否偏轉(zhuǎn)，歸納出原電池的形成條件：二電極—具有兩個金屬活潑性不同的電極;一溶液—電極與電解質(zhì)溶液相接觸;一回路—形成閉合電路;一反應(yīng)—通常條件下，能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。

四、應(yīng)用“變量控制”思想，解決實(shí)際問題

在研究外界因素對化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡的影響時，往往使用化學(xué)平衡圖像簡潔表述自變量與因變量關(guān)系，在閱讀多變量圖像時，應(yīng)用“變量控制”思想方法，使問題得以簡化。

1.定一議二，找出某自變量與因變量關(guān)系

若圖像中具有3個變量，先假設(shè)一個變量不變，再分析另外兩個變量的影響關(guān)系，必要時畫輔助線。

[例5]對于一般可逆反應(yīng)：mA（g）+nB（g） pC（g）+qD（g）⊿H=aKJ.mol-1，試根據(jù)下列圖像，判斷反應(yīng)物與生成物化學(xué)計量數(shù)之和的關(guān)系及反應(yīng)熱“a”的值大于零或小于零。

教師提出問題：根據(jù)勒夏特列原理，欲判斷氣體反應(yīng)物與生成物化學(xué)計量數(shù)之和的關(guān)系，需要根據(jù)等壓線～A的平衡轉(zhuǎn)化率α（A）的曲線還是根據(jù)等溫線～生成物D的平衡濃度c（D）曲線？欲判斷反應(yīng)熱“a”的值大于零或小于零，需要根據(jù)等溫線還是等壓線？當(dāng)圖像出現(xiàn)3個變量時，應(yīng)用“變量控制”思想，先假設(shè)一個量不變，再討論另外兩個量的關(guān)系。

學(xué)生探究：（1）如何根據(jù)等壓線～反應(yīng)物A的平衡轉(zhuǎn)化率α（A）曲線判斷化學(xué)計量數(shù)關(guān)系。首先控制溫度不變，在圖像沿x軸做等溫線作為輔助線。

若p1>p2>p3，那么，p3→p1增加壓強(qiáng)，α（A）增大，化學(xué)平衡右移，由勒夏特列原理，加壓，化學(xué)平衡向氣體分子數(shù)減小方向移動，所以有： m+n>p+q。

（2）如何根據(jù)等溫線～生成物D的平衡濃度c（D）曲線判斷該反應(yīng)屬于吸熱反應(yīng)還是放熱反應(yīng)？首先控制壓強(qiáng)不變，沿x軸做等壓線作為輔助線。

若T1>T2，那么，T2→T1升溫，c（D）變大，平衡右移，由勒夏特列原理，升溫，化學(xué)平衡向吸熱方向移動，則有：⊿H>0。

綜上所述，應(yīng)用定一議二方法，控制一個自變量不變，分析另一個自變量與因變量的關(guān)系，得出相應(yīng)結(jié)論或解釋化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象。

2.先拐先平數(shù)值大，比較兩個平衡體系的自變量大小

在化學(xué)平衡形成過程中，表示某組分含量（或轉(zhuǎn)化率）-時間t關(guān)系曲線中，拐點(diǎn)先出現(xiàn)者先達(dá)到平衡，對應(yīng)的自變量較大。

（1）選用催化劑，可縮短到達(dá)平衡狀態(tài)的時間，不影響化學(xué)反應(yīng)限度。

（2）升高溫度，可提高正逆反應(yīng)速率，可縮短到達(dá)平衡狀態(tài)的時間，若正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，高溫時，平衡體系中反應(yīng)物B的濃度與百分含量減小。

總之，根據(jù)外界因素的影響和建立化學(xué)平衡的先后，即可判斷不同平衡體系的溫度、壓強(qiáng)等自變量大小，判斷是否使用催化劑。

五、“變量控制”思想方法的培養(yǎng)策略

1.創(chuàng)設(shè)問題情境，引發(fā)思考動機(jī)

無論是概念教學(xué)還是化學(xué)反應(yīng)原理學(xué)習(xí)，教師要根據(jù)化學(xué)概念與原理的組成要素，厘清有關(guān)自變量與因變量關(guān)系，提出有思維深度的問題，引起學(xué)生開展獨(dú)立思考。

[例8]設(shè)計實(shí)驗(yàn)證明酸性：鹽酸>碳酸>硅酸，教師設(shè)計問題：證明酸性強(qiáng)弱的化學(xué)反應(yīng)原理是什么？鹽酸、碳酸的酸性均比硅酸強(qiáng)，鹽酸具有揮發(fā)性，CO2與HCl均可與硅酸鹽溶液反應(yīng)生成硅酸，如何應(yīng)用“變量控制”思想，證明CO2能與硅酸鹽溶液反應(yīng)生成硅酸？

實(shí)施問題引領(lǐng)策略，讓學(xué)生明確思考問題的方向，通過獨(dú)立思考、小組合作探究等方法，快速找到問題解決的突破口。

2.設(shè)計思維路徑，形成認(rèn)知模型

開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，厘清主要變量、次要變量與因變量關(guān)系，通過梯次進(jìn)階的問題探究活動，便于引導(dǎo)學(xué)生抓住主要變量、由淺入深、螺旋式思考問題，推測物質(zhì)的性質(zhì)或得出結(jié)論，形成科學(xué)的認(rèn)知模型。

[例9]如何比較下列物質(zhì)的熔沸點(diǎn)高低：金剛石、氯化鈉、氯化鎂、冰、干冰。教師可以引導(dǎo)學(xué)生先找出影響熔沸點(diǎn)的主要變量是晶體類型，同種晶體類型物質(zhì)熔沸點(diǎn)的影響因素是微粒間的結(jié)合力大小，作為次要變量。一般說來，各種晶體的熔沸點(diǎn)：共價晶體>離子晶體>分子晶體，因而，金剛石熔點(diǎn)最高。氯化鈉與氯化鎂均屬于離子晶體，通過比較二者離子鍵強(qiáng)弱來確定熔沸點(diǎn)高低，一般先比較陰、陽離子所帶電荷多少，再比較離子半徑大小，由于Mg2+帶2個正電荷，Na+帶1個正電荷，前者離子鍵比較強(qiáng)，因而熔沸點(diǎn)：氯化鈉<氯化鎂。冰與干冰同屬于分子晶體，先比較是否存在分子間氫鍵，再比較范德華力大小，由于水分子間存在氫鍵，熔沸點(diǎn)：冰>干冰。綜合以上分析，熔沸點(diǎn)：金剛石>氯化鎂>氯化鈉>冰>干冰。

比較物質(zhì)熔沸點(diǎn)的思維模型：先比較晶體類型，后比較相同晶體類型的微粒間結(jié)合力，再綜合比較熔沸點(diǎn)高低。

3.開展合作學(xué)習(xí)，促進(jìn)思維進(jìn)階

建立四人學(xué)習(xí)小組，其中兩名學(xué)生的思維品質(zhì)較好、學(xué)業(yè)成績優(yōu)良作為正副組長，另外兩名學(xué)業(yè)暫時落后的學(xué)生作為被帶動對象。在開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)時，先開展獨(dú)立思考，再開展合作探究，解決獨(dú)立思考所沒有解決的問題，完成“一幫一”幫扶。在小組合作學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，開展班內(nèi)展示與質(zhì)疑活動，師生互評互動，交流思維過程，就疑惑點(diǎn)展開探究活動，教師因勢利導(dǎo)，點(diǎn)撥方法、技巧，走出思維誤區(qū)，使知識與方法給予升華，促使思維進(jìn)階，形成“變量控制”思維習(xí)慣。

經(jīng)過兩年的教學(xué)實(shí)踐表明，教師在教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)用“問題引領(lǐng)，項(xiàng)目驅(qū)動”策略，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用“變量控制”思想，成效明顯。通過設(shè)計思維路徑，建立思維模型，學(xué)習(xí)興趣濃厚，學(xué)習(xí)能力不斷提升，分析問題解決問題的能力不斷增強(qiáng)。

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【基金項(xiàng)目】本文系海南省教育科學(xué)規(guī)劃課題《中學(xué)化學(xué)思想方法的培養(yǎng)策略研究》研究成果，課題編號：QJH202010133。