“變量控制”思想方法在中學化學學習中的應用

趙西安

【摘要】化學概念與化學反應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，應用變量控制方法建構化學概念，將有利于深度理解化學概念的內涵，有利于形成完整的化學觀念?！白兞靠刂啤彼枷敕椒ǖ呐囵B策略在于創設問題情境，引領學生形成“變量控制”思維模型，培養思維品質，形成學科素養。

【關鍵詞】“變量控制”;化學學習;應用

在中學化學基本概念與化學反應原理教學主題中，涉及一些變量之間的邏輯關系，往往存在某一變量受多個變量影響的現象，指導學生建立“變量控制”思想方法，有利于發展學生的思維品質;有利于建立科學、正確的化學概念并形成知識體系。

一、“變量控制”是一種科學思想方法

對于分析因變量與多個自變量之間的關系，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，影響化學反應速率的外界因素有溫度、催化劑、濃度、壓強、光照、反應物接觸面積等，探究其中催化劑這一個變量對化學反應速率的影響，就要控制其它變量不變，只選用一種或幾種催化劑，測定化學反應速率變化情況，進而分別得出催化劑對于化學反應速率的影響結果，形成科學概念。引導學生建立“變量控制”思想方法，用之于實際問題的分析與推測，解決問題變得簡便易行。

二、找準變量，探究不同情境下變量之間的關系

關于多變量問題，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生相互轉化。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系，進而得出合理結論。

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生變化

[例1]用數字儀器測定0.1mol.L-1鹽酸溶液與足量鎂條發生化學反應的速率v-時間t曲線如圖。

教師提出問題：觀察曲線，在0～t1時間區間，為什么化學反應速率呈上升趨勢，t1時刻以后，化學反應速率呈下降趨勢？請同學們就影響化學反應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。

學生探究：在教師的指導下，經過獨立思考，小組合作探究，大多數學生能做出合理解釋：該化學反應特點是固、液反應物相接觸的放熱反應，在0～t1時間區間，隨著反應的進行，反應放出的熱量使溶液溫度不斷升高，導致化學反應速率不斷加快。然而，鹽酸的濃度、鎂條表面積隨反應的進行將不斷減小，這兩個因素導致化學反應速率不斷減慢。0～t1時間區間，溫度升高屬于影響化學反應速率的主要變量，反應物濃度與接觸面減小屬于次要變量，因而，在0～t1時間區間，隨著反應不斷放熱導致化學反應速率增大。在t1時刻，溶液達到較高溫度，t1時刻之后，原次要變量反應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化為次要變量，因而，t1時刻之后，隨著鹽酸濃度與反應物接觸面減小，化學反應速率呈下降趨勢。

2.在多個化學平衡共存的體系，不同條件下，各個化學平衡對于化學反應體系某些性質的影響程度有所不同

[例2]實驗測得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？

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

根據勒夏特列原理，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，與實驗測定結果不符。若H2O的電離程度較大，則溶液中c（H+）、c（OH-）均增大，pH減小，符合實驗測定結果。因而，同一溶液中存在上述2個化學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?。吭贑uSO4溶液存在兩個化學平衡：Cu2++2H2OCu（OH）2+2H+⊿H>0 H2OH++OH- ⊿H>0。

根據勒夏特列原理，當溶液升溫，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系，合理推測物質的性質或解釋化學反應現象。

三、應用“變量控制”，建立化學基本概念

化學基本概念往往是有條件的，在學習化學概念過程中，若從概念的形成條件入手，應用“變量控制”方法建構化學概念，將有利于深度理解化學概念的內涵，有利于形成完整的化學觀念。

1.應用“變量控制”思想，建立化學基本概念

[例3]以實驗為基礎，應用“變量控制”方法，建立“燃燒”概念。

教師提出問題：燃燒現象隨處可見，燃燒的條件有哪些？請同學們應用“變量控制”的方法，設計實驗，從可燃物性質、氧氣是否參加、燃燒物所需溫度等方面探究燃燒的條件。

學生探究：在教師引導下，以蠟燭、木條燃燒條件為基礎，應用教師提供的實驗用品，設計對比實驗，控制變量，探究出燃燒的條件。

最后，師生互動，總結出燃燒反應的必備條件：（1）有可燃物;（2）有氧氣參加;（3）可燃物達到一定溫度。通過“變量控制”過程，學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過程，有利于學生去理解燃燒反應的內涵，而不是靠死記硬背簡單得到一個結論。

2.應用“變量控制”方法，建立化學反應原理模型

建立在對研究對象進行實驗觀察和證據推理的基礎上，利用抽象、簡化、類比等方法，將反映研究對象的本質特征形成一種概括性的描述或認識思路，即認知模型。運用“變量控制”方法，建立化學反應原理模型，有利于把抽象的化學反應原理要點化，促進學生學習能力的提升。

[例4]原電池工作原理模型與構成原電池條件探究。

教師提出問題：電池在工農業生產、日常生活、科技前沿等領域提供便捷能源，原電池是如何把化學能轉變為電能的？構成原電池條件有哪些？請同學們應用“變量控制”思想設計實驗，探究原電池電極材料由什么組成？為什么需要電解質溶液？為什么要形成閉合電路？原電池所發生的化學反應類型是什么？

學生探究：在教師引導下，利用鋅與稀硫酸發生置換反應產生氫氣的反應原理，應用教師提供的實驗器材，控制變量，設計對比實驗方案，并通過實驗驗證，探究出原電池工作原理及其構成條件。

總之，分別控制電極材料、電解質溶液、形成閉合電路等變量，對比實驗，觀察電流表指針是否偏轉，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—電極與電解質溶液相接觸;一回路—形成閉合電路;一反應—通常條件下，能自發進行的氧化還原反應。

四、應用“變量控制”思想，解決實際問題

在研究外界因素對化學反應速率、化學平衡的影響時，往往使用化學平衡圖像簡潔表述自變量與因變量關系，在閱讀多變量圖像時，應用“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系

若圖像中具有3個變量，先假設一個變量不變，再分析另外兩個變量的影響關系，必要時畫輔助線。

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

教師提出問題：根據勒夏特列原理，欲判斷氣體反應物與生成物化學計量數之和的關系，需要根據等壓線～A的平衡轉化率α（A）的曲線還是根據等溫線～生成物D的平衡濃度c（D）曲線？欲判斷反應熱“a”的值大于零或小于零，需要根據等溫線還是等壓線？當圖像出現3個變量時，應用“變量控制”思想，先假設一個量不變，再討論另外兩個量的關系。

學生探究：（1）如何根據等壓線～反應物A的平衡轉化率α（A）曲線判斷化學計量數關系。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，α（A）增大，化學平衡右移，由勒夏特列原理，加壓，化學平衡向氣體分子數減小方向移動，所以有： m+n>p+q。

（2）如何根據等溫線～生成物D的平衡濃度c（D）曲線判斷該反應屬于吸熱反應還是放熱反應？首先控制壓強不變，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，化學平衡向吸熱方向移動，則有：⊿H>0。

綜上所述，應用定一議二方法，控制一個自變量不變，分析另一個自變量與因變量的關系，得出相應結論或解釋化學反應現象。

2.先拐先平數值大，比較兩個平衡體系的自變量大小

在化學平衡形成過程中，表示某組分含量（或轉化率）-時間t關系曲線中，拐點先出現者先達到平衡，對應的自變量較大。

（1）選用催化劑，可縮短到達平衡狀態的時間，不影響化學反應限度。

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

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

五、“變量控制”思想方法的培養策略

1.創設問題情境，引發思考動機

無論是概念教學還是化學反應原理學習，教師要根據化學概念與原理的組成要素，厘清有關自變量與因變量關系，提出有思維深度的問題，引起學生開展獨立思考。

[例8]設計實驗證明酸性：鹽酸>碳酸>硅酸，教師設計問題：證明酸性強弱的化學反應原理是什么？鹽酸、碳酸的酸性均比硅酸強，鹽酸具有揮發性，CO2與HCl均可與硅酸鹽溶液反應生成硅酸，如何應用“變量控制”思想，證明CO2能與硅酸鹽溶液反應生成硅酸？

實施問題引領策略，讓學生明確思考問題的方向，通過獨立思考、小組合作探究等方法，快速找到問題解決的突破口。

2.設計思維路徑，形成認知模型

開展項目式學習，厘清主要變量、次要變量與因變量關系，通過梯次進階的問題探究活動，便于引導學生抓住主要變量、由淺入深、螺旋式思考問題，推測物質的性質或得出結論，形成科學的認知模型。

[例9]如何比較下列物質的熔沸點高低：金剛石、氯化鈉、氯化鎂、冰、干冰。教師可以引導學生先找出影響熔沸點的主要變量是晶體類型，同種晶體類型物質熔沸點的影響因素是微粒間的結合力大小，作為次要變量。一般說來，各種晶體的熔沸點：共價晶體>離子晶體>分子晶體，因而，金剛石熔點最高。氯化鈉與氯化鎂均屬于離子晶體，通過比較二者離子鍵強弱來確定熔沸點高低，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，因而熔沸點：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：冰>干冰。綜合以上分析，熔沸點：金剛石>氯化鎂>氯化鈉>冰>干冰。

比較物質熔沸點的思維模型：先比較晶體類型，后比較相同晶體類型的微粒間結合力，再綜合比較熔沸點高低。

3.開展合作學習，促進思維進階

建立四人學習小組，其中兩名學生的思維品質較好、學業成績優良作為正副組長，另外兩名學業暫時落后的學生作為被帶動對象。在開展項目式學習時，先開展獨立思考，再開展合作探究，解決獨立思考所沒有解決的問題，完成“一幫一”幫扶。在小組合作學習的基礎上，開展班內展示與質疑活動，師生互評互動，交流思維過程，就疑惑點展開探究活動，教師因勢利導，點撥方法、技巧，走出思維誤區，使知識與方法給予升華，促使思維進階，形成“變量控制”思維習慣。

經過兩年的教學實踐表明，教師在教學實踐中，應用“問題引領，項目驅動”策略，引導學生應用“變量控制”思想，成效明顯。通過設計思維路徑，建立思維模型，學習興趣濃厚，學習能力不斷提升，分析問題解決問題的能力不斷增強。

【參考文獻】

[1]王磊.核心素養導向的化學教學實踐與探索[M].青島：中國海洋大學出版社，2021.

[2]李俊.普通高中和新課程標準[M].北京：人民教育出版社，2018.

【基金項目】本文系海南省教育科學規劃課題《中學化學思想方法的培養策略研究》研究成果，課題編號：QJH202010133。