控制變量法在高考探究實驗中的應用及教學啟示

廣東 駱 濤 蘇章順

1.問題的提出

化學是一門以實驗為基礎的自然科學，《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)建議開展以化學實驗為主的多種探究活動，《課程標準》提出了學科核心素養和學業質量水平兩個重要概念及其評價指標標準，同時也對學生的實驗能力也提出了新的要求：促進實驗教學從實驗內容向實驗思維轉變。化學是研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的自然科學。物質轉化的過程、物質性質的表現往往受到多種因素的影響，實驗研究過程中必須面對多個變量的共同作用，因此控制變量法成為重要的研究方法。

控制變量法是指根據研究需要，運用一定手段，主動干預或控制事物發展的過程，在特定條件下探索客觀規律的一種方法。在化學實驗中，控制變量法就是把多因素影響的問題變成多個單因素影響的問題，每一次只改變其中某一個因素，控制其余幾個因素不變，從而研究被改變的這個因素對事物的影響，然后分別研究其他因素的影響，最后綜合解決問題，其運用體現在找出變量、明確目標變量、實施變量控制、觀察實驗現象的一系列過程中。

2.控制變量法在高考探究實驗題中的應用示例

高考真題中注重考查考生的科學探究與創新意識，主要有探究外部影響、探究物質組成和探究物質轉化的微觀過程三種考查角度。

【例1】(2019·北京卷·28節選)化學小組實驗探究SO2與AgNO3溶液的反應。

(1)實驗一：用如圖1所示裝置(夾持、加熱儀器略)制備SO2，將足量SO2通入AgNO3溶液中，迅速反應，得到無色溶液A和白色沉淀B。

圖1

(2)對體系中有關物質性質分析得出：沉淀B可能為Ag2SO3、Ag2SO4或二者混合物(資料：Ag2SO4微溶于水；Ag2SO3難溶于水)。

實驗二：驗證B的成分

①寫出Ag2SO3溶于氨水的離子方程式：________________。

②加入鹽酸后沉淀D大部分溶解，剩余少量沉淀F。推斷D中主要是BaSO3，進而推斷B中含有Ag2SO3。向濾液E中加入一種試劑，可進一步證實B中含有Ag2SO3。所用試劑及現象是________。

②H2O2溶液，產生白色沉淀

【例2】(2018·北京卷·28節選)實驗小組制備高鐵酸鉀(K2FeO4)并探究其性質。

資料：K2FeO4為紫色固體，微溶于KOH溶液；具有強氧化性，在酸性或中性溶液中快速產生O2，在堿性溶液中較穩定。

(1)制備K2FeO4(夾持裝置略)

圖2

(2)探究K2FeO4的性質

①取C中紫色溶液，加入稀硫酸，產生黃綠色氣體，得溶液a，經檢驗氣體中含有Cl2。為證明是否K2FeO4氧化了Cl-而產生Cl2，設計以下方案：

表1

ⅰ.由方案Ⅰ中溶液變紅可知a中含有________離子，但該離子的產生不能判斷一定是K2FeO4將Cl-氧化，還可能由____________________產生(用方程式表示)。

ⅱ.方案Ⅱ可證明K2FeO4氧化了Cl-。用KOH溶液洗滌的目的是________。

理由或方案：________。

ⅱ.排除ClO-的干擾

②> 溶液酸堿性不同

【例3】(2021·廣東省學業水平選擇性考試·17節選)含氯物質在生產生活中有重要作用。1774年，舍勒在研究軟錳礦(主要成分是MnO2)的過程中，將它與濃鹽酸混合加熱，產生了一種黃綠色氣體。1810年，戴維確認這是一種新元素組成的單質，并命名為chlorine(中文命名“氯氣”)。

(4)某合作學習小組進行以下實驗探究。

①實驗任務 通過測定溶液電導率，探究溫度對AgCl溶解度的影響。

②查閱資料 電導率是表征電解質溶液導電能力的物理量。溫度一定時，強電解質稀溶液的電導率隨溶液中離子濃度的增大而增大；離子濃度一定時，稀溶液電導率隨溫度的升高而增大。25℃時，Ksp(AgCl)=1.8×10-10。

③提出猜想 猜想a：較高溫度的AgCl飽和溶液的電導率較大。

猜想b：AgCl在水中的溶解度S(45℃)>S(35℃)>S(25℃)。

④設計實驗、驗證猜想 取試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(不同溫度下配制的AgCl飽和溶液)，在設定的測試溫度下，進行表2中實驗1～3，記錄數據。

表2

⑤數據分析、交流討論 25℃的AgCl飽和溶液中，c(Cl-)=________mol·L-1。

實驗結果為A3>A2>A1。小組同學認為，此結果可以證明③中的猜想a成立，但不足以證明猜想b成立。結合②中信息，猜想b不足以成立的理由有________。

⑥優化實驗 小組同學為進一步驗證猜想b，在實驗1～3的基礎上完善方案，進行實驗4和5。請在答題線上完成表3中內容。

表3

⑦實驗總結 根據實驗1～5的結果，并結合②中信息，小組同學認為猜想b也成立。猜想b成立的判斷依據是________。

⑥45 Ⅱ 45

⑦A3>B2>B1

【試題分析】本題從探究外部條件影響的角度，以小組合作探究為活動方式，目的是探究溫度對物質溶解度的影響，相應的必備知識包括“影響電解質溶液導電能力的因素”和“影響溶解度的因素”，需獲取的新信息是“電導率的概念和影響因素”，考查考生運用控制變量的思維分析實驗、設計實驗的能力。

通過回顧“影響電解質溶液導電能力的因素”或閱讀題干中關于電導率影響因素的信息，可知電導率影響因素包括測試溫度和離子濃度，溫度升高、離子濃度增大均可導致溶液導電能力(電導率)增大，且AgCl的溶解度隨溫度升高而增大，可以迅速判斷實驗1、2、3中兩個變量共同作用導致溶液電導率增大，本組實驗沒有控制變量，因而不能證明猜想b。接下來由學生進行控制變量的實驗設計，通過控制相同測試溫度，比較不同溫度下配制的AgCl飽和溶液(不同濃度的AgCl溶液)的電導率達成實驗目的，但是本題中存在一個不易察覺的認知陷阱，當測試溫度低于AgCl溶液的配制溫度時，AgCl飽和溶液會析出部分溶質，導致溶液的濃度發生改變而變成該測試溫度下的飽和溶液，無法保證實驗按預想進行也就不可能順利得出不同溫度條件下的溶解度差異的結論。

【方法點撥】本題通過電導率的比較探究AgCl在水中的溶解度受溫度的影響情況，即探究外部條件的影響。首先要找到主要的外部影響因素；再分析溫度對體系的影響是否唯一，本題中溫度同時影響了電導率和溶解度，即溫度影響電導率和溫度影響溶解度是兩組變量；最后判斷變量是否得到控制，本題中表2中該組實驗沒有控制變量，因此結論不合理。在外部條件影響的分析中，首先要找到影響實驗結果的關鍵外部條件，通常為溫度、濃度、壓強、酸堿性、催化劑等，以及條件對體系的影響；然后分析這些外部條件是否能成為變量，若多個條件對同一物質造成影響，則多個條件成為變量，若一個條件對多種物質造成影響，則多種影響成為變量；最后判斷變量是否得到控制。

3.高考化學學科二輪復習建議

一輪復習是重溫鞏固基礎知識，特點是面面俱到，但是不深入，難點基本不深挖，而二輪復習就是在一輪復習夯實的基礎上拔高提分，進行攻堅克難，重點突破。在新高考中，作為綜合題中的必考題型，探究實驗出現的概率極大，而控制變量法又是高中階段重要的實驗探究方法。所以在二輪復習中教師需要將控制變量法的實驗探究類試題作為一個重要的專題引領學生進行突破。無論是探究物質組成，探究物質轉化的微觀過程，還是探究外部條件的影響，其重要的實驗思維都是找出多個變量，分析變量是否唯一或控制唯一變量，觀察現象得出結論，因此培養學生“控制變量”的思維和“控制變量”的實驗設計能力是教師化學教學和高考備考的重要內容。二輪復習可以從以下幾個方面開展教學備考實踐。

3.1 構建“控制變量法”的思維模型

控制變量法起源于《控制論》，目的性是“控制”概念的最本質屬性。可見在實驗中實施控制變量法離不開對實驗目的進行分析，“明確實驗目的”是控制變量思維模型的第一步。第二步要在分析實驗目的的過程中，找出并列的或是干擾的變量，也就是找變量。第三步是對變量實施控制，外部條件可以直接進行設定，物質組分則需加入合適試劑進行規避。最后一步是觀察并描述實驗現象。

圖3 “控制變量法”的思維模型

3.2 回歸教材實驗，在熟悉情境中落實“控制變量法”的思維模型和實驗設計

要真正掌握控制變量法，除了構建思維模型，還需掌握控制變量的基本方法，也是實驗設計的方法，包括單組法、等組法、輪組法，以列表的形式進行呈現。如果在陌生情境中對學生進行實驗設計的訓練，情境的陌生性無疑增大了難度，因此教師在二輪復習中用好教材實驗有利于降低情境陌生度，以教材實驗為藍本進行改編能夠有針對性的訓練學生實驗設計能力。例如人教版必修第一冊實驗活動3，同周期、同主族元素性質的遞變，實驗1比較了Cl2、Br2、I2的氧化性，除了按照教材設計的步驟完成實驗，還可以進行“探究鹵素單質氧化性強弱”的實驗，給出實驗藥品——氯水、溴水、碘水、NaCl溶液、NaBr溶液、NaI溶液，學生分組進行實驗，列表設計實驗組和對照組，最后評出最簡便的實驗方法。

再如人教版選擇性必修1中“探究反應速率的影響因素”，教師除了按照教材實驗一一演示、講解之外，還可以組織學生依據控制變量法的思維模型進行實驗探究，落實“明確實驗目的”“找出變量”“控制變量”“觀察并描述實驗現象”一系列過程。廣東省2014、2015年高考實驗題均取材自化學反應原理教材中的實驗。

3.3 在教學過程和高考真題中發現探究情境，引導學生進行實驗探究

二輪復習過程中，隨著學生對知識的理解更加深刻，思考更加深入，往往會對教材的內容產生疑問，教師如果把學生的疑惑作為探究的問題，組織學生設計實驗進行探究，就能有效地落實實驗思維的教學。例如學生在學習膠體制備的實驗時，對實驗中提出的“煮沸后冷卻的蒸餾水”“逐滴加入”“飽和FeCl3溶液”“繼續煮沸至紅褐色停止加熱”等要求感到繁瑣和不解，往往會提出質疑，這時教師可以引導學生找出實驗描述中的要點作為變量，分組實驗對變量進行控制，最后對比各組實驗結果印證教材內容。