基于“控制變量思想”的初中化學命題與教學策略

程穎

摘要：基于控制變量思想的實驗問題，不僅可以檢驗學生的日常課堂表現(xiàn)，還可以在由“解題”到“解決問題”的轉化方面不斷創(chuàng)新。通過梳理此類試題的解決路徑和命題特點，總結并得出了相關的教學方法和策略，對發(fā)展學生科學思維具有重要意義。

關鍵詞：控制變量思想；初中化學命題；初中化學教學

文章編號：10056629（2022）12009104

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

在學校教育中加強對學業(yè)水平考試結果的研究與分析，做好教學反饋與指導，才能不斷提高教學質量。

本文以控制變量思想為例，就初中化學考試命題、評價與相關教學策略進行探討。

1 基于控制變量思想的初中化學試題分析

1.1 典型試題分析

科學探究是初中化學學習中一項重要的實踐活動，科學探究素養(yǎng)也是初中化學應重點發(fā)展的核心素養(yǎng)之一。

在科學探究活動中，對于多因素（即多變量）問題的研究，常采用控制因素（變量）的方法。即把多因素的問題分解成多個單因素的問題，再進行逐個研究。每一次實驗只改變其中的某一個因素，而控制其余幾個因素不變，研究被改變的這個因素對事物的影響，最后進行綜合分析、做出結論。其中被改變的因素叫“自變量”；隨自變量改變而改變的因素叫“因變量”；其他可能產生影響的因素叫“控制變量”。控制變量法是科學研究中的重要方法，廣泛運用在各種科學探索和實驗研究中^［1］。控制變量思想是科學探究中的學科核心思想，也是北京中考科學探究試題中考查的重點。

例1 （2020年北京中考化學試卷第24題，節(jié)選）丙酸鈣為白色固體，易溶于水，可作食品防霉劑，國家標準規(guī)定了其用于制作面食、糕點時每千克面粉中的最大使用量。小組同學實驗探究其性質和防霉的效果。

Ⅱ．探究丙酸鈣防霉的效果

［進行實驗］分別按表1中①～⑧的配方蒸制8個饅頭，冷卻后置于密封袋中。

［解釋與結論］

（3） 設計第1組實驗的目的是________。

（4） 第2組，⑦中x為________。

（5） 對比第1組、第2組實驗可得到的結論是________。

本題是對丙酸鈣防霉效果的探究。從面粉、酵母、蔗糖、丙酸鈣四種物質的用量角度探究丙酸鈣的防霉效果，考查學生對實驗方案的理解、對獲得的實驗數(shù)據(jù)進行處理以及控制變量法的應用等科學探究能力。尤其是在數(shù)據(jù)分析、獲取證據(jù)、推理判斷和得出結論等方面，關注了素養(yǎng)的考查。

試題中共涉及了四個影響因素，即面粉用量、酵母用量、蔗糖用量以及丙酸鈣用量，而防霉效果是通過觀測開始發(fā)霉的時間體現(xiàn)出來的，開始發(fā)霉的時間越晚防霉效果越好。通過數(shù)據(jù)分析，可以看出在兩大組實驗的8個樣本中，面粉和酵母的用量始終相同，故這兩個因素為控制的變量。而蔗糖和丙酸鈣的用量在不同組別或樣本中出現(xiàn)差異，是本題中重點研究的兩個自變量，因變量則是由開始發(fā)霉時間表現(xiàn)出的防霉效果。

依據(jù)控制變量法的基本要求，每次實驗只改變其中的某一個因素，而控制其余幾個因素均不變。可以明確本題的兩個自變量需要分別進行分析和推理，這也是本題的主要難點。分析第1組的4個樣本可知，在控制面粉、酵母、蔗糖的用量均相同的條件下，丙酸鈣的用量越多，開始發(fā)霉的時間越晚，即防霉效果越好。因此，第2組實驗也應該控制面粉、酵母、蔗糖的用量均相同，且得出相同的結論。由此，“丙酸鈣用量”這一因素的影響效果得以驗證。在驗證另一因素“蔗糖用量”時，則需控制面粉、酵母和丙酸鈣的用量均相同。分析題中信息可知，需要對比的是第1組的①與第2組的⑤（或②與⑥、③與⑦、④與⑧），依據(jù)兩個樣本中開始發(fā)霉的時間相同，可得出的結論是，蔗糖用量對防霉效果無影響。

本題信息中包含較多數(shù)據(jù)，對學生的信息獲取和分析推理能力要求較高，尤其是需要在不同組別中準確選取樣本，難度非常大。學生通過實驗事實推測實驗目的及得出結論的能力不足，不能縝密、全面地進行分析推理。

例2 （2021年北京市初中學業(yè)水平考試化學試卷第38題，節(jié)選）硬水加熱時易產生水垢，很多工業(yè)用水需要對硬水進行軟化處理。小組同學利用1.5%的肥皂水比較水的硬度。

［查閱資料］硬水含較多可溶性鈣、鎂化合物；軟水不含或含較少可溶性鈣、鎂化合物。

Ⅰ．探究水的硬度、肥皂水的用量與產生泡沫量的關系

［進行實驗］向蒸餾水中加入CaCl₂和MgCl₂的混合溶液，配制兩種不同硬度的硬水。用蒸餾水和兩種硬水完成表2中的三組實驗。

［解釋與結論］

（1） 對比②和⑧可知，肥皂水能區(qū)分軟水和硬水，依據(jù)的現(xiàn)象是________。

（2） 設計第2組實驗時，為控制水的硬度相同，⑤中x應為________。

（3） 第2組實驗的目的是________。

（4） 由上述三組實驗得到的結論是________。

本題在保持近年來北京中考化學命題特色的基礎上進行了適當調整，既注重對基礎和發(fā)展?jié)撃艿目疾椋挚汲隽藢W生的實踐探究和問題解決能力，符合北京市初中學業(yè)水平考試的功能定位。題目中明確指出是探究水的硬度、肥皂水的用量與產生泡沫量的關系。因此，水的硬度、肥皂水的用量是本題中重點研究的兩個自變量，因變量則是產生泡沫量的多少。依據(jù)控制變量法的基本要求，每次實驗只改變其中一個因素，而控制其余因素不變，可以明確本題的兩個自變量同樣需要分別進行分析和推理。分析某1組的3個樣本，如第1組的①②③（或第2組的④⑤⑥）可知，在控制加入CaCl₂和MgCl₂的混合溶液用量相同，即水的硬度相同的條件下，肥皂水的用量越多，產生泡沫量越多。由此，“肥皂水的用量”這一因素的影響效果得以驗證。在驗證另一因素“水的硬度”時，則需控制肥皂水的用量相同，分析題中信息可知，需要對比的是第1組的②、第2組的⑤與第3組的⑧（或③⑥⑨），依據(jù)三個樣本中產生泡沫量的差異，可推理出水的硬度與產生泡沫量的關系，即在肥皂水用量相同的條件下，水的硬度越大，產生的泡沫量越少。值得關注的是通過對比⑦⑧⑨或①④⑦，可知對“肥皂水的用量”或“水的硬度”這兩個因素的影響效果分別進行探究時，還需使另一因素保持一定用量，效果才會明顯。否則會出現(xiàn)兩個樣本中均無泡沫的現(xiàn)象，不利于推理和判斷出準確結論。

本題的創(chuàng)新之處在于通過三個組別的9個樣本實驗，對兩個自變量同時進行分析和研究，并且兩個自變量對因變量均有影響，因此對于產生泡沫量的描述出現(xiàn)了“無”“少”“多”“很多”四種情況。正是這種較為復雜多樣的結果陳述給部分考生造成了困擾，學生在通過實驗事實推測實驗目的及得出結論的過程中出現(xiàn)了一定的障礙或挑戰(zhàn)。

1.2 認知模型分析

運用控制變量思想進行科學探究，首先要通過分析實驗目的，明確核心任務，初步形成對物質或化學反應的基本認識，如例1中核心任務是探究丙酸鈣防霉的效果；其次是通過分析實驗方案找全實驗體系中所有可能的變量，并確定自變量、因變量以及控制變量；最后結合實驗事實，分析得出在控制除自變量之外的其他所有變量相同的條件下，自變量對因變量產生了怎樣的影響。以例1為例，具體的認知思路可用如下思維模型表示（見表3）。

2 基于控制變量思想的初中化學命題與評價

以控制變量思想為核心的科學探究試題通過提出“某組實驗的目的是什么”“通過實驗對比能得出的結論是什么”以及“如果要得出某種結論，需要對比哪組實驗（或補全某組實驗）”等一系列問題，考查不同類型、不同水平考生對科學探究過程的基本認識，以及控制變量思想的準確理解。這就需要教師在日常教學中既要重視科學探究形式，更要重視探究過程中的思維訓練，建立實驗步驟、結論與目的之間的邏輯關系。

筆者基于教材實驗和文獻資料開展了如下的命題實踐研究，以考查學生對實驗探究中“控制變量，對比分析”思想方法的理解及應用能力。

例3 某小組同學對老師演示的趣味實驗“化學紅綠燈”興趣濃厚，并進行了如下探究。

［查閱資料］

靛藍胭脂紅（C₁6H₈N₂Na₂O₈S₂），是一種生物染色劑。在堿性條件下與氧氣或葡萄糖反應，會呈現(xiàn)綠、紅、黃三種不同顏色。

［實驗1］向錐形瓶中加入20mL 0.05%的靛藍胭脂紅溶液、70mL 2%的NaOH溶液、10mL 15%的葡萄糖溶液，用上圖裝置加熱到指定溫度后，取出錐形瓶振蕩，靜置并記錄顏色發(fā)生變化的時間（見表4）。

［實驗2］向錐形瓶中加入20mL濃度不等的靛藍胭脂紅溶液、70mL 2%的NaOH溶液、10mL 15%的葡萄糖溶液，用上圖裝置加熱到40℃后，取出錐形瓶振蕩，靜置并記錄顏色發(fā)生變化的時間（見表5）。

［實驗3］向錐形瓶中加入20mL 0.05%的靛藍胭脂紅溶液、70mL濃度不等的NaOH溶液、10mL 15%的葡萄糖溶液，用上圖裝置加熱到40℃后，取出錐形瓶振蕩，靜置并記錄顏色發(fā)生變化的時間（見表6）。

［解釋與結論］

（1） 實驗12中，靜置68s時溶液顯________（填“綠”“紅”或“黃”）色。

（2） 實驗1的目的是________。

（3） 實驗2的結論是________。

（4） 實驗34中，導致溶液始終不變色的因素可能是________。

（5） 綜合分析，影響“化學紅綠燈”實驗效果的因素有________。

本題為原創(chuàng)試題。試題中分別通過不同實驗對反應溫度、靛藍胭脂紅溶液的質量分數(shù)、NaOH溶液的質量分數(shù)3個影響因素進行分析研究。

閱卷統(tǒng)計顯示，第（1）小題為簡單試題，第（2）（4）（5）小題難度適中，第（3）小題難度較大。除第（1）小題以外，其余試題區(qū)分度均較好。從考生實際作答中可以發(fā)現(xiàn)以下問題：一是對實驗目的、證據(jù)與結論之間的關系不清楚，如第（3）小題，考生出現(xiàn)自變量表述不準確或理不清自變量對因變量的具體影響等錯誤；二是對實驗中反應原理的認識并未完全領會，部分考生對資料和實驗方案并未完全理解，因此對試題中提供的信息和數(shù)據(jù)不能準確分析和推理；三是部分考生解決綜合問題的能力不夠，信心不足，個別試題出現(xiàn)空白答卷等情況。

3 基于控制變量思想的初中化學教學策略

3.1 基于教材統(tǒng)籌設計，系統(tǒng)學習控制變量思想內涵

教材中有關“二氧化碳與水反應的探究”“燃燒條件的探究”和“鐵生銹條件的探究”等內容，均體現(xiàn)了控制變量思想的內涵。學生在學習以上內容時，領悟控制變量思想，學會對比分析方法，既為今后的學習奠定基礎，同時又掌握了應用此方法解決實際問題的思路和工具。

教師在教學中要鉆研課標、用好教材，將課標體系中蘊含的核心素養(yǎng)和思想方法進行深入分析和理解，并將教材中呈現(xiàn)的學科思想方法的范例和標準進行梳理歸納，從單元整體設計的角度將學科思想方法滲透到日常教學中，覆蓋知識體系的每一個細節(jié)，對學生進行潛移默化的影響和培養(yǎng)。

3.2 構建認知模型，形成解決問題的一般思路

學生通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質和規(guī)律^［2］。在控制變量思想的學習中，教師應充分利用歸納演繹法，針對具體的實驗情境和實例，引領學生認識和建構相關認知模型，形成分析和解決具體問題的一般思路和方法，并將模型拓展應用到更多情境中，達到鞏固和強化模型的作用，使學生的高階思維水平得到提升。

3.3 重視實踐活動，突出實驗教學的培養(yǎng)作用

化學是一門以實驗為基礎的科學，實踐活動不僅有利于學生更深入地領悟素養(yǎng)和思想的內涵，更有助于學生在浸潤式體驗中自我歸納和修正解決問題的方法和路徑，即自主建構和完善素養(yǎng)體系。因此，建議教師在實驗教學中，盡量創(chuàng)設情境，讓學生親身體驗過程，激發(fā)學生的學習熱情，不僅尊重教材原型實驗，更應注重變式和拓展，必要時可對試題中呈現(xiàn)的實驗進行情景再現(xiàn)。在應用控制變量法進行實驗探究時，實現(xiàn)由已知向未知、由基本實驗向科學探究的過渡和遷移。教學中要重視實驗的完整性和科學性，不要割裂地機械地看待實驗，要建立實驗各環(huán)節(jié)間的推理關系，使學生養(yǎng)成全面科學、多角度地思考問題的能力。

參考文獻：

［1］［2］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）［S］. 北京：人民教育出版社，2018.