科學探究中“控制變量法”的教學策略

李 剛

（蘇州市教育科學研究院，江蘇 蘇州 215000）

控制變量法是解決復雜的、多因素影響的物理問題的一種有效方法.所謂控制變量法就是把受多因素影響的某一物理量問題，通過控制某幾個因素不變，只讓其中一個因素改變，從而轉化為多個單一因素影響某一物理量的問題的研究方法.筆者大量聽課發現，在教學中很多教師并沒有把這種研究問題的重要方法轉化為學生的思維方式和思維習慣.目前教師對控制變量這個方法的教學存著很多問題：一是控制變量法的內涵不清楚，二是教學中控制變量法過早顯現化，三是只教是什么，不重視怎么做.這種教學帶來的危害就是學生只停留在淺層的認識上，一旦讓學生去解決新情境的實際問題，就難以運用.

控制變量法是初中物理教學中最常用的、而且是比較重要的研究問題方法之一.在教學中首先應注意循序漸進性.由于控制變量法屬于程序性知識的范疇，具有抽象性和概括性，所以控制變量法的學習和掌握是一個由淺入深、由形象到抽象、循序漸進不斷深化的過程.

1 理解課標要求與教材呈現方式

1.1 控制變量法教學要求與解讀

2022年版《義務教育物理課程標準》，課程目標中指出：“有控制實驗條件的意識.”學業質量中指出：“能針對提出的問題，運用控制變量法等制訂比較合理的科學探究方案.”從教學要求看，首先應使學生認識到，物理學科中的許多問題都是由多個因素共同造成的結果.控制變量法的精髓是通過控制無關變量，化復雜為簡單；觀察判斷物理量之間的關系.因初中學生感性認識不足，所以控制變量法的教學應以隱性為主，適時顯性.“隱性方式重在使學生感受科學方法，受到科學方法的啟蒙教育和熏陶，初步體會到科學研究方法和策略.”適時顯性就是讓學生知道這種研究方法是控制變量法，并不嚴格要求學生說出控制變量法的定義.

1.2 控制變量法在初中物理教材中的體現

控制變量法貫穿于整個初中物理的始終，是初中物理常用的非常重要的科學探究方法之一.對于初中學生學習物理有著重要的意義.筆者從章節分布和所在欄目等方面，梳理了蘇科版初中物理教材中關于“控制變量法”應用的相關內容知識點并匯總，如表1所示.

表1

續表

2 創設真實情境，體驗和滲透控制變量法

2.1 體驗控制變量法

初中學生剛接觸物理方法的時候，感覺比較抽象，此時教師可以從生活情境入手，創設良好的體驗氛圍.如教師展示兩盆相同的植物，提出以下問題：如果我們要研究植物生長與陽光的關系，怎么辦？通過這些簡單的生活事例，讓學生對控制變量法有初步的顯性認識，同時也激發了學生對科學方法的興趣.

2.2 滲透控制變量法

蘇科版初中物理教材相對以往的教材有一個顯著的特色，就是設置有“綜合實踐活動”.它是一種基于物理知識和科學研究方法的項目學習活動，學生圍繞項目任務進行探究和設計活動，經歷全程的探究和設計，有利于學生對科學探究的理解和方法的掌握.如在比較材料的隔聲性能的活動中，當明確隔聲材料和聲源之后，接下來便讓學生設計方案比較不同材料的隔聲性能.學生用各種不同材料壓住音樂盒，通過聽聲音大小來進行比較.教師引導評價，這個方案是否合理？得出的結論是否可靠？引導學生得出要控制包裹材料的厚度相同等必要條件.這就用到控制變量法，但是教材直到9年級上冊的“探究通過導體的電流與電壓、電阻的關系”學生實驗中，“控制變量法”這個名詞才“閃亮登場”，可謂“千呼萬喚始出來”.

以真實問題為載體，讓學生在解決真實問題情境中感受到控制變量法的重要性.初二剛開始學物理，除了比較材料的隔聲性能外，這樣的綜合實踐活動還有很多，如比較材料的保溫性能、探究樹蔭下的光斑等.通過這樣的綜合實踐活動，讓學生明白，要想結論可靠，就要弄清結果變量和原因變量，要在控制變量的基礎上進行實驗的設計與探究.這樣的研究才是科學的、嚴謹的.這是控制變量法的一種隱形滲透.

3 創設探究情境，掌握控制變量法

物理規律的教學中，一般采用以下步驟：觀察現象，提出問題，猜想和假設，小組討論，實驗驗證，總結規律等，在觀察、猜想、討論的基礎上，教師再引導學生用控制變量法進行問題探究.如何讓學生掌握這種方法呢？關鍵是要強化對這種研究方法的認識和運用.在運用控制變量法處理問題時可以采取如下教學程序，如圖1所示.

圖1

3.1 明確研究的對象（因變量）

如：探究滑動摩擦力大小與什么因素有關？研究對象就是“滑動摩擦力”，從數學的角度看“滑動摩擦力”就是因變量.明確好研究對象后，要追問“怎么測量”？有些研究對象可以直接測量，例如：質量、電流等；大部分研究對象只能間接測量，例如：滑動摩擦力、壓力作用效果、動能、吸收的熱量等，都需要轉化為容易測量的物理量或者容易觀察到的現象.這里用到了轉化的思想.滑動摩擦力轉化為二力平衡條件下的拉力、壓力作用效果轉化為物體在沙坑中下陷的深度、動能轉化為物體撞擊木塊的遠近、吸收的熱量轉化為加熱時間等.學生經過這樣的思考，不容易把轉化的量與因變量和自變量混淆.

3.2 猜想或確定出影響研究對象（自變量）的其他物理量（自變量）

從數學角度看就是自變量，在此特別注意的是運用控制變量法的自變量至少2個，如：影響液體壓強的因素有液體密度和深度；影響電流做功的因素有電壓、電流、通電時間3個因素.

在探究活動中，首先要做好猜想和假設環節.學生有可能猜出很多自變量，如何排除有些看似相關的自變量，處理得好，就會讓學生很信服；處理得不好，就會影響到教學的效果.教師在猜想和假設環節之前增加一些體驗和感悟的活動，讓學生知道猜想不是瞎猜，科學猜想要做到猜想有依，假設有據.如：探究導體電阻大小與什么因素有關？學生很容易猜出“材料”這個因素，而對于“長度”和“橫截面積”這兩個因素，則比較模糊.為了讓學生形成有效的猜想，筆者利用橡皮泥設計了一個創意小實驗：將電源、開關、靈敏電流表、橡皮泥連成電路；閉合開關，靈敏電流表指針發生偏轉；拉伸橡皮泥，電流表指針偏轉角度變小.橡皮泥是很好的導體，并且柔軟易形變，學生在拉伸的過程中，看到靈敏電流表的示數減小了，從而感知到了電阻大小可能與導體的“長度”和“橫截面積”是有關的，并且能有依據地幫助學生提出了自己的猜想.

其次對于自變量還要追問“如何改變”，把探究引向深處，增加探究活動的思維含量.如：探究物體動能大小與什么因素有關？要研究物體動能與速度的關系時，要控制質量不變，改變其速度.當教師提出“如何改變”速度的問題后，學生就圍繞這個問題進行嘗試和思考.

生1：把同一輛小車從同一斜面的不同高度釋放.這個是大多數教師想要的答案，是否還有其他方案呢？教師可以追問一下.生2提出：把同一輛小車放在同一斜面的同一位置，改變斜面的傾斜程度后釋放.生3提出：把一輛小車從斜面的某一高度釋放.第1次撞擊物塊后，不把被撞擊的物塊放回原來位置，接著將該小車從原來斜面的原來高度釋放，再撞擊物塊.可以看出，這3種方案都是可行的，有些還在教師的預設之外.正是在“如何改變”這個問題的引領下，學生的思維一下激活了，自然而然想出很多的方法.一下也打破了探究活動中思維的固化，讓探究活動變得多元開放，讓學生的思維能力得到更大的發展.因此在引導學生用控制變量法進行問題探究時，這樣追問是很有意義和價值的.

對于有些定量研究，還要問自變量“如何測量”.如：探究通過導體的電流與電壓、電阻的關系.為了探究電流和電壓的關系，在電阻不變的條件下，如何做到改變電壓？如何測量電壓？這些問題的思考，讓學生知道了滑動變阻器和電壓表的必要性，它們所起的作用也就明白了.

3.3 做好變量的控制

變量的控制是前提，如：探究通過導體的電流與電壓、電阻的關系.為了探究電流和電阻的關系，如何做到保持電壓不變？怎么操作？如果做不到保持電壓相等，如何分析原因？這些問題的思考都是思維能力培養的增長點，也為后面的實驗探究鋪平道路.

無論演示實驗還是分組實驗，教師要做到心中有“法”，把物理方法的滲透落到實際教學中，還原問題本源，讓學生嘗試進行長程思維，讓學生學習過程多一些困難和挑戰，要遠比脫離實際的說教效果好得多.

4 創設問題情境，反思控制變量

在體驗壓強的課堂小實驗中，兩個食指同時按壓鉛筆的尾部和筆尖，有學生用如圖2（甲）的方法操作，筆者演示圖2（乙）所示，請學生評價這兩種方法有什么不同.實際上，沒有控制兩手指的壓力相等，貌似不起眼的操作，其物理意義發生了較大的改變，教師需要及時糾正并說明.

圖2

如圖3所示，在采用“向漏斗口吹氣，觀察乒乓球狀態”的方法來探究流速對流體壓強的影響時，讓學生判斷兩種方案的合理性.情境中的實驗基于教材，巧妙地針對實驗設計進行深入挖掘和思考.需要學生明確實驗目的，進而知道要觀察的現象以及影響實驗的因素.考查學生實驗探究的能力和控制變量的意識，啟發物理教學要注重教學的過程，引導學生去解決情境化的問題.

圖3

在多變量（因素）中，一個研究對象可能會受到多個變量的影響.為了搞清楚研究對象與這些變量之間的關系，我們可以把多變量問題變成多個單變量問題，先逐個研究單個變量對研究對象的影響，即每次只改變某一個變量，同時控制其他量不變.最后把這些單變量的結論綜合起來，得到概括性的結論.在探究一個物理量與哪些因素有關時，要利用共變法去指導實驗的設計，用控制變量法設計實驗的過程中要嚴格做到只改變一個因素，保證其他可能的影響因素都不變，才能推理得出是有關因素還是無關因素，其流程如圖4所示.

圖4 控制變量法探究思維流程圖

5 重視習題教學，強化控制變量

教學實踐中，許多教師樂于講實驗，不喜歡讓學生自己動手做實驗，認為這是在浪費時間.當今的中考試題，越來越趨向于學生實驗的過程體驗和深度理解，靠死記硬背應付實驗效果漸失.

例1.（2022年蘇州）興趣小組探究影響浮力大小的因素.猜想1：與物體浸在液體中的深度有關；猜想2：與物體浸在液體中的體積有關；猜想3：與液體的密度有關.

小組為驗證上述猜想，用彈簧測力計、4個相同的小長方體磁力塊、2個分別盛有水和鹽水的燒杯等，按圖5所示步驟進行實驗：

圖5

①利用磁力將4個磁力塊組合成長方形物塊.

② 根據圖（A）（B）（C）的測量結果，小明認為猜想1是正確的，小華卻認為不一定正確.你覺得小華的理由是 .

③ 小華為了證明自己想法，利用上述器材設計實驗（D），根據（A）（B）（D）的測量結果，可得：浮力大小與浸在液體中的深度無關，請在圖5（D）中畫出她實驗時磁力塊的放置圖.

④興趣小組進一步研究得出浮力大小與物體浸在液體中的體積有關.

⑤ 根據圖5（A）（C）（E）的結果，得出浮力大小還與___________有關.

（2）小華把4個磁力塊組合成圖6，她還能探究浮力與___________的關系.

圖6

探究浮力的大小和與物體浸在液體中的深度關系時，要控制物體浸入液體的體積和液體的密度一定，而小明根據圖5（A）（B）（C）的3次實驗，得出浮力大小與浸在液體中的深度有關這個結論是不一定正確的.只有控制了物體浸入液體的體積和液體密度，改變浸在液體中的深度，才能得出浮力的大小是否與浸在液體中的深度有關.這題不僅考查學生控制變量法的意識，還考查學生運用控制變量法制訂合理的科學探究方案的能力.

總之，教師要明確控制變量的教學價值，即解決多因素影響的復雜問題，認識起決定作用的影響因素，認識變量間的因果關系.通過深化函數關系的理解認識物理規律.教學時要根據物理教材實際和學生認知順序，把物理知識與控制變量法教學有機結合.此外，從一個較長的學習過程看，對控制變量法的認識都是在反復理解和運用中逐漸形成的，其間有一個由低級到高級的螺旋上升過程，對控制變量法應該注意在不同知識階段的再現.要想讓學生掌握好這種科學研究方法，教師就應該為學生多創設認知問題情境，先使得學生對它的表象有初步認識，同時在實驗探究的教學活動中逐步滲透控制變量法，使得學生對它的本質不斷地進行認識.還要為學生創設新的復雜問題情境或者布置一些具有控制變量法的綜合實踐活動，來幫助學生強化并掌握其內核.