基于“變量控制”的初中化學實驗探究教學研究

張映偉

（慶陽第四中學 甘肅 慶陽 745000）

引言

化學包含與物質世界相關聯的知識，涉及物理和化學兩種變化形式，并且具有生活應用特征。探究性實驗是初中化學教學的重要內容，充分體現了化學作為自然學科的獨特魅力。在初中生初次接觸化學探究性實驗時，容易因為對復雜實驗步驟、抽象化學概念理解困難而產生畏難情緒，降低學習的積極性。隨著素質教育政策和新課改的實行，初中化學教學不僅局限于基礎知識與技能的教學，更重要的是培養學生靈活運用知識的能力。因此，教師應充分重視“變量控制”教學法。

1.教學整體分析

1.1 教學內容

教師可以結合人教版教材中的內容，按照初中化學課程標準，引導學生探究。以教材中金屬的化學性質、化學與生活等內容為例，要求學生圍繞金屬的活動性強弱變化、水果中蘊含的化學元素等實驗探究內容，運用變量控制方法探究并確定適合的實驗條件，順利完成實驗任務，并且對能夠對實驗方案、實驗過程和實驗結論進行評價與分析，進一步設計實驗，提出探究的構想，引導學生在掌握鐵的化學性質以及相關性知識的基礎上，對其活動性強弱變化和反應條件深度認識。同時，選取生活中常見的水果，如梨、橙子，通過變量控制設計實驗，探究梨汁、橙汁中蘊含多少維生素含量，認識化學與生活的密切聯系，從中利用所學知識認識生活、用于生活，提高設計、分析、探究和應用能力，提升綜合探究素養[1]。

1.2 學情分析

對于初三學生來說，已經初步了解和具備了“變量控制”的思想。從知識層面來看，學生已經學習了金屬化學性質，對其中金屬物質的活動性、反應條件、概念、設計方法等都有初步的了解；從能力層面來看，學生能夠運用知識遷移、實驗探究、綜合對比等方法認識物質的性質，初步掌握了自主操作與設計、合作探究、分析與歸納、綜合評價的能力；從心理層面來看，初中學生思維活躍、好奇心強，喜歡動手做實驗[2]。但是經過調查發現，很多學生對于探究物質性質的學習方法還沒有達到有效應用的程度，對于能否在實驗探究中列舉和有意識、正確地運用“變量控制”思想的實驗課題存在困難，并且在具體實驗操作中存在思路不清晰、探究問題不明確、找不到變量條件、實驗目的與實驗設計以及實驗結果不相匹配等情況，難以實現對變量的控制和利用變量控制思想來處理問題。

1.3 教學目標

首先，明確知識與技能目標。通過探究金屬的活動性、化學與生活的聯系這兩個實驗內容，學會尋找影響化學實驗現象、反應條件的因素。其次，明確過程與方法目標。教師要有序指導學生參與實驗探究活動，讓學生學會利用變量控制思想明確實驗探究的問題、影響因素、設計方案、探究方法，得出與實驗目相匹配的實驗結論，提高學生推理和分析等核心素養。同時，在探究活動中，學生能夠運用變量控制思想探究影響鐵與酸反應速率的因素以及金屬生銹與二氧化碳濃度反應的關聯性，安全順利地完成實驗任務，診斷和發展學生的科學精神以及科學研究能力，形成基于變量控制思想的解決一般問題的思路和思維模型。最后，明確情感態度與價值觀目標。在實驗探究和參與問題解決中，樹立善于思考、主動探究和嚴謹求實的科學態度。

2.教學流程設計分析

2.1 設計情境線索

教師應通過創設情境的方式，由情境線索引領學生明確實驗內容，選擇控制變量，從而設計實驗路徑和方案，選擇適合的探究方法，得出實驗結論。比如，探究金屬生銹的影響因素，想要通過實驗設計論證金屬生銹是否與二氧化碳濃度相關。首先，明確實驗內容，以蒸餾水控制變量，將提前準備好的兩個金屬銅片分別置于蒸餾水和干燥的空氣中，證明銅片生銹的影響因素。其次，加入氫氧化鈉溶液，利用兩個試管分別裝入蒸餾水和氫氧化鈉溶液，并用導管連接，讓裝有氫氧化鈉溶液的試管與空氣接觸，另一試管則與堿石灰接觸，并將銅片置于裝有蒸餾水的試管中。同時，再準備三個銅片，分別裝在有干燥空氣的試管、有二氧化碳和蒸餾水的試管以及裝在只有蒸餾水的試管中，試分析銅片生銹是否與二氧化碳濃度存在聯系。最后，通過實驗探究，證明只有最后一個裝有蒸餾水的試管的銅片發生了銹蝕現象，得出結論是：金屬銅在潮濕的環境下容易產生銹蝕，發生銹蝕的條件是與水和空氣中的氧氣接觸和作用后的結果。

2.2 設計問題線索

以金屬與酸的反應速率的影響因素為例，學生在初步掌握“變量控制”在化學實驗探究中的應用方法后，結合具體探究活動，提出問題：分析哪些影響可能對金屬和酸的反應速率產生影響？若存在多因素變量，如何控制某一因素對實驗結果的影響？通過問題引導方式導入探究性實驗課題，首先，為學生呈現實驗相關用品，如試管、鎂帶、鎂粉、鐵粉、5%鹽酸、10%鹽酸等，要求學生選擇一項影響金屬與酸反應速率的因素，利用實驗用品進一步探究。其次，設計猜一猜環節，猜想一：請學生們猜想金屬與酸反應的劇烈程度與哪些因素有關，并給出具體實驗步驟和實驗現象，讓學生們思考可能得到的實驗結論是什么？同時，進一步追問：在本實驗中，自變量、不變量和因變量分別是什么？再者，變換視角，明確猜想，讓學生以小組為單位開展合作學習，設計實驗和探究問題。猜想二：探究金屬與酸反應的劇烈程度與酸的質量分數（濃度）是否有關？完整記錄實驗數據，請小組學生代表發言并展示實驗成果，并小組內任選一個影響因素，但要注意不能與之前選擇的影響因素重復，按照同上的實驗用品、設計實驗思路深入探究，以此強化練習驗證猜想，得出實驗結論[3]。最后，根據實驗探究結果，歸納和總結影響金屬和酸反應劇烈程度的因素。

2.3 設計知識與活動線索

掌握知識的有效方法是系統性學習。教師應制定適合的教學策略，以知識為線索，做好知識整體規劃，引導學生回顧舊知的同時，探索新知。比如，在學習《燃燒和熱量》內容時，教師應建構進階教學框架，恰當處理每個進階點的教學內容和方式，認識核心知識點、能力點與核心素養的關系。一是，在研究課題時，先帶領學生回顧舊知，即《燃燒和滅火》相關內容，結合燃燒包含的三個條件，采用變量控制思想設計實驗探究方案。二是，設計教學流程，采用多媒體技術播放完整的實驗視頻，或者做完課本實驗，然后教師引導學生描述實驗現象，采用碎片提問的方式與學生一同探討，最終得出“燃燒的三個條件”的結論。最后，要求學生牢記結論，設計課堂檢測和校本作業，幫助學生深化對知識的理解，并掌握實驗結論和加以應用。

3.基于“變量控制”思想的初中化學實驗探究教學實施路徑

3.1 創設情境，導出課題

教師在化學實驗探究教學中應注意情境的創設，從學生熟悉的“探究金屬的活動性”方法出發，培養學生發散性思維，并設計實驗方案，集中于“變量控制”，從而引出教學主題。比如，設計實驗方案，比較鋅和鐵的金屬活動性，將鋅和鐵分別置于稀鹽酸中，發現鋅的表面產生氣泡的速度要比鐵快。在此基礎上，由此，創設問題，設置問題情境，引導學生猜想，如果將兩塊大小相同的鋅片和鐵片分別放到溶質質量分數相同、體積相同的稀鹽酸中，是鐵產生的氣泡快還是鋅產生的氣泡快？如何設計實驗？采用何種方法？以此引出控制變量的思想，讓學生認識到控制變量是當時物受到多種因素影響時，每次操作只能改變其中一個因素，通過控制其他因素不變，從而研究被改變的這個因素對事物的影響，并采用數據分析、對比、總結、歸納等方法，將影響實驗結果的多個因素比較與進行探究，最后再綜合解決[4]。

案例分析：為了探究影響鋅和稀鹽酸反應劇烈程度的因素，教師可以引導學生設計對比實驗，劃分為三個學習小組，每個小組分別設計三組不同的實驗，但是實驗目的是相同的，然后將實驗結果放到一起進行對比和分析，得出最終結論。第一組實驗：將0.5g的鋅放入5m的l5%的鹽酸溶液中。第二組實驗：將0.5g的鋅放入5ml的10%的鹽酸溶液中。第三組實驗：準備一個燒杯，將燒杯中倒入50℃的水，并將裝有0.5g鋅、5ml的5%的鹽酸溶液的試管置于燒杯中。通過以上這三組實驗，讓學生在親身體驗和操作中感知實驗探究過程，在細致觀察中了解實驗現象和化學反應，并讓小組選出一位學生代表，說一說本組實驗過程和實驗感想。然后回歸到最初的問題：探究鋅在與稀鹽酸混合時產生距離程度的影響因素，思考上述實驗中哪些可以對比分析，論證實驗目的。有學生認為可以將第二組實驗和第三組實驗進行對比分析，以此證明溫度對反應劇烈程度的影響。這時教師可以加強與學生的互動，結合部分學生提出的問題，引導其他學生思考該學生所認為的將第二組和第三組實驗對比分析是否可行？原因是什么？以此培養學生思維方法，加強學生在化學實驗探究中對變量控制思想的應用。

3.2 問題激發，深入探究

問題激發方式是眾多學科教學中的有效方法，可以幫助學生帶著問題深入思考，找出解題的鑰匙，探索自然科學的奧妙。在不同教學環節中，問題切入的時間點、問題設計方式十分關鍵，可以起到不同的教學效果。比如，在課堂導入環節中，教師以問題為切入點，可以有效導出課題，讓學生明確本堂課所學的重點和難點，幫助學生明確學習方向，帶著問題梳理知識脈絡，并深入探究課本實驗內容。在課中實踐探究環節中，教師采用問題引導方式，更多是為了推動教學進度，以問題為線索，在每一個問題上設計一個學習任務點、能力點，讓學生在思考問題和尋找答案過程中完成學習任務，提升學習能力和素養[5]。在課后鞏固環節中，設計問題是為了幫助學生夯實基礎，復習課堂所學內容。所以，選擇問題的切入時間點至關重要，而如何設計問題，可以結合具體研究課題，選擇層層遞進式設計方式。

案例分析：在“化學與生活”這一單元中，教師可以將生活內容作為切入點，設計問題，引導學生進一步探究化學知識與生活的關聯性。比如，將實驗探究內容設置為：測定梨汁、橙汁的維生素C的含量的相對多少。探究問題為：如何測定？同時，在學生測定過程中，以問題線索貫穿全程，讓學生跟隨問題，思考可行的設計方案，當探究不斷深入，實驗方案也隨之更新，以此不斷調整變量因素，并控制相關變量對實驗的影響，以此找到最佳的可行方案。具體操作如下：第一，準備好梨汁原汁和橙汁原汁，將梨汁原汁放入10ml的10%的高錳酸鉀溶液中，將橙汁原汁放入10ml的20%的高錳酸鉀溶液中，思考第一種方案是否具有可行性？帶著問題思考，最終實驗得出這種方案不可行，不可行的原因在于高錳酸鉀溶液的濃度應該相同，而實驗過程中的高錳酸鉀溶液不同。第二，同樣的梨汁原汁和橙汁原汁，分別放入10ml的10%的高錳酸鉀溶液中和20ml的10%的高錳酸鉀溶液中。教師引導學生，探究第二種方案是否可行？最終發現第二種實驗方案也不可行，不可行的原因在于高錳酸鉀溶液的體積應該相同，而實驗過程中高錳酸鉀溶液的體積不相同。第三，總結前兩組經驗，再設計第三組實驗方案，并思考方案是否具有可行性？學生用同樣的橙汁和梨汁原汁分別倒入兩個10ml的10%的高錳酸鉀溶液中，在高錳酸鉀溶液的濃度和體積相同的情況下，發現第三組驗方案依然不可行，原因在于滴管中滴出的每一滴果汁原汁的體積不相同，梨汁原汁所在容器中的體積明顯高于另一杯的體積。這時有的學生想到取巧的辦法，在第三組實驗的基礎上，將橙汁原汁的所在容器加入水，使兩個容器的體積相同，其他因素不變，這時發現方案依然不可行，原因在于果汁不全是原汁。綜合上述測定過程，明確在實驗過程中應該控制的條件需要遵循以下幾點：等濃度的高錳酸鉀溶液等體積的高錳酸鉀溶液、滴管中每滴出的果汁需要等體積、果汁都是原汁。

3.3 知識遷移，加深練習

教師可以根據當天所學內容，設計相應的校本作業，幫助學生鞏固新知，鍛煉知識遷移和應用能力[6]。比如，課堂實驗探究內容是“影響鐵制品銹蝕快慢的因素”，取相同濃度的稀氨水和稀醋酸開展實驗。其一，明確實驗內容是鐵生銹蝕，實驗目的是探究影響鐵制品銹蝕快慢的因素，實驗用品是鐵釘、稀氨水、稀醋酸。其二，設計實驗方案，分別按照小組設計四組實驗方案。第一組：采用稀氨水，實驗溫度設置為25℃，所需時間為1d，通過實驗觀察發現并未出現銹蝕。第二組：采用稀醋酸，實驗溫度不變，所需時間為5min，通過實驗觀察發現出現銹蝕。第三組：采用稀氨水，改變實驗溫度，將溫度提高至75℃。所需時間同第一組實驗，發現并未出現銹蝕。第四組：采用稀醋酸，實驗溫度同第三組，所需時間為1min，發現出現銹蝕情況。教師可以在實驗研究基礎上設計相應的問題，讓學生通過練習題加深對課堂所學知識的理解，提高對知識的應用能力。

案例分析：結合上述實驗內容，教師可以設計以下練習問題：一是，鐵銹的主要成分是什么？請填寫化學式。二是，結合第二組和第四組實驗，可以探究影響鐵制品銹蝕快慢的因素。那么想要探究試劑酸堿性對鐵制品銹蝕快慢的影響，應當選擇哪一實驗？請填寫相應的實序號。三是，對照試驗中的影響因素，設計實驗方案，并得出相應的實驗結論。根據課堂所學的知識，鐵銹的主要成分是氧化鐵，化學式是Fe203。結合第二組和第四組實驗，反應溫度是自變量，試劑是不變量，所需時間是因變量，變量控制思想，反應溫度不同，采用試劑相同，出現銹蝕所需時間不同，故探究溫度對鐵制品銹蝕快慢的影響。而想要進一步探究試劑酸堿性對鐵制品銹蝕快慢的影響，就需要將自變量變為試劑酸堿性，不變量為其他條件，要求實驗溫度相同。這時可以選擇第一組和第二組實驗，也可以選擇第三組和第四組實驗。在設計實驗方案時，自變量為酸的濃度，不變量為實驗溫度、酸的種類和體積、鐵釘的大小和質量，因變量為所需時間。在相同條件下，將大小和質量相同的鐵釘分別放入試管中，并分別加入體積相同、濃度不同的醋酸，觀察出現銹蝕所需要的時間。通過實驗對比分析，得出結論：在相同條件下，酸性越強，鐵制品生銹越快。

結語

綜上所述，以教材內容、學生學情以及教學目標為指導方向，結合具體實驗探究知識點，按照教學任務和素養目標，采用創設情境、問題激發和知識遷移的教學方法，分別設計情境線索、問題線索以及知識線索，引導學生在具體情境下、在問題探究中和知識應用中深度學習，讓學生更好地將化學知識與生活實際相結合。本文結合教學目標，結合鐵生銹的反應程度、燃燒條件、金屬活動性強弱、果汁中的維生素C的含量等為實驗教學任務點，通過小組合作探究、實驗分析，強化學生對生活的體驗，利用化學知識解決問題。