运用控制变量法的教学实践与反思

葛明海

（南京市天印高级中学 江苏 南京 211100）

化学新课程要求以学生的发展为本，引导学生正确地了解科学过程、了解科学方法，学习科学思想，形成科学态度、科学观，提高科学素养。开放的实验，无疑是很好的切入点。实验选题一旦选定，同学们往往最关心的就是如何实验，即“实验设计”了。几乎所有的实验设计都必须涉及到实验变量及其控制。而“了解控制实验条件的方法”恰恰是高中化学新课程《考试大纲》［1］提出的新考查要求。针对这方面教学实践及反思阐述如下。

一、如何引入控制变量法

在《化学2》的“化学反应速率与限度”的教学时，引入了控制变量法的教学流程如下：

展示图片：冰箱保存食物、铁丝在氧气中燃烧、氯酸钾制取氧气、硝酸保存在棕色瓶中。

1．思考①为什么冰箱能延长食物的保质期，为什么铁丝在纯氧比在空气中反应剧烈得多，为什么煤粉碎后燃烧会更旺盛，为什么实验室用KClO3制氧气时要加MnO2，为什么实验室有些物质用棕色试剂瓶盛装？②请你总结影响反应速率可能因素？

思考的目的：引出常见影响速率的因素如：温度、浓度、固体表面积、催化剂、光等。

2．思考对于多种因素影响化学反应速率的问题，应该如何实验？ 阅读实验2－5，分析实验中涉及到哪些因素，做了几组实验？ 对比实验中保持哪些因素相同，哪些因素不同？ 为什么这样做？

［实验2－5］［1］在2 支大小相同的试管中，装入2～3mL 约5℅的H2O2溶液，分别滴入1～2 滴1mol／L FeCl3溶液。待试管中均有适量气泡出现时，其中一支试管放入盛有5℃左右冷水的烧杯中； 另一支试管放入盛有40℃左右热水的烧杯中，观察现象并进行对比，待放入热水的烧杯试管里出现大量气泡时，用带火星的火柴梗检验放出的气体。

思考的目的：保持浓度、体积、催化剂不变，只改变温度。

3．思考①如果我们想探究催化剂对化学反应速率的影响，我们应保持哪些因素不变呢？ 哪些因素改变呢？②学生小组讨论，分析，③代表发言。教师小结。事实上是怎样做的？

阅读［实验2－6］［2］在3 支大小相同的试管中各装入2～3mL 约5%的H2O2溶液，再向其中2 支试管中分别加入少量MnO2粉末、1～2 滴1 mol／L FeCl3溶液。对比观察现象。

思考的目的：保持浓度、体积、温度不变，只改变催化剂。

4．实验后能否改进呢？ 你还有什么设想？

通过引导与学生实验，学生自然得出：当研究多个因素之间的关系时，往往先控制其他几个因素不变，集中研究其中一个因素的变化所产生的影响，这种方法叫控制变量法。从促进学生知识建构角度审视教材实验，就能触摸到教材编写者的智慧。教师必须在教学中发掘实验间的关系和内涵，站在对学生知识建构的作用和意义上去思考去引导。

二、如何在教学中拓展应用控制变量法

高中化学新课程“倡导以科学探究为主的多样化的学习方式”，如何进行科学探究呢？ 让我们先研究一个实验：

1．实验目的：如何比较梨汁、橙汁中维生素C 含量的相对多少呢？

2．实验方案的优化

教师抛出问题：方案一可以吗？

［方案一］取相同体积、不同浓度高锰酸钾于烧杯中，分别滴入梨汁、橙汁。

教师继续抛出问题：方案二可以吗？

［方案二］取不同体积、相同浓度高锰酸钾于烧杯中，分别滴入梨汁、橙汁。

教师进一步深化：方案三可以吗？

［方案三］取相同体积、相同浓度高锰酸钾于烧杯中，分别滴入梨汁、橙汁。

教师逆向思维引导深化：方案四可以吗？

［方案四］取相同体积、相同浓度梨汁、橙汁于烧杯中，分别滴入等浓度的淀粉和碘混合液。

三、如何深化研究实验——定量实验

1．实验原理［2］

维生素C 具有强还原性，能将碘还原成碘离子。碘遇淀粉变蓝色，而碘离子不能使淀粉溶液改变颜色；因此，在含有维生素C 的溶液中，加入淀粉溶液，就可以用碘溶液来滴定被检测样品中的维生素C。记录滴定用去的碘溶液量，再根据已知的每毫升碘溶液可以与多少毫克的维生素C 发生反应，通过对比，就可以计算出被检测样品的维生素C 含量。（注：由于维生素C 的还原性很强，在空气中易被氧化，特别是在碱性介质中更易被氧化，故在测定时须加入少量稀醋酸或盐酸使溶液呈弱酸性，以减少副反应的发生。）

2．仪器与药品

容量瓶（250mL），酸式滴定管（50mL），锥形瓶，量筒，玻璃棒，尼龙纱布，天平，多功能食物粉碎机，漏斗，pH 试纸，烧杯。

新鲜的苹果、梨、杨桃、橙子、葡萄、番茄等。0．02mol／L 碘溶液，盐酸（质量分数为2%）或2mol／L醋酸，可溶性淀粉溶液（质量分数为2%），蒸馏水，维生素C 药片（100mg／片）．

3．方法与步骤

（1）制备果蔬组织提取液

①称取50g 水果或蔬菜，放入食物粉碎机中，再加入50mL 蒸馏水，然后进行粉碎。

②在漏斗中垫上尼龙纱布，将粉碎后的果蔬液过滤到烧杯中。取出1／2 的滤液，放入洁净的锥形瓶中。

③向锥形瓶中加入2mL 淀粉溶液，然后滴加盐酸或醋酸，将pH 调至3。

（2）滴定维生素C 药片溶液和果蔬组织提取液

①将一片维生素C 药片溶解在25mL 蒸馏水中。

②用碘溶液滴定维生素C 药片溶液3 次，记录每次滴定的初读数和末读数。

③用碘溶液滴定与果蔬组织提取液。滴定过程中，边滴定边晃动锥形瓶，直到提取液呈现蓝色，并且在0．5min 内不褪色为止。重复滴定两次，记录每次滴定的初读数和末读数（末读数与初读数之差，就是每次滴定所用去的碘溶液量）。最后，计算出两次滴定所用去的碘溶液量的平均值。

（3）操作要点（各实验步骤中的操作关键点）

①试样溶解后应立即进行滴定，以防止维生素C被空气所氧化；

②接近终点时的滴定速度不宜过快，溶液呈显稳定的蓝色即为终点。

（4）本实验的成败关键

①滴定时温度、速度的控制；

②淀粉指示剂的特点及终点的判断；

③深色溶液在滴定管中的读数。

（5）数据处理

①滴定标准维生素C 药片溶液所用去的碘溶液体积为：4．26mL；

②果蔬组织中的维生素C 含量：能够大致计算果蔬组织中的维生素C 含量 （每100g 样品中含维生素C 的毫克数）滴定结果如下：

平均值（mL）苹果 1 0.8 0.9 0.9梨子 1.1 0.9 0.8 0.93杨桃 1.2 1.3 1.1 1.2橙子 1 0.7 0.9 0.86葡萄 1.3 1.1 1.4 1.26番茄 1 1 0.9 0.96维生素C 片 4 4.3 4.5 4.26加碘次数水果种类第一次（mL）第二次（mL）第三次（mL）

实验总是先从模仿开始。引导学生逐步实施方案，亲手配制试剂，并对实验的成功与失败进行总结与分析。学生有了一个展现自我、锻炼自我的空间，也有了参与科研的一个良好开端。在中学阶段现有条件下尝试如何大致测量水果维生素C 含量，在控制变量同时运用了转换思维。所谓“转换思维”，如维生素C药片做基准，间接求解；是指在保证效果相同的前提下，将难以测量或测准的“量”转换为能够测量或测准的“量”等，从而间接地获取问题解决的思维方法。

四、控制变量法的教学思考

1．控制变量法将随着探究性学习的展开而深入

化学教学中的科学方法是培养学生思维的催化剂，是从知识学习到能力发展的中间环节，是沟通知识和能力的桥梁，从某种意义上讲科学方法比知识更重要。从教师教的角度看，在传授知识的同时，适时地引入控制变量法，有机地渗透。若脱离化学知识大讲科学方法，便是空中楼阁，若埋头只讲化学知识而不注重讲科学方法教育，则犹如一堆杂乱的砖瓦。只有把科学方法与化学知识有机的结合、水乳交融，才能相辅相成，让学生得到全面发展，创造一个优化的知识和智能结构。

2．运用控制变量法的目的是寻找“不变”

化学教学的内容载体是自然科学知识，它是人类主动探索自然奥秘的成果，是人类文明的精华之一。控制变量法的优点在于：如果有多个因素（即变量，下同）对实验的结果存在影响，往往控制其它的因素保持不变，而仅仅对其中的一个因素进行改变，并通过对比实验来明确该因素是否会产生影响以及如何影响的一种方法。该方法可以使研究的问题简单化。如我们在研究影响化学反应速率的因素，其目的是化学平衡怎样移动，进而得到勒夏特列原理。由此可以看出自然现象是千变万化的，科学就是要从这变幻不定的表象中发现不变的自然规律。而知识中相对“不变”的部分恰恰是知识中最关键的部分。潜移默化引导学生“要善于在变化之中看到不变”，去发现那些洞察人生事理的人，哪一个不是能正视世间及人生的自然规律，在千变万化的人生中寻找到那永恒不变的人。

3．控制变量法控有其一定适用范围

控制变量法适用于相对独立的变量，有一定适用范围。若不是相对独立的变量，必须引入其他分析方法加以辅助。自然科学与社会的复杂性是复杂的事物，其中往往有许多因素互相制约又互相依存。例如在对于共同影响一个变量的许多变量（因素）之间，找出哪些是重要因素，哪些是次要因素，这些因素之间又有什么关系等等。对于重要因素，再通过控制变量法，进行清理、分析。一种有效的方法就是以果为始。以最终的结果作为思考的开始，以最初需要的数据或者信息为这个循环思维的终点。在思考一个重要问题，或者做出重要结论前，先确定真正的问题，思索一下所有的相关因素，进行清理。然后针对重点提出假设，并明确支持或者推翻假设需要的数据，然后明确目的地，收集数据。这样的思考方式，能帮助我们变得更高效、更科学、更强大［3］。

［1］ 人教社化学室．高中化学2（必修）［M］．北京：人民教育出版社，2007．3：48

［2］ 水果中维生素C的测定http：／ ／wenku．baidu．com／view／7b8856f57c1cfad6195fa761．html

［3］ 夏时君．控制变量法在高中化学实验中应用 ［J］．化学教学，2011，（2）：53－54