控制变量思想在化学教学中的渗透

陈冬梅+赵玉峰

摘 要： 控制变量是一种重要的科学研究方法，本文在化学教学层面上，介绍控制变量思想的渗透途径，包括教材中挖掘、创新演示实验、研究性学习等。

关键词： 控制变量 化学教学 渗透方法

影响事物变化的因素多种多样，在研究和解决问题时，对影响事物变化规律的因素加以人为控制，只改变其中的某一个因素，从而研究这个因素对事物的影响，这种方法叫控制变量法。它是科学研究中的重要思想方法，广泛地运用在各种科学探索和科学实验研究之中。在多因素、多水平的实验中，实验者通过多维度变成单一维度，化繁为简，探究各种变量之间的因果关系、关系大小与类型，其结果有利于实验条件的选择、操作、控制和优化。

控制变量在中学化学教学中有一定要求，如《义务教育化学课程标准（2011版）》发展科学探究能力中要求“根据所要探究的具体问题设计简单的化学实验方案。具有控制实验条件的意识”。《普通高中化学课程标准》化学实验基础内容标准中要求“初步认识实验方案设计、实验条件控制、数据处理等方法在化学学习和科学研究中的应用”。实验条件控制与控制变量法虽然不尽相同，但也有控制变量的思想；美国科学促进会制定的科学过程技能则明确有“确定和控制变量”①。

在化学教学中，渗透控制变量思想有非常重要的现实意义，能使学生更好地通过实验学习并理解化学知识，认识并体验控制变量在科学研究中的意义，初步体验控制变量的方法。

1.教材中挖掘——初步认识控制变量思想

化学教材中相关实验或材料里蕴含控制变量细想，在教学中，教师应该适时指导学生初步认识控制变量思想。

1.1化学反应需要控制反应条件

许多化学反应需要一定的条件，在不同的条件下，有不同的反应现象和反应本质。只有对化学实验条件进行严格、有效的控制，才能获得化学科学事实，取得重大发现，正是从这种意义上说，没有化学实验条件的控制，就没有化学实验科学。如钠与氧气在常温和加热条件下的不同反应、铜与稀硝酸和浓硝酸不同的反应、铝与稀硫酸和浓硫酸的不同现象，等等，有机化学反应更需要控制条件。

1.2一些化学基本概念或原理的建构过程渗透着控制变量思想

如苏教版化学1关于物质的聚集状态有如下表格：

表1-4 1mol物质的体积

说明：固体、液体密度均为193K时的测定值，气体密度为1.01×10■Pa、273K时的测定值。

表格中数据意图通过学生的计算并比较、归纳出一定条件下，等物质的量的固体、液体、气体物质体积大小的差异；得出在标准状况下1mol任何气体的体积都近似等于22.4L的结论；并思考影响物质体积的可能因素，解释上述计算结果。虽然主体是表格计算与比较，但前提条件（“1mol”，“气体密度为1.01×10■Pa、273K时的测定值”）很重要，没有这两条件的限制，所计算的数值和基于计算得出的结论都是有欠缺的，特别是对22.4L·mol■的理解与应用有重要意义。

又如苏教版化学2化学反应速率课题的活动与探究更体现控制变量思想。

完成下列试验，分析影响过氧化氢分解速率的因素。

【实验1】取两支大试管，各加入5ml12%的过氧化氢溶液（即双氧水），将其中一支试管用水浴加热，观察并比较两支试管中发生的变化。

【实验2】取两支大试管，各加入5ml4%的过氧化氢溶液，用药匙向其中一支试管中加入少量二氧化锰粉末，观察发生的变化。

【实验3】取两支试管，分别加入5ml4%、5ml12%的过氧化氢溶液，再各加入几滴0.2mol·L■氯化铁溶液，观察气泡生成的快慢。

影响化学反应速率的因素很多，三组实验中各改变一个因素（实验1改变温度、实验2加入催化剂、实验3改变浓度）而控制其他条件完全相同，控制变量的思想体现得很明确，基于这样的实验得出的结论也相当可靠。

教材中控制变量思想的挖掘需要教师的点拨，需要教师引导学生进行控制变量思想的反思，使隐含的控制变量思想显露出来，易于被学生认识并理解。

2.创新演示实验——感悟控制变量的意义

化学教学中，运用控制变量思想改进或创新实验，可以使学生更好地理解化学基本概念、基本原理、基本反应的本质。

苏教版化学1物质的分散系中安排了这样的实验：将盛有硫酸铜溶液和氢氧化铁胶体的两只小烧杯分别置于暗处，用激光笔照射，从垂直于光线的方向观察实验现象。这实验非常简单明了地比较了溶液和胶体的性质之一，胶体能产生丁达尔效应，而溶液不能；这实验使学生感受到丁达尔效应是鉴别溶液和胶体的一种重要而简单的方法。但对于是否有丁达尔效应与分散质粒子直径大小之间的本质联系学生不是很清楚。我们可以创新演示实验，通过控制变量的思想使学生更清楚不同分散系及其性质的本质区别。例如：

【实验1】取3支试管，分别加入4ml0.01mol·L■的KI溶液，再在第2支试管中滴入一滴0.01mol·L■的AgNO■溶液，振荡，在第3支试管中滴入4ml的0.01mol·L■的AgNO■溶液。观察现象。

【实验2】用激光笔照射上面3支试管，从垂直于光线的方向观察实验现象。

【实验3】将第3支试管中的混合物过滤，取滤液于试管中，用激光笔照射试管，从垂直于光线的方向观察实验现象；再将滤液置于半透膜中进行渗透，收集渗透液置于试管中，用激光笔照射试管，从垂直于光线的方向观察实验现象。

实验1控制反应物之一AgNO■溶液的用量使产生微量或大量AgI，微量AgI分散于分散剂中所形成的分散质粒子较小，表现为肉眼观察较澄清，但有丁达尔效应，而大量AgI聚集产生的分散质粒子较大，表现为肉眼观察浑浊，光透不过，且无丁达尔现象；不加AgNO■溶液的试管作为空白对照实验，透明，没有丁达尔效应；实验3将沉淀进行过滤、滤液进行渗透，滤纸和半透膜的孔径不同，相当于改变了分离“设备”的孔径这一变量，进而控制了分散质粒子直径，光照所观察的现象随之变化。通过这样的实验改进，学生能深刻理解不同分散系中分散质粒子直径大小的不同及其对性质的影响，也能感悟到控制变量对科学知识的获得与理解的意义。

3.研究性学习——体验控制变量的方法

研究性学习是提高学生科学素养，形成科学方法的重要舞台，自然也是体验控制变量方法的重要舞台。

笔者在苏教版化学2“化学能转化为电能”教学中设计了开放的实验，提供稀硫酸、硫酸铜溶液、酒精、锌片（两片）、铁丝（两根）、铜片（两片）、碳棒（两根）、电流计、小烧杯、导线若干，让学生小组实验组装探索原电池的形成条件。最后总结时，经过题型，学生发现不同电极不同溶液组合时电流计指针偏转幅度不同。于是提出这样一个问题：影响电流强度（或者电压）的因素有哪些，有怎样的内在联系？课后学生发挥想象、讨论提出很多可能的影响因素，如电极材料及表面积大小、电解质溶液种类及浓度、电极插入溶液的深度、电极间距，等等。随后设计了相关实验，部分如下：

（1）在2mol·L■稀硫酸中插入下表中电极组，测定其两极电压。

（2）在2mol·L■稀硫酸中插入下表中电极组，测定其两极电压。

（3）用同样的锌—铜做电极组，溶液用稀硫酸，浓度如下表，分别测定其两极电压。

虽然学生设计实验时没有兼顾各种变量的严格控制，比如溶液体积多少、电极插入溶液中的深浅与间距控制，实验中也没有考虑到电解质溶液的种类的影响，但重要的是学生确实运用了变量控制的思想，体验了控制变量的方法。

控制变量是认识事物本质的一种重要方法，广泛应用于各种科学实验。在化学教学中，学生控制变量意识，不仅体现在观念层面，认识到控制变量对化学科学研究和化学学习的重要性；更重要的是要体现在实践层面，学习和运用控制变量的方法。控制变量思想在化学教学中的渗透还有其他途径，如化学史料、化学习题。

注释：

①[美]帕迪利亚（Padina，MJ.），主编.华曦，译：科学探索者：物质构成.杭州：浙江教育出版社，2003：148.

参考文献：

[1][美]帕迪利亚（Padina，MJ.），主编.华曦，译：科学探索者：物质构成.杭州：浙江教育出版社，2003.

[2]王莉梅.中学化学实验教学中科学方法教育的探索[D].新疆师范大学硕士学位论文，2007.

[3]夏时君.控制变量法在高中化学探究中的运用[J].实验教学与仪器，2011，7/8：74-76.