“控制变量法”在初中化学探究性实验中的应用及其考查

洪兹田 陈女婷

福建省厦门市翔安第一中学(361101)

基金项目：本文系福建省中学化学严业安名师工作室和厦门市教育科学“十三五”规划2016年度重点课题《“让学”理念下改进化学课堂教学行为研究》(1620)的阶段性研究成果。

1 设计探究性实验的原则

1.1 科学性原则

所设计实验的原理应该科学，操作程序、方法正确，不能凭空捏造。

1.2 对照性原则

设置对照性实验，若要使该实验更能够说明问题，一定要有正、反两个方面的实验。

1.3 等量性原则

所设计实验中的平行反应，试剂的取用应等量。

1.4 单一变量原则

实验受到多个因素的影响，实验中要人为控制条件，使众多变量中只能有一个因素是变量，其余因素保持不变。

2 “控制变量法”的概念

当事物受到多个因素影响时，每一次只改变其中的某一个因素，而控制其他因素不变，从而研究被改变的这个因素对事物的影响，分别加以研究，最后再综合解决，这种方法叫“控制变量法”。它是科学探究中的重要思想方法，广泛地运用在各种科学探索和实验研究中。

3 利用“控制变量法”进行探究性实验的一般思路

利用“控制变量法”进行探究性实验的一般思路是:明确探究问题、寻找影响因素、控制其他因素、改变研究因素。

4 利用“控制变量法”进行探究性实验的思维模型

利用“控制变量法”进行探究性实验能够考查学生对于图表的观察、分析以及处理实验数据归纳得出合理结论的能力，因此在中考化学实验试题中备受青睐。“控制变量法”实验由想要研究的影响因素(自变量)、其他影响因素(不变量)和影响结果(因变量)三部分组成。分析实验目的、实验方案和实验结论三者之间的内在逻辑关系，建立解答此类试题的思维模型。利用“控制变量法”进行探究性实验的思维模型如图1所示。

图1 思维模型

5 利用“控制变量法”进行探究性实验的常见考查视角

5.1 考查实验目的确定

考查分析对照实验中的影响因素(自变量)、其他因素(不变量)和影响结果(因变量)，从而确定探究实验的目的。有时也直接考查根据探究实验方案，确定探究实验的目的。

5.2 考查实验变量控制

考查根据探究实验的目的，确定对照实验中的影响因素(自变量)、其他因素(不变量)和影响结果(因变量)，从而控制合适的探究实验条件。

5.3 考查实验方案设计

考查在明确探究实验的目的或实验结论的基础上，通过进一步确定实验变量和控制合适的实验探究条件，设计科学的实验方案。

5.4 考查实验结论

考查在明确探究实验目的和探究实验方案的基础上，通过分析实验变量(自变量、不变量)及其对实验结果的影响(因变量)，从而得出实验结论。

6 中考关于利用“控制变量法”进行探究性实验”的考题透析

图2 铁钉生锈实 验装置图

例题：(2017安徽中考试题)某研究小组为探究“影响铁制品锈蚀快慢的因素”，取相同浓度的稀氨水和稀醋酸用图1所示装置完成表1中的实验，回答下列问题。

表1 铁钉生锈实

(1)铁锈的主要成分是________(填化学式)。

(2)实验②和④可探究________因素对铁制品锈蚀快慢的影响；欲探究试剂酸碱性对铁制品锈蚀快慢的影响，应选择的实验是________(填实验序号)。

(3)根据表中实验现象得出的结论是________(写出1点即可)。

(4)影响铁制品锈蚀快慢除上述因素外，还有____(写出1点即可)，请设计实验方案____。

解析:本题中问题(2)考查对照实验中的影响因素(自变量)的确定及根据实验目的选择实验方案。问题(3)考查分析探究实验方案及实验结果得出实验结论。问题(4)考查猜测对照实验中的影响因素(自变量)并设计实验方案。

(1)铁锈的主要成分是氧化铁，其化学式为Fe2O3。(2)实验②和实验④中的反应温度(自变量)不同，所用试剂(不变量)都是稀醋酸，导致出现铁锈所需时间(因变量)不同，故探究的是温度对铁制品锈蚀快慢的影响。欲探究试剂酸碱性对铁制品锈蚀快慢的影响，则自变量应为试剂酸碱性，不变量为其他条件，如实验温度等应完全相同。故可选择实验①②(温度保持25 ℃，试剂酸碱性不同——稀氨水、稀醋酸)或实验③④(温度保持70 ℃，试剂酸碱性不同——稀氨水、稀醋酸)问题。(4)对比表格中实验①②或实验③④的信息可知，相同条件下，酸性越强，金属生锈越快。除了温度和试剂的酸碱性影响铁制品锈蚀的快慢外，酸的浓度也会影响铁制品锈蚀的快慢。设计实验方案时，选取的自变量为酸的浓度，不变量为实验温度、酸的种类和体积、铁钉的大小和质量等，因变量为出现铁锈所需时间。故实验方案为相同条件下，将相同的铁钉分别放入试管中，分别加入两份体积相同不同浓度的醋酸浸泡铁钉，观察出现铁锈所需的时间。

答案:(1)Fe2O3。(2)温度；①②或③④。(3)温度相同时，酸性越强，金属生锈越快。(4)酸的浓度(或其他合理答案)；相同条件下，将相同的铁钉分别放入两支试管中，分别加入两份体积相同不同浓度的醋酸浸泡铁钉，观察出现铁锈所需的时间(或其他合理答案)。

7 关于利用“控制变量法”进行探究性实验的同步试题检测

例题：(2017江苏苏州中考试题)为了探究相同条件下同种溶质在不同溶剂中的溶解性，某兴趣小组学生进行了如下两组实验(提示:本实验所用汽油与KMnO4、碘均不发生化学反应)。

实验1：KMnO4晶体在不同溶剂中的溶解实验。

根据表2中实验步骤、实验操作图示填写相关实验现象。

表2 实验1实验过

实验2:碘在不同溶剂中的溶解实验

根据表3中实验操作图示，回答相关问题。

表3 实验2实验过

反思与应用:

(5)碘易溶于酒精。若实验2中汽油用酒精代替，振荡后静置，最终所得液体____(选填“分层”或“不分层”)。“从稀碘水中提取碘”是“海带提碘”工艺中的一个重要步骤，其原理类似实验2中第二步操作。工业实际生产时使用其他挥发性液体代替汽油，这种挥发性液体必须具备的条件是____。

解析:(1)高锰酸钾能溶解在水中形成紫红色溶液。(2)将高锰酸钾溶液倒入汽油中，B试管中的高锰酸钾会溶解在水中，且还会发生分层现象，即液体分层，上层为无色，下层为紫红色，试管底部无固体残留。(3)由图示可知，加入水后变成了淡黄色，故碘微溶于水。(4)碘微溶于水，但能溶解在汽油中形成碘的汽油溶液。(5)汽油和酒精均属有机溶剂，有机物能溶解在有机溶剂中，即碘能溶解在酒精中形成碘酒溶液，故实验2中汽油用酒精代替，振荡后静置，最终所得液体不分层，“从稀碘水中提取碘”，使用其他挥发性液体代替汽油，这种挥发性液体必须与水不互溶，碘在该液体中的溶解度远大于在水中的溶解度。

答案:(1)紫(紫红、红)。(2)液体分层，上层为无色，下层为紫红色，试管底部无固体残留。(3)微。(4)碘的汽油溶液；强。(5)不分层；与水不互溶，碘在这种液体中的溶解度远大于在水中的溶解度。