基于控制变量思想的化学实验探究复习教学案例

2019-05-15陈女婷吴冷贞洪兹田

理科考试研究·初中 2019年4期

陈女婷吴冷贞洪兹田

摘要：本文以探究金属的活动性和探究影响金属与酸反应速率的因素为复习教学活动主题，帮助学生建立解决控制变量法解决化学问题的一般思路和思维模型，并通过课堂检测和校本作业巩固学习成果.

关键词：控制变量法;实探究验;思维模型;复习教学案例;初中化学

控制变量法是科学探究领域常用的一种研究方法.近几年各省、市中考及模拟卷中加强了对实验探究题的考查力度，而且常与控制变量思想的考查相結合.设计此复习案例帮助学生建立解决控制变量法解决化学问题的一般思路和思维模型.有效提升学生实验探究能力，形成学科思想方法和解决问题的关键能力.

1教学目标

1.1知识与技能目标

（1）学会寻找影响化学实验现象的各种因素;（2）学会利用控制变量思想确定探究的问题、研究因素及探究方法.

1.2过程与方法目标

（1）循序渐进参与实验探究活动，学会利用控制变量分析问题思路确定研究因素、控制实验条件、设计实验方案和总结实验结论;

（2）在实验探究活动中进行提升，形成控制变量解决问题的一般思路并建构思维模型.

1.3情感态度与价值观目标

在实验探究和参与问题解决中，树立勤于思考、乐于探究和严谨求实的科学态度.

2教学重点和难点

教学重点：应用控制变量思想解决实验探究问题.

教学难点：建立解决控制变量法解决问题的一般思路和思维模型.

3学情分析

经过小学科学、初中生物和物理学科学习，初三学生已经初步了解了控制变量法的思想，并具备一定的方法基础.调查发现，多数同学对于例举初中化学用到控制变量的课题存在困难.即使能够举出，也思路混乱、表达不清，无法建立控制变量法解决探究实验的解题范式和思维模型.主要存在探究问题不明确、变量条件（自变量、不变量）和实验结果（因变量）找不到、实验目的与方案设计不相匹配、探究思路不清楚等问题.

4设计思路

初中化学教材中多次涉及“控制变量法”思想.典型课例有：“吸入空气和呼出气体比较”“氧气性质实验”“分子和原子”“二氧化碳与水反应”“燃烧条件探究”“铁生锈条件探究”等.本案例设计的“探究金属的活动性探究”“影响金属与酸反应速率的因素”活动主题，符合学生的“最近发展区”，消除了学生探究活动的陌生感.案例设计注重情境创设、方法引导和思维建模.让学生在“探究金属的活动性”和“探究影响金属与酸反应速率的因素”的活动体验中，学会利用控制变量确定研究因素及方法，归纳控制变量法解决化学问题的一.般思路并建立思维模型.

5教学过程设计

教学活动主题一：探究金属的活动性

[问题导入]设计实验方案比较镁和铁的金属活动性（可用文字或图示描述）

[个人展示]学生代表提出几种方案，并进行师生点评，生生互评.

[问题递进]请您具体说明实验方案如何设计？（提示：可从金属和酸的要求入手）

[问题思考]通过金属内容的学习，我们知道活泼金属能够和酸反应.那么，影响金属与酸反应速率的因素还有哪些？探究此问题，要用到控制变量法.

[设问]联系之前对控制变量法的认识，尝试给“控制变量法”下定义.

[概念导学]控制变量法是指改变可能影响实验结果的多个因素中的任一个，其他可能因素保持不变的情况下进行实验，将这个被改变的因素的实验效果与不改变任何因素的实验效果进行对比，从而来论证实验猜想是否正确.

[概念组成]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.

设计意图：注重复习课情境的创设，从学生熟悉的“探究金属的活动性”的方法入手，培养学生的发散思维.再者进行思维收敛，将实验方案设计聚焦在“控制变量法”，从而引出复习主题.

教学活动主题二：探究影响金属与酸反应速率的因素

[过渡]以“探究影响金属与酸反应速率的因素”为例，学习“控制变量法”在化学实验探究中的运用.

[提问]在上述探究活动中，哪些因素可能影响金属和酸的反应速率？多因素变量中，如何研究某一因素对实验结果的影响？

[活动与探究]影响金属与酸反应速率的因素任选其一进行探究.

实验用品：试管、镁带、镁粉、铁粉、5%盐酸、10%盐酸等.

猜想1：（见表1）金属与酸反应的剧烈程度与有关.

[提问]“猜想一”给定实验步骤、实验现象，请同学们思考“猜想一”的猜想和可能的实验结论是什么？

[追问]本实验中，自变量、不变量和因变量分别是哪些？

[迁移运用]变换角度，给出猜想，让学生小组为单位设计实验.

猜想2：金属与酸反应的剧烈程度与酸的质量分数（浓度）有关.（完成表2）

[个人展示]学生代表发言展示成果.

[强化练习]以小组为单位，任选一个影响因素（不能与上述因素重复），设计实验验证（实验用品同上）.（填入表3）

你验证的猜想是：________.

[个人展示]学生代表发言展示成果.

[讲解]探究影响金属和酸反应速率的因素活动中，有多种影响因素，为了研究一种因素，必须控制其他因素不变.

[思考与分析]根据上述实验探究结果，总结影响金属与酸反应剧烈程度的因素.

[方法与归纳]老师引导学生分析实验目的、实验方案和实验结论三者之间的内在逻辑关系，建立解决控制变量法解决问题的一般思路和思维模型.

（1）控制变量法解决问题的一般思路

明确实验目的（探究问题）→寻找影响因素→控制其他因素（不变量）→改变研究因素（自变量）→设计实验方案→分析影响结果（因变量）→揭示实验结论.

（2）控制变量法解决问题的思维模型（如图1）

设计意图：通过探究影响金属与酸反应速率的因素，让学生学会应用理论知识解决实际问题，感受化学知识的实用性.学生在特定的情境中应用、找到变量条件和思路，分析实验结果、设计实验方案等，体验实验探究的乐趣.从感性到理性，从特殊到一般，归纳控制变量解决问题的一般思路并建构思维模型，提升复习教学的有效性.

教学活动主题三：课堂检测和校本作业

[课堂检测]完成课堂练习，检测学习成果.

1.设计对比实验，控制变量是学习化学的重要方法，下列对比实验（见表4）不能达到实验目的的是（）

解析本题考查控制变量设计对比实验时，实验目的与实验方案设计的匹配性.设计对比实验时，必须注意控制变量，只有一个条件不同，才能知道该条件对实验是否有影响.选项A中，溶剂（水、汽油）为自变量，溶质（氯化钠）为不变量，溶解性为因变量.根据氯化钠在汽油、水呈现的不同现象说明物质的溶解性与溶剂种类有关，故可达到实验目的.选项B中，涉及燃烧条件探究实验.通过铜片上的白磷和红磷的对比，说明燃烧与可燃物的着火点有关;通过铜片上的白磷和热水中的白磷对比，说明燃烧需要氧气，故可以到实验目的.选项C中，一段时间观察试管①中的铁钉明显锈蚀，①试管中既提供了空气，也提供了水，②试管内铁钉不生锈，试管内只提供水，可以得出铁生锈需要和氧气接触，还要增加一个有水和无水的对比实验，方能探究出铁生锈是否需要有水，故无法达到实验目;选项D中，二氧化碳和与水、氢氧化钠都反应，通过实验对比塑料瓶变瘪程度说明二氧化碳能够和氢氧化钠反应，故可达到实验目的.答案：C.

2.探究H2O2分解的影响因素

（1）王老师使用压强传感器等设备，检测不同温度下H2O2分解时气体压强的变化.经过实验数据处理等，获得压强—时间的曲线变化（如图2）.由此可知，其它条件一定时，温度越高，H2O2的分解速率

（填“越快”、“越慢”或“不变”）;

（2）请你设计实验方案，探究浓度对H2O2分解速率的影响（写出简要实验步骤）__.

解析本题中（1）考查根据曲线信息分析实验结果，得出实验结论.（2）考查根据探究实验目的，设计实验方案.（1）本实验中H2O2的分解速率可用气体压强来表征，分解时的气体压强越大，H2O2的分解速率越快.由于温度是自变量，气体压强是因变量.根据反应速率图像可知，其它条件一定时，温度越高，分解时气体压强越大，H2O2的分解速率越快;（2）探究浓度对H2O2分解速率的影响时，H2O2溶液的浓度是自变量，其他条件（如二氧化锰用量、H2O2溶液体积、试管规格和溶液温度等）必须保持不变，产生气体的快慢为因变量.故实验方案为在两支规格相同的试管中分别加入10mL5%和10%的H2O2溶液，同时分别加入少量等量的二氧化锰，观察两支试管中产生气体的快慢.答案：（1）越快（2）在两支规格相同的试管中分别加入10mL5%和10%的H2O2溶液.

[展台投影]投影学生的作业，红笔批改.

[课堂小结]学完本节课，谈谈你的收获？

[校本作业]1.（福建2018年中考）某研究小组对H2O2溶液制取氧气进行如下探究2.

实验一氧气制取和性质实验

（1）（题目略）

实验二探究H2O2质量分数溶液pH、温度对反应速率的影响

（2）设计实验方案（表5）

①实验1～3的实验目的是_;②a=___，b=___.

实验三探究制取氧气的适宜催化剂

（3）实验方案如下：

Ⅰ.用MnO2、CuO、Fe2O3、Cr2O3四种催化剂分别与海藻酸钠溶液混合，滴入CaCl2溶液制成含等质量催化剂、大小相同的海藻酸钠微球，备用.

Ⅱ.取30粒含MnO2的海藻酸钠微球，采用（图3）实验装置.改用其他三种微球，分别重复上述实验，得到锥形瓶内压强随时间变化曲线图（图4）.