“控制变量法”的难点分析及教学策略

2020-10-12杨建峰

神州·下旬刊 2020年9期

杨建峰

摘要：实验探究是初中《科学》教材中重要内容之一，也是学习和研究科学的重要方法，而“控制变量法”又是实验探究中的重要实验方法。根据“教材要求学生达到的水平状态与学生学习该知识时原有知识水平状态之间的差异”大小作为确定教学难点的依据，本文认为“确定研究对象、区分实验组和对照组、精心设计和改进实验方案、指出实验中不足之处”是“控制变量法”的教学难点。笔者结合十多年科学教学实践提出突破这些难点的相应教学策略。

关键词：控制变量法;研究对象;实验组;对照组

一、问题叠出——“控制变量法”的研究缘起

首先来分析下杭州近5年中考科学试题中“实验探究题”分数占总分百分比的情况，见表1：

从上表数据分析不难看出“实验探究”所占的比例都较大，约在22%和27%之间变化。这说明实验探究题已成为科学中考试卷中的一个重要板块，并且“实验探究”题具有分值高、得分率低的特点。而“控制变量法”又是实验探究类试题的主要内容，它不仅在“实验探究”题有充分“展示”，而且在选择题和填空题中也时有它的影子。因此，分析“控制变量法”的难点，研究突破这一难点的教学策略，对于提高教师的专业水平和科学教学质量具有十分重要的现实意义。

我们知道，学习和研究科学和方法有很多，如控制变量法、转换法、类比法、模型法、等效替代法、实验推理法等，但最重要的方法是观察和实验。而其中“控制变量法”是学习和研究自然現象，探究并掌握事物发生、发展和变化规律比较有效的实验探究方法之一。理解和掌握控制变量法不仅对学生顺利建立科学概念、探究科学规律和完成科学实验是有十分有益的，而且还对实施以“培养学生创新精神和实践能力”为核心的素质教育具有重要的实践意义。

二、运筹帷幄——“控制变量法”的难点分析

1.确定教学难点的依据

所谓教学难点，就是教材要求学生达到的水平状态与学生学习该知识时原有知识水平状态之间的差异，如果这个差异较大，则为教学难点。如“控制变量法”是一个全新的概念，在学生原有知识结构中“变量”就是一个不断变化的因素;而在“控制变量法”中又出现一个“控制×××保持不变”，从“变量”到“不变”增大了学生认知差异，所以就成为学习“控制变量法”的难点了。

2.教学难点分析

用通俗的教学语言来定义，“控制变量法”的实质就是“研究对象（某一个变量）一定不同，其它因素（变量）都要控制相同（不变）”。由于多数学生处于“家庭、学校二点一线”的生活状态，远离实际劳动生活和社会实践活动，严重缺少对事物的感知。基于这样的分析和学生在学习“控制变量法”实践中所表现出来的问题，主要有以下几个难点：

（1）确定“研究对象”。探究性实验往往在“提出问题”环节中就隐藏着“研究对象”。如“探究光照对种子萌发率是否有影响？”、“研究电流与电阻有什么关系？”、“探究温度对液体蒸发快慢是否有影响”等等。其中“研究电流与电阻有什么关系？”这一问题中同时出现了“电流”和“电阻”两个变量，学生就难以确定其中哪个变量（因素）是我们所解决问题中的“研究对象”。

（2）区分“实验组”还是“对照组”。在“探究性实验”中一般要出现两组或两组以上的实验，这就给学生增加的辨别谁是实验组（或是对照组）的难度。

（3）根据实验要求合理设计（或改进）实验方案。“设计（或改进）实验方案”对于学生是一个“未知领域”，如何下手？方案的基本结构是什么？撰写方案的基本要求是什么？对此，学生全然不知。

（4）根据所实验探究中的信息“指出实验中的不足之处”或“对该实验提出的改进意见”。学生对实验方案还属于“未知领域”，更何况要“修改”！

三、暗香浮动——突破“控制变量法”难点的教学策略

策略一：确定“研究对象”

由于“研究对象”隐藏在试题的“提出问题（或假设）”中，那么我们就要从试题（或问题）本身着手寻找突破口。首先，必须让学生明确，研究对象实质上就是影响实验结果的某个因素或变量。其次，我们对试题中提出问题（或假设）的表述进行统计分析发现不外乎两种情况：第一种情况是前后两变量之间用“连词”——跟、与、和。如“研究滑动摩擦力与压力的关系”、“探究物体的动能和质量的关系”、“研究液体压强跟液体深度的关系”。这类问题文字表述方式中的“研究对象”就是连词后面的变量！这样的教学语言对学生来说既降低了难度.又贴近学生生活，在考试审题时就有思考的“方向”和线索了。如上述三个问题中“压力、质量和液体深度”就是对应的研究对象。第二种情况是问题文字表述中的两变量中间不是用“连词”——跟、与、和，而是有个“对”字。如“探究温度对液体蒸发快慢是否有影响”，那么这一类问题的研究对象就是“对”字前面的变量或因素（温度）了。

[例1]（2016嘉兴）某同学为探究电流通过导体产生热量的多少跟电阻的关系，设计如下电路图，其中正确的是（）

分析：首先，这是一道考查“控制变量法”的试题;其次，根据连词“跟”后面的变量，确定研究对象是“电阻”;第三，根据Q=I2Rt可知，该电路图中一定体现“电流和通电时间保持不变”和“电阻不同”这一“控制变量法”的本质特征，就比较容易选出正确答案是B。在实际教学中，我们还可以对此题进行改造（创新），增加“给你三个电阻5Ω，10Ω，10Ω，请低从中选择两电阻……”这个条件，对于学生在“研究对象一定不同”这一点上就增加的难度，思维更有开放性.如果有的学生选用两只10Ω电阻串联设计电路图，那么恰好掉入命题者设计的陷阱之中。

从上述教学策略中可以看出，把远离学生生活的“研究对象”这个难点，转化为融入学生生活化（接地气）的语言——连词：跟、与、和、对，它们是突破这一难点的关键所在。

策略二：区分“实验组”和“对照组”

对照组是不需要加任何研究因素（即变量）的对象组;或在自然状态下对研究因素不做任何处理的对象组。而实验组是加入研究因素的对象组;或自然状态下对研究因素进行人为处理的对象组。通过对大量“控制变量法”的探究性实验考题的分析发现，对照组一般具有明显的“自然”属性，而实验组又具有“人为”的特点。在实验探究教学中教师要重视引导学生根据“自然”和“人为”这两个特征，正确区分实验组还是对照组。如“蚂蚁在寻找食物的过程中，头部的触角像天线似的自由转动，蚂蚁触角的运动有什么意义。请你设计实验方案证明触角在蚂蚁寻找食物过程中的作用。设置两组：甲组为保留触角的蚂蚁，乙组为剪去触角的蚂蚁。自然状态下对研究的因素—触角进行处理（人为剪除）的乙组为实验组;自然状态下对研究因素—触角不进行处理（剪除）的甲组为对照组”。

[例2]（2015台州）如下图是小柯探究种子呼吸作用的实验装置。（1）实验前用手握住装置乙的试管外壁，观察红色水滴是否移动。这是为了检验装置的;设置乙装置的目的是。

分析：从实验装置中可以看出，除了种子是否死活这一变量不同外，其它因素都相同，因此甲是自然条件下的“对照组”，而乙是人为“煮熟”条件的实验组。所以第1空是“气密性”;第2空是“形成对照”。

[例3]（2017宁波）过度肥胖有损健康，有人建议喝绿茶减肥，因为绿茶中含有茶多酚。茶多酚真的有减肥作用吗？小科用小白鼠对此展开探究。

[提出假设]茶多酚对小白鼠营养性肥胖具有减肥作用。

[实验步骤]

（1）分组：质量为20g左右的同龄幼年雄性小白鼠30只，随机平均分成A、B、C三组，分别养殖在相同适宜环境中。

（2）喂养和灌胃：每天定时给各组小白鼠喂养等量适量饲料，并在晚上8时进行灌胃，具体见表2。（备注：灌胃是动物实验中常见的给药方式）

第46-90天，A、C两组实验__________形成对照。（选填“可以”或“不可以‘）

在“第46-90天”内，由于C组内灌胃液体是“茶多酚”，而“茶多酚”绝非自然状态的胃液成分，因此，C组中的“茶多酚”的人为所致，所以C组中实验组，A组是对照组，可以形成对照。

因此，根据实验中的“自然”属性和“人为”特征来区分实验组和对照组，是突破这一难点的有效策略。

策略三：精心设计和改进实验方案

通过对历年科学中考试题的分析研究可以发现，要求完成实验方案（原理）的实验探究题比较多。这对学生来说如同写“作文”，心里比较惧怕，不知从何下手。为了解决这一问题，能否给学生一定类似“公式”一样东西，做到“有章可循”。因此，建议对于定量类的探究实验，在设计实验方案时，既要按①②③…分步写（考虑阅卷时有利于分步给分），又要在每个步骤后书写表示所测量变量的字母，这是重要的解题经验;如果是定性类实验，则不需书写字母。

[例4]现有一只弹簧秤，一只烧杯（内有水）和一根细线，不用量筒，如何测出小石块的密度，请写出实验方案和石块密度的表达式。

解：（1）实验步骤：①用细线系住小石块，挂在弹簧秤下;②记下石块静止在空气中时弹簧秤的示数F1;③将石块慢慢浸入水中，直至全部浸没，记下弹簧秤的示数F2。

ρ石=F1·ρ水/（F1-F2）

注意，解决“表达式”这类问题，一定要注意等号右侧只能出现测量值字母（已知量）和常数字母。所以，在书写步骤时就必须附上表示测量值的字母，以便回答表达式之方便。

下面我们再来看一个后缀不需要加“字母”的“定性实验步骤”试题：

[例5]（2016杭州）“现有一个电压表、若干导线、两节干电池和一个开关。请你设计一个实验来判断两段材料不同，长度、横截面积都相同的甲、乙两根合金丝电阻的大小。（2）说明实验的步骤以及需要测量的物理量。”也有类似要求。让我们看看这3分是如何分步给的？

答：合理的实验步骤应该是：

①按照电路图，把两根合金丝与两节干电池、开关、导线连成串联电路。（1分）

②用电压表分别测出甲乙合金丝两端的电压分别为：U甲和U乙（1分）

③因为串联电路电流处处相等。根据欧姆定律，电阻大的合金丝，它两端的电压也就大。（1分）

从上面给分标准可以看出，实验步骤分①②③…书写的重要意义就是的利于“分步计分”的评分原则。在相同答题情况下，分步回答时只要有一步答对，就可以获得相应的分数，否则就会少得分。因此，分步书写实验步骤就是值得借鉴的教学策略。

策略四：指出实验中不足之处

笔者通过对近十年中考“实验探究”类试题的统计分析，一般有4个思考方向：

（1）是否缺少对照组。浙江中考的实验探究题中经常考察对照组的判断和设计对照组，需要我们去重视。比如：

[例6]根据下面探究实验表格中步骤、项目和数据请回答：

实验中的研究对象（变量）是;指出该实验中的明显不足之处是。

分析：

① 题目“对”字前面是“PH值”，所以研究对象（变量）是PH值;

② 根据“控制变量法”。我们可知，除了研究对象不同，其他因素（变量）都要控制相同，所以最明显的不足之处是“缺少pH=7的对照组”。

当然还有“当用碘液检验实验结果，只能说明淀粉是否分解，不知道分解程度”和“在步骤123时，淀粉已开始分解，因为酶具有高效性，实验研究PH值对酶活性的影响，应先将各自溶液在所控制的酸碱条件下处理一段时间”也是本实验中的不足之处。

（2）有无控制单一变量。控制变量法本质就是只允许一个因素（变量），不同，而其他因素（变量）都要控制相同。所以如果实验中有两个或两以上因素不同，都属于“没有控制单一变量”这一实验错误。

[例7]（2016绍兴）控制变量是一种常用的科学方法，下列实验中变量控制不合理的是（）

A.研究影响电磁铁磁性强弱的因素 B.研究压力效果的相关因素

C.研究摩擦力的相关因素 D.研究种子的呼吸作用

分析：这就是典型是考查控制变量法中“有无控制单一变量”的考题。A图只线圈匝数不同，是探究电磁铁磁性强弱与线圈匝数的关系，是正确的;B图中既有压力不同，又有受力面积不同，实驗中同时有两个变量，不符合控制变量法中要“控制单一变量”的原则，所以错误;C图只有受力面积一个变量，可以探究摩擦力大小与受力面积的关系，正确;D;就办有种子是否活的一个变量，其他因素相同，正确。所以本题正确答案是B。

其实，类似问题在中考试卷中屡屡出现，是命题者运用“两个或多个变量”来干扰学生思考问题。

（3）是否有足够实验样本。我们知道有些实验如果取样太少，那么其实验结果就有一定的偶然性，不具有普遍性。所以，实验时要取足量的实验样本进行实验，就能增加实验结果的可靠性。

[例8]（2014杭州）为了探究环境温度对菜豆种子萌发的影响，小金同学设计了如下实验：①选用籽粒饱满、均匀一致的菜豆种子60粒，将种子随机平均分成3组，分别放入三个垫有二层湿滤纸的培养皿内。②用记号笔在每个培养皿上做好标记（如图所示），然后将三个培养皿分别放到4℃、25℃、40℃的培养箱中恒温培养7天。③……。请回答下列问题：

（5）有同学说上述实验材料过于浪费，每个培养皿只需要放一粒菜豆种子就可以了。你是否同意这个说法并说明理由__________________。

分析：否;1粒种子具有偶然性，实验结果不可靠.

（4）有无重复实验。有些实验，单凭一次实验提出的结论往往可靠，因为它具有一定的偶然性。如“串联电路中电流处处相等”这一结论，必须在相等电阻和不等电阻，还有不同电压多种情况下重复实验，并记录实验数据，然后再经过统计分析方能得出可靠结论。否则就会被“相等电阻并联时电流也相等”这一特例干扰正确结论，或者“两电阻中的电流相等，则一定串联”的错误认识。其实，光的反射定律的“反射角=入射角”，折射规律中“当光从空气斜射入水或别的透明物质里时，折射角小于入射角”，凸透镜成像规律中“当u>2f时，成倒立缩小实像”，杠杆平衡条件等等，都是在一定条件下“重复实验”才能得到的结论。

[例9]在研究通过导体的电流与两端电压关系的活动中，同学们进行了如下实验探究.

[实验步骤]

①按图甲所示电路图连接好电路;

②闭合开关，改变滑动变阻器滑片P的位置，读出电压表和电流表的示数，并记录数据;

③对数据进行处理，并绘制成如图乙所示的图象

[实验反思]某小组的同学在处理数据时发现，根据一组数据计算电压与电流的比值恰好等于R的阻值，于是就得出“电阻一定时，电流与电压成正比”的结论。你认为这个结论可靠吗？同学想利用其他小组的实验数据来进一步论证，并提出了以下两种收集数据的方案;

方案一：收集电阻值均为10Ω的几个小组的数据;

方案二：收集电阻值不同的几个小组的数据。

你认为方案____更合理。

分析：方案一不合理！因为一次实验结果具有偶然性，要得到具有普遍性的可靠实验结论，还必须采取方案二重复实验。

四、满载而归——收获与反思

笔者经过5年的实践运用并且对进行训练的班级学生在期中和期末考试中实验探究题得分率进行了的统计（见表3）。