对比实验中的“变”与“不变”

胡东民

【摘要】小学三、四年级的学生初次接触对比实验时，强调条件的公平是重中之重。那么，怎样让学生喜欢上科学实验课呢？笔者以为，知道什么是对比实验，分哪些步骤，掌握好对比实验中的“变”与“不变”，养成积极思考的习惯，敢于像科学家那样探索、亲历科学探究的过程，就是最好的答案。

【关键词】接触对比实验;经典实验;设计思路;观察记录

对比实验的教学过程主要有以下5个步骤：提出问题、作出假设、变化条件和不变条件、设计实验并记录、实验结论。通过训练抓住要领，要求每一个学生都了解掌握对比实验。

1.寻找适合材料，接触对比实验

1.1用简单材料证明空气有质量

苏教版（2019年版）小学科学三年级上册《热空气和冷空气》一课研究热空气的流动，让学生分组动手试一试，点燃蜡烛升起火焰，把手分别放在蜡烛的不同位置：上方、下方、前面、后面、左边、右边。火焰上方的温度高，而下方的温度低;前后两面、左右两边的温度都比上方的温度低许多。学生们感受到了温度的不同，初步体验到热空气是往上流动的。

接着我们做空气受热上升的实验来解释这一现象。

【实验材料】平衡尺支架、两个相同的纸杯、细绳、短蜡烛、火柴、温度计等。

【实验步骤】平衡尺支架两端相等的地方挂上同样大小的纸杯并保持平衡;点燃蜡烛给其中一个纸杯加热，然后快速拿掉蜡烛。这时我们发现被加热的纸杯一端向上翘，未受热的纸杯一端向下沉，平衡尺变得不平衡了。

【实验证明】有热空气的纸杯一端会上升，同体积的冷空气比同体积的热空气重。使用温度计测出实验时室温为21丈，加热后纸杯里的温度为28丈，把手指放进去感觉微微有些热度。平衡尺由平衡到不平衡，是因为一个纸杯加热，一个纸杯不加热，从而得出空气是有质量的。

【实验结论】未加热纸杯前，两个纸杯处于平衡状态;加热其中的一个纸杯后，两个纸杯不平衡了。

在古代，人们一度认为空气是没有质量的。科学家伽利略做了一个实验：用气泵向一个敞口大玻璃瓶中尽可能多地注人空气，并用胶塞封住瓶口，借助天平称出瓶子的质量是多少克。然后把瓶口打开放出空气再次称重，发现瓶子的质量减少了。伽利略认为，减少的质量就是把瓶口打开后跑出来的空气的质量，从而证明空气是有质量的。这段资料有助于学生了解17世纪伽利略证明空气有质量的实验方法，了解科学家为人类所作出的贡献。苏教版（2019年版）小学科学三年级上册活动手册《空气有质量吗》一课的作业是记录用电子天平测皮球里空气的质量。学生测出瘪皮球的质量为99.73克;充气20下，皮球和空气的质量为100.34克;充气30下，皮球和空气的质量为100.42克。通过比较得出：充气越多，皮球和内部空气的总质量越大，进一步说明空气是有质量的。

1.2研究纸的吸水性和结实程度的对比实验在做不同类型纸的吸水性和结实程度的对比实验中，首先要认识不同纸的特点和用途，其次研究纸的不同性质，最后完成实验记录单。我们选择宣纸、报纸、牛皮纸和封面纸这四种不同的纸来进行实验探究。

研究吸水性时，将这四种纸裁成边长相同的正方形，光滑面朝上放好，然后在每种纸上滴一滴含有红色素的水，观察水在纸面上的扩散情况。在学习对比实验中，滴水的多少必须相同，这意味着对实验条件的控制，变化的条件只有一个，其余的条件保持不变。通过实验结果，我们知道水在宣纸和报纸上的扩散面积大，说明宣纸和报纸吸水性强;水在封面纸和牛皮纸上的扩散范围小，说明封面纸和牛皮纸吸水性差（见表1）。若要做不渗水的纸船，便应选择封面纸或牛皮纸，因为封面纸和牛皮纸的吸水性差，不会轻易被渗透。

研究紙的结实程度时，因纸有纵向和横向之分，我们选择把四种纸按照纵向裁下两条长、宽一样的纸条，相互钩住往后拉一拉、扯一扯，看看哪种纸不易断。封面纸和牛皮纸比赛，封面纸更结实些;牛皮纸和报纸比赛，牛皮纸更结实些;报纸和宣纸比赛，报纸更结实些。通过胜负结果得知，封面纸和牛皮纸结实程度较强;报纸和宣纸的结实程度较差，其中封面纸的结实程度最强，宣纸的结实程度最差（见表1）。若选择纸张做不渗水纸船，结实程度也是需要考虑的要素之1。

1.3学习对比实验，条件公平结论才准确

进行对比实验，需要选择身边熟悉的、适合的材料来比较。我们用可直立的透明塑料瓶做雨量器，做出来的雨量器大小不一样，测一测雨量，能行吗？答案是可以的。因为标准是统一的，大小不同的雨量器都是用量筒倒水来确定刻度，完全可以使用它们测量出较为准确的降雨量结果。在对比实验中，教师要帮助学生认识到条件公平、因素关联是关键，引导他们认识到实验现象、结论和实验条件之间的关系，找准实验的不同条件。条件控制是对比实验的重点，一方面是指严格控制相同条件，保证其不对实验现象造成影响;另一方面是指设置对比度明显的不同条件，以扩大实验现象的差异，确保结论与现象之间的关联[1]。条件公平方可进行对比实验，不变条件必须保证相同，变化条件只有一个且需拉开一定的差距，这样得出的实验结论可信度才高。

2.从经典实验中，认识对比实验

苏教版（2019年版）小学科学三年级上册《把盐放到水里》一课中，盐在水中溶解的实验安排了以下两个活动。

活动一：把沙子、盐放人水中，观察现象。这个活动既回顾溶解与不溶解的概念，又为下一个活动作铺垫。

活动二：探究盐溶解的快慢与什么因素有关，并通过让学生思考为什么要用相同体积的水和相同质量的盐，初步学习对比实验的方法。

水的温度影响盐在水中溶解的情况，是个经典的对比实验。水的温度不同，相同体积的一杯热水和一杯冷水，这是“变”，相同体积的水和相同质量的盐是“不变”。水温对盐在水中溶解速度的影响是该对比实验中的变化条件，这个变化条件要拉开水温变化的范围，结论才明显，所以控制“水温差距”这个变量十分关键。从这里开始，学生将要学习用定量的方法一步步地做实验。注意：实验时，需等待一段时间才能观察到实验效果。

教师根据实际情况，对“搅拌和不搅拌也能影响盐在水中溶解的快慢”和“盐的颗粒大小也能影响盐在水中溶解的快慢”这两个对比实验，一方面及时为学生提供指导与帮助;另一方面鼓励学生针对自己的假设进行探究，确保实验有序、规范、严谨。

3.根据问题假设，设计对比实验

苏教版（2019年版）四年级下册专项学习“像科学家那样……”研究摆的快慢与什么有关时，学生提出假设并说明理由，教师板书一一呈现学生的观点。大致有以下几种假设：

可能与摆长有关，摆线越长，摆得越慢;

可能与摆重有关，摆重越重，摆得越快;

可能与摆角有关，摆角越大，摆得越快……

师生一起根据假设设计思路来做实验。

问题：摆的快慢与摆线的长短有关吗？

假设：摆线越长，摆动越慢;摆线越短，摆动越快。

不变条件：摆角不变，摆锤不变（一个50克钩码当摆锤）;

改变条件：改变的是摆线的长短（摆线30厘米和摆线15厘米）。

结论：摆线越长，摆动越慢;摆线越短，摆动越快。

设计实验是做好变量控制实验的前提，包括任务单的设计，任务单有利于学生在研究过程中迅速找到影响事物发展变化规律的原因。教师如果可以巧妙设计任务单并加以适时运用，就能发挥良好的支架作用，发挥学生学习的自主性，让他们更轻松地理解变量控制实验的内涵，掌握变量控制实验的设计方法[2]。改变摆线的长短，而摆角的大小、摆锤的质量大小保持不变。把变量掌握好，相同条件保持得越苛刻，结论就越准确。

摆的快慢与摆线的长短有关，那么摆的快慢与摆锤的质量大小有关吗？一起动手做实验。质量小的物体用一个50克的钩码，质量大的物体用两个50克的钩码，这样摆锤的质量大小就容易区别开了。摆锤的质量大小是“改变条件”，即为“变”;摆线的长度30厘米、摆角的大小是“不变条件”，即为“不变”。特别提醒：两个钩码要并排放，不能串起来放，以保证固定点到重心点摆线为30厘米的条件不变。在对比实验中，30厘米长的一个钩码用的是同一数据，所以只需测量两个钩码的数据。

在摆角大小的对比实验中，我们设置：位置1，摆角大点儿;位置2，摆角小点儿。注意：摆角幅度不宜过大（见图1）。

问题：摆的快慢与摆角的大小有关吗？

假设：摆角越大，摆动越快;摆角越小，摆动越慢。

不变条件：摆线不变，摆锤不变（用一个铁球当摆锤）;

改变条件：改变的是摆角的大小（标注摆锤的起始点1和2的位置，位置1摆角大，位置2摆角小）。

通过做以上摆的对比实验可知，只有摆线的长短影响摆的快慢。摆线越长，摆动越慢。摆锤的质量大小和摆角的大小都不会影响摆的快慢。

4.做对比实验，学会观察记录实验内容

学会观察记录实验内容也是对比实验必不可少的要素之一。苏教版（2019年版）四年级上册《摩擦力》一课中的五个对比实验，要求学生观察记录、合作探究，完成对比实验活动。

4.1实验一

【实验名称】研究摩擦力大小与接触面粗糙程度是否有关。

【实验材料】5N测力计、钩码盒和4个相同钩码、牙签绳扣、砂皮纸、实验设计和记录表、尺子等。

提醒：以砂皮纸两端为起点和终点，拉动物体，测出摩擦力的大小。

注意：測力计要慢慢水平均匀拉动，切忌拉得太猛。

4.2实验二

结论：在水平面上运动的物体，在相同平面上拖动不同质量的物体时，物体的质量小，摩擦力小;物体的质量大，摩擦力大。

4.3实验三

【实验名称】研究如何减少液体的阻力。

【实验材料】橡皮泥、大塑料瓶、洗洁精、细绳牙签、直尺、秒表等。

结论：流线体橡皮泥模型的下沉速度快，所受到的阻力小;球体橡皮泥模型的下沉速度慢，所受到的阻力大。

4.4实验四

结论：正方体橡皮泥模型的下沉速度慢，所受到的阻力大;锥体橡皮泥模型的下沉速度快，所受到的阻力小。

4.5实验五

【实验名称】如何减少物体在空气中运动时所受的阻力。

【实验材料】两张A4打印纸、秒表、尺子等。

结论：火箭形状的纸飞机所受到的阻力比平头形状的纸飞机所受到的阻力小，下降速度就快。

5.结语

以上对比实验，只有教师指导并参与，学生亲历过程，反复实验求得结论，才会有更大的收获。

在对比实验的探究过程中，需要关注细节。例如，在空气受热上升的实验中，为防止纸杯被点燃，杯底和火焰之间应有间隔;在不同纸的结实程度的对比实验中，应准备大小相同的纸张，按同一方向裁剪;在研究摆的快慢与什么有关的实验中，应注意摆动的幅度不宜过大;应选择50克的标准钩码作摆锤，绳子用双股更利于实验操作，等等。

学生应认真地对待科学实验课，利用简单的材料进行实验，掌握对比实验中根据探究问题作出假设、设计实验步骤、控制实验中的“不变因素”和“可变因素”等各项技能，经历完整的科学探究过程，提升科学探究水平。

（本文作者系安徽省绩溪县实验小学一级教师）参考文献：

[1]杨彬彬.小学科学实验类型及教学策略[J].湖北教育：科学课，2018（5）.

[2]司徒敏.变量控制实验的任务单设计[J].湖北教育：科学课，2018（3）.