基于“变量控制”策略的初中化学实验探究教学

董俊 王瑛 吴俊明

摘要： 控制变量与变量控制是跟实验方法有关的两个不同概念。基于变量控制策略通过对控制变量进行控制来了解特定事物的影响因素，通常也称为“变量控制法”。讨论了变量控制法的教学意义，介绍了“采用‘变量控制法的化学实验探究”专题课的设计和教学效果，以及教学中需要注意的若干问题。

关键词： 变量控制; 实验探究教学; 教学设计; 初中化学教学

文章编号： 10056629（2022）04006705

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

实验方法是人们根据科学研究的特定目标，运用适当的科学手段，人为地控制或变革作为目的的客观事物和过程，让它们暴露出在自然条件下难以重复显露的特性，以便深入地研究有关的自然规律的一种有效方法。跟自然观察方法相比，实验方法能够突破自然条件的限制获得更加丰富、更加全面的事实材料，能够主动地获取科学研究所需要和期望的精确数据，甚至能够获得自然条件下无法获得的事实材料。因此，实验方法对于自然科学来说十分重要;实验方法的训练是各门自然科学教学的重要内容;实验方法和实验技能历来是各门实验科学学科的基本素养之一[1]。

1 控制变量与变量控制

控制变量与变量（的）控制是跟实验方法有关的两个概念。鉴于这两个概念常常被误解，需要先对此作一些简单讨论。

任何事物都具有自身的质的特点和量的特点，表现为一定的质和一定的量。在科学实验中，各种需要操纵、控制和测量的因素或条件都是变量。在（某）变化过程中始终保持不变的量称为常量;可以取不同值的量则称为变量。科学实验中主要涉及三种变量： 自变量、因变量和控制变量，其中前二者统称为实验变量。自变量是在实验中由实验者操作和控制的变量;因变量是指实验中被试对自变量操作的实验反应值，即实验者观察和记录的随着自变量变化而变化的被试行为;控制变量是指实验中在实验变量之外的、影响实验变化和结果的潜在因素或条件，所以控制变量亦称为额外相关变量。为了避免控制变量干扰实验结果，常常要针对它采用某些特别的控制措施[2]。简言之，控制变量跟自变量是不同的： 自变量的变化是为了引起因变量变化以供实验者观察测量;控制变量的变化会产生干扰，是需要通过控制来避免的。将自变量以外一切能引起因变量变化的变量控制好，才能弄清实验中有关的因果关系。

当自变量不止一个时，为了研究的简便，常常只让一个自变量发生变化、暂时控制其他自变量的变化，然后逐一地用同样方法来研究其他自变量对因变量的影响（可见，自变量和控制变量具有相对意义，在整个研究过程中不是固定不变的）。在此基础上，综合各个自变量的最佳取值，可以形成（或者接近）最佳的实验方案实际上，只让一个自变量发生变化、暂时控制其他自变量的变化，逐一地研究各自变量对因变量的影响，这种做法忽略了多种因素同时变化时的交互作用，即忽略了多种因素同时变化时额外产生的影响，由此也会产生一些误差。在中学化学教学中通常暂不考虑由此引起的误差。。如果对这个方案进行实际验证，结果确实很好，没有很大偏差，这个变量控制的策略就取得了成功。所以，变量控制的策略是寻找可行的实验方案的有效方法。

2 “变量控制法”及其教学意义

基于变量控制策略，通过对控制变量进行控制来了解特定事物影响因素的研究方法通常称为“变量控制法”。

教育部制定的《义务教育化学课程标准（2011年版）》在课程内容一级主题“科学探究”中要求学生能提出问题、进行猜想与假设、制定计划、进行实验等，学习科学探究的基本方法，初步形成科学探究能力。《上海市初中化学课程终结性评价指南》中也对学生提出相应的能力目标，即能用化学知识和科学研究方法探究与解决简单的化学问题。“变量控制法”的学习和应用有助于实现上述要求。

“变量控制法”的学习和应用还有助于强化学生的主体意识，使他们初步形成科学探究能力。

“变量控制法”比较简单，容易被初三学生掌握。在初三化学中有不少多因素问题，如探究用过氧化氢分解制取氧气的最佳方案、探究铁生锈的条件、探究物质燃烧的条件、探究金属活动性、探究影响固體物质溶解性的因素等，变量控制法可以把多种因素相互交错、共同作用的复杂问题，简化成研究对象与各个单一因素关系的简单问题，从而降低化学学习难度，更加契合初三学生的认知能力。

初三学生在物理学科的学习过程中已经初步接触过控制变量的方法，但是可能不会在化学学习中迁移应用，出现找不到变量条件、设计实验方案不完善、不会分析实验结果等情况。把“变量控制法”在化学实验探究中的应用作为专题放在初三总复习阶段比较适宜。

基于上述考虑，我们设计了“采用‘变量控制法的化学实验探究”这一专题课。

3 “采用‘变量控制法的化学实验探究”专题课设计

3.1 教学目标

通过本专题的学习，使学生能够：

（1）理解“变量控制”策略和变量控制法，了解其要点和优缺点;

（2）初步学会应用“变量控制”策略设计并执行研究方案;

（3）初步学会根据方案执行结果形成初步结论，深化对有关问题的认知。

3.2 教学重点与难点

教学重点： 依据所探究问题的具体情况，运用“变量控制”策略设计实验方案，并通过分析实验现象和测得数据，得出正确结论。

教学难点： （1）准确地确定自变量、因变量和控制变量;（2）适当地确定各自变量的变化幅度;（3）在存在多种顺序时，如何通过具体情况分析确定最佳顺序。

3.3 教学过程

3.3.1 基本过程

以“探究影响过氧化氢溶液分解速率的因素”为例，先从这个特殊的探究过程中提炼得出采用“变量控制”法进行实验探究的一般步骤，然后再利用该“一般步骤”进行其他化学问题的“特殊探究”，加深学生对“变量控制法”的印象，进而提高学生解决实际探究问题的能力。

3.3.2 具体过程

步骤1： 了解有关的反应原理以及装置和操作原理，明确研究的目的。

步骤2： 经验分析： 寻找影响过氧化氢分解速率的自变量（温度、浓度、催化剂等）。

步骤3： 明确过氧化氢分解研究方案中的因变量（制取相同体积氧气所需时间）。

步骤4： 确定各自变量的合理取值分布，形成研究方案，然后通过实验确定各自变量的最佳取值。

步骤5： 综合各自变量的最佳取值形成最佳方案并进行实验验证。

步骤6： 形成研究结论，在综合运用中进一步验证、深化认识。

3.3.3 特别措施

措施1： 让学生学会通过实验尝试来确定各自变量的取值分布。

学生往往对如何确定各自变量的取值分布感到茫然，以至于影响后续的探究活动。为此，教师可向学生介绍、讲解下列尝试过程： 若要确定某自变量的最佳取值间隔，以形成该自变量试验点的合理分布，可先随意（或者参照既定方案）确定该自变量两个相邻取值的差值，随后测量因变量数值。若测得因变量两次测值之差过大或过小，随即对相邻取值的差值作适当调整，直到达到满意为止。一般说来，自变量的两个相邻取值之差过大，会增大实验结果的误差;自变量的两个相邻取值之差过小，可提高实验结果的精细水平，但会增加实验研究的工作量。

措施2： 训练学生学会记录和处理实验数据。

初期，学生往往不会记录和处理实验数据，教师可以提供部分记录表格进行示范，如

记录表1（过氧化氢分解探究实验）。

以上数据可以说明：

①

②

记录表2（氢气制备探究实验）：

措施3： 促进学生理解并学会设计实验探究方案。

为促进学生在理解的基础上学会设计实验探究方案，可以通过“学习单”提供一些思考题、练习题。

例1 许多金属的盐溶液对双氧水的分解具有催化作用。

为比较铁盐和铜盐对H2O2分解的催化效果，某同学设计了图1所示的实验。

有同学提出将药品CuSO4改为CuCl2更为合理，其理由是          。

你认为还有什么其他改进方法？请回答：       。

例2 为了研究金属铜生锈的条件，实验中将四段相同长度的铜丝分别按如表3所示放置一个月，观察并记录现象如表3。

该实验设计体现的思想方法是    （选“控制变量”、“定量分析”或“节能”）;

结论： 铜生锈是铜与    作用的结果。

例3 用图2所示的Y形管进行实验，实验方案如表4所示，请在填空线处补上适当内容。

甲： 放入一小粒高锰酸钾;乙： 放入一小粒碘

向甲、乙处分别注入等量蒸馏水甲中固体溶解形成紫色溶液;乙中固体几乎不溶解相同条件下，高锰酸钾在水中的溶解能力比碘强

4 “采用‘变量控制法的化学实验探究”专题课教学效果

经过教学实践的总结和分析，发现设置《采用变量控制法的化学实验探究》专题课，除了能让学生初步了解采用“变量控制”策略的化学实验探究方法外，还获得下列较为显著的教学效果。

4.1 提升学生的思维品质

思维品质和实验实践能力是化学学科核心素养的重要内容。

在本专题的学习中，学生学习了如何基于“变量控制”策略设计探究实验，参与了实验探究方案的设计和实施，涉及了关于变量和变量控制的思维以及关于实验现象、结果的预测、解释表征和应用等思维。要完成本专题的学习任务，他们不仅要了解实验现象的本质，思考如何发现和研究影响主体问题的因素、找出实验目的和各因素间的联系，还要考虑实验试剂的选择和配制、规划整体的实验步骤、找到实验现象和实验结论之间的联系等等。毫无疑问，通过本专题的学习，他们的思维空间会被显著拓展，他们的化学思维会生动发展，他们对科学探究策略和科学方法的认识会被逐步深化。

认知策略是科学方法的精髓。化学认知策略的丰富和化学科学方法的掌握不但会提升学生的思维品质和认知能力，也会提升学生通过实验探究解决化学问题的能力，进而提高化学学科核心素养。

4.2 提升学生的实验探究能力

采用变量控制法进行化学实验探究，需要学生能够发现和明确有探究价值的化学问题，能根据探究目标寻找、设计有效的问题解决方法，优化实验方案，并能在实施过程中观察记录和分析实验信息，对实验现象和实验数据进行比较、分析、判断、归纳和概括，获得探究结论，最终提升学生的化学实验能力。

4.3 促进学生养成科学精神

科学精神是化学核心素养培养的重要目标和内容，科学态度是科学精神的重要表现。

采用变量控制法的化学实验探究过程是“实事求是”的过程。在这个过程中，需要适当地选择变量进行控制，需要严格地实施控制量。因此，本专题的教学有利于培养学生严谨求实的科学精神和科学态度，是培养学生求实、严谨科学态度的重要抓手。

创新是科学精神的本质内涵，也是化学学科核心素養的重要内容。基于“变量控制”策略的探究实验，能提升学生自主探究能力，是学生进行创新思维的重要基础，有利于学生积极自主地开展化学创新活动，强化科学精神。

4.4 提升学生的自主学习能力

基于“变量控制”策略的探究实验需要学生自主地决定和实施实验措施，不但能够调动和培养学生的主观能动性，强化他们对于化学探究和化学学习的兴趣，还能够培养他们自主学习的能力，提升他们学习化学的效率。

5 需要注意的几个问题

要搞好基于“变量控制”策略的实验探究专题教学，需要注意下列几个问题：

（1） 坚持以学生为主体，扶、帮要适当，最终由“扶”转化到“放”。基于“控制变量”策略的实验探究教学过程可设计为“教师精选案例示范、教师指导学生模仿探究、学生独立进行探究”三个基本阶段。

（2） 由易到难，循序渐进，逐步提高学生的实验探究能力。例如，探究影响物质溶解性的因素时，可以先安排学生探究单因素变化的情况（比较相同温度下，不

同溶质在等量的同种溶剂中的溶解量;或者比较不同温度下，同种溶质在等量的同种溶剂中的溶解量;或者比较相同温度下，等量的同种溶质在等量的不同溶剂中的溶解量）。然后再安排多因素变化的情况。

（3） 注意结合课程内容、学生特点选好研究题材。注意引导学生选取合适的研究因素，培养学生选择研究课题的能力。教师可借助简单的对比实验让学生发现问题，再借助问题引发学生思考更多因素，对可能的相关变量做更加透彻的分析，最终确定基于“变量控制”策略的对比实验探究课题。

（4） 尽量做到每次只选择一个自变量。对初中学生的要求不宜过高。当有多个因素影响物质的某种性质时，在一组对比实验中，只能选取单一变量，同时控制其他的条件都相同来设计实验探究方案。

（5） 培养学生良好的实验习惯。注意培养学生全面、详实地观察、记录实验现象和相关数据;坚持要求学生不仅要注意观察和记录实验组的现象，也要观察和记录对照组的现象，并注意将二者进行对照，力求得到正确的结论。

参考文献：

[1]李建珊等著. 科学方法概览[M]. 北京： 科学出版社， 2002： 83.

[2]https：//baike.baidu.com/item/控制变量/10403418？fr=aladdin.