基于“变量控制”的初中化学实验探究教学研究

张映伟

（庆阳第四中学 甘肃 庆阳 745000）

引言

化学包含与物质世界相关联的知识，涉及物理和化学两种变化形式，并且具有生活应用特征。探究性实验是初中化学教学的重要内容，充分体现了化学作为自然学科的独特魅力。在初中生初次接触化学探究性实验时，容易因为对复杂实验步骤、抽象化学概念理解困难而产生畏难情绪，降低学习的积极性。随着素质教育政策和新课改的实行，初中化学教学不仅局限于基础知识与技能的教学，更重要的是培养学生灵活运用知识的能力。因此，教师应充分重视“变量控制”教学法。

1.教学整体分析

1.1 教学内容

教师可以结合人教版教材中的内容，按照初中化学课程标准，引导学生探究。以教材中金属的化学性质、化学与生活等内容为例，要求学生围绕金属的活动性强弱变化、水果中蕴含的化学元素等实验探究内容，运用变量控制方法探究并确定适合的实验条件，顺利完成实验任务，并且对能够对实验方案、实验过程和实验结论进行评价与分析，进一步设计实验，提出探究的构想，引导学生在掌握铁的化学性质以及相关性知识的基础上，对其活动性强弱变化和反应条件深度认识。同时，选取生活中常见的水果，如梨、橙子，通过变量控制设计实验，探究梨汁、橙汁中蕴含多少维生素含量，认识化学与生活的密切联系，从中利用所学知识认识生活、用于生活，提高设计、分析、探究和应用能力，提升综合探究素养[1]。

1.2 学情分析

对于初三学生来说，已经初步了解和具备了“变量控制”的思想。从知识层面来看，学生已经学习了金属化学性质，对其中金属物质的活动性、反应条件、概念、设计方法等都有初步的了解；从能力层面来看，学生能够运用知识迁移、实验探究、综合对比等方法认识物质的性质，初步掌握了自主操作与设计、合作探究、分析与归纳、综合评价的能力；从心理层面来看，初中学生思维活跃、好奇心强，喜欢动手做实验[2]。但是经过调查发现，很多学生对于探究物质性质的学习方法还没有达到有效应用的程度，对于能否在实验探究中列举和有意识、正确地运用“变量控制”思想的实验课题存在困难，并且在具体实验操作中存在思路不清晰、探究问题不明确、找不到变量条件、实验目的与实验设计以及实验结果不相匹配等情况，难以实现对变量的控制和利用变量控制思想来处理问题。

1.3 教学目标

首先，明确知识与技能目标。通过探究金属的活动性、化学与生活的联系这两个实验内容，学会寻找影响化学实验现象、反应条件的因素。其次，明确过程与方法目标。教师要有序指导学生参与实验探究活动，让学生学会利用变量控制思想明确实验探究的问题、影响因素、设计方案、探究方法，得出与实验目相匹配的实验结论，提高学生推理和分析等核心素养。同时，在探究活动中，学生能够运用变量控制思想探究影响铁与酸反应速率的因素以及金属生锈与二氧化碳浓度反应的关联性，安全顺利地完成实验任务，诊断和发展学生的科学精神以及科学研究能力，形成基于变量控制思想的解决一般问题的思路和思维模型。最后，明确情感态度与价值观目标。在实验探究和参与问题解决中，树立善于思考、主动探究和严谨求实的科学态度。

2.教学流程设计分析

2.1 设计情境线索

教师应通过创设情境的方式，由情境线索引领学生明确实验内容，选择控制变量，从而设计实验路径和方案，选择适合的探究方法，得出实验结论。比如，探究金属生锈的影响因素，想要通过实验设计论证金属生锈是否与二氧化碳浓度相关。首先，明确实验内容，以蒸馏水控制变量，将提前准备好的两个金属铜片分别置于蒸馏水和干燥的空气中，证明铜片生锈的影响因素。其次，加入氢氧化钠溶液，利用两个试管分别装入蒸馏水和氢氧化钠溶液，并用导管连接，让装有氢氧化钠溶液的试管与空气接触，另一试管则与碱石灰接触，并将铜片置于装有蒸馏水的试管中。同时，再准备三个铜片，分别装在有干燥空气的试管、有二氧化碳和蒸馏水的试管以及装在只有蒸馏水的试管中，试分析铜片生锈是否与二氧化碳浓度存在联系。最后，通过实验探究，证明只有最后一个装有蒸馏水的试管的铜片发生了锈蚀现象，得出结论是：金属铜在潮湿的环境下容易产生锈蚀，发生锈蚀的条件是与水和空气中的氧气接触和作用后的结果。

2.2 设计问题线索

以金属与酸的反应速率的影响因素为例，学生在初步掌握“变量控制”在化学实验探究中的应用方法后，结合具体探究活动，提出问题：分析哪些影响可能对金属和酸的反应速率产生影响？若存在多因素变量，如何控制某一因素对实验结果的影响？通过问题引导方式导入探究性实验课题，首先，为学生呈现实验相关用品，如试管、镁带、镁粉、铁粉、5%盐酸、10%盐酸等，要求学生选择一项影响金属与酸反应速率的因素，利用实验用品进一步探究。其次，设计猜一猜环节，猜想一：请学生们猜想金属与酸反应的剧烈程度与哪些因素有关，并给出具体实验步骤和实验现象，让学生们思考可能得到的实验结论是什么？同时，进一步追问：在本实验中，自变量、不变量和因变量分别是什么？再者，变换视角，明确猜想，让学生以小组为单位开展合作学习，设计实验和探究问题。猜想二：探究金属与酸反应的剧烈程度与酸的质量分数（浓度）是否有关？完整记录实验数据，请小组学生代表发言并展示实验成果，并小组内任选一个影响因素，但要注意不能与之前选择的影响因素重复，按照同上的实验用品、设计实验思路深入探究，以此强化练习验证猜想，得出实验结论[3]。最后，根据实验探究结果，归纳和总结影响金属和酸反应剧烈程度的因素。

2.3 设计知识与活动线索

掌握知识的有效方法是系统性学习。教师应制定适合的教学策略，以知识为线索，做好知识整体规划，引导学生回顾旧知的同时，探索新知。比如，在学习《燃烧和热量》内容时，教师应建构进阶教学框架，恰当处理每个进阶点的教学内容和方式，认识核心知识点、能力点与核心素养的关系。一是，在研究课题时，先带领学生回顾旧知，即《燃烧和灭火》相关内容，结合燃烧包含的三个条件，采用变量控制思想设计实验探究方案。二是，设计教学流程，采用多媒体技术播放完整的实验视频，或者做完课本实验，然后教师引导学生描述实验现象，采用碎片提问的方式与学生一同探讨，最终得出“燃烧的三个条件”的结论。最后，要求学生牢记结论，设计课堂检测和校本作业，帮助学生深化对知识的理解，并掌握实验结论和加以应用。

3.基于“变量控制”思想的初中化学实验探究教学实施路径

3.1 创设情境，导出课题

教师在化学实验探究教学中应注意情境的创设，从学生熟悉的“探究金属的活动性”方法出发，培养学生发散性思维，并设计实验方案，集中于“变量控制”，从而引出教学主题。比如，设计实验方案，比较锌和铁的金属活动性，将锌和铁分别置于稀盐酸中，发现锌的表面产生气泡的速度要比铁快。在此基础上，由此，创设问题，设置问题情境，引导学生猜想，如果将两块大小相同的锌片和铁片分别放到溶质质量分数相同、体积相同的稀盐酸中，是铁产生的气泡快还是锌产生的气泡快？如何设计实验？采用何种方法？以此引出控制变量的思想，让学生认识到控制变量是当时物受到多种因素影响时，每次操作只能改变其中一个因素，通过控制其他因素不变，从而研究被改变的这个因素对事物的影响，并采用数据分析、对比、总结、归纳等方法，将影响实验结果的多个因素比较与进行探究，最后再综合解决[4]。

案例分析：为了探究影响锌和稀盐酸反应剧烈程度的因素，教师可以引导学生设计对比实验，划分为三个学习小组，每个小组分别设计三组不同的实验，但是实验目的是相同的，然后将实验结果放到一起进行对比和分析，得出最终结论。第一组实验：将0.5g的锌放入5m的l5%的盐酸溶液中。第二组实验：将0.5g的锌放入5ml的10%的盐酸溶液中。第三组实验：准备一个烧杯，将烧杯中倒入50℃的水，并将装有0.5g锌、5ml的5%的盐酸溶液的试管置于烧杯中。通过以上这三组实验，让学生在亲身体验和操作中感知实验探究过程，在细致观察中了解实验现象和化学反应，并让小组选出一位学生代表，说一说本组实验过程和实验感想。然后回归到最初的问题：探究锌在与稀盐酸混合时产生距离程度的影响因素，思考上述实验中哪些可以对比分析，论证实验目的。有学生认为可以将第二组实验和第三组实验进行对比分析，以此证明温度对反应剧烈程度的影响。这时教师可以加强与学生的互动，结合部分学生提出的问题，引导其他学生思考该学生所认为的将第二组和第三组实验对比分析是否可行？原因是什么？以此培养学生思维方法，加强学生在化学实验探究中对变量控制思想的应用。

3.2 问题激发，深入探究

问题激发方式是众多学科教学中的有效方法，可以帮助学生带着问题深入思考，找出解题的钥匙，探索自然科学的奥妙。在不同教学环节中，问题切入的时间点、问题设计方式十分关键，可以起到不同的教学效果。比如，在课堂导入环节中，教师以问题为切入点，可以有效导出课题，让学生明确本堂课所学的重点和难点，帮助学生明确学习方向，带着问题梳理知识脉络，并深入探究课本实验内容。在课中实践探究环节中，教师采用问题引导方式，更多是为了推动教学进度，以问题为线索，在每一个问题上设计一个学习任务点、能力点，让学生在思考问题和寻找答案过程中完成学习任务，提升学习能力和素养[5]。在课后巩固环节中，设计问题是为了帮助学生夯实基础，复习课堂所学内容。所以，选择问题的切入时间点至关重要，而如何设计问题，可以结合具体研究课题，选择层层递进式设计方式。

案例分析：在“化学与生活”这一单元中，教师可以将生活内容作为切入点，设计问题，引导学生进一步探究化学知识与生活的关联性。比如，将实验探究内容设置为：测定梨汁、橙汁的维生素C的含量的相对多少。探究问题为：如何测定？同时，在学生测定过程中，以问题线索贯穿全程，让学生跟随问题，思考可行的设计方案，当探究不断深入，实验方案也随之更新，以此不断调整变量因素，并控制相关变量对实验的影响，以此找到最佳的可行方案。具体操作如下：第一，准备好梨汁原汁和橙汁原汁，将梨汁原汁放入10ml的10%的高锰酸钾溶液中，将橙汁原汁放入10ml的20%的高锰酸钾溶液中，思考第一种方案是否具有可行性？带着问题思考，最终实验得出这种方案不可行，不可行的原因在于高锰酸钾溶液的浓度应该相同，而实验过程中的高锰酸钾溶液不同。第二，同样的梨汁原汁和橙汁原汁，分别放入10ml的10%的高锰酸钾溶液中和20ml的10%的高锰酸钾溶液中。教师引导学生，探究第二种方案是否可行？最终发现第二种实验方案也不可行，不可行的原因在于高锰酸钾溶液的体积应该相同，而实验过程中高锰酸钾溶液的体积不相同。第三，总结前两组经验，再设计第三组实验方案，并思考方案是否具有可行性？学生用同样的橙汁和梨汁原汁分别倒入两个10ml的10%的高锰酸钾溶液中，在高锰酸钾溶液的浓度和体积相同的情况下，发现第三组验方案依然不可行，原因在于滴管中滴出的每一滴果汁原汁的体积不相同，梨汁原汁所在容器中的体积明显高于另一杯的体积。这时有的学生想到取巧的办法，在第三组实验的基础上，将橙汁原汁的所在容器加入水，使两个容器的体积相同，其他因素不变，这时发现方案依然不可行，原因在于果汁不全是原汁。综合上述测定过程，明确在实验过程中应该控制的条件需要遵循以下几点：等浓度的高锰酸钾溶液等体积的高锰酸钾溶液、滴管中每滴出的果汁需要等体积、果汁都是原汁。

3.3 知识迁移，加深练习

教师可以根据当天所学内容，设计相应的校本作业，帮助学生巩固新知，锻炼知识迁移和应用能力[6]。比如，课堂实验探究内容是“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开展实验。其一，明确实验内容是铁生锈蚀，实验目的是探究影响铁制品锈蚀快慢的因素，实验用品是铁钉、稀氨水、稀醋酸。其二，设计实验方案，分别按照小组设计四组实验方案。第一组：采用稀氨水，实验温度设置为25℃，所需时间为1d，通过实验观察发现并未出现锈蚀。第二组：采用稀醋酸，实验温度不变，所需时间为5min，通过实验观察发现出现锈蚀。第三组：采用稀氨水，改变实验温度，将温度提高至75℃。所需时间同第一组实验，发现并未出现锈蚀。第四组：采用稀醋酸，实验温度同第三组，所需时间为1min，发现出现锈蚀情况。教师可以在实验研究基础上设计相应的问题，让学生通过练习题加深对课堂所学知识的理解，提高对知识的应用能力。

案例分析：结合上述实验内容，教师可以设计以下练习问题：一是，铁锈的主要成分是什么？请填写化学式。二是，结合第二组和第四组实验，可以探究影响铁制品锈蚀快慢的因素。那么想要探究试剂酸碱性对铁制品锈蚀快慢的影响，应当选择哪一实验？请填写相应的实序号。三是，对照试验中的影响因素，设计实验方案，并得出相应的实验结论。根据课堂所学的知识，铁锈的主要成分是氧化铁，化学式是Fe203。结合第二组和第四组实验，反应温度是自变量，试剂是不变量，所需时间是因变量，变量控制思想，反应温度不同，采用试剂相同，出现锈蚀所需时间不同，故探究温度对铁制品锈蚀快慢的影响。而想要进一步探究试剂酸碱性对铁制品锈蚀快慢的影响，就需要将自变量变为试剂酸碱性，不变量为其他条件，要求实验温度相同。这时可以选择第一组和第二组实验，也可以选择第三组和第四组实验。在设计实验方案时，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，因变量为所需时间。在相同条件下，将大小和质量相同的铁钉分别放入试管中，并分别加入体积相同、浓度不同的醋酸，观察出现锈蚀所需要的时间。通过实验对比分析，得出结论：在相同条件下，酸性越强，铁制品生锈越快。

结语

综上所述，以教材内容、学生学情以及教学目标为指导方向，结合具体实验探究知识点，按照教学任务和素养目标，采用创设情境、问题激发和知识迁移的教学方法，分别设计情境线索、问题线索以及知识线索，引导学生在具体情境下、在问题探究中和知识应用中深度学习，让学生更好地将化学知识与生活实际相结合。本文结合教学目标，结合铁生锈的反应程度、燃烧条件、金属活动性强弱、果汁中的维生素C的含量等为实验教学任务点，通过小组合作探究、实验分析，强化学生对生活的体验，利用化学知识解决问题。