基于“變量控制”策略的初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)

1、PAGE PAGE - 9 -基于“變量控制”策略的初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)摘要：控制變量與變量控制是跟實(shí)驗(yàn)方法有關(guān)的兩個(gè)不同概念。基于變量控制策略通過對(duì)控制變量進(jìn)行控制來了解特定事物的影響因素，通常也稱為“變量控制法”。討論了變量控制法的教學(xué)意義，介紹了“采用變量控制法的化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究”專題課的設(shè)計(jì)和教學(xué)效果，以及教學(xué)中需要注意的若干問題。關(guān)鍵詞：變量控制;實(shí)驗(yàn)探究教學(xué);教學(xué)設(shè)計(jì);初中化學(xué)教學(xué)文章編號(hào)：10056629（2022）04006705中圖分類號(hào)：G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B實(shí)驗(yàn)方法是人們根據(jù)科學(xué)研究的特定目標(biāo)，運(yùn)用適當(dāng)?shù)目茖W(xué)手段，人為地控制或變革作為目的的客觀事物和過程，讓它們暴露出在自

2、然條件下難以重復(fù)顯露的特性，以便深入地研究有關(guān)的自然規(guī)律的一種有效方法。跟自然觀察方法相比，實(shí)驗(yàn)方法能夠突破自然條件的限制獲得更加豐富、更加全面的事實(shí)材料，能夠主動(dòng)地獲取科學(xué)研究所需要和期望的精確數(shù)據(jù)，甚至能夠獲得自然條件下無(wú)法獲得的事實(shí)材料。因此，實(shí)驗(yàn)方法對(duì)于自然科學(xué)來說十分重要;實(shí)驗(yàn)方法的訓(xùn)練是各門自然科學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容;實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能歷來是各門實(shí)驗(yàn)科學(xué)學(xué)科的基本素養(yǎng)之一1。1控制變量與變量控制控制變量與變量（的）控制是跟實(shí)驗(yàn)方法有關(guān)的兩個(gè)概念。鑒于這兩個(gè)概念常常被誤解，需要先對(duì)此作一些簡(jiǎn)單討論。任何事物都具有自身的質(zhì)的特點(diǎn)和量的特點(diǎn)，表現(xiàn)為一定的質(zhì)和一定的量。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，各種需要操

3、縱、控制和測(cè)量的因素或條件都是變量。在（某）變化過程中始終保持不變的量稱為常量;可以取不同值的量則稱為變量。科學(xué)實(shí)驗(yàn)中主要涉及三種變量：自變量、因變量和控制變量，其中前二者統(tǒng)稱為實(shí)驗(yàn)變量。自變量是在實(shí)驗(yàn)中由實(shí)驗(yàn)者操作和控制的變量;因變量是指實(shí)驗(yàn)中被試對(duì)自變量操作的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)值，即實(shí)驗(yàn)者觀察和記錄的隨著自變量變化而變化的被試行為;控制變量是指實(shí)驗(yàn)中在實(shí)驗(yàn)變量之外的、影響實(shí)驗(yàn)變化和結(jié)果的潛在因素或條件，所以控制變量亦稱為額外相關(guān)變量。為了避免控制變量干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果，常常要針對(duì)它采用某些特別的控制措施2。簡(jiǎn)言之，控制變量跟自變量是不同的：自變量的變化是為了引起因變量變化以供實(shí)驗(yàn)者觀察測(cè)量;控制變量的變化

4、會(huì)產(chǎn)生干擾，是需要通過控制來避免的。將自變量以外一切能引起因變量變化的變量控制好，才能弄清實(shí)驗(yàn)中有關(guān)的因果關(guān)系。當(dāng)自變量不止一個(gè)時(shí)，為了研究的簡(jiǎn)便，常常只讓一個(gè)自變量發(fā)生變化、暫時(shí)控制其他自變量的變化，然后逐一地用同樣方法來研究其他自變量對(duì)因變量的影響（可見，自變量和控制變量具有相對(duì)意義，在整個(gè)研究過程中不是固定不變的）。在此基礎(chǔ)上，綜合各個(gè)自變量的最佳取值，可以形成（或者接近）最佳的實(shí)驗(yàn)方案實(shí)際上，只讓一個(gè)自變量發(fā)生變化、暫時(shí)控制其他自變量的變化，逐一地研究各自變量對(duì)因變量的影響，這種做法忽略了多種因素同時(shí)變化時(shí)的交互作用，即忽略了多種因素同時(shí)變化時(shí)額外產(chǎn)生的影響，由此也會(huì)產(chǎn)生一些誤差。在中

5、學(xué)化學(xué)教學(xué)中通常暫不考慮由此引起的誤差。如果對(duì)這個(gè)方案進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，結(jié)果確實(shí)很好，沒有很大偏差，這個(gè)變量控制的策略就取得了成功。所以，變量控制的策略是尋找可行的實(shí)驗(yàn)方案的有效方法。2“變量控制法”及其教學(xué)意義基于變量控制策略，通過對(duì)控制變量進(jìn)行控制來了解特定事物影響因素的研究方法通常稱為“變量控制法”。教育部制定的義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）在課程內(nèi)容一級(jí)主題“科學(xué)探究”中要求學(xué)生能提出問題、進(jìn)行猜想與假設(shè)、制定計(jì)劃、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)等，學(xué)習(xí)科學(xué)探究的基本方法，初步形成科學(xué)探究能力。上海市初中化學(xué)課程終結(jié)性評(píng)價(jià)指南中也對(duì)學(xué)生提出相應(yīng)的能力目標(biāo)，即能用化學(xué)知識(shí)和科學(xué)研究方法探究與解決簡(jiǎn)單的化學(xué)問

6、題。“變量控制法”的學(xué)習(xí)和應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)上述要求。“變量控制法”的學(xué)習(xí)和應(yīng)用還有助于強(qiáng)化學(xué)生的主體意識(shí)，使他們初步形成科學(xué)探究能力?！白兞靠刂品ā北容^簡(jiǎn)單，容易被初三學(xué)生掌握。在初三化學(xué)中有不少多因素問題，如探究用過氧化氫分解制取氧氣的最佳方案、探究鐵生銹的條件、探究物質(zhì)燃燒的條件、探究金屬活動(dòng)性、探究影響固體物質(zhì)溶解性的因素等，變量控制法可以把多種因素相互交錯(cuò)、共同作用的復(fù)雜問題，簡(jiǎn)化成研究對(duì)象與各個(gè)單一因素關(guān)系的簡(jiǎn)單問題，從而降低化學(xué)學(xué)習(xí)難度，更加契合初三學(xué)生的認(rèn)知能力。初三學(xué)生在物理學(xué)科的學(xué)習(xí)過程中已經(jīng)初步接觸過控制變量的方法，但是可能不會(huì)在化學(xué)學(xué)習(xí)中遷移應(yīng)用，出現(xiàn)找不到變量條件、設(shè)計(jì)實(shí)

7、驗(yàn)方案不完善、不會(huì)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等情況。把“變量控制法”在化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究中的應(yīng)用作為專題放在初三總復(fù)習(xí)階段比較適宜?；谏鲜隹紤]，我們?cè)O(shè)計(jì)了“采用變量控制法的化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究”這一專題課。3“采用變量控制法的化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究”專題課設(shè)計(jì)3.1教學(xué)目標(biāo)通過本專題的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠：（1）理解“變量控制”策略和變量控制法，了解其要點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn);（2）初步學(xué)會(huì)應(yīng)用“變量控制”策略設(shè)計(jì)并執(zhí)行研究方案;（3）初步學(xué)會(huì)根據(jù)方案執(zhí)行結(jié)果形成初步結(jié)論，深化對(duì)有關(guān)問題的認(rèn)知。3.2教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：依據(jù)所探究問題的具體情況，運(yùn)用“變量控制”策略設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并通過分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和測(cè)得數(shù)據(jù)，得出正確結(jié)論。教學(xué)難點(diǎn)：（1）準(zhǔn)

8、確地確定自變量、因變量和控制變量;（2）適當(dāng)?shù)卮_定各自變量的變化幅度;（3）在存在多種順序時(shí)，如何通過具體情況分析確定最佳順序。3.3教學(xué)過程3.3.1基本過程以“探究影響過氧化氫溶液分解速率的因素”為例，先從這個(gè)特殊的探究過程中提煉得出采用“變量控制”法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的一般步驟，然后再利用該“一般步驟”進(jìn)行其他化學(xué)問題的“特殊探究”，加深學(xué)生對(duì)“變量控制法”的印象，進(jìn)而提高學(xué)生解決實(shí)際探究問題的能力。3.3.2具體過程步驟1：了解有關(guān)的反應(yīng)原理以及裝置和操作原理，明確研究的目的。步驟2：經(jīng)驗(yàn)分析：尋找影響過氧化氫分解速率的自變量（溫度、濃度、催化劑等）。步驟3：明確過氧化氫分解研究方案中的因變

9、量（制取相同體積氧氣所需時(shí)間）。步驟4：確定各自變量的合理取值分布，形成研究方案，然后通過實(shí)驗(yàn)確定各自變量的最佳取值。步驟5：綜合各自變量的最佳取值形成最佳方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。步驟6：形成研究結(jié)論，在綜合運(yùn)用中進(jìn)一步驗(yàn)證、深化認(rèn)識(shí)。3.3.3特別措施措施1：讓學(xué)生學(xué)會(huì)通過實(shí)驗(yàn)嘗試來確定各自變量的取值分布。學(xué)生往往對(duì)如何確定各自變量的取值分布感到茫然，以至于影響后續(xù)的探究活動(dòng)。為此，教師可向?qū)W生介紹、講解下列嘗試過程：若要確定某自變量的最佳取值間隔，以形成該自變量試驗(yàn)點(diǎn)的合理分布，可先隨意（或者參照既定方案）確定該自變量?jī)蓚€(gè)相鄰取值的差值，隨后測(cè)量因變量數(shù)值。若測(cè)得因變量?jī)纱螠y(cè)值之差過大或過小，

10、隨即對(duì)相鄰取值的差值作適當(dāng)調(diào)整，直到達(dá)到滿意為止。一般說來，自變量的兩個(gè)相鄰取值之差過大，會(huì)增大實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差;自變量的兩個(gè)相鄰取值之差過小，可提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精細(xì)水平，但會(huì)增加實(shí)驗(yàn)研究的工作量。措施2：訓(xùn)練學(xué)生學(xué)會(huì)記錄和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。初期，學(xué)生往往不會(huì)記錄和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，教師可以提供部分記錄表格進(jìn)行示范，如記錄表1（過氧化氫分解探究實(shí)驗(yàn)）。以上數(shù)據(jù)可以說明：記錄表2（氫氣制備探究實(shí)驗(yàn)）：措施3：促進(jìn)學(xué)生理解并學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案。為促進(jìn)學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案，可以通過“學(xué)習(xí)單”提供一些思考題、練習(xí)題。例1許多金屬的鹽溶液對(duì)雙氧水的分解具有催化作用。為比較鐵鹽和銅鹽對(duì)H2O2分解

11、的催化效果，某同學(xué)設(shè)計(jì)了圖1所示的實(shí)驗(yàn)。有同學(xué)提出將藥品CuSO4改為CuCl2更為合理，其理由是。你認(rèn)為還有什么其他改進(jìn)方法？請(qǐng)回答：。例2為了研究金屬銅生銹的條件，實(shí)驗(yàn)中將四段相同長(zhǎng)度的銅絲分別按如表3所示放置一個(gè)月，觀察并記錄現(xiàn)象如表3。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)體現(xiàn)的思想方法是（選“控制變量”、“定量分析”或“節(jié)能”）;結(jié)論：銅生銹是銅與作用的結(jié)果。例3用圖2所示的Y形管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案如表4所示，請(qǐng)?jiān)谔羁站€處補(bǔ)上適當(dāng)內(nèi)容。甲：放入一小粒高錳酸鉀;乙：放入一小粒碘向甲、乙處分別注入等量蒸餾水甲中固體溶解形成紫色溶液;乙中固體幾乎不溶解相同條件下，高錳酸鉀在水中的溶解能力比碘強(qiáng)4“采用變量控制法的化學(xué)

12、實(shí)驗(yàn)探究”專題課教學(xué)效果經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐的總結(jié)和分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)置采用變量控制法的化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究專題課，除了能讓學(xué)生初步了解采用“變量控制”策略的化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究方法外，還獲得下列較為顯著的教學(xué)效果。4.1提升學(xué)生的思維品質(zhì)思維品質(zhì)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容。在本專題的學(xué)習(xí)中，學(xué)生學(xué)習(xí)了如何基于“變量控制”策略設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，參與了實(shí)驗(yàn)探究方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施，涉及了關(guān)于變量和變量控制的思維以及關(guān)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、結(jié)果的預(yù)測(cè)、解釋表征和應(yīng)用等思維。要完成本專題的學(xué)習(xí)任務(wù)，他們不僅要了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的本質(zhì)，思考如何發(fā)現(xiàn)和研究影響主體問題的因素、找出實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮透饕蛩亻g的聯(lián)系，還要考慮實(shí)驗(yàn)試劑的選擇和配制、規(guī)劃整

13、體的實(shí)驗(yàn)步驟、找到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)論之間的聯(lián)系等等。毫無(wú)疑問，通過本專題的學(xué)習(xí)，他們的思維空間會(huì)被顯著拓展，他們的化學(xué)思維會(huì)生動(dòng)發(fā)展，他們對(duì)科學(xué)探究策略和科學(xué)方法的認(rèn)識(shí)會(huì)被逐步深化。認(rèn)知策略是科學(xué)方法的精髓。化學(xué)認(rèn)知策略的豐富和化學(xué)科學(xué)方法的掌握不但會(huì)提升學(xué)生的思維品質(zhì)和認(rèn)知能力，也會(huì)提升學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究解決化學(xué)問題的能力，進(jìn)而提高化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。4.2提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力采用變量控制法進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究，需要學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)和明確有探究?jī)r(jià)值的化學(xué)問題，能根據(jù)探究目標(biāo)尋找、設(shè)計(jì)有效的問題解決方法，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，并能在實(shí)施過程中觀察記錄和分析實(shí)驗(yàn)信息，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、分析、判斷、歸納

14、和概括，獲得探究結(jié)論，最終提升學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?.3促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)精神科學(xué)精神是化學(xué)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要目標(biāo)和內(nèi)容，科學(xué)態(tài)度是科學(xué)精神的重要表現(xiàn)。采用變量控制法的化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究過程是“實(shí)事求是”的過程。在這個(gè)過程中，需要適當(dāng)?shù)剡x擇變量進(jìn)行控制，需要嚴(yán)格地實(shí)施控制量。因此，本專題的教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度，是培養(yǎng)學(xué)生求實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度的重要抓手。創(chuàng)新是科學(xué)精神的本質(zhì)內(nèi)涵，也是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容?；凇白兞靠刂啤辈呗缘奶骄繉?shí)驗(yàn)，能提升學(xué)生自主探究能力，是學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思維的重要基礎(chǔ)，有利于學(xué)生積極自主地開展化學(xué)創(chuàng)新活動(dòng)，強(qiáng)化科學(xué)精神。4.4提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力基于“

15、變量控制”策略的探究實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生自主地決定和實(shí)施實(shí)驗(yàn)措施，不但能夠調(diào)動(dòng)和培養(yǎng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，強(qiáng)化他們對(duì)于化學(xué)探究和化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，還能夠培養(yǎng)他們自主學(xué)習(xí)的能力，提升他們學(xué)習(xí)化學(xué)的效率。5需要注意的幾個(gè)問題要搞好基于“變量控制”策略的實(shí)驗(yàn)探究專題教學(xué)，需要注意下列幾個(gè)問題：（1）堅(jiān)持以學(xué)生為主體，扶、幫要適當(dāng)，最終由“扶”轉(zhuǎn)化到“放”?；凇翱刂谱兞俊辈呗缘膶?shí)驗(yàn)探究教學(xué)過程可設(shè)計(jì)為“教師精選案例示范、教師指導(dǎo)學(xué)生模仿探究、學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行探究”三個(gè)基本階段。（2）由易到難，循序漸進(jìn)，逐步提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力。例如，探究影響物質(zhì)溶解性的因素時(shí)，可以先安排學(xué)生探究單因素變化的情況（比較相同溫度下，不同溶質(zhì)在等量的同種溶劑中的溶解量;或者比較不同溫度下，同種溶質(zhì)在等量的同種溶劑中的溶解量;或者比較相同溫度下，等量的同種溶質(zhì)在等量的不同溶劑中的溶解量）。然后再安排多因素變化的情況。（3）注意結(jié)合課程內(nèi)容、學(xué)生特點(diǎn)選好研究題材。注意引導(dǎo)學(xué)生選取合適的研究因素，培養(yǎng)學(xué)生選擇研究課題的能力。教師可借助簡(jiǎn)單的對(duì)比實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，再借助問題引發(fā)學(xué)生思考更多因素，對(duì)可能的相關(guān)變量做更加透徹的分析，最終確定基于“變量控制”策略的對(duì)比實(shí)驗(yàn)探究課題。（4）盡量做到每次只選擇一個(gè)