控制變量法-在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用

“控制變量法”在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用物理科孫君【摘要】新課程的實(shí)施對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)十分重視，而“控制變量法”是常用的探究物理問(wèn)題、分析和解決物理問(wèn)題的最重要的方法。本文將從控制變量法已貫穿整個(gè)初中物理教學(xué)及控制變量法本身具備的優(yōu)點(diǎn)的角度，講述學(xué)生必須掌握這種科學(xué)的方法，最后介紹如何引導(dǎo)學(xué)生使用控制變量法。【關(guān)鍵詞】控制變量法、探究、分析、物理規(guī)律廣州市初中物理實(shí)施新課程已有五年,新課程的實(shí)施對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)是十分重視的，而在科學(xué)探究中最常用的方法，就是控制變量法。那么，什么是“控制變量法”？自然界發(fā)生的各種現(xiàn)象往往是錯(cuò)綜復(fù)雜的，并且被研究對(duì)象往往不是孤立的，總是處于與其他事物和現(xiàn)象的相互聯(lián)系之中，因此影響研究對(duì)象的因素在許多情況下并不是單一的，而是多種因素相互交錯(cuò)、共同起作用的，例如導(dǎo)體中的電流不僅與導(dǎo)體兩端的電壓有關(guān)，還與導(dǎo)體的電阻有關(guān)。要想精確地把握研究對(duì)象的各種特性，弄清事物變化的原因和規(guī)律，單靠自然條件下整體觀察研究對(duì)象是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須對(duì)研究對(duì)象施加人為的影響，造成特定的便于觀察的條件，這就是“控制變量法”?？刂谱兞糠◤V泛應(yīng)用于初中物理教學(xué)中，不但可用來(lái)探究物理規(guī)律，同時(shí)也是分析、解決物理問(wèn)題的好幫手。本文將從控制變量法已貫穿整個(gè)初中物理教學(xué)及控制變量法本身具備的優(yōu)點(diǎn)的角度，講述學(xué)生必須掌握這種科學(xué)的方法，最后介紹如何引導(dǎo)學(xué)生使用控制變量法。一、控制變量法貫穿了整個(gè)初中物理教學(xué)物理學(xué)是一門以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，大多數(shù)物理規(guī)律都是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，要想讓學(xué)生牢固地掌握和熟練運(yùn)用物理規(guī)律，就必須培養(yǎng)學(xué)生探究物理規(guī)律的能力?？刂谱兞糠ㄗ鳛槭且环N常用的、有效的探索物理規(guī)律的科學(xué)方法，在初中物理新課程教學(xué)中得到了特別廣泛應(yīng)用，許多物理概念或規(guī)律的探索和推導(dǎo)，演示實(shí)驗(yàn)、分組實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，都運(yùn)用了“控制變量法”這一科學(xué)方法。下表是課堂教學(xué)中應(yīng)用了控制變量法的物理概念或規(guī)律及其對(duì)應(yīng)變量：序號(hào)概念或規(guī)律對(duì)應(yīng)變量1聲音的響度物體振幅、聲源的遠(yuǎn)近2影響液體蒸發(fā)的快慢的因素液體溫度、表面積、液體表面氣流速度3影響導(dǎo)體電阻大小的因素導(dǎo)體的材料、長(zhǎng)度、橫截面積、溫度4歐姆定律（導(dǎo)體中的電流）導(dǎo)體兩端的電壓、導(dǎo)體的電阻5焦耳定律電流、電阻、時(shí)間6影響電磁鐵磁性的因素有無(wú)鐵芯、線圈中電流大小、線圈匝數(shù)7通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力方向通電導(dǎo)線電流的方向、磁場(chǎng)的方向8感應(yīng)電流的方向磁場(chǎng)的方向、導(dǎo)體切磁感線的方向9速度路程、時(shí)間10壓強(qiáng)壓力、受力的面積11液體壓強(qiáng)液體密度、液體深度12浮力液體密度、排開(kāi)液體的體積13影響動(dòng)能大小的因素物體的質(zhì)量、物體的速度14影響重力勢(shì)能大小的因素物體的質(zhì)量、物體的高度15影響內(nèi)能的因素物體的質(zhì)量、溫度，種類16熱量的變化（熱傳遞）比熱容、質(zhì)量、溫度的變化17熱量（燃燒燃料）：熱值、質(zhì)量從表中羅列到的物理概念或規(guī)律可看到，控制變量法的應(yīng)用貫穿整個(gè)初中物理教學(xué)，它是學(xué)生必須掌握和熟練應(yīng)用的科學(xué)方法之一。二、控制變量法的優(yōu)點(diǎn)控制變量法廣泛應(yīng)用于初中物理教學(xué)中，相應(yīng)地，近幾年的試題中也出現(xiàn)了很多需要利用這一方法解答的考題，也就是說(shuō)，控制變量法不僅廣泛應(yīng)用于教學(xué)中，而且也廣泛應(yīng)用于試題分析中。其優(yōu)點(diǎn)在教與練中突顯。（一）控制變量法能有序地分解和呈現(xiàn)物理探究問(wèn)題。當(dāng)影響某一物理量變化的因素可能較多時(shí)，要研究這些因素的變化對(duì)該物理量是否有影響，這時(shí)就需要使用控制變量法去研究，將復(fù)雜的多變量的物理問(wèn)題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的單變量的問(wèn)題，將多因素的抽象的大問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為直觀的易于操控的小問(wèn)題，造成特定的便于觀察的條件，進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)的深入研究、分析判斷、總結(jié)歸納，最后找出這個(gè)因素跟我們想要研究的物理量是什么關(guān)系。例如：在探究液體蒸發(fā)快慢時(shí)（猜想：液體蒸發(fā)的快慢可能與液體溫度、液體表面積、液體表面氣流速度等因素有關(guān)），要得出液體蒸發(fā)的快慢與液體溫度之間具體關(guān)系的方法是：控制液體表面積、液體表面氣流速度不變，只改變液體溫度，判斷液體蒸發(fā)的快慢的變化，從而得出規(guī)律；再采用類似的步驟分析得出液體蒸發(fā)的快慢與液體表面積、液體蒸發(fā)的快慢與液體表面氣流速度之間的規(guī)律。在這種探究過(guò)程中，控制變量法，有序地分解和呈現(xiàn)了物理問(wèn)題，幫助學(xué)生對(duì)影響物理量的多個(gè)因素逐一進(jìn)行研究。這種探究，思路非常清晰，能幫助學(xué)生快速、準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)和完成探究。（二）控制變量法能幫助學(xué)生，迅速確定解題思路。在試題中，除了實(shí)驗(yàn)探究中的應(yīng)用外，控制變量法還經(jīng)常用于比較物理量大小和分析、解析實(shí)際問(wèn)題。掌握控制變量法，能幫助學(xué)生，在分析這些問(wèn)題時(shí)，迅速確定解題思路，正確作答。1、比較物理量的大小。例1：甲、乙兩種物質(zhì)的質(zhì)量和體積關(guān)系如圖所示，由圖像可知（）A．B．C．ρ甲=ρ乙D．無(wú)法確定這是一題利用控制變量法比較物理量（密度）大小的問(wèn)題。思路：ρ=m/V,要比較密度大小,可通過(guò)控制質(zhì)量相同,比較體積大小來(lái)解決；也可通過(guò)控制體積相同,比較質(zhì)量大小來(lái)解決,所以答案應(yīng)為B。這類題目還有比較電阻、速度、功率等。2、分析、解析實(shí)際問(wèn)題。例2：在照明電路中接入大功率的電爐，電線將顯著發(fā)熱，有可能燒壞它的絕緣皮，甚至引起火災(zāi)，請(qǐng)你用學(xué)過(guò)的物理知識(shí)（如：電功率、焦耳定律），簡(jiǎn)要說(shuō)明這是為什么？這是一題利用控制變量法去解釋實(shí)際問(wèn)題的題目，題目講述的是電線的發(fā)熱問(wèn)題，思路：關(guān)鍵是要找出對(duì)發(fā)熱有影響和沒(méi)有影響的物理量來(lái)分析說(shuō)明。所以：對(duì)電線而言，其電阻不變，接入大功率的電爐后，電流顯著增大，由電功率公式：P=I2R可知此時(shí)電線中的熱功率顯著增大，相同時(shí)間內(nèi)發(fā)熱也顯著增多，所以在照明電路中接入大功率的電爐后，電線將顯著發(fā)熱，有可能燒壞它的絕緣皮，甚至引起火災(zāi)。在初中物理教學(xué)中，用控制變量法去分析和解決的試題很多，如果此法應(yīng)用得當(dāng)，學(xué)生就能迅速確定解題：一看就知道該怎樣做、該如何下手，先做什么、后做什么，對(duì)問(wèn)題的解決能做到胸有成竹。所以教師在教學(xué)中要注意培養(yǎng)學(xué)生用控制變量分析解題的思維能力，學(xué)生只有掌握這種解題方法，才能為快速而準(zhǔn)確地解題鋪平道路。三、如何引導(dǎo)學(xué)生使用控制變量法控制變量法，能有序地分解和呈現(xiàn)物理探究的問(wèn)題，能幫助學(xué)生在分析、解決問(wèn)題時(shí)，抓住問(wèn)題的本質(zhì)，形成正確的解題思路，進(jìn)而解決問(wèn)題。所以幫助學(xué)生掌握這種實(shí)用的探究和問(wèn)題推理方法，顯得非常重要。（一）引導(dǎo)學(xué)生用控制變量法探究物理規(guī)律課堂上，在引導(dǎo)學(xué)生用控制變量法探究物理規(guī)律的時(shí)候，可采用以下步驟進(jìn)行：提出問(wèn)題討論猜想控制變量進(jìn)行探究總結(jié)規(guī)律。例如：在初中學(xué)生剛開(kāi)始學(xué)習(xí)控制變量法時(shí)：影響導(dǎo)體電阻大小的因素。提出問(wèn)題：影響導(dǎo)體電阻大小的因素有哪些？討論猜想：引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行猜想（可引導(dǎo)學(xué)生觀察分析課本常見(jiàn)的導(dǎo)體的電阻（率）的數(shù)據(jù)進(jìn)行猜想，學(xué)生能比較容易地猜想到影響導(dǎo)體電阻大小的因素有：導(dǎo)體的材料、長(zhǎng)度、橫截面積）控制變量進(jìn)行探究：（1）控制導(dǎo)體的材料、橫截面積不變，探究電阻與導(dǎo)體長(zhǎng)度的關(guān)系；（2）控制導(dǎo)體的材料、長(zhǎng)度不變，探究電阻與導(dǎo)體橫截面積的關(guān)系；（3）控制導(dǎo)體的長(zhǎng)度、橫截面積不變，探究電阻與導(dǎo)體材料的關(guān)系；總結(jié)規(guī)律：（1）導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的長(zhǎng)度有關(guān)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，電阻越大；（2）導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的橫截面積有關(guān)，橫截面積越長(zhǎng)，電阻越??；（3）導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的橫截材料有關(guān)。在用控制變量法探究物理規(guī)律的過(guò)程中，應(yīng)使學(xué)生認(rèn)識(shí)到，具體的科學(xué)問(wèn)題常常都是由多個(gè)因素共同造成的結(jié)果，幫助學(xué)生在科學(xué)探究中體會(huì)變量的概念、建立控制變量的初步意識(shí)。同時(shí)也使學(xué)生對(duì)控制變量法有了較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，對(duì)于以后用這種方法去探究其它類似的物理規(guī)律時(shí)也起到較好的示范的作用。初中物理教學(xué)中，探究的實(shí)驗(yàn)比較多，在做大部分的探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，都使用了控制變量法，只有掌握這種方法，同學(xué)們?cè)谧鰧?shí)驗(yàn)時(shí)才不會(huì)漫無(wú)目的，才能得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，真正理解和掌握物理概念和規(guī)律，從而有利于學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的發(fā)展。（二）引導(dǎo)學(xué)生用控制變量法去完成相關(guān)習(xí)題近幾年，初中物理試題中出現(xiàn)了很多需要利用控制變量法去解答的考題，所以，平時(shí)在課堂上，教師也應(yīng)有目的地例析一些典型的題目，從不同角度、不同知識(shí)點(diǎn)去引導(dǎo)同學(xué)們運(yùn)用控制變量法解決習(xí)題中的物理問(wèn)題，使學(xué)生能熟習(xí)這類解題方法，從一始就能有目的應(yīng)用這種方法解題和規(guī)范作答，提高學(xué)生的解題速度，提高正答率?？己丝刂谱兞糠ǖ慕嵌扔泻芏啵邕\(yùn)用控制變量法選擇實(shí)驗(yàn)器材、分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是否合理、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或現(xiàn)象寫(xiě)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（包括實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)電路圖、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的表格等）、比較物理量大小、解析實(shí)際問(wèn)題等。下面從兩個(gè)角度例舉說(shuō)明：1、運(yùn)用控制變量法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或現(xiàn)象寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)的結(jié)論例3：在“探究電阻上的電流跟電壓關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，小華同學(xué)用下圖的電路圖進(jìn)行探究，它釆用改變電池節(jié)數(shù)的方法改變電壓的大小，分別用定值電阻R1（5Ω）和R2（10Ω）進(jìn)行6次實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)如下表：次數(shù)電阻（Ω）電壓（V）電流（I）151.50.32530.6354.50.94101.50.1551030.36104.50.45（1）從實(shí)驗(yàn)次數(shù)1和2的數(shù)據(jù)可以看出：（2）從實(shí)驗(yàn)次數(shù)和的數(shù)據(jù)可以看出：在時(shí)，通過(guò)導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體的電阻成反比。點(diǎn)評(píng)：這類試題主要考核學(xué)生運(yùn)用控制變量法，用文字規(guī)范表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的能力，特別是表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)論時(shí)，一定不能漏寫(xiě)結(jié)論的前提條件（即被控量），否則得分會(huì)大打折扣。2、運(yùn)用控制變量法，按要求設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)。例4：如右圖所示，同一水平桌面上放有長(zhǎng)方體木塊和鐵塊各一個(gè)，現(xiàn)想探究木塊和鐵塊的下表面誰(shuí)更粗糙，請(qǐng)你只利用一個(gè)量程滿足實(shí)驗(yàn)要求的彈簧測(cè)力計(jì)，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證你的猜想，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)的步驟、現(xiàn)象和結(jié)論。點(diǎn)評(píng)：這類試題主要考核學(xué)生運(yùn)用控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以及對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)的能力。怎樣才能比較出兩物體表面的粗糙程度？影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素是壓力的大小和物體表面的粗糙程度（分析變量）。因此，在壓力相同時(shí)，摩擦力越大，物體的接觸面越粗糙。因此在設(shè)計(jì)本題的實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，首先要保證壓力相同（控制變量），可將木塊和鐵塊疊起來(lái)解決?？刂谱兞糠ㄊ且环N解決物理問(wèn)題的科學(xué)方法，它不但能解決現(xiàn)有初中物理問(wèn)題，對(duì)于一些初中沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)物理問(wèn)題或其它學(xué)科的問(wèn)題，也可以運(yùn)用它來(lái)解決，教師也要注意引導(dǎo)學(xué)生觸類旁通。（四）控制變量法的教學(xué)充分體現(xiàn)了新課程的教育理念新課程的核心理念是以學(xué)生發(fā)展為本，課程改革要培養(yǎng)學(xué)生的信息收集和整理的能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和思考問(wèn)題的能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力、終生學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的能力以及生存和發(fā)展的能力?？刂谱兞糠ǖ慕虒W(xué)恰恰就鍛煉了學(xué)生信息收集和整理的能力，培養(yǎng)了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新的能力，掌握這種方法，學(xué)生還可以終生使用，終生受益。所以說(shuō)，控制變量法的教學(xué)充分體現(xiàn)了新課程的教育理念。因而物理教師在傳授知識(shí)的時(shí)