控制變量思想在化學(xué)教學(xué)中的滲透

陳冬梅+趙玉峰

摘 要： 控制變量是一種重要的科學(xué)研究方法，本文在化學(xué)教學(xué)層面上，介紹控制變量思想的滲透途徑，包括教材中挖掘、創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)、研究性學(xué)習(xí)等。

關(guān)鍵詞： 控制變量 化學(xué)教學(xué) 滲透方法

影響事物變化的因素多種多樣，在研究和解決問(wèn)題時(shí)，對(duì)影響事物變化規(guī)律的因素加以人為控制，只改變其中的某一個(gè)因素，從而研究這個(gè)因素對(duì)事物的影響，這種方法叫控制變量法。它是科學(xué)研究中的重要思想方法，廣泛地運(yùn)用在各種科學(xué)探索和科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究之中。在多因素、多水平的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)者通過(guò)多維度變成單一維度，化繁為簡(jiǎn)，探究各種變量之間的因果關(guān)系、關(guān)系大小與類型，其結(jié)果有利于實(shí)驗(yàn)條件的選擇、操作、控制和優(yōu)化。

控制變量在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中有一定要求，如《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》發(fā)展科學(xué)探究能力中要求“根據(jù)所要探究的具體問(wèn)題設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案。具有控制實(shí)驗(yàn)條件的意識(shí)”。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)中要求“初步認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)條件控制、數(shù)據(jù)處理等方法在化學(xué)學(xué)習(xí)和科學(xué)研究中的應(yīng)用”。實(shí)驗(yàn)條件控制與控制變量法雖然不盡相同，但也有控制變量的思想；美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)制定的科學(xué)過(guò)程技能則明確有“確定和控制變量”①。

在化學(xué)教學(xué)中，滲透控制變量思想有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，能使學(xué)生更好地通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)并理解化學(xué)知識(shí)，認(rèn)識(shí)并體驗(yàn)控制變量在科學(xué)研究中的意義，初步體驗(yàn)控制變量的方法。

1.教材中挖掘——初步認(rèn)識(shí)控制變量思想

化學(xué)教材中相關(guān)實(shí)驗(yàn)或材料里蘊(yùn)含控制變量細(xì)想，在教學(xué)中，教師應(yīng)該適時(shí)指導(dǎo)學(xué)生初步認(rèn)識(shí)控制變量思想。

1.1化學(xué)反應(yīng)需要控制反應(yīng)條件

許多化學(xué)反應(yīng)需要一定的條件，在不同的條件下，有不同的反應(yīng)現(xiàn)象和反應(yīng)本質(zhì)。只有對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行嚴(yán)格、有效的控制，才能獲得化學(xué)科學(xué)事實(shí)，取得重大發(fā)現(xiàn)，正是從這種意義上說(shuō)，沒(méi)有化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件的控制，就沒(méi)有化學(xué)實(shí)驗(yàn)科學(xué)。如鈉與氧氣在常溫和加熱條件下的不同反應(yīng)、銅與稀硝酸和濃硝酸不同的反應(yīng)、鋁與稀硫酸和濃硫酸的不同現(xiàn)象，等等，有機(jī)化學(xué)反應(yīng)更需要控制條件。

1.2一些化學(xué)基本概念或原理的建構(gòu)過(guò)程滲透著控制變量思想

如蘇教版化學(xué)1關(guān)于物質(zhì)的聚集狀態(tài)有如下表格：

表1-4 1mol物質(zhì)的體積

說(shuō)明：固體、液體密度均為193K時(shí)的測(cè)定值，氣體密度為1.01×10■Pa、273K時(shí)的測(cè)定值。

表格中數(shù)據(jù)意圖通過(guò)學(xué)生的計(jì)算并比較、歸納出一定條件下，等物質(zhì)的量的固體、液體、氣體物質(zhì)體積大小的差異；得出在標(biāo)準(zhǔn)狀況下1mol任何氣體的體積都近似等于22.4L的結(jié)論；并思考影響物質(zhì)體積的可能因素，解釋上述計(jì)算結(jié)果。雖然主體是表格計(jì)算與比較，但前提條件（“1mol”，“氣體密度為1.01×10■Pa、273K時(shí)的測(cè)定值”）很重要，沒(méi)有這兩條件的限制，所計(jì)算的數(shù)值和基于計(jì)算得出的結(jié)論都是有欠缺的，特別是對(duì)22.4L·mol■的理解與應(yīng)用有重要意義。

又如蘇教版化學(xué)2化學(xué)反應(yīng)速率課題的活動(dòng)與探究更體現(xiàn)控制變量思想。

完成下列試驗(yàn)，分析影響過(guò)氧化氫分解速率的因素。

【實(shí)驗(yàn)1】取兩支大試管，各加入5ml12%的過(guò)氧化氫溶液（即雙氧水），將其中一支試管用水浴加熱，觀察并比較兩支試管中發(fā)生的變化。

【實(shí)驗(yàn)2】取兩支大試管，各加入5ml4%的過(guò)氧化氫溶液，用藥匙向其中一支試管中加入少量二氧化錳粉末，觀察發(fā)生的變化。

【實(shí)驗(yàn)3】取兩支試管，分別加入5ml4%、5ml12%的過(guò)氧化氫溶液，再各加入幾滴0.2mol·L■氯化鐵溶液，觀察氣泡生成的快慢。

影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素很多，三組實(shí)驗(yàn)中各改變一個(gè)因素（實(shí)驗(yàn)1改變溫度、實(shí)驗(yàn)2加入催化劑、實(shí)驗(yàn)3改變濃度）而控制其他條件完全相同，控制變量的思想體現(xiàn)得很明確，基于這樣的實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論也相當(dāng)可靠。

教材中控制變量思想的挖掘需要教師的點(diǎn)撥，需要教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行控制變量思想的反思，使隱含的控制變量思想顯露出來(lái)，易于被學(xué)生認(rèn)識(shí)并理解。

2.創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)——感悟控制變量的意義

化學(xué)教學(xué)中，運(yùn)用控制變量思想改進(jìn)或創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生更好地理解化學(xué)基本概念、基本原理、基本反應(yīng)的本質(zhì)。

蘇教版化學(xué)1物質(zhì)的分散系中安排了這樣的實(shí)驗(yàn)：將盛有硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體的兩只小燒杯分別置于暗處，用激光筆照射，從垂直于光線的方向觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這實(shí)驗(yàn)非常簡(jiǎn)單明了地比較了溶液和膠體的性質(zhì)之一，膠體能產(chǎn)生丁達(dá)爾效應(yīng)，而溶液不能；這實(shí)驗(yàn)使學(xué)生感受到丁達(dá)爾效應(yīng)是鑒別溶液和膠體的一種重要而簡(jiǎn)單的方法。但對(duì)于是否有丁達(dá)爾效應(yīng)與分散質(zhì)粒子直徑大小之間的本質(zhì)聯(lián)系學(xué)生不是很清楚。我們可以創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)，通過(guò)控制變量的思想使學(xué)生更清楚不同分散系及其性質(zhì)的本質(zhì)區(qū)別。例如：

【實(shí)驗(yàn)1】取3支試管，分別加入4ml0.01mol·L■的KI溶液，再在第2支試管中滴入一滴0.01mol·L■的AgNO■溶液，振蕩，在第3支試管中滴入4ml的0.01mol·L■的AgNO■溶液。觀察現(xiàn)象。

【實(shí)驗(yàn)2】用激光筆照射上面3支試管，從垂直于光線的方向觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

【實(shí)驗(yàn)3】將第3支試管中的混合物過(guò)濾，取濾液于試管中，用激光筆照射試管，從垂直于光線的方向觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；再將濾液置于半透膜中進(jìn)行滲透，收集滲透液置于試管中，用激光筆照射試管，從垂直于光線的方向觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)1控制反應(yīng)物之一AgNO■溶液的用量使產(chǎn)生微量或大量AgI，微量AgI分散于分散劑中所形成的分散質(zhì)粒子較小，表現(xiàn)為肉眼觀察較澄清，但有丁達(dá)爾效應(yīng)，而大量AgI聚集產(chǎn)生的分散質(zhì)粒子較大，表現(xiàn)為肉眼觀察渾濁，光透不過(guò)，且無(wú)丁達(dá)爾現(xiàn)象；不加AgNO■溶液的試管作為空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)，透明，沒(méi)有丁達(dá)爾效應(yīng)；實(shí)驗(yàn)3將沉淀進(jìn)行過(guò)濾、濾液進(jìn)行滲透，濾紙和半透膜的孔徑不同，相當(dāng)于改變了分離“設(shè)備”的孔徑這一變量，進(jìn)而控制了分散質(zhì)粒子直徑，光照所觀察的現(xiàn)象隨之變化。通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，學(xué)生能深刻理解不同分散系中分散質(zhì)粒子直徑大小的不同及其對(duì)性質(zhì)的影響，也能感悟到控制變量對(duì)科學(xué)知識(shí)的獲得與理解的意義。

3.研究性學(xué)習(xí)——體驗(yàn)控制變量的方法

研究性學(xué)習(xí)是提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，形成科學(xué)方法的重要舞臺(tái)，自然也是體驗(yàn)控制變量方法的重要舞臺(tái)。

筆者在蘇教版化學(xué)2“化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能”教學(xué)中設(shè)計(jì)了開放的實(shí)驗(yàn)，提供稀硫酸、硫酸銅溶液、酒精、鋅片（兩片）、鐵絲（兩根）、銅片（兩片）、碳棒（兩根）、電流計(jì)、小燒杯、導(dǎo)線若干，讓學(xué)生小組實(shí)驗(yàn)組裝探索原電池的形成條件。最后總結(jié)時(shí)，經(jīng)過(guò)題型，學(xué)生發(fā)現(xiàn)不同電極不同溶液組合時(shí)電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)幅度不同。于是提出這樣一個(gè)問(wèn)題：影響電流強(qiáng)度（或者電壓）的因素有哪些，有怎樣的內(nèi)在聯(lián)系？課后學(xué)生發(fā)揮想象、討論提出很多可能的影響因素，如電極材料及表面積大小、電解質(zhì)溶液種類及濃度、電極插入溶液的深度、電極間距，等等。隨后設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，部分如下：

（1）在2mol·L■稀硫酸中插入下表中電極組，測(cè)定其兩極電壓。

（2）在2mol·L■稀硫酸中插入下表中電極組，測(cè)定其兩極電壓。

（3）用同樣的鋅—銅做電極組，溶液用稀硫酸，濃度如下表，分別測(cè)定其兩極電壓。

雖然學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)沒(méi)有兼顧各種變量的嚴(yán)格控制，比如溶液體積多少、電極插入溶液中的深淺與間距控制，實(shí)驗(yàn)中也沒(méi)有考慮到電解質(zhì)溶液的種類的影響，但重要的是學(xué)生確實(shí)運(yùn)用了變量控制的思想，體驗(yàn)了控制變量的方法。

控制變量是認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)的一種重要方法，廣泛應(yīng)用于各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)。在化學(xué)教學(xué)中，學(xué)生控制變量意識(shí)，不僅體現(xiàn)在觀念層面，認(rèn)識(shí)到控制變量對(duì)化學(xué)科學(xué)研究和化學(xué)學(xué)習(xí)的重要性；更重要的是要體現(xiàn)在實(shí)踐層面，學(xué)習(xí)和運(yùn)用控制變量的方法?？刂谱兞克枷朐诨瘜W(xué)教學(xué)中的滲透還有其他途徑，如化學(xué)史料、化學(xué)習(xí)題。

注釋：

①[美]帕迪利亞（Padina，MJ.），主編.華曦，譯：科學(xué)探索者：物質(zhì)構(gòu)成.杭州：浙江教育出版社，2003：148.

參考文獻(xiàn)：

[1][美]帕迪利亞（Padina，MJ.），主編.華曦，譯：科學(xué)探索者：物質(zhì)構(gòu)成.杭州：浙江教育出版社，2003.

[2]王莉梅.中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中科學(xué)方法教育的探索[D].新疆師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

[3]夏時(shí)君.控制變量法在高中化學(xué)探究中的運(yùn)用[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2011，7/8：74-76.