“變量控制”思想方法在中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

□ 海南省臨高縣西南大學(xué)臨高實驗中學(xué) 趙西安

在中學(xué)化學(xué)基本概念與化學(xué)反應(yīng)原理教學(xué)主題中，涉及一些變量之間的邏輯關(guān)系，往往存在某一變量受多個變量影響的現(xiàn)象，指導(dǎo)學(xué)生建立“變量控制”思想方法，有利于發(fā)展學(xué)生的思維品質(zhì)；有利于建立科學(xué)、正確的化學(xué)概念并形成知識體系。

一、“變量控制”是一種科學(xué)思想方法

對于分析因變量與多個自變量之間的關(guān)系，可采用“變量控制”的方法，只改變其中的某一個自變量，從而研究這個自變量對因變量的影響，分別加以研究，最后再綜合解決，這種“把多變量的問題變成單個變量問題”的方法稱為“變量控制法”。例如，影響化學(xué)反應(yīng)速率的外界因素有溫度、催化劑、濃度、壓強、光照、反應(yīng)物接觸面積等，探究其中催化劑這一個變量對化學(xué)反應(yīng)速率的影響，就要控制其它變量不變，只選用一種或幾種催化劑，測定化學(xué)反應(yīng)速率變化情況，進(jìn)而分別得出催化劑對于化學(xué)反應(yīng)速率的影響結(jié)果，形成科學(xué)概念。引導(dǎo)學(xué)生建立“變量控制”思想方法，用之于實際問題的分析與推測，解決問題變得簡便易行。

二、找準(zhǔn)變量，探究不同情境下變量之間的關(guān)系

關(guān)于多變量問題，往往存在主要變量和次要變量，在不同條件下，主要變量與次要變量將發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。分析此類問題，需要識別主要變量，先分析主要變量，再分析次要變量與因變量的關(guān)系，進(jìn)而得出合理結(jié)論。

1.在多變量體系中，主要變量與次要變量在一定條件下可能發(fā)生變化

[例1]用數(shù)字儀器測定0.1mol.L－1鹽酸溶液與足量鎂條發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速率v－時間t曲線如圖。

教師提出問題：觀察曲線，在0～t1時間區(qū)間，為什么化學(xué)反應(yīng)速率呈上升趨勢，t1時刻以后，化學(xué)反應(yīng)速率呈下降趨勢？請同學(xué)們就影響化學(xué)反應(yīng)速率各種因素中的主要變量與次要變量加以綜合分析，做出合理解釋。

學(xué)生探究：在教師的指導(dǎo)下，經(jīng)過獨立思考，小組合作探究，大多數(shù)學(xué)生能做出合理解釋：該化學(xué)反應(yīng)特點是固、液反應(yīng)物相接觸的放熱反應(yīng)，在0～t1時間區(qū)間，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)放出的熱量使溶液溫度不斷升高，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率不斷加快。然而，鹽酸的濃度、鎂條表面積隨反應(yīng)的進(jìn)行將不斷減小，這兩個因素導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率不斷減慢。0～t1時間區(qū)間，溫度升高屬于影響化學(xué)反應(yīng)速率的主要變量，反應(yīng)物濃度與接觸面減小屬于次要變量，因而，在0～t1時間區(qū)間，隨著反應(yīng)不斷放熱導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率增大。在t1時刻，溶液達(dá)到較高溫度，t1時刻之后，原次要變量反應(yīng)物濃度與接觸面減小因素上升為主要變量，而原主要變量溫度升高因素轉(zhuǎn)化為次要變量，因而，t1時刻之后，隨著鹽酸濃度與反應(yīng)物接觸面減小，化學(xué)反應(yīng)速率呈下降趨勢。

2.在多個化學(xué)平衡共存的體系，不同條件下，各個化學(xué)平衡對于化學(xué)反應(yīng)體系某些性質(zhì)的影響程度有所不同

[例2]實驗測得0.5mol·L－1CH3COONa、0.5mol·L－1CuSO4溶液以及H2O的pH隨溫度變化曲線如圖。

教師提出問題：0.5mol·L－1CH3COONa與0.5 mol·L－1CuSO4溶液pH都隨溫度升高而呈現(xiàn)減小趨勢，如何從鹽類水解平衡與水的電離平衡移動角度去解釋上述變化？

學(xué)生探究：（1）為什么 0.5mol·L－1CH3COONa溶液隨溫度升高而pH減?。坑捎贑H3COONa溶液存在2個化學(xué)平衡：CH3COO－+H2OCH3COOH+OH－⊿H＞0 H2OH++OH－⊿ H＞ 0。

根據(jù)勒夏特列原理，溶液升溫，CH3COONa水解平衡與水的電離平衡均向右移動，CH3COO－水解致使溶液呈堿性，c(OH－)增大。H2O的電離使H+和OH－濃度增大，Kw增大。兩平衡的反應(yīng)限度相對大小將影響溶液中c(H+)的升降，若CH3COO－水解程度較大，則溶液中c(H+)減小，pH增大，與實驗測定結(jié)果不符。若H2O的電離程度較大，則溶液中c(H+)、c(OH－)均增大，pH減小，符合實驗測定結(jié)果。因而，同一溶液中存在上述2個化學(xué)平衡的限度作為兩個自變量，使因變量c(H+)的增大或減小，取決于兩個自變量中哪種自變量作為主要影響因素。

（2）為 什 么 0.5mol·L－1CuSO4溶 液 隨 溫 度升高而pH減??？在CuSO4溶液存在兩個化學(xué)平衡：Cu2++2H2OCu(OH)2+2H+⊿H＞0 H2OH++OH－⊿H＞0。

根據(jù)勒夏特列原理，當(dāng)溶液升溫，上述兩個平衡均向右移動，均使c(H+)增大，pH減小。同時c(OH－)增大，Kw增大。

綜上所述，在多個自變量體系中，主要變量與次要變量并不是一成不變的，在一定條件下，主要變量與次要變量是可以相互轉(zhuǎn)化的，找出不同條件下的主要變量，先分析主要變量與因變量的關(guān)系，合理推測物質(zhì)的性質(zhì)或解釋化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象。

三、應(yīng)用“變量控制”，建立化學(xué)基本概念

化學(xué)基本概念往往是有條件的，在學(xué)習(xí)化學(xué)概念過程中，若從概念的形成條件入手，應(yīng)用“變量控制”方法建構(gòu)化學(xué)概念，將有利于深度理解化學(xué)概念的內(nèi)涵，有利于形成完整的化學(xué)觀念。

1.應(yīng)用“變量控制”思想，建立化學(xué)基本概念

[例3]以實驗為基礎(chǔ)，應(yīng)用“變量控制”方法，建立“燃燒”概念。

教師提出問題：燃燒現(xiàn)象隨處可見，燃燒的條件有哪些？請同學(xué)們應(yīng)用“變量控制”的方法，設(shè)計實驗，從可燃物性質(zhì)、氧氣是否參加、燃燒物所需溫度等方面探究燃燒的條件。

學(xué)生探究：在教師引導(dǎo)下，以蠟燭、木條燃燒條件為基礎(chǔ)，應(yīng)用教師提供的實驗用品，設(shè)計對比實驗，控制變量，探究出燃燒的條件。

實驗?zāi)康?基本操作 實驗現(xiàn)象 結(jié)論或解釋1.是否需要有可燃物？images/BZ_41_1528_1275_1796_1454.png木條可以燃燒，玻璃棒不可以燃燒。需要有可燃物存在，才能發(fā)生燃燒。2.是否有氧氣參加？images/BZ_41_1528_1490_1801_1731.png有玻璃罩的蠟燭熄滅，無玻璃罩的繼續(xù)燃燒。有氧氣與可燃物接觸才能發(fā)生燃燒。3.燃燒物溫度是否有要求？images/BZ_41_1527_1764_1795_1932.png小木條可燃燒，小煤塊不易燃燒?？扇嘉镄枰_(dá)到一定溫度才能發(fā)生燃燒。

最后，師生互動，總結(jié)出燃燒反應(yīng)的必備條件：（1）有可燃物；（2）有氧氣參加；（3）可燃物達(dá)到一定溫度。通過“變量控制”過程，學(xué)生深刻理解了燃燒所必須同時具備上述三個條件，這樣形成的燃燒概念是一個建構(gòu)過程，有利于學(xué)生去理解燃燒反應(yīng)的內(nèi)涵，而不是靠死記硬背簡單得到一個結(jié)論。

2.應(yīng)用“變量控制”方法，建立化學(xué)反應(yīng)原理模型

建立在對研究對象進(jìn)行實驗觀察和證據(jù)推理的基礎(chǔ)上，利用抽象、簡化、類比等方法，將反映研究對象的本質(zhì)特征形成一種概括性的描述或認(rèn)識思路，即認(rèn)知模型。運用“變量控制”方法，建立化學(xué)反應(yīng)原理模型，有利于把抽象的化學(xué)反應(yīng)原理要點化，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的提升。

[例4]原電池工作原理模型與構(gòu)成原電池條件探究。

教師提出問題：電池在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活、科技前沿等領(lǐng)域提供便捷能源，原電池是如何把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿?？?gòu)成原電池條件有哪些？請同學(xué)們應(yīng)用“變量控制”思想設(shè)計實驗，探究原電池電極材料由什么組成？為什么需要電解質(zhì)溶液？為什么要形成閉合電路？原電池所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)類型是什么？

學(xué)生探究：在教師引導(dǎo)下，利用鋅與稀硫酸發(fā)生置換反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的反應(yīng)原理，應(yīng)用教師提供的實驗器材，控制變量，設(shè)計對比實驗方案，并通過實驗驗證，探究出原電池工作原理及其構(gòu)成條件。

實驗?zāi)康?基本操作 觀察現(xiàn)象 結(jié)論或解釋1.探究原電池電極材料由什么組成？images/BZ_42_446_980_595_1189.png鋅逐漸溶解，銅表面有氣泡產(chǎn)生，同時安培表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 較活潑金屬做負(fù)極；較不活潑金屬（或?qū)щ姺墙饘伲┳稣龢O。images/BZ_42_445_1225_596_1430.png安培表指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。2.是否要電解質(zhì)溶液？images/BZ_42_440_1496_602_1709.png鋅片不溶解，銅表面無氣泡產(chǎn)生，安培表指針沒有偏轉(zhuǎn)。兩電極與非電解質(zhì)接觸，不能形成原電池。電極反應(yīng)需要電解質(zhì)溶液，陰陽離子需要在電解質(zhì)溶液中作定向移動，完成電流傳導(dǎo)。3.是否要形成閉合電路？images/BZ_42_423_1842_619_1995.png鋅片不溶解，銅表面無氣泡產(chǎn)生，安培表指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。只有形成閉合電路，才能傳導(dǎo)電流：外電路，導(dǎo)線-電極；內(nèi)電路，電解質(zhì)溶液-電極。4.原電池反應(yīng)類型？images/BZ_42_452_2027_590_2231.png鋅片溶解，銅表面有紫紅色固體析出，安培表指針偏轉(zhuǎn)。對照1和4，常溫常壓下，能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)均能設(shè)計為原電池。

總之，分別控制電極材料、電解質(zhì)溶液、形成閉合電路等變量，對比實驗，觀察電流表指針是否偏轉(zhuǎn)，歸納出原電池的形成條件：二電極——具有兩個金屬活潑性不同的電極；一溶液——電極與電解質(zhì)溶液相接觸；一回路——形成閉合電路；一反應(yīng)——通常條件下，能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。

四、應(yīng)用“變量控制”思想，解決實際問題

在研究外界因素對化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡的影響時，往往使用化學(xué)平衡圖像簡潔表述自變量與因變量關(guān)系，在閱讀多變量圖像時，應(yīng)用“變量控制”思想方法，使問題得以簡化。

1.定一議二，找出某自變量與因變量關(guān)系

若圖像中具有3個變量，先假設(shè)一個變量不變，再分析另外兩個變量的影響關(guān)系，必要時畫輔助線。

教師提出問題：根據(jù)勒夏特列原理，欲判斷氣體反應(yīng)物與生成物化學(xué)計量數(shù)之和的關(guān)系，需要根據(jù)等壓線～A的平衡轉(zhuǎn)化率α(A)的曲線還是根據(jù)等溫線～生成物D的平衡濃度c(D)曲線？欲判斷反應(yīng)熱“a”的值大于零或小于零，需要根據(jù)等溫線還是等壓線？當(dāng)圖像出現(xiàn)3個變量時，應(yīng)用“變量控制”思想，先假設(shè)一個量不變，再討論另外兩個量的關(guān)系。

學(xué)生探究：（1）如何根據(jù)等壓線～反應(yīng)物A的平衡轉(zhuǎn)化率α(A)曲線判斷化學(xué)計量數(shù)關(guān)系。首先控制溫度不變，在圖像沿x軸做等溫線作為輔助線。

若 p1＞ p2＞ p3，那 么，p3→ p1增 加壓 強，α(A)增大，化學(xué)平衡右移，由勒夏特列原理，加壓，化學(xué)平衡向氣體分子數(shù)減小方向移動，所以有： m+n＞p+q。

（2）如何根據(jù)等溫線～生成物D的平衡濃度c(D)曲線判斷該反應(yīng)屬于吸熱反應(yīng)還是放熱反應(yīng)？首先控制壓強不變，沿x軸做等壓線作為輔助線。

若T1＞T2，那么，T2→T1升溫，c(D)變大，平衡右移，由勒夏特列原理，升溫，化學(xué)平衡向吸熱方向移動，則有：⊿H＞0。

綜上所述，應(yīng)用定一議二方法，控制一個自變量不變，分析另一個自變量與因變量的關(guān)系，得出相應(yīng)結(jié)論或解釋化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象。

2.先拐先平數(shù)值大，比較兩個平衡體系的自變量大小

在化學(xué)平衡形成過程中，表示某組分含量（或轉(zhuǎn)化率）－時間t關(guān)系曲線中，拐點先出現(xiàn)者先達(dá)到平衡，對應(yīng)的自變量較大。

（1）選用催化劑，可縮短到達(dá)平衡狀態(tài)的時間，不影響化學(xué)反應(yīng)限度。

（2）升高溫度，可提高正逆反應(yīng)速率，可縮短到達(dá)平衡狀態(tài)的時間，若正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，高溫時，平衡體系中反應(yīng)物B的濃度與百分含量減小。

總之，根據(jù)外界因素的影響和建立化學(xué)平衡的先后，即可判斷不同平衡體系的溫度、壓強等自變量大小，判斷是否使用催化劑。

五、“變量控制”思想方法的培養(yǎng)策略

1.創(chuàng)設(shè)問題情境，引發(fā)思考動機

無論是概念教學(xué)還是化學(xué)反應(yīng)原理學(xué)習(xí)，教師要根據(jù)化學(xué)概念與原理的組成要素，厘清有關(guān)自變量與因變量關(guān)系，提出有思維深度的問題，引起學(xué)生開展獨立思考。

[例8]設(shè)計實驗證明酸性：鹽酸＞碳酸＞硅酸，教師設(shè)計問題：證明酸性強弱的化學(xué)反應(yīng)原理是什么？鹽酸、碳酸的酸性均比硅酸強，鹽酸具有揮發(fā)性，CO2與HCl均可與硅酸鹽溶液反應(yīng)生成硅酸，如何應(yīng)用“變量控制”思想，證明CO2能與硅酸鹽溶液反應(yīng)生成硅酸？

實施問題引領(lǐng)策略，讓學(xué)生明確思考問題的方向，通過獨立思考、小組合作探究等方法，快速找到問題解決的突破口。

2.設(shè)計思維路徑，形成認(rèn)知模型

開展項目式學(xué)習(xí)，厘清主要變量、次要變量與因變量關(guān)系，通過梯次進(jìn)階的問題探究活動，便于引導(dǎo)學(xué)生抓住主要變量、由淺入深、螺旋式思考問題，推測物質(zhì)的性質(zhì)或得出結(jié)論，形成科學(xué)的認(rèn)知模型。

[例9]如何比較下列物質(zhì)的熔沸點高低：金剛石、氯化鈉、氯化鎂、冰、干冰。教師可以引導(dǎo)學(xué)生先找出影響熔沸點的主要變量是晶體類型，同種晶體類型物質(zhì)熔沸點的影響因素是微粒間的結(jié)合力大小，作為次要變量。一般說來，各種晶體的熔沸點：共價晶體＞離子晶體＞分子晶體，因而，金剛石熔點最高。氯化鈉與氯化鎂均屬于離子晶體，通過比較二者離子鍵強弱來確定熔沸點高低，一般先比較陰、陽離子所帶電荷多少，再比較離子半徑大小，由于Mg2+帶2個正電荷，Na+帶1個正電荷，前者離子鍵比較強，因而熔沸點：氯化鈉＜氯化鎂。冰與干冰同屬于分子晶體，先比較是否存在分子間氫鍵，再比較范德華力大小，由于水分子間存在氫鍵，熔沸點：冰＞干冰。綜合以上分析，熔沸點：金剛石＞氯化鎂＞氯化鈉＞冰＞干冰。

比較物質(zhì)熔沸點的思維模型：先比較晶體類型，后比較相同晶體類型的微粒間結(jié)合力，再綜合比較熔沸點高低。

3.開展合作學(xué)習(xí)，促進(jìn)思維進(jìn)階

建立四人學(xué)習(xí)小組，其中兩名學(xué)生的思維品質(zhì)較好、學(xué)業(yè)成績優(yōu)良作為正副組長，另外兩名學(xué)業(yè)暫時落后的學(xué)生作為被帶動對象。在開展項目式學(xué)習(xí)時，先開展獨立思考，再開展合作探究，解決獨立思考所沒有解決的問題，完成“一幫一”幫扶。在小組合作學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，開展班內(nèi)展示與質(zhì)疑活動，師生互評互動，交流思維過程，就疑惑點展開探究活動，教師因勢利導(dǎo)，點撥方法、技巧，走出思維誤區(qū)，使知識與方法給予升華，促使思維進(jìn)階，形成“變量控制”思維習(xí)慣。

經(jīng)過兩年的教學(xué)實踐表明，教師在教學(xué)實踐中，應(yīng)用“問題引領(lǐng)，項目驅(qū)動”策略，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用“變量控制”思想，成效明顯。通過設(shè)計思維路徑，建立思維模型，學(xué)習(xí)興趣濃厚，學(xué)習(xí)能力不斷提升，分析問題解決問題的能力不斷增強。