基于“控制變量思想”的初中化學(xué)命題與教學(xué)策略

程穎

摘要：基于控制變量思想的實驗問題，不僅可以檢驗學(xué)生的日常課堂表現(xiàn)，還可以在由“解題”到“解決問題”的轉(zhuǎn)化方面不斷創(chuàng)新。通過梳理此類試題的解決路徑和命題特點，總結(jié)并得出了相關(guān)的教學(xué)方法和策略，對發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維具有重要意義。

關(guān)鍵詞：控制變量思想；初中化學(xué)命題；初中化學(xué)教學(xué)

文章編號：10056629（2022）12009104

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

在學(xué)校教育中加強(qiáng)對學(xué)業(yè)水平考試結(jié)果的研究與分析，做好教學(xué)反饋與指導(dǎo)，才能不斷提高教學(xué)質(zhì)量。

本文以控制變量思想為例，就初中化學(xué)考試命題、評價與相關(guān)教學(xué)策略進(jìn)行探討。

1 基于控制變量思想的初中化學(xué)試題分析

1.1 典型試題分析

科學(xué)探究是初中化學(xué)學(xué)習(xí)中一項重要的實踐活動，科學(xué)探究素養(yǎng)也是初中化學(xué)應(yīng)重點發(fā)展的核心素養(yǎng)之一。

在科學(xué)探究活動中，對于多因素（即多變量）問題的研究，常采用控制因素（變量）的方法。即把多因素的問題分解成多個單因素的問題，再進(jìn)行逐個研究。每一次實驗只改變其中的某一個因素，而控制其余幾個因素不變，研究被改變的這個因素對事物的影響，最后進(jìn)行綜合分析、做出結(jié)論。其中被改變的因素叫“自變量”；隨自變量改變而改變的因素叫“因變量”；其他可能產(chǎn)生影響的因素叫“控制變量”?？刂谱兞糠ㄊ强茖W(xué)研究中的重要方法，廣泛運用在各種科學(xué)探索和實驗研究中^［1］?？刂谱兞克枷胧强茖W(xué)探究中的學(xué)科核心思想，也是北京中考科學(xué)探究試題中考查的重點。

例1 （2020年北京中考化學(xué)試卷第24題，節(jié)選）丙酸鈣為白色固體，易溶于水，可作食品防霉劑，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其用于制作面食、糕點時每千克面粉中的最大使用量。小組同學(xué)實驗探究其性質(zhì)和防霉的效果。

Ⅱ．探究丙酸鈣防霉的效果

［進(jìn)行實驗］分別按表1中①～⑧的配方蒸制8個饅頭，冷卻后置于密封袋中。

［解釋與結(jié)論］

（3） 設(shè)計第1組實驗的目的是________。

（4） 第2組，⑦中x為________。

（5） 對比第1組、第2組實驗可得到的結(jié)論是________。

本題是對丙酸鈣防霉效果的探究。從面粉、酵母、蔗糖、丙酸鈣四種物質(zhì)的用量角度探究丙酸鈣的防霉效果，考查學(xué)生對實驗方案的理解、對獲得的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及控制變量法的應(yīng)用等科學(xué)探究能力。尤其是在數(shù)據(jù)分析、獲取證據(jù)、推理判斷和得出結(jié)論等方面，關(guān)注了素養(yǎng)的考查。

試題中共涉及了四個影響因素，即面粉用量、酵母用量、蔗糖用量以及丙酸鈣用量，而防霉效果是通過觀測開始發(fā)霉的時間體現(xiàn)出來的，開始發(fā)霉的時間越晚防霉效果越好。通過數(shù)據(jù)分析，可以看出在兩大組實驗的8個樣本中，面粉和酵母的用量始終相同，故這兩個因素為控制的變量。而蔗糖和丙酸鈣的用量在不同組別或樣本中出現(xiàn)差異，是本題中重點研究的兩個自變量，因變量則是由開始發(fā)霉時間表現(xiàn)出的防霉效果。

依據(jù)控制變量法的基本要求，每次實驗只改變其中的某一個因素，而控制其余幾個因素均不變?？梢悦鞔_本題的兩個自變量需要分別進(jìn)行分析和推理，這也是本題的主要難點。分析第1組的4個樣本可知，在控制面粉、酵母、蔗糖的用量均相同的條件下，丙酸鈣的用量越多，開始發(fā)霉的時間越晚，即防霉效果越好。因此，第2組實驗也應(yīng)該控制面粉、酵母、蔗糖的用量均相同，且得出相同的結(jié)論。由此，“丙酸鈣用量”這一因素的影響效果得以驗證。在驗證另一因素“蔗糖用量”時，則需控制面粉、酵母和丙酸鈣的用量均相同。分析題中信息可知，需要對比的是第1組的①與第2組的⑤（或②與⑥、③與⑦、④與⑧），依據(jù)兩個樣本中開始發(fā)霉的時間相同，可得出的結(jié)論是，蔗糖用量對防霉效果無影響。

本題信息中包含較多數(shù)據(jù)，對學(xué)生的信息獲取和分析推理能力要求較高，尤其是需要在不同組別中準(zhǔn)確選取樣本，難度非常大。學(xué)生通過實驗事實推測實驗?zāi)康募暗贸鼋Y(jié)論的能力不足，不能縝密、全面地進(jìn)行分析推理。

例2 （2021年北京市初中學(xué)業(yè)水平考試化學(xué)試卷第38題，節(jié)選）硬水加熱時易產(chǎn)生水垢，很多工業(yè)用水需要對硬水進(jìn)行軟化處理。小組同學(xué)利用1.5%的肥皂水比較水的硬度。

［查閱資料］硬水含較多可溶性鈣、鎂化合物；軟水不含或含較少可溶性鈣、鎂化合物。

Ⅰ．探究水的硬度、肥皂水的用量與產(chǎn)生泡沫量的關(guān)系

［進(jìn)行實驗］向蒸餾水中加入CaCl₂和MgCl₂的混合溶液，配制兩種不同硬度的硬水。用蒸餾水和兩種硬水完成表2中的三組實驗。

［解釋與結(jié)論］

（1） 對比②和⑧可知，肥皂水能區(qū)分軟水和硬水，依據(jù)的現(xiàn)象是________。

（2） 設(shè)計第2組實驗時，為控制水的硬度相同，⑤中x應(yīng)為________。

（3） 第2組實驗的目的是________。

（4） 由上述三組實驗得到的結(jié)論是________。

本題在保持近年來北京中考化學(xué)命題特色的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，既注重對基礎(chǔ)和發(fā)展?jié)撃艿目疾椋挚汲隽藢W(xué)生的實踐探究和問題解決能力，符合北京市初中學(xué)業(yè)水平考試的功能定位。題目中明確指出是探究水的硬度、肥皂水的用量與產(chǎn)生泡沫量的關(guān)系。因此，水的硬度、肥皂水的用量是本題中重點研究的兩個自變量，因變量則是產(chǎn)生泡沫量的多少。依據(jù)控制變量法的基本要求，每次實驗只改變其中一個因素，而控制其余因素不變，可以明確本題的兩個自變量同樣需要分別進(jìn)行分析和推理。分析某1組的3個樣本，如第1組的①②③（或第2組的④⑤⑥）可知，在控制加入CaCl₂和MgCl₂的混合溶液用量相同，即水的硬度相同的條件下，肥皂水的用量越多，產(chǎn)生泡沫量越多。由此，“肥皂水的用量”這一因素的影響效果得以驗證。在驗證另一因素“水的硬度”時，則需控制肥皂水的用量相同，分析題中信息可知，需要對比的是第1組的②、第2組的⑤與第3組的⑧（或③⑥⑨），依據(jù)三個樣本中產(chǎn)生泡沫量的差異，可推理出水的硬度與產(chǎn)生泡沫量的關(guān)系，即在肥皂水用量相同的條件下，水的硬度越大，產(chǎn)生的泡沫量越少。值得關(guān)注的是通過對比⑦⑧⑨或①④⑦，可知對“肥皂水的用量”或“水的硬度”這兩個因素的影響效果分別進(jìn)行探究時，還需使另一因素保持一定用量，效果才會明顯。否則會出現(xiàn)兩個樣本中均無泡沫的現(xiàn)象，不利于推理和判斷出準(zhǔn)確結(jié)論。

本題的創(chuàng)新之處在于通過三個組別的9個樣本實驗，對兩個自變量同時進(jìn)行分析和研究，并且兩個自變量對因變量均有影響，因此對于產(chǎn)生泡沫量的描述出現(xiàn)了“無”“少”“多”“很多”四種情況。正是這種較為復(fù)雜多樣的結(jié)果陳述給部分考生造成了困擾，學(xué)生在通過實驗事實推測實驗?zāi)康募暗贸鼋Y(jié)論的過程中出現(xiàn)了一定的障礙或挑戰(zhàn)。

1.2 認(rèn)知模型分析

運用控制變量思想進(jìn)行科學(xué)探究，首先要通過分析實驗?zāi)康?，明確核心任務(wù)，初步形成對物質(zhì)或化學(xué)反應(yīng)的基本認(rèn)識，如例1中核心任務(wù)是探究丙酸鈣防霉的效果；其次是通過分析實驗方案找全實驗體系中所有可能的變量，并確定自變量、因變量以及控制變量；最后結(jié)合實驗事實，分析得出在控制除自變量之外的其他所有變量相同的條件下，自變量對因變量產(chǎn)生了怎樣的影響。以例1為例，具體的認(rèn)知思路可用如下思維模型表示（見表3）。

2 基于控制變量思想的初中化學(xué)命題與評價

以控制變量思想為核心的科學(xué)探究試題通過提出“某組實驗的目的是什么”“通過實驗對比能得出的結(jié)論是什么”以及“如果要得出某種結(jié)論，需要對比哪組實驗（或補(bǔ)全某組實驗）”等一系列問題，考查不同類型、不同水平考生對科學(xué)探究過程的基本認(rèn)識，以及控制變量思想的準(zhǔn)確理解。這就需要教師在日常教學(xué)中既要重視科學(xué)探究形式，更要重視探究過程中的思維訓(xùn)練，建立實驗步驟、結(jié)論與目的之間的邏輯關(guān)系。

筆者基于教材實驗和文獻(xiàn)資料開展了如下的命題實踐研究，以考查學(xué)生對實驗探究中“控制變量，對比分析”思想方法的理解及應(yīng)用能力。

例3 某小組同學(xué)對老師演示的趣味實驗“化學(xué)紅綠燈”興趣濃厚，并進(jìn)行了如下探究。

［查閱資料］

靛藍(lán)胭脂紅（C₁6H₈N₂Na₂O₈S₂），是一種生物染色劑。在堿性條件下與氧氣或葡萄糖反應(yīng)，會呈現(xiàn)綠、紅、黃三種不同顏色。

［實驗1］向錐形瓶中加入20mL 0.05%的靛藍(lán)胭脂紅溶液、70mL 2%的NaOH溶液、10mL 15%的葡萄糖溶液，用上圖裝置加熱到指定溫度后，取出錐形瓶振蕩，靜置并記錄顏色發(fā)生變化的時間（見表4）。

［實驗2］向錐形瓶中加入20mL濃度不等的靛藍(lán)胭脂紅溶液、70mL 2%的NaOH溶液、10mL 15%的葡萄糖溶液，用上圖裝置加熱到40℃后，取出錐形瓶振蕩，靜置并記錄顏色發(fā)生變化的時間（見表5）。

［實驗3］向錐形瓶中加入20mL 0.05%的靛藍(lán)胭脂紅溶液、70mL濃度不等的NaOH溶液、10mL 15%的葡萄糖溶液，用上圖裝置加熱到40℃后，取出錐形瓶振蕩，靜置并記錄顏色發(fā)生變化的時間（見表6）。

［解釋與結(jié)論］

（1） 實驗12中，靜置68s時溶液顯________（填“綠”“紅”或“黃”）色。

（2） 實驗1的目的是________。

（3） 實驗2的結(jié)論是________。

（4） 實驗34中，導(dǎo)致溶液始終不變色的因素可能是________。

（5） 綜合分析，影響“化學(xué)紅綠燈”實驗效果的因素有________。

本題為原創(chuàng)試題。試題中分別通過不同實驗對反應(yīng)溫度、靛藍(lán)胭脂紅溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、NaOH溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)3個影響因素進(jìn)行分析研究。

閱卷統(tǒng)計顯示，第（1）小題為簡單試題，第（2）（4）（5）小題難度適中，第（3）小題難度較大。除第（1）小題以外，其余試題區(qū)分度均較好。從考生實際作答中可以發(fā)現(xiàn)以下問題：一是對實驗?zāi)康?、證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系不清楚，如第（3）小題，考生出現(xiàn)自變量表述不準(zhǔn)確或理不清自變量對因變量的具體影響等錯誤；二是對實驗中反應(yīng)原理的認(rèn)識并未完全領(lǐng)會，部分考生對資料和實驗方案并未完全理解，因此對試題中提供的信息和數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確分析和推理；三是部分考生解決綜合問題的能力不夠，信心不足，個別試題出現(xiàn)空白答卷等情況。

3 基于控制變量思想的初中化學(xué)教學(xué)策略

3.1 基于教材統(tǒng)籌設(shè)計，系統(tǒng)學(xué)習(xí)控制變量思想內(nèi)涵

教材中有關(guān)“二氧化碳與水反應(yīng)的探究”“燃燒條件的探究”和“鐵生銹條件的探究”等內(nèi)容，均體現(xiàn)了控制變量思想的內(nèi)涵。學(xué)生在學(xué)習(xí)以上內(nèi)容時，領(lǐng)悟控制變量思想，學(xué)會對比分析方法，既為今后的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，同時又掌握了應(yīng)用此方法解決實際問題的思路和工具。

教師在教學(xué)中要鉆研課標(biāo)、用好教材，將課標(biāo)體系中蘊(yùn)含的核心素養(yǎng)和思想方法進(jìn)行深入分析和理解，并將教材中呈現(xiàn)的學(xué)科思想方法的范例和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理歸納，從單元整體設(shè)計的角度將學(xué)科思想方法滲透到日常教學(xué)中，覆蓋知識體系的每一個細(xì)節(jié)，對學(xué)生進(jìn)行潛移默化的影響和培養(yǎng)。

3.2 構(gòu)建認(rèn)知模型，形成解決問題的一般思路

學(xué)生通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律^［2］。在控制變量思想的學(xué)習(xí)中，教師應(yīng)充分利用歸納演繹法，針對具體的實驗情境和實例，引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識和建構(gòu)相關(guān)認(rèn)知模型，形成分析和解決具體問題的一般思路和方法，并將模型拓展應(yīng)用到更多情境中，達(dá)到鞏固和強(qiáng)化模型的作用，使學(xué)生的高階思維水平得到提升。

3.3 重視實踐活動，突出實驗教學(xué)的培養(yǎng)作用

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，實踐活動不僅有利于學(xué)生更深入地領(lǐng)悟素養(yǎng)和思想的內(nèi)涵，更有助于學(xué)生在浸潤式體驗中自我歸納和修正解決問題的方法和路徑，即自主建構(gòu)和完善素養(yǎng)體系。因此，建議教師在實驗教學(xué)中，盡量創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生親身體驗過程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，不僅尊重教材原型實驗，更應(yīng)注重變式和拓展，必要時可對試題中呈現(xiàn)的實驗進(jìn)行情景再現(xiàn)。在應(yīng)用控制變量法進(jìn)行實驗探究時，實現(xiàn)由已知向未知、由基本實驗向科學(xué)探究的過渡和遷移。教學(xué)中要重視實驗的完整性和科學(xué)性，不要割裂地機(jī)械地看待實驗，要建立實驗各環(huán)節(jié)間的推理關(guān)系，使學(xué)生養(yǎng)成全面科學(xué)、多角度地思考問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

［1］［2］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）［S］. 北京：人民教育出版社，2018.