初中生過度使用控制變量法的實證研究①

羅國忠

(廣西教育學院教研部,廣西南寧 530023)

1 問題由來

所謂控制變量法,就是把多因素(多變量)的問題變成多個單因素的問題,逐個研究單個因素對事物的影響,即每次只改變某一個因素,同時保持或控制其他因素不變.控制變量法是科學探究的方法之一,因此我國中學各門理科課程標準都很重視控制變量法,例如初中《物理課程標準》要求學生在制訂探究方案時,“嘗試考慮影響問題的主要因素,有控制變量的初步意識”[1].這種要求得到了教材編者、評價者和教師等各方面的極大響應,如教材設置了很多僅可用控制變量法進行研究的多因素問題,各種考試也頻繁出現這類多因素問題,相應地師生也進行大量的控制變量法訓練.筆者認為,對于多因素問題,目前的初中課程、教學和評價過度使用了控制變量法,而忽視了其他探究方法.

實際上,不管是在自然界還是在社會領域中,所發生的各種現象往往是錯綜復雜的,影響因素在許多情況下并不是單一的,而是多種因素相互交錯、共同起作用的.要想精確地把握研究對象的各種特性,弄清事物變化的原因和規律,單靠分離單因素的控制變量法是不夠的.Matthews等(2005)指出:控制變量法的缺點在于它沒有考慮因素之間相互作用的可能性,假如研究者把注意力局限于任何一個單因素,那么他或是單因素教條理論的犧牲者,或者有限的時間、材料太不允許他關注更多[2].那么,在目前過度使用控制變量法的情況下,學生主要采用什么方法探究多因素問題?本研究通過實證來回答這一問題.

2 研究方法

2.1 測評對象

在廣西某市選取兩所教學質量較好的初中學校,以兩校的全部初三學生1272名為測評對象.

2.2 測評材料和測評過程

設計了下列3個探究任務,其中物理、化學和生物各1個.

(1)把空心管子用來做承重橫梁時,其承受力與管子直徑有什么關系?請你制訂一個探究方案,方案可以用到你能想到的任何器材.(物理問題)

(2)淀粉的消化率與唾液的溫度、PH值有什么關系?請你設計一個探究方案,方案可以用到你能想到的任何器材.(生物問題)

(3)鐵生銹是否與干燥空氣、純水(不含空氣)有關系?(說明:干燥空氣和純水混合可得到普通水).請你設計一個探究方案,方案可以用到你能想到的任何器材.(化學問題)

測評時,學生已進入了第一輪中考復習,而且測評內容與中考相關,因此師生都很樂意參加測評.以班為單位進行測評,要求每個學生在45分鐘內獨立制訂探究方案,并寫在紙上,然后由4名教師進行編碼分析、歸類.

3 結果與討論

3.1 任務(1)的探究方案

(1)沒有控制任何相關自變量,約占45%.如“把不同重物掛在不同直徑的管子中間,看哪個管子容易折斷”.在這個方案中,相關自變量只有直徑,沒有其他相關自變量.

(2)控制了一個相關變量,約占35%.如“用相同長度,但直徑不同的管子,把不同質量的重物掛在管子中間”、“用相同厚度,但直徑不同的管子,把不同質量的重物掛在管子中間”、“用相同質量,但直徑不同的管子,把不同質量的重物掛在管子中間”等等.在這些方案中,分別出現了長度、厚度、質量等相關自變量,但探究任務沒有明示或暗示這些相關變量.

(3)控制了兩個以上相關變量,約占16%.如“用相同長度、質量,但直徑不同的管子,把不同質量的重物掛在管子中間”、“用相同長度、厚度,但直徑不同的管子,把不同質量的重物掛在管子中間”.在這些方案中,同時控制長度和質量、長度和厚度等學生構想出來的相關自變量.

與方案(1)相比,方案(2)、(3)運用了控制變量法,而且方案(3)比方案(2)控制了更多的可能相關自變量.但是,方案(2)、(3)仍然有問題,即不管是控制了一個相關變量,還是兩個相關變量,仍然不能控制其他相關變量.例如,如果改變管子直徑,控制長度和質量不變,那么管壁厚度就要發生變化;同樣,如果改變管子直徑,控制管壁長度和厚度不變,那么質量就要發生變化.這樣,控制變量法就讓人碰到了麻煩,不可能同時控制質量和厚度不變.其實,類似例子還很多,即在改變一個變量時,不可能控制所有相關變量不變.

3.2 任務(2)的探究方案

(1)沒有控制任何相關自變量,約占12%.例如,“改變唾液的溫度、PH值,測量淀粉的消化率”等.在這個方案中,同時改變唾液的溫度和PH值兩個相關自變量,沒有控制任何其中一個.

(2)控制了一個相關變量,約占86%.例如“在改變溫度時,要保持PH值不變,測量淀粉的消化率;在改變PH值時,要保持溫度不變,測量淀粉的消化率”等.

與任務(1)相比,任務(2)有更多的控制變量,可能是任務(2)中明確給出了溫度和PH值這兩個相關變量,不需要學生構想其他的相關變量.但是,這些控制變量仍然存在問題.例如,學生在改變溫度時,究竟把PH值控制在什么數值呢?如果學生實際動手,有些學生可能會控制PH值在中性,有些學生可能控制在酸性,有些學生可能控制在堿性,等等.而實際上,淀粉的消化率在不同PH值時,受溫度的影響是不一樣的,但學生并未知道哪個PH值是合適的.然而,不管學生把PH值控制在哪個數值,都不違反控制變量法.如果學生按照這些不同的方案進行探究,就會得到不同的結果,這些結果都是真實的,但結論卻可能是錯誤的.之所以錯誤,原因在于唾液溫度和PH值對淀粉消化率的影響,是交互而不是分離的.因此,不能采用分離單因素的控制變量法,而應該采用n×n雙因素實驗設計(見表1),才能得到有效、可信的結論.

表1

3.3 任務(3)的探究方案

(1)沒有控制任何相關自變量,約占16%.如“把鐵釘放進干燥空氣或純水一段時間,看鐵釘是否生銹”.

(2)控制了一個相關變量,約占81%.主要有兩類方案:①為了驗證純水的影響效果,在兩個裝著鐵釘的真空瓶子中,一個裝上純水,另一個不變;為了驗證干燥空氣的影響效果,在兩個裝著鐵釘的真空瓶子中,一個裝上干燥空氣,另一個不變.②為了驗證純水的影響效果,在兩個裝著鐵釘的干燥空氣瓶子中,一個裝上純水,另一個不變;為了驗證干燥空氣的影響效果,在兩個裝著鐵釘的純水瓶子中,一個裝上干燥空氣,另一個不變.

如果按照方案(2)去動手探究,會發現在①類方案的兩種情況中,鐵都未生銹,這樣學生會得出純水或干燥空氣不是鐵生銹的原因.但在②類方案的兩種情況中,鐵都生銹了,從而得出純水或干燥空氣是鐵生銹的原因.毫無疑問,這兩類方案都不違反控制變量法,其探究結果也是真實的,但結論卻相互矛盾,這預示著控制變量法的誤用.究其原因,是因為對于鐵生銹,純水和干燥空氣存在交互作用,這時應該采用雙因素實驗設計(見表2),即把鐵釘分別放在普通水中、純水中、干燥空氣中、真空中.如果學生再去探究,將發現鐵釘在普通水中會生銹,而在純水和干燥空氣中并不會生銹.

表2

4 結論和思考

綜上所述,可得出結論:對于多因素問題,大部分學生不管控制變量法適用與否,都簡單化地采用控制變量法制訂探究方案.

出現如此現象,原因是諸多方面的.首先,我國初中理科的各門課程標準都明確強調控制變量的重要性.為順應這種要求,教材編寫了大量僅可用控制變量法進行研究的多因素問題,如探究影響滑動摩擦力大小的因素、影響液體壓強大小的因素、影響壓力作用效果的因素、影響電阻大小的因素、影響電磁鐵磁性強弱的因素等.教學實踐也表明,控制變量法對付這些多因素問題的確是行之有效的,這樣就給學生形成了控制變量法放之四海而皆準的強烈印象,但這種假象是教材編者把控制變量法失效的其他多因素問題排除后所得到的.在實際教學中,甚至一些教師不管是不是多因素問題,也要想辦法轉化成多因素問題進行研究,如一位教師把“探究凸透鏡有什么規律”硬要改成“凸透鏡成像與物距和像距有什么關系”,還不忘交待學生“控制變量法是科學探究的重要方法”,等等.其次,段考、期考和中考等各種考試也相應跟進,相當多的多因素問題都是考查控制變量法的運用.為了應考,教師不得不采用大量習題,對學生進行控制變量法訓練.這種過度使用讓學生習得了簡單化甚至泛化的控制變量法,嚴重窄化了研究思路,形成了很強的思維定勢,導致機械照搬控制變量法,這顯然是與新課程倡導的過程與方法目標相悖的.這些問題應該引起教材編者、教師和評價者的足夠重視,我們應突破現有課程的傳統資源,結合實際情況開發一些課程資源,讓學生體驗認識控制變量法的局限性,并學會簡單應用多因素設計方法,這對拓展學生研究思路是大有裨益的.當然,可能有人擔心學生尚未具有多因素設計的能力,但有關研究表明13歲學生已具備初步的多因素設計能力[2][3].因此,在教材、教學和評價中,涉及一些多因素設計方法的多因素問題,不僅是必要的,也是可能的.

1 中華人民共和國教育部.全日制義務教育物理課程標準(實驗稿).北京:北京師范大學出版社,2001.10.

2 Matthews P S C,Mkenna P J.Assessment of practical work in Ireland:A critique.International Journal of Science Education,2005,27(10):1211～1124.

3 Lucas A M,T obin K.Problems with“control of variables” as a process skill.Science Education,1987,(5):685～690