控制變量并非一種實驗方法
——質疑“控制變量法”之說

王紹符

(河北大學 河北 保定 071002)

一個時期以來，對于中學物理實驗，無論是在教學活動中還是在各種教學刊物上經常出現“控制變量法”的說法.最典型的例子是“歐姆定律實驗”，實驗中控制“電壓”不變，研究“電流”與“電阻”的關系；然后再控制“電阻”不變，研究“電流”與“電壓”的關系.與此類似的還有一些，如“牛頓第二定律實驗”，實驗中控制“質量”不變，研究“加速度”與“外力”的關系；然后再控制“外力”不變，研究“加速度”與“質量”的關系.這種進行實驗的方法就是現在流傳的所謂 “控制變量法”.

把控制變量說成是諸多實驗方法中的一種方法，其實這是一種誤解.

1 控制乃實驗立足的條件任何實驗都不會缺少

觀察和實驗是科學研究的重要方法，這里所說的觀察是指對自然發生的現象的觀察，而實驗的對象則是 “人為制造”的現象，是通過對某些無關因素加以控制，有系統地操縱控制某些實驗條件(自變量)，觀測伴隨發生變化的現象(因變量)，從而確定條件與現象間的因果關系。即實驗是在人為控制條件下的觀察。

實驗就是由控制變量搭建起來的，所謂“變量”包括：

(1)自變量：實驗操縱控制的變量；

(2)因變量：由自變量引起變化的變量；

(3)無關變量：跟實驗目標無關但會造成干擾的變量.

實驗中自變量必須能夠很好地被“孤立”起來，避免與其他變量混淆. 無關變量會使實驗偏離目標，干擾破壞實驗，對其實施控制使其保持不變，或被消除，或被補償．

比如，在做“驗證牛頓第二定律”的實驗中，常規的做法是(見現行人教版教科書).控制木板沒有滑輪的一端墊高一些，使摩擦力得以被平衡，消除其干擾；還要控制小桶(包括其中的沙子)的質量遠小于小車(包括車上的砝碼)的質量，從而可以近似地認為作用于小車上的合力的大小與小桶(包括其中的沙子)的重量相等．對“歐姆定律實驗”也是一樣，要選用電阻溫度系數小的純電阻元器件作為實驗對象，以及控制環境溫度不會發生大的起伏等，這都是不可忽視的需要加以控制的變量．

一些簡單的演示實驗也少不了控制．例如在做“覆杯實驗”時，控制使用的器材，如杯子、紙片等，一定是水可以潤濕的材料做成的，用滿是油污的杯子，或用荷葉代替紙片都會使實驗失敗．

在做“小試管逆流而上的實驗”時，要控制大小試管的內徑，保證將小試管插入大試管時有一個合適的間隙．此外，還要控制小試管插入大試管水中的深度．

如果認為“控制變量”是諸多實驗方法之一，因而稱之為“控制變量法”，那么它必然是只有某幾個或某些個實驗使用，而不是所有的實驗都使用.事實是所有的實驗都少不了控制，這還能說控制變量是“一種”實驗方法嗎？

上述“歐姆定律實驗”和“牛頓第二定律實驗”(以及類似的其他實驗)使用的方法屬于“單因子(或稱‘單因素’，下同)”實驗，也就是有兩個因子(自變量)影響我們要觀察的實驗結果(因變量)，先使一個恒定，研究另一個的影響，然后再使后一個恒定，研究前一個的影響.其實兩個因子一起研究(雙因子或多因子實驗)也是有的，對于“歐姆定律實驗”和“牛頓第二定律實驗”也不是不可以，同樣可以得到應有的結論，電荷相互作用的庫侖扭秤實驗不就是兩個電荷量都改變嗎？

如果操縱控制一個因子的實驗叫做“控制變量法”的話，那么操縱控制兩個(或多個)因子的實驗是否也應叫做“控制變量法”？如此說來還有不是“控制變量法”的實驗嗎？

實驗就是由控制變量搭建起來的.什么時候說“控制變量”都沒錯，筆者質疑的是把“控制變量”作為諸多實驗方法中的一種方法，并命名為“控制變量法”！

“控制變量法”之說現在如此風傳，從百度上可以“找到相關結果約1 890 000個”(截至到2013-3-2)，看來勢不可擋(筆者的這篇文章大概會少有人認同)，但是卻不見于經典，就連現行的人教版初高中物理教科書中講到“第二定律”和“歐姆定律”的實驗章節都沒“控制變量法”一詞的蹤跡.難道不值得三思嗎？

2 控制是實驗的靈魂沒有控制就沒有實驗

前些年筆者在某市聽過一次公開課，講的是初中物理“比熱容”，在實驗室上的，全班五十多人，兩人一組做實驗.實驗的方法是：兩個試管分別裝有等量的煤油和水，置于三腳架上的石棉網上，下面用酒精燈加熱．本來是要觀察在加熱時間長短相同的情況下，煤油的溫度比水的溫度升高得多，從而引入“比熱容”概念．然而實驗結果卻與預料的大相徑庭，結果是煤油的溫度比水的溫度升高得少的小組不在少數，相差不多無法下結論的還有一些．

所以會出現事與愿違的結果，其原因就在控制．這個實驗源于很久以來教科書上的實驗，教科書使用兩個燒杯盛煤油和水，量比較大，實驗用時較長；分別用兩個酒精燈加熱，火焰不易調節得一樣.改用試管盛煤油和水，量可以減少，省時；用一個酒精燈，免去了調整．

殊不知實驗的對象是“煤油和水”，用試管盛裝少量的煤油和水必定使構成試管的玻璃對煤油或水的比例增加，這就混淆了實驗的對象究竟是煤油和水，還是玻璃.干擾因素沒有得到很好的控制，觀察到的溫度變化究竟主要是哪種物質溫度變化也就分不清了．在不同的小組試管中煤油或水與試管玻璃的比例也有不同．此外，實驗中的加熱方法也無法控制煤油和水得到的熱量相等．這個實驗完全失去了控制，不能成為實驗.

從以上討論可以看出，控制乃一切實驗立足的條件，是靈魂，是生命.實驗就是由控制變量搭建起來的，對于一切實驗沒有控制就不能成為實驗，絕不是諸多實驗方法之一.