控制變量思想在化學教學中的滲透

陳冬梅+趙玉峰

摘 要： 控制變量是一種重要的科學研究方法，本文在化學教學層面上，介紹控制變量思想的滲透途徑，包括教材中挖掘、創新演示實驗、研究性學習等。

關鍵詞： 控制變量 化學教學 滲透方法

影響事物變化的因素多種多樣，在研究和解決問題時，對影響事物變化規律的因素加以人為控制，只改變其中的某一個因素，從而研究這個因素對事物的影響，這種方法叫控制變量法。它是科學研究中的重要思想方法，廣泛地運用在各種科學探索和科學實驗研究之中。在多因素、多水平的實驗中，實驗者通過多維度變成單一維度，化繁為簡，探究各種變量之間的因果關系、關系大小與類型，其結果有利于實驗條件的選擇、操作、控制和優化。

控制變量在中學化學教學中有一定要求，如《義務教育化學課程標準（2011版）》發展科學探究能力中要求“根據所要探究的具體問題設計簡單的化學實驗方案。具有控制實驗條件的意識”。《普通高中化學課程標準》化學實驗基礎內容標準中要求“初步認識實驗方案設計、實驗條件控制、數據處理等方法在化學學習和科學研究中的應用”。實驗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；美國科學促進會制定的科學過程技能則明確有“確定和控制變量”①。

在化學教學中，滲透控制變量思想有非常重要的現實意義，能使學生更好地通過實驗學習并理解化學知識，認識并體驗控制變量在科學研究中的意義，初步體驗控制變量的方法。

1.教材中挖掘——初步認識控制變量思想

化學教材中相關實驗或材料里蘊含控制變量細想，在教學中，教師應該適時指導學生初步認識控制變量思想。

1.1化學反應需要控制反應條件

許多化學反應需要一定的條件，在不同的條件下，有不同的反應現象和反應本質。只有對化學實驗條件進行嚴格、有效的控制，才能獲得化學科學事實，取得重大發現，正是從這種意義上說，沒有化學實驗條件的控制，就沒有化學實驗科學。如鈉與氧氣在常溫和加熱條件下的不同反應、銅與稀硝酸和濃硝酸不同的反應、鋁與稀硫酸和濃硫酸的不同現象，等等，有機化學反應更需要控制條件。

1.2一些化學基本概念或原理的建構過程滲透著控制變量思想

如蘇教版化學1關于物質的聚集狀態有如下表格：

表1-4 1mol物質的體積

說明：固體、液體密度均為193K時的測定值，氣體密度為1.01×10■Pa、273K時的測定值。

表格中數據意圖通過學生的計算并比較、歸納出一定條件下，等物質的量的固體、液體、氣體物質體積大小的差異；得出在標準狀況下1mol任何氣體的體積都近似等于22.4L的結論；并思考影響物質體積的可能因素，解釋上述計算結果。雖然主體是表格計算與比較，但前提條件（“1mol”，“氣體密度為1.01×10■Pa、273K時的測定值”）很重要，沒有這兩條件的限制，所計算的數值和基于計算得出的結論都是有欠缺的，特別是對22.4L·mol■的理解與應用有重要意義。

又如蘇教版化學2化學反應速率課題的活動與探究更體現控制變量思想。

完成下列試驗，分析影響過氧化氫分解速率的因素。

【實驗1】取兩支大試管，各加入5ml12%的過氧化氫溶液（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生的變化。

【實驗2】取兩支大試管，各加入5ml4%的過氧化氫溶液，用藥匙向其中一支試管中加入少量二氧化錳粉末，觀察發生的變化。

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

影響化學反應速率的因素很多，三組實驗中各改變一個因素（實驗1改變溫度、實驗2加入催化劑、實驗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得很明確，基于這樣的實驗得出的結論也相當可靠。

教材中控制變量思想的挖掘需要教師的點撥，需要教師引導學生進行控制變量思想的反思，使隱含的控制變量思想顯露出來，易于被學生認識并理解。

2.創新演示實驗——感悟控制變量的意義

化學教學中，運用控制變量思想改進或創新實驗，可以使學生更好地理解化學基本概念、基本原理、基本反應的本質。

蘇教版化學1物質的分散系中安排了這樣的實驗：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驗現象。這實驗非常簡單明了地比較了溶液和膠體的性質之一，膠體能產生丁達爾效應，而溶液不能；這實驗使學生感受到丁達爾效應是鑒別溶液和膠體的一種重要而簡單的方法。但對于是否有丁達爾效應與分散質粒子直徑大小之間的本質聯系學生不是很清楚。我們可以創新演示實驗，通過控制變量的思想使學生更清楚不同分散系及其性質的本質區別。例如：

【實驗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。觀察現象。

【實驗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驗現象。

【實驗3】將第3支試管中的混合物過濾，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驗現象；再將濾液置于半透膜中進行滲透，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驗現象。

實驗1控制反應物之一AgNO■溶液的用量使產生微量或大量AgI，微量AgI分散于分散劑中所形成的分散質粒子較小，表現為肉眼觀察較澄清，但有丁達爾效應，而大量AgI聚集產生的分散質粒子較大，表現為肉眼觀察渾濁，光透不過，且無丁達爾現象；不加AgNO■溶液的試管作為空白對照實驗，透明，沒有丁達爾效應；實驗3將沉淀進行過濾、濾液進行滲透，濾紙和半透膜的孔徑不同，相當于改變了分離“設備”的孔徑這一變量，進而控制了分散質粒子直徑，光照所觀察的現象隨之變化。通過這樣的實驗改進，學生能深刻理解不同分散系中分散質粒子直徑大小的不同及其對性質的影響，也能感悟到控制變量對科學知識的獲得與理解的意義。

3.研究性學習——體驗控制變量的方法

研究性學習是提高學生科學素養，形成科學方法的重要舞臺，自然也是體驗控制變量方法的重要舞臺。

筆者在蘇教版化學2“化學能轉化為電能”教學中設計了開放的實驗，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、小燒杯、導線若干，讓學生小組實驗組裝探索原電池的形成條件。最后總結時，經過題型，學生發現不同電極不同溶液組合時電流計指針偏轉幅度不同。于是提出這樣一個問題：影響電流強度（或者電壓）的因素有哪些，有怎樣的內在聯系？課后學生發揮想象、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。隨后設計了相關實驗，部分如下：

（1）在2mol·L■稀硫酸中插入下表中電極組，測定其兩極電壓。

（2）在2mol·L■稀硫酸中插入下表中電極組，測定其兩極電壓。

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

雖然學生設計實驗時沒有兼顧各種變量的嚴格控制，比如溶液體積多少、電極插入溶液中的深淺與間距控制，實驗中也沒有考慮到電解質溶液的種類的影響，但重要的是學生確實運用了變量控制的思想，體驗了控制變量的方法。

控制變量是認識事物本質的一種重要方法，廣泛應用于各種科學實驗。在化學教學中，學生控制變量意識，不僅體現在觀念層面，認識到控制變量對化學科學研究和化學學習的重要性；更重要的是要體現在實踐層面，學習和運用控制變量的方法。控制變量思想在化學教學中的滲透還有其他途徑，如化學史料、化學習題。

注釋：

①[美]帕迪利亞（Padina，MJ.），主編.華曦，譯：科學探索者：物質構成.杭州：浙江教育出版社，2003：148.

參考文獻：

[1][美]帕迪利亞（Padina，MJ.），主編.華曦，譯：科學探索者：物質構成.杭州：浙江教育出版社，2003.

[2]王莉梅.中學化學實驗教學中科學方法教育的探索[D].新疆師范大學碩士學位論文，2007.

[3]夏時君.控制變量法在高中化學探究中的運用[J].實驗教學與儀器，2011，7/8：74-76.