從“控制變量法”看物理教學中對學生物理核心素養的培養

唐平

新一輪課程改革明確提出將“發展學生核心素養”作為進一步推進課程改革的關鍵環節。“核心素養”目標也是對以前三維目標的進一步明確表述，而且更直指教育的根本目的就是立德育人。因此，突出“學生為主體、教師為主導”的探究性教學方法，應是課堂教學的主線。

“物理核心素養”是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應學生終身發展和社會需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特點的品質，是學生科學素養的重要構成。物理核心素養主要由“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”、“科學態度與責任”四個方面構成。物理學是一門以實驗為基礎的科學，同時也是一門帶方法論性質的科學，由此決定了物理學習的特點：觀察和實驗是物理學習的基礎;形成物理概念，掌握物理規律，建立物理觀念是物理學習的核心，科學方法是物理學習的手段。

如何利用控制變量法進行探究學習，培養學生的物理核心素養呢？

控制變量法的概念

自然界的各種現象往往是錯綜復雜的，并且被研究對象往往不是孤立的，總是處于與其他事物的相互聯系之中，因此影響研究對象的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，單靠自然條件下整體觀察研究對象是遠遠不夠的，還必須對研究對象施加人為的影響，造成特定的便于觀察的條件。例如電學中研究電流、電壓、電阻的關系，我們知道電壓是形成電流的原因，而電阻是導體對電流的阻礙作用。導體電阻與導體的長度，橫截面和材料有關。這個問題的研究存在兩個關鍵部分，一是我們目標是探索電流與電壓、電阻的規律，二是影響電流的因素不只一個量而有諸多因素，一是電壓（U）二是電阻（R），我們在研究三者之間的關系時。實驗采取控制電阻（R）不變、研究電流與電壓的關系。然后再控制電壓不變、來研究電流與電阻的關系。這種研究的對象（電流）同時受二個或二個以上的物理量的影響（電壓、電阻）我們人為的控制其中的一些物理量，使它們不變，來研究另外兩物理量之間的關系，這種方法就是物理實驗上的控制變量法。

控制變量法的作用及其意義

物理實驗過程中，控制變量法是一種最常用，非常有效的探索物理規律的科學方法。例如，在引導學生探究導體的電阻大小同導電體的哪些特性有關，可先有意將橫截面積、長度都不同一根鎳路合金絲和一根銅絲分別串入接小燈泡的直流電路中，讓學生觀察燈泡發光的亮度，并問學生：剛才的實驗的實驗現象能否說明電阻大小與導電體的某個特性有關？學生經過思考與討論，得到結論當然是否定的。再用橫截面積和長度都不同的兩根鎳鉻合金分別串入上述電路中中，觀察小燈泡的亮度，并讓學生思考這個實驗能否說明電阻大小同導電體的某種特性有關，結論同樣是不能。這時就可不失時機地問學生：“那么應該取兩根金屬絲串入上述電路中做這個實驗以研究電體的電阻大小與哪些因素有關呢？同時向學生出示課前準備好的幾根金屬絲讓他們選擇。學生經過思考并相互討論后，有的回答：應取兩根截面積相同，但長度不同的鎳鉻合金絲進行上述實驗;有的同學說：應取兩根長度相同，但截面積不同的鎳鉻合金絲進行上述實驗;還有說應取長度、橫截面均相同的一根鎳鉻合金進行實驗比較。這時教師適時指出上述幾中方法都以，同時指出更研究電阻的大小同導電物質的長度、橫截面積、材料種類這三個因素任何一個因素的關系，就要人為地控制別個兩個因素，使它們相等，并指出這種實驗的方法就是”控制變量法“，再讓學生設計好實驗步驟系統地進行實驗，最終得出結論，也就是“電阻定律”。

在此實驗中，通過教師引導，學生在學習中體會變量的概念，建立控制變量的實驗意識，在學習過程中獲得經驗，有所領悟，初步形成探索科學的精神和良好的科學品質，同時體驗自身價值和成功愉悅，從而取得更好的學習效果。

在中學物理中有許多概念和規律的探索和推導過程，都運用了“控制變量法”這一個科學方法：例如在研究氣體的溫度、體積、壓強這3個狀態變量之間的關系時，必須設法把決定氣體狀態的一個量或兩個量用人為的方法控制起來，使它保持不變，然后來比較、研究其他兩個變量之間的關系。在進行觀察時，首先把研究對象限定為一定質量的氣體，然后研究在溫度恒定的條件下，它的體積跟壓強的關系，得出了玻意耳定律。如果使一定質量氣體的體積（或壓強）保持不變，研究它的壓強跟溫度的關系（或體積跟溫度的關系），便得出了查理定律了（或蓋？呂薩克定律）。這三個定律都是用控制變量的方法得出的描述一定質量的氣體的狀態量之間的關系的實驗定律，為建立理想氣體模型、推導理想氣體狀態方程提供了可靠的實驗依據。

例如在研究物體的加速度跟所受的外力和物體質量的關系時，也采用了控制變量的方法。如先研究物體質量不變時，在大小不同的外力作用下，物體的加速度跟外力的關系;再研究在相同大小的外力作用下，物體的加速度跟質量的關系。最后得出的結論就是牛頓第二定律。

再如探究影響電流的熱效應的因素、驗證歐姆定律、探究影響電流做功多少的因素、理想斜面實驗、探究影響滑動摩擦力大小的因素、探究影響動能大小的因素、探究影響重力勢能大小的因素等等實驗都采用了控制變量法。

在物理核心素養中，科學探究是一個過程，是學習方式和科學研究方法，是學習物理觀念、發展科學思維、形成科學態度與責任的手段和途徑。同時，也是一種能力，物理觀念、科學思維、科學態度與責任是通過物理學習而形成的核心素養。在物理教學中，應該尊重學科規律，根據不同的知識選取恰當的物理方法，以生為本，充分調動學生的積極性和創造性，進而最大程度提高學生的物理學科素養。