對比實驗中的“變”與“不變”

胡東民

【摘要】小學三、四年級的學生初次接觸對比實驗時，強調條件的公平是重中之重。那么，怎樣讓學生喜歡上科學實驗課呢？筆者以為，知道什么是對比實驗，分哪些步驟，掌握好對比實驗中的“變”與“不變”，養成積極思考的習慣，敢于像科學家那樣探索、親歷科學探究的過程，就是最好的答案。

【關鍵詞】接觸對比實驗;經典實驗;設計思路;觀察記錄

對比實驗的教學過程主要有以下5個步驟：提出問題、作出假設、變化條件和不變條件、設計實驗并記錄、實驗結論。通過訓練抓住要領，要求每一個學生都了解掌握對比實驗。

1.尋找適合材料，接觸對比實驗

1.1用簡單材料證明空氣有質量

蘇教版（2019年版）小學科學三年級上冊《熱空氣和冷空氣》一課研究熱空氣的流動，讓學生分組動手試一試，點燃蠟燭升起火焰，把手分別放在蠟燭的不同位置：上方、下方、前面、后面、左邊、右邊。火焰上方的溫度高，而下方的溫度低;前后兩面、左右兩邊的溫度都比上方的溫度低許多。學生們感受到了溫度的不同，初步體驗到熱空氣是往上流動的。

接著我們做空氣受熱上升的實驗來解釋這一現象。

【實驗材料】平衡尺支架、兩個相同的紙杯、細繩、短蠟燭、火柴、溫度計等。

【實驗步驟】平衡尺支架兩端相等的地方掛上同樣大小的紙杯并保持平衡;點燃蠟燭給其中一個紙杯加熱，然后快速拿掉蠟燭。這時我們發現被加熱的紙杯一端向上翹，未受熱的紙杯一端向下沉，平衡尺變得不平衡了。

【實驗證明】有熱空氣的紙杯一端會上升，同體積的冷空氣比同體積的熱空氣重。使用溫度計測出實驗時室溫為21丈，加熱后紙杯里的溫度為28丈，把手指放進去感覺微微有些熱度。平衡尺由平衡到不平衡，是因為一個紙杯加熱，一個紙杯不加熱，從而得出空氣是有質量的。

【實驗結論】未加熱紙杯前，兩個紙杯處于平衡狀態;加熱其中的一個紙杯后，兩個紙杯不平衡了。

在古代，人們一度認為空氣是沒有質量的。科學家伽利略做了一個實驗：用氣泵向一個敞口大玻璃瓶中盡可能多地注人空氣，并用膠塞封住瓶口，借助天平稱出瓶子的質量是多少克。然后把瓶口打開放出空氣再次稱重，發現瓶子的質量減少了。伽利略認為，減少的質量就是把瓶口打開后跑出來的空氣的質量，從而證明空氣是有質量的。這段資料有助于學生了解17世紀伽利略證明空氣有質量的實驗方法，了解科學家為人類所作出的貢獻。蘇教版（2019年版）小學科學三年級上冊活動手冊《空氣有質量嗎》一課的作業是記錄用電子天平測皮球里空氣的質量。學生測出癟皮球的質量為99.73克;充氣20下，皮球和空氣的質量為100.34克;充氣30下，皮球和空氣的質量為100.42克。通過比較得出：充氣越多，皮球和內部空氣的總質量越大，進一步說明空氣是有質量的。

1.2研究紙的吸水性和結實程度的對比實驗在做不同類型紙的吸水性和結實程度的對比實驗中，首先要認識不同紙的特點和用途，其次研究紙的不同性質，最后完成實驗記錄單。我們選擇宣紙、報紙、牛皮紙和封面紙這四種不同的紙來進行實驗探究。

研究吸水性時，將這四種紙裁成邊長相同的正方形，光滑面朝上放好，然后在每種紙上滴一滴含有紅色素的水，觀察水在紙面上的擴散情況。在學習對比實驗中，滴水的多少必須相同，這意味著對實驗條件的控制，變化的條件只有一個，其余的條件保持不變。通過實驗結果，我們知道水在宣紙和報紙上的擴散面積大，說明宣紙和報紙吸水性強;水在封面紙和牛皮紙上的擴散范圍小，說明封面紙和牛皮紙吸水性差（見表1）。若要做不滲水的紙船，便應選擇封面紙或牛皮紙，因為封面紙和牛皮紙的吸水性差，不會輕易被滲透。

研究紙的結實程度時，因紙有縱向和橫向之分，我們選擇把四種紙按照縱向裁下兩條長、寬一樣的紙條，相互鉤住往后拉一拉、扯一扯，看看哪種紙不易斷。封面紙和牛皮紙比賽，封面紙更結實些;牛皮紙和報紙比賽，牛皮紙更結實些;報紙和宣紙比賽，報紙更結實些。通過勝負結果得知，封面紙和牛皮紙結實程度較強;報紙和宣紙的結實程度較差，其中封面紙的結實程度最強，宣紙的結實程度最差（見表1）。若選擇紙張做不滲水紙船，結實程度也是需要考慮的要素之1。

1.3學習對比實驗，條件公平結論才準確

進行對比實驗，需要選擇身邊熟悉的、適合的材料來比較。我們用可直立的透明塑料瓶做雨量器，做出來的雨量器大小不一樣，測一測雨量，能行嗎？答案是可以的。因為標準是統一的，大小不同的雨量器都是用量筒倒水來確定刻度，完全可以使用它們測量出較為準確的降雨量結果。在對比實驗中，教師要幫助學生認識到條件公平、因素關聯是關鍵，引導他們認識到實驗現象、結論和實驗條件之間的關系，找準實驗的不同條件。條件控制是對比實驗的重點，一方面是指嚴格控制相同條件，保證其不對實驗現象造成影響;另一方面是指設置對比度明顯的不同條件，以擴大實驗現象的差異，確保結論與現象之間的關聯[1]。條件公平方可進行對比實驗，不變條件必須保證相同，變化條件只有一個且需拉開一定的差距，這樣得出的實驗結論可信度才高。

2.從經典實驗中，認識對比實驗

蘇教版（2019年版）小學科學三年級上冊《把鹽放到水里》一課中，鹽在水中溶解的實驗安排了以下兩個活動。

活動一：把沙子、鹽放人水中，觀察現象。這個活動既回顧溶解與不溶解的概念，又為下一個活動作鋪墊。

活動二：探究鹽溶解的快慢與什么因素有關，并通過讓學生思考為什么要用相同體積的水和相同質量的鹽，初步學習對比實驗的方法。

水的溫度影響鹽在水中溶解的情況，是個經典的對比實驗。水的溫度不同，相同體積的一杯熱水和一杯冷水，這是“變”，相同體積的水和相同質量的鹽是“不變”。水溫對鹽在水中溶解速度的影響是該對比實驗中的變化條件，這個變化條件要拉開水溫變化的范圍，結論才明顯，所以控制“水溫差距”這個變量十分關鍵。從這里開始，學生將要學習用定量的方法一步步地做實驗。注意：實驗時，需等待一段時間才能觀察到實驗效果。

教師根據實際情況，對“攪拌和不攪拌也能影響鹽在水中溶解的快慢”和“鹽的顆粒大小也能影響鹽在水中溶解的快慢”這兩個對比實驗，一方面及時為學生提供指導與幫助;另一方面鼓勵學生針對自己的假設進行探究，確保實驗有序、規范、嚴謹。

3.根據問題假設，設計對比實驗

蘇教版（2019年版）四年級下冊專項學習“像科學家那樣……”研究擺的快慢與什么有關時，學生提出假設并說明理由，教師板書一一呈現學生的觀點。大致有以下幾種假設：

可能與擺長有關，擺線越長，擺得越慢;

可能與擺重有關，擺重越重，擺得越快;

可能與擺角有關，擺角越大，擺得越快……

師生一起根據假設設計思路來做實驗。

問題：擺的快慢與擺線的長短有關嗎？

假設：擺線越長，擺動越慢;擺線越短，擺動越快。

不變條件：擺角不變，擺錘不變（一個50克鉤碼當擺錘）;

改變條件：改變的是擺線的長短（擺線30厘米和擺線15厘米）。

結論：擺線越長，擺動越慢;擺線越短，擺動越快。

設計實驗是做好變量控制實驗的前提，包括任務單的設計，任務單有利于學生在研究過程中迅速找到影響事物發展變化規律的原因。教師如果可以巧妙設計任務單并加以適時運用，就能發揮良好的支架作用，發揮學生學習的自主性，讓他們更輕松地理解變量控制實驗的內涵，掌握變量控制實驗的設計方法[2]。改變擺線的長短，而擺角的大小、擺錘的質量大小保持不變。把變量掌握好，相同條件保持得越苛刻，結論就越準確。

擺的快慢與擺線的長短有關，那么擺的快慢與擺錘的質量大小有關嗎？一起動手做實驗。質量小的物體用一個50克的鉤碼，質量大的物體用兩個50克的鉤碼，這樣擺錘的質量大小就容易區別開了。擺錘的質量大小是“改變條件”，即為“變”;擺線的長度30厘米、擺角的大小是“不變條件”，即為“不變”。特別提醒：兩個鉤碼要并排放，不能串起來放，以保證固定點到重心點擺線為30厘米的條件不變。在對比實驗中，30厘米長的一個鉤碼用的是同一數據，所以只需測量兩個鉤碼的數據。

在擺角大小的對比實驗中，我們設置：位置1，擺角大點兒;位置2，擺角小點兒。注意：擺角幅度不宜過大（見圖1）。

問題：擺的快慢與擺角的大小有關嗎？

假設：擺角越大，擺動越快;擺角越小，擺動越慢。

不變條件：擺線不變，擺錘不變（用一個鐵球當擺錘）;

改變條件：改變的是擺角的大小（標注擺錘的起始點1和2的位置，位置1擺角大，位置2擺角小）。

通過做以上擺的對比實驗可知，只有擺線的長短影響擺的快慢。擺線越長，擺動越慢。擺錘的質量大小和擺角的大小都不會影響擺的快慢。

4.做對比實驗，學會觀察記錄實驗內容

學會觀察記錄實驗內容也是對比實驗必不可少的要素之一。蘇教版（2019年版）四年級上冊《摩擦力》一課中的五個對比實驗，要求學生觀察記錄、合作探究，完成對比實驗活動。

4.1實驗一

【實驗名稱】研究摩擦力大小與接觸面粗糙程度是否有關。

【實驗材料】5N測力計、鉤碼盒和4個相同鉤碼、牙簽繩扣、砂皮紙、實驗設計和記錄表、尺子等。

提醒：以砂皮紙兩端為起點和終點，拉動物體，測出摩擦力的大小。

注意：測力計要慢慢水平均勻拉動，切忌拉得太猛。

4.2實驗二

結論：在水平面上運動的物體，在相同平面上拖動不同質量的物體時，物體的質量小，摩擦力小;物體的質量大，摩擦力大。

4.3實驗三

【實驗名稱】研究如何減少液體的阻力。

【實驗材料】橡皮泥、大塑料瓶、洗潔精、細繩牙簽、直尺、秒表等。

結論：流線體橡皮泥模型的下沉速度快，所受到的阻力小;球體橡皮泥模型的下沉速度慢，所受到的阻力大。

4.4實驗四

結論：正方體橡皮泥模型的下沉速度慢，所受到的阻力大;錐體橡皮泥模型的下沉速度快，所受到的阻力小。

4.5實驗五

【實驗名稱】如何減少物體在空氣中運動時所受的阻力。

【實驗材料】兩張A4打印紙、秒表、尺子等。

結論：火箭形狀的紙飛機所受到的阻力比平頭形狀的紙飛機所受到的阻力小，下降速度就快。

5.結語

以上對比實驗，只有教師指導并參與，學生親歷過程，反復實驗求得結論，才會有更大的收獲。

在對比實驗的探究過程中，需要關注細節。例如，在空氣受熱上升的實驗中，為防止紙杯被點燃，杯底和火焰之間應有間隔;在不同紙的結實程度的對比實驗中，應準備大小相同的紙張，按同一方向裁剪;在研究擺的快慢與什么有關的實驗中，應注意擺動的幅度不宜過大;應選擇50克的標準鉤碼作擺錘，繩子用雙股更利于實驗操作，等等。

學生應認真地對待科學實驗課，利用簡單的材料進行實驗，掌握對比實驗中根據探究問題作出假設、設計實驗步驟、控制實驗中的“不變因素”和“可變因素”等各項技能，經歷完整的科學探究過程，提升科學探究水平。

（本文作者系安徽省績溪縣實驗小學一級教師）參考文獻：

[1]楊彬彬.小學科學實驗類型及教學策略[J].湖北教育：科學課，2018（5）.

[2]司徒敏.變量控制實驗的任務單設計[J].湖北教育：科學課，2018（3）.