從3個變量出發解決實驗探究問題*

籍金艷 徐立鵬

(北京交通大學附屬中學 北京 100081)

(北京教育學院 北京 100120)

實驗探究類問題的解題思路非常明確，學生的問題也很明顯，主要是分不清自變量、因變量和控制變量，所以在做題時會出現各種各樣的問題.針對學生的問題，教師需要給學生搭好臺階，每一步臺階都要讓學生踏踏實實掌握，才能幫助學生順利解決問題.“教師在中學物理教學中落實核心素養的培養目標需要具體、有效的途徑.”[1]本文中將會具體介紹解決實驗探究題的有效途徑.不管哪種類型的實驗探究題，都要從真正理解3個變量開始.“科學家們通常把原因變量叫做自變量，就是你在實驗中有目的地控制和改變的變量.”“結果變量叫因變量，就是你在實驗中測量的變量，因變量的變化依賴于你所改變的變量(自變量)的變化.”“控制變量(又稱無關變量)是指在實驗過程中需要保持不變的物理量.”[2]接下來將分別介紹3種類型的實驗探究題的解題思路.

1 提出可探究的科學問題的解題思路

以2021年北京中考物理試卷第18題為例.

【例1】小麗在中國科技館“會發電的衣服”的展臺區，進行了如下探究實驗：用腳踩動踏步機踏板，帶動發電纖維抖動，LED燈被點亮；增大踩動踏板的速度，發現被點亮的LED燈的數目增多.請你根據小麗的實驗步驟及現象，寫出她所探究的問題.

“一個可探究的科學問題可以有不同的陳述方式，常見的陳述方式有下列3種.方式一：某個變量影響另一個變量嗎？方式二：如果改變某個變量，另一個變量會怎樣變化？方式三：一個變量跟另一個變量有關嗎？”[3]秦曉文老師的書中已經對這類問題講解得非常詳細了.但實際上，作為教師，如果僅僅強調以上3種提問方式，學生可能會記住形式，但是通常還會把自變量和因變量弄混淆，或者根本不會區分哪個是自變量，哪個是因變量.即使對初二的學生不斷強調自變量影響因變量，他們在具體做題時，還是會經常出錯.所以，要幫助學生順利解決這類問題，可以分步驟講解.

(1)讓學生真正理解3個變量的意義

突出自變量是原因，是要改變的物理量，這種改變是人為的、主觀的改變.因變量是結果，是由自變量的變化引起的，這個結果量是要通過測量來比較的，要不斷跟學生強調其中的邏輯關系.“概念規律革新過程中大量的事例能夠生動說明模型建構、邏輯推理、解釋論證等科學思維特質，教學時可結合概念規律的革新過程使學生提升科學思維.”[4]所以，還需要多舉一些例子讓學生明白這種邏輯關系.我們經常舉的例子就是：“小明的心情與天氣有關”，或“天氣越好，小明的心情越好”.沒有人會說：“天氣與小明的心情有關” ，在這一例子中，顯然天氣是原因，小明的心情是結果.可能這個例子不是很恰當，但是可以幫助學生迅速明白其中的邏輯關系.這樣，學生對于自變量和因變量的認知就會深入一些.在具體問題的解決中還需要一再強調原因變量是誰，結果變量是誰，不斷給學生強化這種邏輯關系.還可以告訴學生：“改變”的那個量就是自變量，“改變”體現在題中通常是“改變”“增大”“減小”等字眼.這樣學生通過讀題，就能迅速發現“踩動踏板的速度”是原因，是自變量；“點亮的LED燈的數目”是結果，是因變量.還可以找到題中“增大踩動踏板的速度”這個信息，迅速定位“增大”后邊的量 “踩動踏板的速度”是自變量，因變量就是“被點亮的LED燈的數目”.

(2)轉變提問形式

3種提問形式分別轉變為：①自變量影響因變量嗎？②如果改變自變量，因變量會怎樣變化？③因變量跟自變量有關嗎？

(3)根據找到的自變量和因變量，套進3種提問方式即可

上述可探究的科學問題可以有3種問法：①踩動踏板的速度影響被點亮的LED燈的數目嗎？②如果改變踩動踏板的速度，被點亮的LED燈的數目會改變嗎？③被點亮的LED燈的數目跟踩動踏板的速度有關嗎？

對于初中的學生而言，教學中，引導學生在識別以上不同提問方式的基礎上，重點落實第3種提問的方式.如果沒有側重，落實各種方式的表述，容易引起學生的思維或表達混亂.在日常教學中，我們反復給學生強化以上解題思路，使學生更容易分清楚自變量和因變量的區別以及準確提出可探究的科學問題.

2 評估類實驗解題思路

2.1 例題展示

以2021年北京中考物理試卷第22題為例.

【例2】小圓想探究通過導體的電流與導體的電阻之間的關系，他利用干電池、電流表、電壓表、多個阻值不同且已知的定值電阻、開關及導線，設計了如圖1所示的電路.實驗中，他將定值電阻R接入電路中，讀出相應的電流表的示數并觀察電壓表的示數，記錄實驗數據.將R換為不同阻值的另一個電阻后，小圓觀察到電壓表的示數增大了.小圓意識到自己的實驗設計不能實現探究目的.

圖1 探究I與R關系的電路圖

(1)請你寫出小圓的實驗設計不能實現探究目的的原因：____________；

(2)請你畫出能夠實現探究目的的電路圖(可以添加適當的實驗器材)；

(3)依據你設計的電路圖，針對小圓不能實現探究目的的原因，寫出操作的方法.

2.2 解題思路

(1)明確探究問題

本題中探究的是通過導體的電流I與導體的電阻R的關系.

(2)確定3個變量

在探究問題中，明確尋找自變量、因變量的一般方法.探究A與B的關系時，A是因變量，B是自變量.也可以認為“與”字后邊是自變量，“與”字前邊是因變量.本題中自變量為電阻R，即實驗中要改變的物理量.如何改變呢？——換不同阻值的電阻.因變量為電流I，可能會隨著自變量的改變而改變(電流表測量).控制變量為電阻兩端的電壓U，是實驗中需要控制不變的物理量.如何控制不變？——用電壓恒定的電源或調節與之串聯的滑動變阻器.

(3)結合3個變量的特點去題中找對應的信息

通常評估類實驗問題出在兩方面：①該改變的自變量沒有改變；②該控制的控制變量沒有控制不變.再結合各變量的特點去找對應信息.具體分析如下.

自變量R是否改變.題中明確指出“將R換為不同阻值的另一個電阻”，所以，自變量改變了，正確.找到問題之后，剩下的問題就迎刃而解了.

控制變量為電壓U，是否控制不變.本次中并沒有強調恒壓電源，干電池的電壓是會改變的，所以問題就找到了.小圓的實驗設計不能實現探究目的的原因就是：沒有控制電阻兩端電壓不變.

2.3 例2答案

2.1中例2答案為：

(1)不能控制電阻兩端的電壓不變；

(2)畫出電路圖如圖2所示.

圖2 設計正確的電路圖

(3)更換不同阻值的電阻后，調節滑動變阻器滑片P，使電壓表的示數與上次示數相等.

評估類實驗要跟學生強調從兩個方面來考慮：自變量是否改變和控制變量是否控制不變，通常存在的問題都在這里.所以還是要不斷地跟學生強化自變量和因變量的區分，只有讓學生從根本上理解這些變量的特點，才能幫助他們熟練解決問題.在學生掌握了解題方法后，再給他們提供對應的題型多加練習，慢慢就能讓學生熟練掌握.

3 設計類實驗解題思路

3.1 設計類實驗例題展示

對于設計類實驗題，我們通常會給學生搭臺階，從填寫關鍵步驟，逐步過渡到學生自主完成所有實驗步驟，一步步引導學生按照正確的解題思路思考問題和解決問題.具體設計如下.

【例3】實驗桌上有如下器材：符合實驗要求的電源一個、電流表和電壓表各一只、滑動變阻器一個、阻值已知的定值電阻一個、開關一個、導線若干.請選用上述器材，設計一個實驗證明：“當電阻保持不變時，該電阻消耗的電功率與通過該電阻電流的平方成正比.”

(1)請在虛線框內畫出實驗電路圖.

(2)將實驗步驟補充完整.

①將電壓表、電流表________，斷開開關S，按________，將滑動變阻器滑片調至阻值______位置.

②閉合開關S，調節滑動變阻器的滑片到適當位置，用電壓表、電流表分別測出定值電阻兩端的電壓U和通過該電阻的電流I，將U和I的數據記錄在表格中；

③________________________

④仿照步驟③再做4次實驗，每次改變滑動變阻器滑片P的位置，用電壓表、電流表分別測出定值電阻兩端的電壓U和通過該電阻的電流I，將U和I的數據記錄在表格中；

⑤計算出各次電流的平方值________，利用公式________分別計算出定值電阻消耗的功率P，將I2和P的數據記錄在表格中.

(3)設計實驗數據記錄表格.

3.2 解題思路

(1)明確探究問題

當電阻R保持不變時，該電阻消耗的電功率P與通過該電阻電流的平方I2成正比.在這里可以要求學生把對應的物理量符號寫出來，更加簡潔明了.

(2)確定3個變量

自變量(“與”字后邊的物理量)：電流的平方I2(電流表測量I，再計算得到I2)；因變量：電功率P(根據P=UI得到，需要用電壓表和電流表分別測出U和I)；控制變量：電阻R(用定值電阻R0)結合以上分析，明確電路圖如圖3所示.

圖3 探究P與I2關系的電路圖

(3)具體分析

自變量電流的平方I2要改變，控制變量電阻R又不能改變，所以要通過調節滑動變阻器來改變電流I，從而改變自變量I2.實驗步驟中要體現出來.

3.3 例3答案

(1)實驗電路圖如圖3所示;

(2) 實驗步驟.①調零；電路圖連接電路;最大.②將所測U和I填入表格中.③調節滑動變阻器的滑片到另一位置，用電壓表、電流表分別測出定值電阻兩端的電壓U和通過該電阻的電流I，將U和I的數據記錄在表格中.④仿照步驟③再做4次測量，每次改變滑片位置.⑤I2；P=UI;

(3)記錄實驗數據的表格如表1所示.

表1 實驗數據記錄

老師帶領學生完成第一題后，可以讓學生參照以上做題步驟，自主完成以下題目.

【例4】小夢在初三總復習時認識到，水吸收的熱量可以定量測量了，于是她想重新設計一個實驗證明，水吸收熱量的多少與水升高的溫度有關.圖4是小夢已經設計好的電路，其中保溫杯中裝有質量一定的水、阻值為5 Ω的電阻絲R和數字溫度計的測溫探頭，請利用該電路及秒表，幫助小夢完成實驗設計.請你寫出主要實驗步驟，做出實驗數據記錄表.

(1)明確探究問題.

(2)確定3個變量.

自變量：

因變量：

控制變量：

圖4 探究 Q吸與ΔT關系的實物圖

學生經過分析很快就能確定探究問題為“水吸收熱量的多少Q吸與水升高的溫度ΔT有關”，接著確定3個變量：自變量為水升高的溫度ΔT，怎么得到呢？要用兩次溫度計示數的差值表示，所以還需要測量初溫T初和末溫T末；因變量為水吸收熱量的多少Q吸，怎么測量呢？沒辦法直接測量，所以轉換為電阻絲產生電熱的多少Q放，而電熱Q放同樣沒辦法直接測量，根據公式Q放=I2Rt，保證電流和電阻不變，就可以繼續轉換為加熱時間t的長短，具體分析思路如下：

電熱Q放←Q吸與ΔT有關

↓ ↓

Q放=I2RtΔT=T末-T初

分析后就很容易得到答案：

①閉合開關，測出電流I，并記錄R和I的數據.

②設定水的初溫T初為26.0 ℃，并記錄.當溫度計示數為26.0 ℃時，啟動秒表開始計時，當水溫分別達到28.0 ℃,30.0 ℃時，分別記錄水的溫度T末及相應的加熱時間t.利用ΔT=T末-T初計算水升高的溫度ΔT，并記錄.

③利用Q吸=Q放=I2Rt計算水吸收的熱量Q吸，并記錄.

實驗數據記錄表如表2 所示.

表2 實驗數據記錄

綜上所述，幾乎所有的探究實驗類問題都可以通過分析探究問題、找準3個變量、具體分析從而解決問題.解題的思路非常清晰，但是要學生迅速理解并掌握，還需要教師不斷地解釋3個變量的特點，反復地訓練學生識別3個變量，提供明確的解題思路，并且需要學生進行大量的練習才能熟練掌握.這種教學方法也符合物理教學中培養學生科學思維能力的教學中心任務.由“懂”到“會”到“熟”,最后到“巧”，分別對應著“表象思維”“機械思維”“抽象思維”和“創造思維”[5].從而幫助學生一步步攀登更高的階梯，最終順利解決對應的問題.