谈初中科学中的对照实验和控制变量实验

庄振海

摘 要:科学教育的目的是提高每一个学生的科学素养,科学素养包含了科学探究(过程、方法与能力),而实验设计作为科学探究的重要步骤,它对学生的学业水平提高、创新能力的培养有着重要意义,更重要的是它能培养学生今后参与社会的能力、深刻理解科学与社会的关系。目前在初中科学中实验设计的主要方法有两个即对照实验和控制变量实验,本文将从两者的定义、设计过程中的难点、区别和联系展开讨论。

关键词:对照实验 对照组 控制变量实验 自变量因变量

初中科学的教材中并没有明确提到对照实验和控制变量实验的定义,但教材中很多方面运用到对照实验和控制变量实验,如生命科学部分有:是什么将蝴蝶吸引到花上去的,食物上滋生微生物的条件(即研究微生物生长与温度的关系、微生物生长与水分的关系),探究唾液淀粉酶分解淀粉的实验,探究种子萌发的条件,温度对酶的活性影响、PH值对酶的活性影响等,物质科学部分有:食盐在水中溶解快慢的影响因素、影响导体电阻大小的因素、研究电压、电阻对电流的影响等。在教学中,笔者经常发现学生很难判断哪个实验是对照实验,哪个实验是控制变量实验,而且在对照实验中,有些学生不能准确地判断对照组和实验组,在控制变量实验中,有些学生不能识别自变量和因变量,不能有效地控制变量,不能把因变量转化为可感知的、可量度的事物、现象或测量方法,而且有相当多的学生在实验设计中,不知道如何用对照实验和控制变量实验,混淆两者。所以在教学中澄清两类实验的定义,突破实验设计中的难点,了解它们之间的联系,辨别两者的区别是非常有必要的。

一、对照实验

1.定义:在浙教版七年级上册课本52页中提到:在实验中应排除实验对象外其他因素的干扰,这就需要对实验条件进行控制。设置对照组是常用的控制实验条件的方法。这段话主要阐明了对照实验的作用,但并非对照实验的定义。查阅有关材料可知,对照实验的定义是为了研究某一因素对一个对象有无影响时,除了对该因素作处理外,其他因素都保持一致,并对实验结果进行对比,这种实验称为对照实验,对照实验有对照组和实验组。

2.常见的对照类型

(1)空白对照:指不做任何实验处理的对照组。如研究唾液淀粉酶分解淀粉的实验中,A、B两试管都有等量的淀粉糊,在A试管中加入2ml唾液,在B试管中加入2ml的清水,其中B试管就是一个空白对照。

(2)自身对照:指实验和对照在同一对象上进行,即不再另设对照组。如探究“蜗牛有视觉吗?”实验中,先让蜗牛在灯光下爬行3分钟后,用书本遮在它的上面,使它的一半身体处于阴影中,观察蜗牛怎样行动?实验结果是爬向阴影部分,结论是蜗牛有视觉。本实验中,实验和对照在同一对象上进行,为了排除无关变量的干扰,创造了光线明暗不同,而其他条件相同的环境,观察蜗牛的爬行情况,从而得出实验结论。

(3)缺因对照:在实验处理中,对照组施以全部实验变量,而实验组除研究的因素外,其余条件与对照组一样。如,在研究种子萌发所需要的环境条件实验中,作出的假设是:种子萌发需要适宜的温度,充足的水分和充足的空气。如果要验证种子萌发需要充足的水分,我们就可以这样来设计实验:取两个培养皿,第一个培养皿中有潮湿的纱布;第二个培养皿中放干燥的纱布,然后各放同种的玉米种子15颗,盖上培养皿的盖子,再放在室温的环境中,7天后观察种子的萌发情况。本实验就是缺因对照,根据实验结果,就可以知道种子萌发需要充足的水分。

(4)相互对照:实验中,不再设对照组,而是利用几个实验组相互对照。如在探究“是什么将蝴蝶吸引到花上去的”中,同学们作出的假设有:可能是花的颜色把蝴蝶吸引到花上去,我们设计的实验方案应是:取若干纸花,它们的颜色不同(有白色、红色、粉红色、黄色、黑色五种颜色),花的大小、形状、气味都相同,然后放若干只蝴蝶,观察蝴蝶在花上的停留情况。在这个实验方案中,不设对照组,所有的各组都是实验组,通过相互对照,就可以知道不同颜色的花对蝴蝶的吸引作用。还有,如果我们要探究酶的最适宜的PH值,我们也可以把实验组溶液的PH值设置为4、5、6、7、8、9等,根据相互对照,即可知酶的最适宜的PH值。

3.对照组和实验组的确定

在确定实验组和对照组时,首先要明确该实验的目的。实验组是针对实验目的来控制,干预研究对象而进行的实验操作,是用来证明假设的,对照组是为了排除其他无关因素或非研究因素的干扰而进行的操作。可见,在空白对照和缺因对照中,实验组和对照组的确定就比较容易,在空白对照中,不加任何实验处理的那一组即为对照组。在缺因对照中,全部施以实验变量的那一组即为对照组,缺乏某一因素的那一组为实验组。在自身对照中要紧紧地抓住实验目的来确定实验组和对照组。如在研究“蜗牛有视觉吗?”的实验中,由于实验的目的是为了验证蜗牛有视觉,就对有光的环境作了处理,让蜗牛的身体一半处于暗环境中,如果观察到蜗牛的爬行情况和原先一样,就能说明蜗牛无视觉,如果蜗牛爬向阴影部分,说明蜗牛的爬行情况发生了变化,从而证明了蜗牛有视觉,极据以上情况,我们就可判断,遮光时为实验组,光照正常时为对照组。在相互对照中,每组之间相互为对照组和实验组,即它们既为实验组,又为对照组。

二、控制变量实验

控制变量实验是指为了研究某一因素对一个实验对象有怎样的影响趋势时,让该因素处于不同水平,其他因素保持不变,通过对比结果,从而得出该因素对实验对象有什么规律的影响。通俗地讲,当某个实验对象受较多因素影响时,为了研究某一因素对实验对象的影响,单凭自然状态下是看不出来的,这时就应该人为地控制其他因素不变,让研究的因素不断地改变,从而找出实验对象受此因素影响的规律。在控制变量实验中,学生要具备以下三种能力:识别变量的能力,根据实验目的辨别自变量和因变量的能力,操作性地定义因变量的能力。那么什么是变量、自变量、因变量?如何操作性地定义因变量呢?所谓变量,是一项实验活动中将会发生变化的事物特征,如在研究电流和电压、电阻的关系中,电压、电阻、电流均是变量,如果要研究电流和电压的关系,我们常做的方法是:控制电阻不变,改变电压的大小来研究电流的变化规律,这时,电压的大小就是自变量,电流的大小就是因变量,由此可见,自变量就是有目的地改变的变量,也可称为“由你改变”的变量,因变量是随着自变量变化而变化的量,即“它自己变”的量。如学生在做研究性学习课题“温度对大米发霉的影响”时,自变量为温度,因变量为霉菌的数量,其他变量还有空气的湿度、空气中O2的含量、大米的干燥程度、大米的种类,这些变量在实验中应予以控制不变,以防止对实验结果的干扰,这些变量又叫控制变量,也称无关变量。在设计控制变量研究的实验中,如何操作性地定义因变量呢?也就是说如何将因变量转化为可感知、可量度的事物、现象和方法,既说明在实验中如何测量因变量,说明需要“做什么”和“怎么做”,这是控制变量实验的一个关键点,它能清楚地让其他人明白你在研究什么,而且这种明确性有助于其他人重复该实验。如在讨论“蜂蜜的粘度与温度有什么关系?”的实验中,我向学生提出:本实验中如何去观察或测量蜂蜜的粘度?在学生思考此问题前我先明确地告诉学生,你得让其他人能照着你说的过程去做,你的操作性定义应该有以下几个特征:①你的方法应该是可观察的、重复的、直接操作的;②你所提示的测量或操作必须可行;③最好能把变量转化成数据形式。经过学生个人思考,师生共同讨论,总结出以下几种方案:

1.用相同的4支胶头滴管,分别吸足20℃、40℃、60℃、80℃的蜂蜜,垂直静置,用秒表测量胶头滴管中蜂蜜滴完的时间,比较时间的长短,时间越长蜂蜜粘度越大。或在胶头滴管垂直静置后,在相同的时间内,观察胶头滴管中剩余蜂蜜的体积,剩余的体积越多,蜂蜜的粘度越大。

2.用4支胶头滴管,分别吸取20℃、40℃、60℃、80℃的蜂蜜,再拿4支相同的试管,倾斜到同一个角度,然后在1号试管口滴一滴20℃的蜂蜜,以此类推,在4号试管口也滴一滴80℃的蜂蜜,用秒表测量蜂蜜流到试管底部所需的时间,时间越长,粘度越大。

3.在20℃、40℃、60℃、80℃的蜂蜜中,放4个大小相同的钩码,然后分别用弹簧秤匀速拉起勾码,读出弹簧秤上的力,力越大,蜂蜜的粘度也越大。

4.也有学生提到,取相同体积的20℃、40℃、60℃、80℃的蜂蜜,放在4个相同的烧杯中,然后在液面处放钩码,用秒表测出钩码沉到烧杯底部所需的时间,时间越长,粘度越大。从以上几个方法中,可以看出学生能用秒表测时间的长短、弹簧秤测拉力的大小、观察体积的多少,来定义蜂蜜的粘度,方法简单,操作方便。

三、对照实验和控制变量实验的联系和区别

这两种实验在初中科学中运用非常广泛,以后也会经常用到。在这两种实验方法中,都需要控制变量,这是它们的共同之处,但两者研究的目的不一样。如,对照实验是研究某因素对实验对象有无影响,而控制变量实验是研究自变量对因变量有怎样的影响,但有时两者也可结合起来使用。如研究“不同程度烟草浸出液对水蚤生命活动的影响”课题中,自变量是烟草浸出液的浓度,因变量是水蚤的生命活动,可用每分钟的心跳次数来表示,也可用单位时间内的水蚤死亡个数多少来表示。具体方案可以这样设计:取蒸馏水、浓度1、浓度2、浓度3的烟草浸出液,把40只水蚤平均分到以上4种液体中,每隔一段时间测量4种液体中水蚤的心跳次数,共进行3次来测心跳。从以上设计中可看出,蒸馏水作为对照组,浓度1、浓度2、浓度3是实验组。通过本实验不仅可以知道烟草浸出液对水蚤的生命活动有无影响,而且通过对比、归纳,还会知道不同浓度的烟草浸出液对水蚤生命活动有怎样的规律性的影响。

参考文献:

1.《中小学科学教学-基于项目的方法与策略》.石磊译.高等教育出版社出版

2.《中学科学教学论》.陈志伟.陈秉初主编.浙江教育出版社

3.《谈对照实验和对比实验》.生物学教学2007年第12期

4.《探究实验中试验组和对照组的确定》.生物学教学2008年第1期

作者单位:温州瑞安市安阳实验中学