初中生过度使用控制变量法的实证研究①

罗国忠

(广西教育学院教研部,广西南宁 530023)

1 问题由来

所谓控制变量法,就是把多因素(多变量)的问题变成多个单因素的问题,逐个研究单个因素对事物的影响,即每次只改变某一个因素,同时保持或控制其他因素不变.控制变量法是科学探究的方法之一,因此我国中学各门理科课程标准都很重视控制变量法,例如初中《物理课程标准》要求学生在制订探究方案时,“尝试考虑影响问题的主要因素,有控制变量的初步意识”[1].这种要求得到了教材编者、评价者和教师等各方面的极大响应,如教材设置了很多仅可用控制变量法进行研究的多因素问题,各种考试也频繁出现这类多因素问题,相应地师生也进行大量的控制变量法训练.笔者认为,对于多因素问题,目前的初中课程、教学和评价过度使用了控制变量法,而忽视了其他探究方法.

实际上,不管是在自然界还是在社会领域中,所发生的各种现象往往是错综复杂的,影响因素在许多情况下并不是单一的,而是多种因素相互交错、共同起作用的.要想精确地把握研究对象的各种特性,弄清事物变化的原因和规律,单靠分离单因素的控制变量法是不够的.Matthews等(2005)指出:控制变量法的缺点在于它没有考虑因素之间相互作用的可能性,假如研究者把注意力局限于任何一个单因素,那么他或是单因素教条理论的牺牲者,或者有限的时间、材料太不允许他关注更多[2].那么,在目前过度使用控制变量法的情况下,学生主要采用什么方法探究多因素问题?本研究通过实证来回答这一问题.

2 研究方法

2.1 测评对象

在广西某市选取两所教学质量较好的初中学校,以两校的全部初三学生1272名为测评对象.

2.2 测评材料和测评过程

设计了下列3个探究任务,其中物理、化学和生物各1个.

(1)把空心管子用来做承重横梁时,其承受力与管子直径有什么关系?请你制订一个探究方案,方案可以用到你能想到的任何器材.(物理问题)

(2)淀粉的消化率与唾液的温度、PH值有什么关系?请你设计一个探究方案,方案可以用到你能想到的任何器材.(生物问题)

(3)铁生锈是否与干燥空气、纯水(不含空气)有关系?(说明:干燥空气和纯水混合可得到普通水).请你设计一个探究方案,方案可以用到你能想到的任何器材.(化学问题)

测评时,学生已进入了第一轮中考复习,而且测评内容与中考相关,因此师生都很乐意参加测评.以班为单位进行测评,要求每个学生在45分钟内独立制订探究方案,并写在纸上,然后由4名教师进行编码分析、归类.

3 结果与讨论

3.1 任务(1)的探究方案

(1)没有控制任何相关自变量,约占45%.如“把不同重物挂在不同直径的管子中间,看哪个管子容易折断”.在这个方案中,相关自变量只有直径,没有其他相关自变量.

(2)控制了一个相关变量,约占35%.如“用相同长度,但直径不同的管子,把不同质量的重物挂在管子中间”、“用相同厚度,但直径不同的管子,把不同质量的重物挂在管子中间”、“用相同质量,但直径不同的管子,把不同质量的重物挂在管子中间”等等.在这些方案中,分别出现了长度、厚度、质量等相关自变量,但探究任务没有明示或暗示这些相关变量.

(3)控制了两个以上相关变量,约占16%.如“用相同长度、质量,但直径不同的管子,把不同质量的重物挂在管子中间”、“用相同长度、厚度,但直径不同的管子,把不同质量的重物挂在管子中间”.在这些方案中,同时控制长度和质量、长度和厚度等学生构想出来的相关自变量.

与方案(1)相比,方案(2)、(3)运用了控制变量法,而且方案(3)比方案(2)控制了更多的可能相关自变量.但是,方案(2)、(3)仍然有问题,即不管是控制了一个相关变量,还是两个相关变量,仍然不能控制其他相关变量.例如,如果改变管子直径,控制长度和质量不变,那么管壁厚度就要发生变化;同样,如果改变管子直径,控制管壁长度和厚度不变,那么质量就要发生变化.这样,控制变量法就让人碰到了麻烦,不可能同时控制质量和厚度不变.其实,类似例子还很多,即在改变一个变量时,不可能控制所有相关变量不变.

3.2 任务(2)的探究方案

(1)没有控制任何相关自变量,约占12%.例如,“改变唾液的温度、PH值,测量淀粉的消化率”等.在这个方案中,同时改变唾液的温度和PH值两个相关自变量,没有控制任何其中一个.

(2)控制了一个相关变量,约占86%.例如“在改变温度时,要保持PH值不变,测量淀粉的消化率;在改变PH值时,要保持温度不变,测量淀粉的消化率”等.

与任务(1)相比,任务(2)有更多的控制变量,可能是任务(2)中明确给出了温度和PH值这两个相关变量,不需要学生构想其他的相关变量.但是,这些控制变量仍然存在问题.例如,学生在改变温度时,究竟把PH值控制在什么数值呢?如果学生实际动手,有些学生可能会控制PH值在中性,有些学生可能控制在酸性,有些学生可能控制在碱性,等等.而实际上,淀粉的消化率在不同PH值时,受温度的影响是不一样的,但学生并未知道哪个PH值是合适的.然而,不管学生把PH值控制在哪个数值,都不违反控制变量法.如果学生按照这些不同的方案进行探究,就会得到不同的结果,这些结果都是真实的,但结论却可能是错误的.之所以错误,原因在于唾液温度和PH值对淀粉消化率的影响,是交互而不是分离的.因此,不能采用分离单因素的控制变量法,而应该采用n×n双因素实验设计(见表1),才能得到有效、可信的结论.

表1

3.3 任务(3)的探究方案

(1)没有控制任何相关自变量,约占16%.如“把铁钉放进干燥空气或纯水一段时间,看铁钉是否生锈”.

(2)控制了一个相关变量,约占81%.主要有两类方案:①为了验证纯水的影响效果,在两个装着铁钉的真空瓶子中,一个装上纯水,另一个不变;为了验证干燥空气的影响效果,在两个装着铁钉的真空瓶子中,一个装上干燥空气,另一个不变.②为了验证纯水的影响效果,在两个装着铁钉的干燥空气瓶子中,一个装上纯水,另一个不变;为了验证干燥空气的影响效果,在两个装着铁钉的纯水瓶子中,一个装上干燥空气,另一个不变.

如果按照方案(2)去动手探究,会发现在①类方案的两种情况中,铁都未生锈,这样学生会得出纯水或干燥空气不是铁生锈的原因.但在②类方案的两种情况中,铁都生锈了,从而得出纯水或干燥空气是铁生锈的原因.毫无疑问,这两类方案都不违反控制变量法,其探究结果也是真实的,但结论却相互矛盾,这预示着控制变量法的误用.究其原因,是因为对于铁生锈,纯水和干燥空气存在交互作用,这时应该采用双因素实验设计(见表2),即把铁钉分别放在普通水中、纯水中、干燥空气中、真空中.如果学生再去探究,将发现铁钉在普通水中会生锈,而在纯水和干燥空气中并不会生锈.

表2

4 结论和思考

综上所述,可得出结论:对于多因素问题,大部分学生不管控制变量法适用与否,都简单化地采用控制变量法制订探究方案.

出现如此现象,原因是诸多方面的.首先,我国初中理科的各门课程标准都明确强调控制变量的重要性.为顺应这种要求,教材编写了大量仅可用控制变量法进行研究的多因素问题,如探究影响滑动摩擦力大小的因素、影响液体压强大小的因素、影响压力作用效果的因素、影响电阻大小的因素、影响电磁铁磁性强弱的因素等.教学实践也表明,控制变量法对付这些多因素问题的确是行之有效的,这样就给学生形成了控制变量法放之四海而皆准的强烈印象,但这种假象是教材编者把控制变量法失效的其他多因素问题排除后所得到的.在实际教学中,甚至一些教师不管是不是多因素问题,也要想办法转化成多因素问题进行研究,如一位教师把“探究凸透镜有什么规律”硬要改成“凸透镜成像与物距和像距有什么关系”,还不忘交待学生“控制变量法是科学探究的重要方法”,等等.其次,段考、期考和中考等各种考试也相应跟进,相当多的多因素问题都是考查控制变量法的运用.为了应考,教师不得不采用大量习题,对学生进行控制变量法训练.这种过度使用让学生习得了简单化甚至泛化的控制变量法,严重窄化了研究思路,形成了很强的思维定势,导致机械照搬控制变量法,这显然是与新课程倡导的过程与方法目标相悖的.这些问题应该引起教材编者、教师和评价者的足够重视,我们应突破现有课程的传统资源,结合实际情况开发一些课程资源,让学生体验认识控制变量法的局限性,并学会简单应用多因素设计方法,这对拓展学生研究思路是大有裨益的.当然,可能有人担心学生尚未具有多因素设计的能力,但有关研究表明13岁学生已具备初步的多因素设计能力[2][3].因此,在教材、教学和评价中,涉及一些多因素设计方法的多因素问题,不仅是必要的,也是可能的.

1 中华人民共和国教育部.全日制义务教育物理课程标准(实验稿).北京:北京师范大学出版社,2001.10.

2 Matthews P S C,Mkenna P J.Assessment of practical work in Ireland:A critique.International Journal of Science Education,2005,27(10):1211～1124.

3 Lucas A M,T obin K.Problems with“control of variables” as a process skill.Science Education,1987,(5):685～690