例谈初中化学实验教学中培养学生控制变量思想的方法

黎慧贤

摘要：阐述了控制变量的教学价值以及控制变量思想方法在教材和学业质量评价标准中的体现。教学中要使学生明确控制变量思想在化学实验中的意义，学习用控制变量思想控制实验条件的方法，运用控制变量思想分析要控制的相关实验条件。利用对比实验，让学生了解控制变量思想；利用科学探究活动，培养控制变量思想；利用实验设计，运用控制变量思想；利用专题训练，反馈教学效果。

关键词：初中化学；实验教学；控制变量；实验条件；培养方法

文章编号：1005–6629（2015）1–0066–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

基于学科的特点，化学教学要以实验为载体，实现传授学科知识、渗透学科思想、训练学习方法和培养学科能力等教学目标。《义务教育化学课程标准》和《广州市义务教育阶段学科学业质量评价标准》倡导发挥学科优势，将科学探究作为课程改革的突破口，实现“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”全面整合和落实；提出通过相关的实验内容，让学生逐步掌握控制实验条件的思想和方法。控制实验条件中常用到控制变量思想。因此，在教学中如何用控制变量思想分析和控制实验条件，对能否培养学生控制实验条件的思想和方法至关重要。

1 什么是控制变量

控制变量法是科学研究领域常用的一种研究方法。控制变量是指通过控制其他实验条件不变，对可能影响实验结果的多个因素逐一进行对比探究，然后通过数据分析、比对，总结、归纳，得出结论的方法。用控制变量法分析实验，可以使研究的结论更具客观性，有利于学生学习和探究物质变化的规律，有利于学生掌握控制实验条件的思想和方法。

2 控制变量的教学价值

2.1 有利于激发学生的学习兴趣

化学实验对学生的吸引力很强，但随着学习的深入，学习内容越来越需要思考。如果观察实验不明所以，做实验不明目的，操作不明步骤，那么学生学习的兴趣难以得到持续。教会学生用控制变量思想分析和控制实验条件，能使许多学习内容变得更有层次感，更能使学生产生讨论、探究的冲动。

2.2 有利于激发学生的学习动力

控制变量思想的要点是：依据实验目的，明确影响因素，研究各因素对探究实验或探究问题有何影响，注意选择数据或设置实验的有效性，且变量要统一。学生在物理学中已接触过这一方法，对新学科的期待和对学习方法的熟悉，有利于激发学生的学习动力和信心。

2.3 有利于激发学生的创新意识

没有发现问题就没有创新。用控制变量思想考虑问题，容易形成一个半开放的思维空间，通过逐一控制可变量进行讨论、实验，得到不同的结果，更能全面认识问题，打破以偏盖全的观念，实现还原科学的新思想、新观念。很多科学定律都是通过控制变量法来进行实验总结出来的。

3 控制变量思想方法的培养策略

3.1 控制变量思想方法在教材和《广州市义务教育阶段学科学业质量评价标准》中的体现

3.1.1 物质转化类实验

上册：人们吸入的空气与呼出的气体有什么不同、分解过氧化氢的反应中二氧化锰的作用、二氧化碳与水的反应、燃烧条件的实验等。下册：金属与盐酸、稀硫酸的反应、铁生锈的条件等。

3.1.2 物质性质类实验

上册：可燃物在氧气里与在空气里燃烧情况比较、二氧化碳的溶解性实验等。

3.1.3 数据类实验

上册：测定空气里氧气的含量、分子运动现象、反应前后物质的质量关系、高锰酸钾的溶解性比较、溶解时的吸热或放热现象等。

3.1.4 物质鉴别鉴定类实验

上册：用肥皂水区分软水和硬水。下册：物质或离子的鉴别实验、物质是否变质鉴定实验等。

《广州市义务教育阶段学科学业质量评价标准》对相关素材均有不同的要求，如在质量守恒定律的探究实验中提出的要求是：感受定量实验的研究方法，认识定量研究对于化学学科发展的重大作用；在探究二氧化碳与水的反应时，要求利用对比实验学习控制实验条件的方法；燃烧条件的探究实验，学习控制实验条件的研究方法，体会对比实验在科学探究中的运用，进一步学会观察、描述和记录实验现象，以及分析实验现象得出结论；金属与盐酸、稀硫酸的反应探究活动中，体验提出问题、制订计划（控制实验条件、对比实验）、进行实验、收集证据（观察、描述、记录）、得出结论的科学探究过程等等。

但是，教材和《广州市义务教育阶段学科学业质量评价标准》都没有连续地、系统地培养学生控制实验条件的知识体系，而学习方法和能力不是一两堂课或一两天就能养成的，所以教师需要结合教学内容和《广州市义务教育阶段学科学业质量评价标准》的要求，设计好教学计划，有目的、有步骤地做好方法指引、反复渗透才能逐步培养起来。

3.2 结合相关素材，制订培训方法

3.2.1 开门见山，明确控制变量思想在化学实验中的意义

控制变量思想在八年级的物理学习中学生已有一定的了解，在九年级的化学入门（如绪言课的引入和第一单元的“对人体吸入的空气和呼出的气体的探究实验”）适时利用教材内容开门见山地提出控制变量思想在化学的学习中同样适用，让学生明确化学的学习方法，尽快入门。

3.2.2 注重对比，学习用控制变量思想控制实验条件的方法

控制变量思想的培养需要一个循序渐进的过程。从简单到复杂是不变的学习定律，从相关内容中分别整理出探究一个条件、两个条件到多个条件的典型实验。运用对比的方法，逐步学习如何用控制变量思想分析和控制实验条件，从研究角度引导学生思考要控制的实验条件的方法。比较一个条件，通常用两个实验为一组去对比。如探究温度对分子运动的影响（图1），控制条件的方法是：对比实验的方式是只有温度不同，其他实验条件相同。探究二氧化碳的溶解性实验（如图2），从课本图片引发思考，笔者认为将素材稍作改动，改为用对比实验的方式探究二氧化碳的溶解性更能说明问题。控制条件的方法是：对比实验的方式是气体不同，其他实验条件相同，如对比实验时要控制所用的塑料瓶是相同型号、气体体积相同、所加入的水的体积相同。比较两个条件，通常用三个实验为一组进行对比：如探究铁生锈的条件（如图3），引导学生用控制变量思想理解对比实验的设计思路——只有对比点不同，其他实验条件相同。即如要探究生锈的条件是否需要氧气，对比实验的设计就为一个实验是铁与氧气接触，而另一个实验没与氧气接触，其他实验条件相同。对比实验在教学素材中多次出现，用对比实验作为九年级阶段学习控制变量思想的主要载体学生容易掌握方法，容易有成功体验。

3.2.3 明确目的，运用控制变量思想分析要控制的相关实验条件

运用控制变量思想分析实验条件，要用到对比的方法，但又不局限于对比思维。为避免学生进入控制实验条件就是固定某些实验条件做对比实验的误区，有必要在学习完一个方法后，适时引入新的分析方法，避免学生机械套用。如“测定空气里氧气的含量”（见图4），相当一部分学生经过探究“人们吸入的空气与呼出的气体有什么不同”的活动后，对控制实验条件做对比实验来考虑问题的方法有较深刻的认识。到学习这部分内容时就会产生困惑“老师教的方法用不上了”，所以在这部分内容的学习中要让学生明确，用控制变量思想考虑问题，并非都需要做对比实验。如何判断，方法很简单，就是从实验目的出发，分析在理想情况下实验究竟是何种状况，而在客观实验过程中可能出现哪些影响实验结果的因素。我们就是要控制这些因素以达到或接近理想状态，令实验结果接近客观事实。从实验目的分析要控制的实验条件是化学实验中控制实验条件的基本方法。要学生独立思考，对学生来说有相当的难度，在制订教学方案时要充分预测学生的思维方法，在各个可能出现困惑的环节设置相关思考问题来解惑。如反应物的选择：为什么是红磷或白磷？为什么不能用木炭、硫代替？如实验环境的选择：为什么要在瓶内先放少量的水，不放可不可以？为什么要气密性良好，装置漏气会出现什么样的情况等？实验操作的选择：为什么点燃红磷后要立刻伸入瓶内并马上塞紧橡皮塞？为什么实验前要先夹紧弹簧夹？为什么弹簧夹要在瓶冷却后再打开？每一个问题都有针对性，为学生理解控制实验条件而设，帮助学生从控制变量思想去理解实验。类似的教学素材还有很多。学而不思则罔，思而不学则殆，教学中要注意把握机会，适时利用教材内容，反复渗透。

3.3 由简到繁，分步落实

“控制变量法”运用到实验教学对教师提出了更新、更高的要求。教师在课前需花大量的时间和精力对教学目的、内容和活动的形式等因素予以充分考虑，且在课堂中要善于关注学生实验设计及操作技能，激活课堂气氛，创设平等和谐的师生关系，分步落实教学设计。课堂上，教师不仅是课堂活动的设计者和组织者，而且还是学生学习的引导者。

3.3.1 利用对比实验，了解控制变量思想

在初中化学的教学过程中，有相当一部分内容适合用对比实验来学习。如在第二单元“我们周围的空气”对比硫分别在空气和氧气中燃烧、铁丝分别在空气和氧气中加热、过氧化氢在不同条件下分解等对比实验，是让学生体会“物质的变化是有条件的”的理想题材。简单的对比实验不仅能让学生正确、清晰地感受到不变量、变量和因变量，还能帮助学生了解控制变量思想的核心内容：通过控制其他实验条件不变，变量将会对实验结果产生什么影响。

案例1 比较硫在空气和氧气里燃烧情况（如图5）

实验条件：各取等质量的硫粉于燃烧匙内，在空气中点燃后分别放入盛有等体积气体的空气和氧气的集气瓶中，让其继续燃烧，观察并记录现象。

实验前向学生分析实验要得出科学可信的结论，有必要对实验条件进行控制。经过分析后，对于方案中提到的条件控制，学生是比较易于理解和接受的，但如果教师反问学生哪些是变量，哪些是不变量，这样设计的目的是什么，可能有相当多的学生不能全部答出来。原因不是问题难度大，也不是学生能力弱，而是学生还没有习惯用控制变量的思想去分析问题，所以在平时的教学中适当提醒学生相应的学习方法是非常必要的。

案例2 软水与硬水的检验

做这个对比实验时，引导学生关注这个实验的试剂用量：等量的软水、硬水，加入等量的同一种肥皂水。用课堂提问的方式让学生找出不变量和要研究的变量，学生思考如不控制试剂的用量，将可能出现哪些实验结果，去体会控制某些实验条件对研究物质的必要性。

案例3 比较氧气和二氧化碳的水溶性

教学中，笔者将二氧化碳水溶性的教学内容与氧气的水溶性作了整合，设计一个对比演示实验：分别往两个相同型号的塑料瓶中各收集一瓶氧气和一瓶二氧化碳，观察塑料瓶的瓶身是否都呈圆柱状，再分别注入等量的水（约三分之一），振荡，观察，说出实验现象和总结实验结果。评价方式：课堂提问。简单的问题，明显的现象，学生能了解二氧化碳可溶于水这一性质，但容易忽略控制实验条件。授课时，教师必须引导学生关注这一问题，如提出问题“如果瓶的大小不同，或瓶的软硬度不同或水的用量不同，得出的实验结果又可能如何？哪一种设计比较合理？”学生通过交流，很快会明白要使实验结果科学合理，必须控制可能影响实验结果的一些因素不变。

笔者认为，学生学习对比实验比学习单一的实验精神更为集中，如果在教学中能注意引导学生关注实验条件，在对比实验中渗透控制变量思想比单一的文字表达更易让学生接受。

3.3.2 利用科学探究，培养控制变量思想

《义务教育化学课程标准》和《广州市义务教育阶段学科学业质量评价标准》非常强调科学探究，《广州市义务教育阶段学科学业质量评价标准》中给出了一些评价例子让广大一线教师参考。但笔者在平时的教学中发现，即使学生了解控制变量的核心思想，也会在学习中出现搞不清变量、不变量，学习思路比较混乱，不会分析实验现象和数据，实验结果表达不清，设计方案能力较弱等诸多问题。其实，初中化学教材中应用控制变量思想进行探究的内容很多，如：燃烧的条件、铁生锈的条件，金属与酸反应的剧烈情况比较，固体物质在不同溶剂中的溶解性等内容。面对这么多可渗透控制变量思想的内容，笔者认为，教师对教学内容的合理编排、设计，能充分发挥教学内容的载体作用。在学习的过程中同时掌握方法，有利于学生形成控制变量思想，更能有效提高课堂教学质量。

数据类实验中，催化剂的探究实验也是培养学生控制变量思想不错的素材。数据类实验有一个好处就是可以通过比对数据，直接得出结论，在现象和结论中不需过多的引导。

案例4 探究二氧化锰的用量对反应速率的影响

笔者在讲完催化剂概念后，设计了这样的题目让学生思考：某学习小组做了这样一组实验：每次均用30mL 10%的过氧化氢溶液，使用不同量的二氧化锰作催化剂测定每次收集到500mL氧气所用的时间。结果如下（其他实验条件相同）：

请分析表中数据后回答：二氧化锰的用量对反应速率有何影响？评价方式：笔纸测试。

分析：此题借助控制变量法，对催化剂的用量是否影响化学反应速率进行研究。引导学生审题时先要知道题中控制变量的目的，找出已知信息和问题；后要对数据进行分析，得出变量和变化范围；最后，结合数据及实验结果进行总结，得出结论。仔细审题后，学生大部分能找出变量是二氧化锰，但数据变化的范围，学生在表达时可能会出现某些障碍，教师在点评时一定要示范或指导规范的表达方式，让学生形成思路，树立学习的信心。

案例5 探究氧化铁能否作为过氧化氢溶液分解的催化剂

甲、乙、丙三位同学同时进行过氧化氢溶液的分解与气体的收集实验。实验时间为30s（过氧化氢均未完全分解），其他可能影响实验的因素均已忽略，相关数据如下：

提问：欲探究Fe2O3在实验中是否起催化作用，首先比较_____和_____（填“a”“b”“c”）的大小，其次需补充做以下实验 （无需写出具体操作）。

①_____ ②反应前后Fe2O3的化学性质不变。评价方式：纸笔测试。

笔者认为教学中应引导学生从实验目的“欲探究Fe2O3在实验中是否起催化作用”出发，考虑设计实验意图和设计实验时要包括的内容，是否起催化作用，可设计为相同的实验条件下，一个实验有该物质而另一个对比实验没有该物质，比较两个反应的速率是否相同。若相同，即无催化作用；若不同，即有催化作用。在这个引导过程中，学生对催化剂的概念加深了了解，既解决了教学问题，又能渗透好控制变量思想。

3.3.3 利用实验设计，运用控制变量思想

探究实验的设计，对学生来讲是比较难的。笔者在授课过程中发现，如果要让学生保持高涨的学习情绪，必需要有一定的奖励，而最好的奖励就是让他们用自己设计的方案动手做实验。教师应该肯定学生的这种想法，充分调动学生的积极性，鼓励小组合作，共同讨论，完成实验设计，但这只适合有一定基础的学生，不能要求全部学生达到这一水平。

案例6 请你设计实验，比较铁、铜、银的金属活动性强弱

可供选择的试剂：固体：铁、铜两种常见金属，有粒状、粉状、条状

稀酸：5%稀盐酸、10%稀盐酸、5%稀硫酸、10%稀硫酸

盐溶液：氯化亚铁溶液、氯化铁溶液、硫酸铜溶液、硝酸银溶液

审题后，提示学生先根据题意，需收集哪些信息。

综合学生的意见后总结所收集的信息：

（1）可用金属与稀盐酸或稀硫酸溶液反应的速率判断金属活动性强弱。

（2）可用金属与盐溶液反应能否进行判断金属的活动性强弱。

让学生分小组讨论实验设计需考虑的因素（控制变量思想的运用）：考虑所用的试剂、试剂的浓度或形态等影响反应速率的条件。

指导：用表格的形式表达实验设计（提示：要运用控制变量的思想“要对比的因素为可变量，其他因素为不变量”去完成以下实验表格）。

教学反思：这是在第八单元复习金属活动性顺序的实验设计题。学生经过三个星期的学习，对金属活动性已有初步的认识，为打开学生思维，培养实验设计能力，让学生运用控制变量思想，按实验要求自行设计实验。鉴于学生可能在表达上出现困难，故在设计中给出相应的提示信息，这也是学生迫切需要教师给予的帮助。活动后学生在思维和表达方面均有比较大的进步。

3.3.4 利用专题训练，反馈教学效果

提高课堂教学质量，除了要有好的教学设计，课堂的实施情况往往才是提升教学质量的关键一环。《广州市义务教育阶段学科学业质量评价标准》在过程与方法目标中多次提出，要利用教学内容为载体，逐步培养学生控制变量思想。如何判断学生的学习情况呢？最好的办法莫过于专题检测了。近年的中考题也有这样的试题，如2011中考第19题：为了探究影响锌与盐酸反应剧烈程度的因素，某学习小组设计了下列实验：

下列说法正确的是

A.对比实验①和②，可研究盐酸的浓度对反应剧烈程度的影响

B.对比实验②和③，可研究盐酸的浓度对反应剧烈程度的影响

C.对比实验②和③，可研究温度对反应剧烈程度的影响

D.对比实验①和②，可研究温度对反应剧烈程度的影响

在专题训练及检测中，为实现专项训练，可对考题作一定的改动，以适应实现本课教学目标的需要。如2010中考第27题可改为：某同学根据日常经验推测，可燃物燃烧可能与氧气和温度有关，设计并完成了下列实验进行验证：

（1）实验_____和实验_____证明了可燃物燃烧必须要接触氧气。

（2）实验_____和实验_____证明了可燃物燃烧必须要达到一定温度。

只检测控制变量思想的掌握情况，以适应实现专项检测的目标，使学生课堂内有足够时间思考，保证课堂质量。

4 结束语

控制变量法作为一种学习方法，不仅适用于理化学科，还适用于解决一些其他学科领域的问题。学生虽然对于这一思想的学习和理解有一定的困难，但作为一种常用的学习方法，在平时的教学中还是应该鼓励学生去大胆尝试，学会综合运用方法解决问题。除了化学教材内容，平时教学中涉及到生活中的化学问题，需用到控制变量思想的，也应适时练习强化，使控制变量思想真正成为学生解决学习和生活问题的一种方法。

参考文献：

[1]王萍华.例释变量控制思想的实验考查[J].化学教与学，2011，（7）：87～89.

[2]李敏强博客.化学探究实验中运用控制变量法的教学实践. 2011-05-17. http：//blog.sina.com.cn/s/blog_7097eba50100scjv.html.

[3]豆丁网.“控制变量法”在初中化学实验教学中应用的分析研究课题. http：//www.docin.com/p-48931204.html.

[4]广州市教育局教学研究室编.广州市义务教育阶段学科学业质量评价标准（化学）[M].广州：广东教育出版社，2009.