例谈“控制变量法”在物理教学中的运用

刘东生

好的探究方案是科学探究成功的先导，在此环节中，尽可能引导学生使用一些具体科学的研究方法，对于提高探究能力起着重要的作用。比如，初中阶段常用的控制变量法、转换法、科学推理法、等效替代法等。

一、例如在猜想环节中促进学生对控制变量法的理解

案例一：关于猜想的教学

（教师）播放视频：晴天正午，小明从树荫下走过时，发现地面上有许多大小、形状不同的光斑（如图1）。光斑形状与什么因素有关呢？光斑又是如何形成的呢？请学生讨论。

图1

学生瞎猜，有说树叶形状的，有说叶子大小的。看来，学生还没有去用心观察过。我就布置任务，请学生去观察，看看光斑的形状并试图去揭开形成的原因。

在下次课上，我们再次进行了讨论。

（学生）光斑是太阳光透过树叶间的缝隙照在地面上形成的，由于太阳光是平行光，透过孔后照在地面上形成的光斑应当与孔的形状相似，所以孔的形状决定了光斑的形状。

（学生）那么，为什么圆形光斑较小和较暗呢？

（学生）因为树叶间的圆形缝隙较小。

（学生）光斑是不是与树叶到地面的距离还有关系？

（教师）大家说了这么多因素，我们怎么开展研究呢？

（学生）我们可以先研究大部分人认同的因素，即光斑形状可能与下与树叶间空隙大小和树叶间空隙形状有关。其他的先放放再说。

（学生）这样做不够科学。控制变量法控制什么？当研究的问题与多个因素有关时，虽然在多个因素中可能有某几个因素与研究的问题无关，在没有排除之前，要研究与某一因素的关系时，其他的因素都应该“被控制”。

经过学生讨论和教师引导，最终我们决定“同时”研究四个因素对光斑的影响：1.小孔成像与孔的形状有关吗？2.小孔成像与孔的大小有关吗？3.小孔成像与物距有关吗？4.小孔成像与像距有关吗？

在实践活动中我们希望达到两个目的，一是在猜想影响光斑的因素时，需要去观察。猜想就是根据部分事实得出的不确定的结论。二是在进行研究的时候，我们要进行科学方法的引导，针对学生容易将控制变量“虚控制”，强调“要将其他所有的因素都控制”，这是控制变量法的关键。因此，在猜想环节就有一个整体的变量规划对控制变量法的理解是很有帮助的。

二、在实践活动方案的设计中促进学生对控制变量法的理解

案例二：实验方案的评价

（教师）请学生小组讨论，并拿出设计方案。

（学生）展示了甲、乙、丙三张带孔卡片（如图所示），其中，甲、乙卡片中小孔的尺寸均为3mm，甲、丙卡片中大孔的尺寸均大于2cm。在进行探究时，在地上铺上一张白纸，把带孔的卡片置于上方，让太阳光透过卡片上的孔，观察纸面上出现的光斑形状。

甲组 乙组 丙组

（教师）这是三个小组的设计。请各自说明一下自己的设计方案。

（乙組学生）我们想研究“光斑是否与树叶间空隙形状有关”，因而设计了四种大小相同而形状不同的小孔。

（丙组学生）我们也想研究“光斑是否与树叶间空隙形状有关”，除了乙的方案外，我们还设计了丙图。我们想看看小孔和大孔是不是遵循一样的规律。

（甲组学生）我们想研究“光斑是否与树叶间空隙大小有关”，所以小孔的形状不变，只改变孔的大小。

（学生）甲组的方案是有漏洞的。物体（太阳）是圆的，小孔也是圆的，如果最后的光斑是圆的，分不清是什么原因导致的。

（教师）你会如何改进？

（学生）我们的方案如图①，这样只让树叶间空隙大小发生改变，与此同时也与太阳的形状不一样。

（学生）我们的方案如图②，上下两行是对比“光斑形状与树叶间空隙大小是否有关”的，左右2列是观察规律是否具有普遍性。

（学生）我们的方案如图③，至少要观察三种情况，所以我们这样设计。

[①][②][③] [①][②][③]

还有一些组设计了一些更有创意的方案，看到同学的各种画法，师生连声叫好。

[⑤][⑥]

[⑦][⑧]

经过生与生之间、师与生之间的相互评价、讨论，充分调动学生的积极性，让学生说出来、议起来，让学生的错误充分暴露、发生碰撞后对控制变量法就有了更深的理解。

三、在实践活动方案的落实中促进学生对控制变量法的理解

仅仅在脑中实验是不够的，我们要走出教室，在做中学，去感受控制变量法带来的喜悦。

案例三：动手中的发现

小孔成像与孔的直径究竟是什么关系？是不是孔越小越好？孔大了就成不了像？带着这个问题，学生分小组开展了研究。

（学生）：我们的方案如图①，这样只让树叶间空隙大小发生改变，与此同时也与太阳的形状不一样。

观察物体：摩天360的尖顶（夜晚有灯光点缀）

小组人数：6人

（见附表）

经过动手操作，学生对小孔的理解更加全面。原来的认识是小孔成像的条件是孔要足够小，现在的理解是这个“小”是相对于孔到光屏的距离而言的。所谓小孔，指的是孔的边长或直径远小于孔到光屏的距离（像距）。举个例子：若方孔的边长为10 cm时，这个孔应该不小了吧，如果该孔到光屏的距离大于40 m时，也能成太阳圆形的像，这个边长为10 cm的方孔也应该叫小孔。

在学生的自主探究活动中，有的学生为观察发现进行猜想而兴奋；有的学生为方案的改进而兴奋；有的学生为巧妙的动手制作而自豪兴奋。无论哪一种，都足以让学生对科学方法感兴趣，都会促进对科学方法的理解与运用。这就是实践活动的魅力。

（责编 赵建荣）