结合中考题谈控制实验条件及相关教学时机的把握

李俊红

摘要：“具有控制实验条件的意识”是新课标的要求。比较了控制实验条件和对比实验研究，在此基础上对近几年中考化学试卷中考查“控制实验条件”试题的表现形式进行了分类和评析，从把握教学内容、遵循学生认知规律、捕捉教学异常状况三方面阐述把握最佳时机，开展以“控制实验条件”的教学实践，以实现从知识技能本位教学到学生核心素养提升的转变。

关键词：控制实验条件；对比实验；核心素养；教学时机；试题命制

文章编号：1005–6629（2016）8–0073–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

《义务教育化学课程标准（2011年版）》在对一级主题“科学探究”的具体要求中指出：“发展科学探究能力”八大要素的“制订计划”包含“根据所要探究的具体问题设计简单的化学实验方案”和“具有控制实验条件的意识”。《2015普通高等学校招生全国统一考试大纲（理科）》清晰表述了对探究实验考查的要求：“设计、评价或改进实验方案”，“了解控制实验条件的方法”。2014年《教育部关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》（教基二[2014]4号）文件出台后，专家们对构成中学化学核心素养之一“实验探究”的水平描述中指出：“形成化学变化是有条件的观念，学会运用控制实验条件研究化学反应。”此后，全国各地不断涌现出了以“素养立意”的试题。在此形势下，课程标准、考试说明、考试大纲和中学化学核心素养中提出的“对比实验研究”的要求是如何以试题的形式出现的？控制实验条件与对比实验研究是什么关系？在课堂中如何把握最佳教学时机开展针对“素养立意”命题的教学？这是本文要探讨的主要问题。

1 控制实验条件与对比实验研究

化学是以实验为基础的科学，无论是定性实验还是定量实验，都需要人为地控制一定的实验条件。实验条件的控制，就是把影响实验对象的诸条件中的一个条件作为可变，其他条件保持不变，探寻此条件的变化对实验结果的影响，以便找出最佳实验条件的一种科学方法[1]。控制实验条件主要研究影响化学反应的因素[2]，控制对某个实验结果可能产生影响的其他实验条件（即无关变量或干扰变量），通过改变单一变量，研究对化学反应的影响。例如，在初中化学教学中，经常要控制的实验条件主要有反应物（种类、纯度、状态、形状、用量、体积和浓度等）、实验仪器和装置（仪器规格和装置的不同连接）和实验操作（点燃、加热、冷却、振荡、溶解、搅拌、洗涤、过滤、蒸发、蒸馏、时间、压强等）[3]。对比实验研究是指设置两个或两个以上的实验，每次实验只能改变某个单一因素（称为自变量或刺激变量），控制其他因素（称为无关变量或干扰变量）保持不变，从而观察该单一因素的改变引发或导致的实验结果（称为因变量或观测变量）的一种收集证据的实验研究方法。对比实验研究主要研究两种或两种以上物质性质的差别，例如，探究金属的活动性顺序，“同样的试管、大小厚薄相同的金属、相同浓度的盐酸或硫酸、相同的温度”都是为了控制无关变量，而“不同种类的金属”是自变量，“反应速率的差异”就是学生要观察的因变量。对比实验是运用比较的方法来揭示事物的性质和变化规律的一种实验方法。

2 中考试题中控制实验条件题目类型

2.1 以表格和数据形式出现的“控制实验条件”题

例1 （2013厦门）探究影响锌与稀硫酸反应快慢的因素。反应过程中，用前10min内收集的氢气体积比较反应的快慢。控制其他条件相同，进行下表四组实验，获得数据如表1。①比较实验a和实验b，可以得到的结论是 。②为了研究硫酸浓度对反应快慢的影响，需比较实验和实验 （填编号）。③控制其他条件相同，需控制的条件是 （例举一种条件即可）。

评析：本题实验探究的是影响锌与稀硫酸反应速率的因素，试题通过表格和数据的形式体现控制装置、温度、压强等（无关变量）相同，观察自变量（锌的纯度、稀硫酸的浓度和体积）对反应速率（因变量）的影响，考查学生分析数据、处理信息，控制单一变量，通过对比实验得出结论的能力。

2.2 以现象描述形式出现的“控制实验条件”题

例2 （2015厦门）用装置（如图1）完成以下实验：探究燃烧条件：若B处盛放木炭。Ⅰ.先在A处通入氮气一段时间后，在B处加热，B、C处没有明显变化；Ⅱ.待B处冷却至室温，在A处通入氧气一段时间后，B、C处没有明显变化；Ⅲ.在A处继续通入氧气，然后在B处加热，发现木炭燃烧，C处变浑浊。Ⅰ与Ⅲ对比，说明燃烧的条件之一是 ；Ⅱ与Ⅲ对比，说明燃烧的条件之一是 。

评析：本题实验探究的是燃烧条件，试题配以实验装置图，通过实验操作及其对应实验现象描述的呈现方式，考查学生通过比较现象的差异，分析造成实验结论差异的根本原因是实验操作上的不同，控制不同的实验操作就是控制实验条件。

2.3 以曲线图形式出现的“控制实验条件”题

例3 （2011厦门）研究性学习小组对碳酸钠和碳酸氢钠的性质进行探究，请你参与实验。比较与盐酸反应生成相同体积的二氧化碳气体的快慢。取碳酸氢钠4.2g放入如图2装置的锥形瓶中，取碳酸钠5.3g放入另一相同装置的锥形瓶中，分别加入相同质量、相同浓度的盐酸（足量）。相同的条件下，通过图3装置测量生成气体的体积，得到时间-体积关系曲线如图4所示。数据与分析：根据图4曲线，可得出有关“比较与盐酸反应生成相同体积二氧化碳气体的快慢”的结论是。反思与讨论：实验中“取碳酸氢钠4.2g、碳酸钠5.3g”的目的是 。

评析：本题实验过程中生成二氧化碳气体体积和时间的关系，是通过数形结合的思想——函数图像体现的，试题考查学生定性分析曲线的变化规律得出控制单一变量（反应物的种类）对实验结果（反应速率）的影响，同时考查学生定量分析得到等体积二氧化碳和控制实验条件（反应物的量）的关系。

2.4 以实验装置形式出现的“控制实验条件”题

例4 （2015泰安）用变量控制方法探究影响物质溶解性的因素。实验（图5）目的是探究对硝酸钾溶解性的影响；实验（图6）是探究溶剂种类对物质溶解性的影响，该实验中需要控制的变量是温度和 。

评析：本题的控制实验条件是通过实验装置图的形式呈现的，考查学生通过读图比较装置图的差异（找出自变量），控制其他条件相同（无关变量），得出自变量对因变量（物质溶解性大小）的影响。

2.5 以设计实验方案形式出现的“控制实验条件”题

例5 （2015杭州）实验室小金分别用甲盐的晶体配置了溶质质量分数为5%的A溶液和30%的B溶液，但忘了贴标签，请你运用两种不同的科学原理，分别设计两个简单实验来判别这两瓶溶液。请写出简要的实验方案和明确的判别依据。有下列仪器、物品供选择：量筒、天平、小烧杯、酒精灯、三脚架、石棉网、漏斗、玻璃棒、滤纸、温度计、新鲜萝卜、甲盐的晶体。（实验室的室温为30℃，30℃甲盐的溶解度为50g）方案1： ；判别依据： 。方案2：；判别依据： 。评析：本题鉴别两种同一溶质不同浓度的不饱和溶液，无论是采取蒸发溶剂比较溶质结晶的先后顺序，还是加溶质比较哪种溶液先达到饱和状态，设计实验方案中均需考虑控制无关变量。

2.6 蕴含在实验评价中的“控制实验条件”题

例6 （2015泰安）定量测定空气中氧气的含量。装置一（图7）比装置二（图8）更合理，理由是；根据表2提供的实验数据，完成表2。定量实验操作中易产生误差，如果反应前气球中存在气体（其量小于注射器内的空气），而实验后冷却至室温，将气球内的气体全部挤出读数，导致实验测得的结果 （填“偏小”“偏大”或“无影响”）。

评析：本题以实验评价（装置更合理或误差分析）的形式考查学生分析控制实验条件（仪器连接或实验操作）对实验结果产生的影响。

2.7 隐蔽在选择题选项中的“控制实验条件”题

例7 （2015无锡）如图9所示：若关闭Ⅱ阀打开Ⅰ阀，紫色小花（用石蕊溶液染成）变红；若关闭Ⅰ阀打开Ⅱ阀，紫色小花不变红。则甲瓶中所盛的试剂可能是 ①浓H2SO4 ②浓NaOH溶液 ③饱和NaCl溶液。选项：A.只有①；B.只有②；C.①②；D.①②③。

评析：本试题虽然以选择题的形式呈现，隐蔽在题中的“控制实验条件”是操作和装置，操作不同，装置不同，产生了不同的实验现象，得出了不同的结论。

综上所述，近几年中考试题体现出对构成中学化学核心素养之一“实验探究”水平描述的考查：（要）“形成化学变化是有条件的观念，学会运用控制实验条件研究化学反应。”试题表现方式多样，体现其价值导向：让学生形成控制实验条件的意识，学会控制变量研究化学反应的科学方法。因此，教学中适时把握教学时机，开展以“素养立意”命题的教学实践意义重大。

3 把握最佳时机开展以“素养立意”的教学实践

核心素养是学生在接受相应学段的教育过程中，逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。根据“高中化学核心素养研制课题组”第6次讨论稿，化学学科核心素养包括“宏微结合”、“分类转化”、“变化守恒（辩证思维）”、“模型认知”、“实验探究”、“绿色应用”等内容。控制实验条件是培养学生具有“实验探究”核心素养的重要内容。而教学最佳时机是针对特定的教育者与教育对象之间客观存在的可以获得最佳教育效能的一段时间中的一种机遇[4]。在学生知识建构的过程中，科学地创设、捕捉与利用最佳的教育教学时机，开展以“素养立意”的教学实践，培养学生形成“控制实验条件研究化学反应”的意识，能使教与学的活动收到事半功倍的效果。

3.1 把握教学内容，适时渗透“控制实验条件”的方法教育

学生科学素养的养成，不是靠做题解决的，而是在体验问题解决的过程中逐渐养成的。初三化学课本中各个单元的教学内容，知识本体的背后均承载着“物质是变化的，变化是有条件的，控制实验条件就能控制化学反应”的化学观念，这就要求教师充分理解课本中实验教学的功能及其蕴含的学科思想和研究方法，挖掘实验背后的学科素养价值，适时开展培养学生具有控制实验条件的核心素养和科学方法教育。例如，课本中检验氧气的实验，如果多次把燃着的木条伸入瓶内，直到木条火焰熄灭，适时引导学生分析实验现象的差异（即因变量）是由氧气的浓度（自变量）引起的，从而可以得出：控制氧气的浓度就能控制木条的燃烧情况即控制反应物的浓度就能控制化学反应。如果进一步探究，从定性上升到定量，收集不同浓度的氧气（自变量），探究木条的燃烧情况（因变量），控制木条的规格、火焰大小、伸入氧气内的速度相同（无关变量）。如果更进一步探究木条从燃烧到熄灭过程中氧气浓度的变化，可采用手持技术适时向学生展示氧气浓度随木条燃烧时间的变化曲线，引导学生分析氧气浓度随时间的变化规律，同时转化了部分学生错误的前概念“木条火焰熄灭，是因为瓶内氧气反应完了”。由此可见，通过对这个看似简单的课本实验背后功能价值的挖掘，创设问题情境，激发了学生的认知冲突和探究欲望。在设计实验方案的体验过程中，使学生对控制实验条件、对比实验、定性到定量的研究方法逐步养成，从而解决问题促进能力发展的学科素养得以提升。

3.2 遵循认知规律，适时把握“控制实验条件”的层次要求

对于初三学生而言，化学是启蒙学科，培养学生“控制实验条件”的意识和方法应遵循学生的认知规律，由浅及深，循序渐进。如课程内容中的一级主题“身边的化学物质”性质的学习，教材的编排顺序是氧气、二氧化碳、一氧化碳、金属到酸碱盐，学生认识物质的性质经历了从典型代表物到类别物质、从单一角度到多角度、从宏观到微观、从定性到定量的层级发展过程[5]。氧气的实验主要基于观察和描述，如硫在空气中燃烧和在氧气中燃烧的差异。而碳的氧化物的实验开始有方案设计层面的要求，如验证二氧化碳和水的反应，当二氧化碳溶于水，塑料瓶变瘪，继续往其中注射适量的紫色石蕊试液，发现紫色石蕊变红，教学中利用课堂生成的资源适时引导学生分析造成此实验现象（因变量）是由哪些因素（自变量）引起的，当自变量不单一时，需要控制单一变量设计实验方案做对照。到九年级化学（下），学生第一次研究一类物质金属的性质，学生初步认识到要从相似性和差异性两方面去认识，其中差异性的研究，就需要控制变量做对比实验，如金属和酸的反应。酸、碱、盐是初中化学学习临近结束时要研究的物质，除了要继续基于类别的思想来探究外，还可尝试引导学生从微观组成的角度来探究酸、碱、盐的性质，如酸、碱溶液使指示剂变色，究竟是溶液中的什么离子使指示剂变色的，设计实验验证同样需要控制实验条件，研究单一变量对实验结果的影响。由此可见，培养学生形成“控制实验条件的意识”，要充分领悟教材内容编写顺序的意图，从整体上规划，既要考虑义务教育阶段化学的启蒙性，又要兼顾学生的认知规律，从宏观到微观，从特殊到一般，从定性到定量，螺旋上升，防止随意拔高要求，造成欲速则不达的后果。

3.3 捕捉异常状况，适时把握“控制实验条件”的教学时机

教学是动态的、生成的，即使教师事先预设充分，课堂上也难免会发生一些突发事件。如果把课堂上这些本不愿发生的“意外”处理好，充分发挥教学机智，同样是教育学生控制实验条件的最佳时机。教学中的异常状况往往有以下几种：实验失败或现象异常，如测定空气里氧气含量的实验[6]，一旦发现水不倒流或者倒流过来水的体积大于或小于1/5，怎么办？如果引导学生分析原因，并且马上改进装置，控制操作或反应物的量，继续实验，不仅能锻炼学生对实验成败的反思能力，而且加深了学生对控制实验条件影响实验结果的理解；学生回答与预期不符，如课堂上学生回答“二氧化碳易溶”，如果教师事先对学生的回答有充分的预期，可马上补做氯化氢溶于水，塑料瓶变瘪的对照实验，不仅纠正了学生错误的前概念，而且向学生渗透了控制变量做对照实验的研究方法；学生学化学的“顽疾”，如书写化学方程式常常忘记写条件，可反复通过改变条件做对照实验，或者探究燃烧条件时通过控制变量，让学生理解燃烧是条件控制下的燃烧，控制条件就能控制燃烧即控制化学反应。

总之，课堂中的“异常状况”是课堂即时生成的很好的教学资源，需要教师事先充分预见并且发挥教学机智，根据教学内容把握教学时机适时向学生渗透“控制实验条件的意识”，避免教学“滑过”现象，从而提高课堂教学效益。

参考文献：

[1]郑长龙.试论化学教学中的实验方法[J].中学教师培训，1992，（9）：31～33.

[2]王红玲.充分利用教育教学资源，发展学生控制实验条件的能力[J].黑龙江科技信息，2009，（34）：246.

[3]王凤芝，李德才.实验条件控制方法在化学教学法实验中的运用[J].吉林师范学院学报，1996，（8）：63～64.

[4]胡志刚.教育时机论[M].哈尔滨：黑龙江人民出版社，2013.

[5]罗滨，王磊.初中化学关键问题指导[M].北京：高等教育出版社，2015.

[6]占晨达.基于误差分析的实验教学研究[J].教学仪器和实验，2015，（7）：23～24.