“变量控制”思想方法在中学化学学习中的应用

赵西安

【摘要】化学概念与化学反应原理普遍存在各种条件或影响因素，若从概念的形成条件入手，应用变量控制方法建构化学概念，将有利于深度理解化学概念的内涵，有利于形成完整的化学观念。“变量控制”思想方法的培养策略在于创设问题情境，引领学生形成“变量控制”思维模型，培养思维品质，形成学科素养。

【关键词】“变量控制”;化学学习;应用

在中学化学基本概念与化学反应原理教学主题中，涉及一些变量之间的逻辑关系，往往存在某一变量受多个变量影响的现象，指导学生建立“变量控制”思想方法，有利于发展学生的思维品质;有利于建立科学、正确的化学概念并形成知识体系。

一、“变量控制”是一种科学思想方法

对于分析因变量与多个自变量之间的关系，可采用“变量控制”的方法，只改变其中的某一个自变量，从而研究这个自变量对因变量的影响，分别加以研究，最后再综合解决，这种“把多变量的问题变成单个变量问题”的方法称为“变量控制法”。例如，影响化学反应速率的外界因素有温度、催化剂、浓度、压强、光照、反应物接触面积等，探究其中催化剂这一个变量对化学反应速率的影响，就要控制其它变量不变，只选用一种或几种催化剂，测定化学反应速率变化情况，进而分别得出催化剂对于化学反应速率的影响结果，形成科学概念。引导学生建立“变量控制”思想方法，用之于实际问题的分析与推测，解决问题变得简便易行。

二、找准变量，探究不同情境下变量之间的关系

关于多变量问题，往往存在主要变量和次要变量，在不同条件下，主要变量与次要变量将发生相互转化。分析此类问题，需要识别主要变量，先分析主要变量，再分析次要变量与因变量的关系，进而得出合理结论。

1.在多变量体系中，主要变量与次要变量在一定条件下可能发生变化

[例1]用数字仪器测定0.1mol.L-1盐酸溶液与足量镁条发生化学反应的速率v-时间t曲线如图。

教师提出问题：观察曲线，在0～t1时间区间，为什么化学反应速率呈上升趋势，t1时刻以后，化学反应速率呈下降趋势？请同学们就影响化学反应速率各种因素中的主要变量与次要变量加以综合分析，做出合理解释。

学生探究：在教师的指导下，经过独立思考，小组合作探究，大多数学生能做出合理解释：该化学反应特点是固、液反应物相接触的放热反应，在0～t1时间区间，随着反应的进行，反应放出的热量使溶液温度不断升高，导致化学反应速率不断加快。然而，盐酸的浓度、镁条表面积随反应的进行将不断减小，这两个因素导致化学反应速率不断减慢。0～t1时间区间，温度升高属于影响化学反应速率的主要变量，反应物浓度与接触面减小属于次要变量，因而，在0～t1时间区间，随着反应不断放热导致化学反应速率增大。在t1时刻，溶液达到较高温度，t1时刻之后，原次要变量反应物浓度与接触面减小因素上升为主要变量，而原主要变量温度升高因素转化为次要变量，因而，t1时刻之后，随着盐酸浓度与反应物接触面减小，化学反应速率呈下降趋势。

2.在多个化学平衡共存的体系，不同条件下，各个化学平衡对于化学反应体系某些性质的影响程度有所不同

[例2]实验测得0.5mol·L-1CH3COONa、0.5 mol·L-1CuSO4溶液以及H2O的pH随温度变化曲线如图。

教师提出问题：0.5mol·L-1CH3COONa与0.5 mol·L-1CuSO4溶液pH都随温度升高而呈现减小趋势，如何从盐类水解平衡与水的电离平衡移动角度去解释上述变化？

学生探究：（1）为什么0.5mol·L-1CH3COONa溶液随温度升高而pH减小？由于CH3COONa溶液存在2个化学平衡：CH3COO-+H2OCH3COOH+OH-⊿H>0 H2OH++OH-⊿H>0。

根据勒夏特列原理，溶液升温，CH3COONa水解平衡与水的电离平衡均向右移动，CH3COO-水解致使溶液呈碱性，c（OH-）增大。H2O的电离使H+和OH-浓度增大，Kw增大。两平衡的反应限度相对大小将影响溶液中c（H+）的升降，若CH3COO-水解程度较大，则溶液中c（H+）减小，pH增大，与实验测定结果不符。若H2O的电离程度较大，则溶液中c（H+）、c（OH-）均增大，pH减小，符合实验测定结果。因而，同一溶液中存在上述2个化学平衡的限度作为两个自变量，使因变量c（H+）的增大或减小，取决于两个自变量中哪种自变量作为主要影响因素。

（2）为什么0.5mol·L-1CuSO4溶液随温度升高而pH减小？在CuSO4溶液存在两个化学平衡：Cu2++2H2OCu（OH）2+2H+⊿H>0 H2OH++OH- ⊿H>0。

根据勒夏特列原理，当溶液升温，上述两个平衡均向右移动，均使c（H+）增大，pH减小。同时c（OH-）增大，Kw增大。

综上所述，在多个自变量体系中，主要变量与次要变量并不是一成不变的，在一定条件下，主要变量与次要变量是可以相互转化的，找出不同条件下的主要变量，先分析主要变量与因变量的关系，合理推测物质的性质或解释化学反应现象。

三、应用“变量控制”，建立化学基本概念

化学基本概念往往是有条件的，在学习化学概念过程中，若从概念的形成条件入手，应用“变量控制”方法建构化学概念，将有利于深度理解化学概念的内涵，有利于形成完整的化学观念。

1.应用“变量控制”思想，建立化学基本概念

[例3]以实验为基础，应用“变量控制”方法，建立“燃烧”概念。

教师提出问题：燃烧现象随处可见，燃烧的条件有哪些？请同学们应用“变量控制”的方法，设计实验，从可燃物性质、氧气是否参加、燃烧物所需温度等方面探究燃烧的条件。

学生探究：在教师引导下，以蜡烛、木条燃烧条件为基础，应用教师提供的实验用品，设计对比实验，控制变量，探究出燃烧的条件。

最后，师生互动，总结出燃烧反应的必备条件：（1）有可燃物;（2）有氧气参加;（3）可燃物达到一定温度。通过“变量控制”过程，学生深刻理解了燃烧所必须同时具备上述三个条件，这样形成的燃烧概念是一个建构过程，有利于学生去理解燃烧反应的内涵，而不是靠死记硬背简单得到一个结论。

2.应用“变量控制”方法，建立化学反应原理模型

建立在对研究对象进行实验观察和证据推理的基础上，利用抽象、简化、类比等方法，将反映研究对象的本质特征形成一种概括性的描述或认识思路，即认知模型。运用“变量控制”方法，建立化学反应原理模型，有利于把抽象的化学反应原理要点化，促进学生学习能力的提升。

[例4]原电池工作原理模型与构成原电池条件探究。

教师提出问题：电池在工农业生产、日常生活、科技前沿等领域提供便捷能源，原电池是如何把化学能转变为电能的？构成原电池条件有哪些？请同学们应用“变量控制”思想设计实验，探究原电池电极材料由什么组成？为什么需要电解质溶液？为什么要形成闭合电路？原电池所发生的化学反应类型是什么？

学生探究：在教师引导下，利用锌与稀硫酸发生置换反应产生氢气的反应原理，应用教师提供的实验器材，控制变量，设计对比实验方案，并通过实验验证，探究出原电池工作原理及其构成条件。

总之，分别控制电极材料、电解质溶液、形成闭合电路等变量，对比实验，观察电流表指针是否偏转，归纳出原电池的形成条件：二电极—具有两个金属活泼性不同的电极;一溶液—电极与电解质溶液相接触;一回路—形成闭合电路;一反应—通常条件下，能自发进行的氧化还原反应。

四、应用“变量控制”思想，解决实际问题

在研究外界因素对化学反应速率、化学平衡的影响时，往往使用化学平衡图像简洁表述自变量与因变量关系，在阅读多变量图像时，应用“变量控制”思想方法，使问题得以简化。

1.定一议二，找出某自变量与因变量关系

若图像中具有3个变量，先假设一个变量不变，再分析另外两个变量的影响关系，必要时画辅助线。

[例5]对于一般可逆反应：mA（g）+nB（g） pC（g）+qD（g）⊿H=aKJ.mol-1，试根据下列图像，判断反应物与生成物化学计量数之和的关系及反应热“a”的值大于零或小于零。

教师提出问题：根据勒夏特列原理，欲判断气体反应物与生成物化学计量数之和的关系，需要根据等压线～A的平衡转化率α（A）的曲线还是根据等温线～生成物D的平衡浓度c（D）曲线？欲判断反应热“a”的值大于零或小于零，需要根据等温线还是等压线？当图像出现3个变量时，应用“变量控制”思想，先假设一个量不变，再讨论另外两个量的关系。

学生探究：（1）如何根据等压线～反应物A的平衡转化率α（A）曲线判断化学计量数关系。首先控制温度不变，在图像沿x轴做等温线作为辅助线。

若p1>p2>p3，那么，p3→p1增加压强，α（A）增大，化学平衡右移，由勒夏特列原理，加压，化学平衡向气体分子数减小方向移动，所以有： m+n>p+q。

（2）如何根据等温线～生成物D的平衡浓度c（D）曲线判断该反应属于吸热反应还是放热反应？首先控制压强不变，沿x轴做等压线作为辅助线。

若T1>T2，那么，T2→T1升温，c（D）变大，平衡右移，由勒夏特列原理，升温，化学平衡向吸热方向移动，则有：⊿H>0。

综上所述，应用定一议二方法，控制一个自变量不变，分析另一个自变量与因变量的关系，得出相应结论或解释化学反应现象。

2.先拐先平数值大，比较两个平衡体系的自变量大小

在化学平衡形成过程中，表示某组分含量（或转化率）-时间t关系曲线中，拐点先出现者先达到平衡，对应的自变量较大。

（1）选用催化剂，可缩短到达平衡状态的时间，不影响化学反应限度。

（2）升高温度，可提高正逆反应速率，可缩短到达平衡状态的时间，若正反应为吸热反应，高温时，平衡体系中反应物B的浓度与百分含量减小。

总之，根据外界因素的影响和建立化学平衡的先后，即可判断不同平衡体系的温度、压强等自变量大小，判断是否使用催化剂。

五、“变量控制”思想方法的培养策略

1.创设问题情境，引发思考动机

无论是概念教学还是化学反应原理学习，教师要根据化学概念与原理的组成要素，厘清有关自变量与因变量关系，提出有思维深度的问题，引起学生开展独立思考。

[例8]设计实验证明酸性：盐酸>碳酸>硅酸，教师设计问题：证明酸性强弱的化学反应原理是什么？盐酸、碳酸的酸性均比硅酸强，盐酸具有挥发性，CO2与HCl均可与硅酸盐溶液反应生成硅酸，如何应用“变量控制”思想，证明CO2能与硅酸盐溶液反应生成硅酸？

实施问题引领策略，让学生明确思考问题的方向，通过独立思考、小组合作探究等方法，快速找到问题解决的突破口。

2.设计思维路径，形成认知模型

开展项目式学习，厘清主要变量、次要变量与因变量关系，通过梯次进阶的问题探究活动，便于引导学生抓住主要变量、由浅入深、螺旋式思考问题，推测物质的性质或得出结论，形成科学的认知模型。

[例9]如何比较下列物质的熔沸点高低：金刚石、氯化钠、氯化镁、冰、干冰。教师可以引导学生先找出影响熔沸点的主要变量是晶体类型，同种晶体类型物质熔沸点的影响因素是微粒间的结合力大小，作为次要变量。一般说来，各种晶体的熔沸点：共价晶体>离子晶体>分子晶体，因而，金刚石熔点最高。氯化钠与氯化镁均属于离子晶体，通过比较二者离子键强弱来确定熔沸点高低，一般先比较阴、阳离子所带电荷多少，再比较离子半径大小，由于Mg2+带2个正电荷，Na+带1个正电荷，前者离子键比较强，因而熔沸点：氯化钠<氯化镁。冰与干冰同属于分子晶体，先比较是否存在分子间氢键，再比较范德华力大小，由于水分子间存在氢键，熔沸点：冰>干冰。综合以上分析，熔沸点：金刚石>氯化镁>氯化钠>冰>干冰。

比较物质熔沸点的思维模型：先比较晶体类型，后比较相同晶体类型的微粒间结合力，再综合比较熔沸点高低。

3.开展合作学习，促进思维进阶

建立四人学习小组，其中两名学生的思维品质较好、学业成绩优良作为正副组长，另外两名学业暂时落后的学生作为被带动对象。在开展项目式学习时，先开展独立思考，再开展合作探究，解决独立思考所没有解决的问题，完成“一帮一”帮扶。在小组合作学习的基础上，开展班内展示与质疑活动，师生互评互动，交流思维过程，就疑惑点展开探究活动，教师因势利导，点拨方法、技巧，走出思维误区，使知识与方法给予升华，促使思维进阶，形成“变量控制”思维习惯。

经过两年的教学实践表明，教师在教学实践中，应用“问题引领，项目驱动”策略，引导学生应用“变量控制”思想，成效明显。通过设计思维路径，建立思维模型，学习兴趣浓厚，学习能力不断提升，分析问题解决问题的能力不断增强。

【参考文献】

[1]王磊.核心素养导向的化学教学实践与探索[M].青岛：中国海洋大学出版社，2021.

[2]李俊.普通高中和新课程标准[M].北京：人民教育出版社，2018.

【基金项目】本文系海南省教育科学规划课题《中学化学思想方法的培养策略研究》研究成果，课题编号：QJH202010133。