基于“费曼学习法”浅析“控制变量法”在初中物理复习教学中的应用*

李 潇

（德州市第五中学 山东德州 253000）

一、控制变量法概述

新课标要求学生有科学探究的意识，能够发现问题、提出问题，形成猜想与假设，具有初步的观察能力和提出问题的能力；能制定简单的科学探究方案，有控制实验条件的意识。这里所提及的控制实验条件，就是物理教学中的控制变量法[1]。控制变量法是指为了研究物理量同影响它的多个因素中的一个因素的关系，可将除了这个因素以外的其他因素人为地控制起来，使其保持不变，再比较、研究该物理量与该因素之间的关系，得出结论，然后再综合起来得出规律的方法[2]。

在实际中考复习过程中，由于先前知识学习的分散性，学生只能浅显地了解控制变量法，而不知其意义，所以这就导致了学生们在做题时不能迅速提取“控制变量”这一关键信息，从而对实验方法出现误判。除了实验，在一些需要计算的题目中也能体现控制变量法的应用。在解题过程中，学生并没有真正理解什么是“变量”，为什么要控制变量，如何控制。所以教师在带领初三复习时，可以将同类型的知识进行汇总，借助大单元教学理念，帮助学生学会提取信息，引导学生发现实验中的控制变量法、学会运用控制变量法分析公式中隐藏的动态变量问题。除此以外，在课堂教学中适当渗透费曼学习法，以学促教，相辅相成。

二、实验题目中的控制变量法

初中物理学习中，无论是演示实验还是学生小组的探究实验，有80%以上运用到了控制变量法。比如声现象中的探究声音的特性与哪些因素有关实验；力学中探究滑动摩擦力大小与哪些因素有关实验，探究影响压力作用效果的因素实验，探究浮力大小与哪些因素有关，探究杠杆的平衡条件实验；能量、热学中探究物体的动能跟哪些因素有关实验、探究物体吸热能力与哪些因素有关实验；电学中探究导体电阻与哪些因素有关、探究电流与电压、电阻的关系实验、测量小灯泡的电功率等等。物理实验当中，需要探究的物理量往往不止一个，所以在设定好实验目的、猜想、提出疑问后，我们就要把猜想当中对实验现象可能会造成影响的物理量一一列举出来，然后选取需要探究的物理量，只需让这一个物理量变化，其他物理量保持不变来进行探究。探究过程是对控制变量法的体现，所以实验时的充分准备就很重要，但在平时的教学当中，受实验器材和时间的影响，可能在实验操作方面不尽完美，所以导致学生在印象上对控制变量法就不牢固。在实验总结结论时，如果教师的语言不规范，比如不加“在某某条件一定的情况下”这句话，就会导致学生在表述的时候体现不出控制变量法的应用。其实笔者通过很多习题也发现，越来越多的出题者注意到了学生对实验结论表述不规范这一漏洞，所以很多实验填空不再以题干体现控制变量法在实验中的应用，而是由学生自己整理结论，不用怕学生出错，错多了对的也就自然越来越多了。

例1：下面几个实验探究中，采用了相同研究方法的是（）

①“探究压力的作用效果与受力面积的关系”时，保持压力不变，改变受力面积。

②“比较不同物质吸热的情况”时，用加热时间的长短表示吸收热量的多少。

③“探究电流与电压的关系”时，保持电阻的阻值不变，改变电阻两端的电压。

④在研究“阻力对物体运动的影响”实验中，运用科学推理得出牛顿第一定律。

A.①和④ B.②和③C.①和③D.②和④

[解题思路]此题考查的是对实验方法的理解和应用 首先学生心中要有这些方法然后再根据题干具体分析每个实验对应的实验方法其实这里也考察了学生对出题人思路的揣摩此题是把所有条件都分析一遍后 学生才能得出相应的答案但是通过题目我们不难发现这样几个关键词：“保持……不变”如果学生可以挖掘出这个关键词也不难发现①③两个实验都运用了控制变量法。

例2：小华利用木块和海绵探究压力作用效果与哪些因素有关，如图1所示。

图1 探究影响压力作用效果的实验图

（1）对比图1-甲和图1-乙两图，可以得出：________；

（2）由哪两幅图，可以得出受力面积一定时，压力越大，压力作用效果越明显？_________

（3）对比图1-甲和图1-丁，小华得出压力作用效果与压力大小无关。你认为此结论是_______（正确/错误）的，为什么？_________________。

[解题思路]（1）对比图1-甲和图1-乙两图，由于是本实验采用两个相同的木块，所以木块对海绵的压力大小是相同的，不同的是与海绵的接触面积，实验中自变量是木块与海绵的接触面积，因变量是海绵的凹陷程度，这两个量是对应变化的，而其他物理力量要保持不变，这就是控制变量法的体现。因此，学生在阐述结论时，应该加上“当压力相同时”这一前提条件。

（2）第二问其实是第一问的逆向思维，第一问根据所需控制的变量去得到结论，而第二问是根据结论去对比现象，同样需要找出题意中的变量：受力面积和压力，这里控制不变的物理量是受力面积，所以学生要找出受力面积相同的两个图。

（3）此结论是不正确的，因为图1-甲和图1-丁没有控制受力面积相同，不能简单地通过剩余变量来断定合理的结论[3]。

三、公式应用中的控制变量问题

类型一：浮力和压强公式的应用

在浮力的应用中，同一艘轮船从河水驶到海水当中，浮力如何变化？上浮还是下沉？这就是一个典型的根据题目条件，找出不变的物理量和变化的物理量来确定被探究的物理量如何变化的问题，亦即控制变量法在多个物理量公式中的应用，这也是初中物理常见的密度计问题。在此类问题当中，不变的物理量是轮船的重力，无论从河水到海水，轮船都是漂浮的，所以由浮沉条件我们可知轮船所受浮力等于其自身重力，所以浮力不变，这就是公式中的不变量。变量是液体的密度，从河水到海水，液体密度变大，根据F浮＝ρ液g V排可得，V排变小，所以轮船会上浮。因此，对于像压强p＝ρ液g h和浮力F浮＝ρ液g V排这样，公式中有三个物理量的情况下，至少要控制一个物理量不变，通过自变量的变化来判定因变量的变化。

例3.如图所示，小华将两个同样的烧杯置于水平桌面，烧杯内分别装满2种液体，把2个完全相同的小球分别放入杯内。静止时如图2所示，则下列判断中正确的是（）。

图2 小球在烧杯中的位置示意图

A.甲杯中的液体的密度小于乙杯中的液体的密度

B.甲杯中小球受到的浮力大于乙杯中小球受到的浮力

C.甲杯溶液对烧杯的压强大于乙杯溶液对烧杯的压强

[解题思路]如图2所示，同样的小球漂浮和悬浮，小球处于平衡状态，浮力均等于小球的重力，所以浮力相同，排开液体的体积V排甲＜V排乙（自变量），由F浮＝ρ液g V排可知，ρ液甲＞ρ液乙（因变量），即甲杯中的液体密度大于乙杯中液体密度，故AB错误；

C.两个完全相同的烧杯内分别盛满不同液体，且ρ液甲＞ρ液乙，h相同，由液体对烧杯底部的压强g h p＝液ρ可知，甲杯溶液对烧杯的压强大于乙杯溶液对烧杯的压强，故C正确。

这里体现了液体内部压强与液体密度的关系，通过控制深度相同，由液体密度关系的压强关系，也是控制变量法在公式运用中的体现。

类型二：杠杆平衡条件的应用

在杠杆的平衡条件中，有两类题型是中考考察的重点，一类是最小动力的作图，另一类是杠杆的动态平衡问题。杠杆的平衡条件：公式中共有四个物理量：动力F1，动力臂l1，阻力F2和阻力臂l2。如果要判断其中一个物理量的变化，至少要控制两个物理量不变，然后根据第三个物理量（自变量）的变化，来判定第四个物理量（因变量）的变化。

例如4画最小动力问题

小华将一重物G挂在一轻质硬杆一端，使其在图示位置保持静止，请你画出阻力F2及在A点所施加的最小动力F1。

图3 小球与轻质硬杆的位置示意图

[解题思路]此题阻力和阻力臂是不变的，所以它们的乘积为定值。杠杆静止，根据杠杆的平衡条件：等式左边中动力和动力臂的乘积也是定值，所以要想画最小动力，就要找最长的动力臂，线段AO即最长动力臂，然后再确定好动力方向即可。教师点拨时可以让学生把等式两边想象成两个势均力敌的队伍，为了保证队伍两边力量均衡，等式右边一定时，如果等式左边F1的队友l1变强了，F1就要变弱。将控制变量法通过拟人化的方式融入复习中，更加形象具体，加深学生印象。

例5：杠杆的动态平衡问题

小华将一木棍从如图4所示的位置匀速转动到水平位置，重物挂在木棍中央位置，拉力F方向始终与木棍垂直，请你判断在此过程中F的变化？

图4 木棍匀速转动示意图

四、方法结合，互助互成

综合以上教学实例，引导学生学会揣摩出题人的意图其实也是快速解题的关键所在。很多学生读不懂题，究其原因，是没有设身处地的去思考：假设自己是出题人，对于某一知识点而言，你想要重点考察什么？笔者个人的观点是，出题人除了要求学生达到课标要求的学习目标外，还需要把握题目的难易度，考查知识点的综合性。当然这一点对于初中的学生，还是有一定难度的，所以教师在教学过程中，运用费曼教学法，将课堂的主导权归还给学生，这有助于学生养成好的思维习惯。从表面上看，费曼学习法是在教别人的过程，看似处于输出的一方，但实际上是以“教”的方式，“逼迫”自己主动对所学的知识以个人的知识背景和浅显易懂的语言进行吃透和理解，在教的过程中还能察觉到自己在哪方面有所欠缺，这完全就是一种有意识的主动学习[5]。费曼学习法和大单元教学的结合，可以帮助学生在脑海中成立专属自己的物理思维模式，对知识点的思考更加独立、专注度也更高，随着学习的深入，有助于提高学生们举一反三的能力。