基于“控制变量思想”的初中化学命题与教学策略

程颖

摘要：基于控制变量思想的实验问题，不仅可以检验学生的日常课堂表现，还可以在由“解题”到“解决问题”的转化方面不断创新。通过梳理此类试题的解决路径和命题特点，总结并得出了相关的教学方法和策略，对发展学生科学思维具有重要意义。

关键词：控制变量思想；初中化学命题；初中化学教学

文章编号：10056629（2022）12009104

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

在学校教育中加强对学业水平考试结果的研究与分析，做好教学反馈与指导，才能不断提高教学质量。

本文以控制变量思想为例，就初中化学考试命题、评价与相关教学策略进行探讨。

1 基于控制变量思想的初中化学试题分析

1.1 典型试题分析

科学探究是初中化学学习中一项重要的实践活动，科学探究素养也是初中化学应重点发展的核心素养之一。

在科学探究活动中，对于多因素（即多变量）问题的研究，常采用控制因素（变量）的方法。即把多因素的问题分解成多个单因素的问题，再进行逐个研究。每一次实验只改变其中的某一个因素，而控制其余几个因素不变，研究被改变的这个因素对事物的影响，最后进行综合分析、做出结论。其中被改变的因素叫“自变量”；随自变量改变而改变的因素叫“因变量”；其他可能产生影响的因素叫“控制变量”。控制变量法是科学研究中的重要方法，广泛运用在各种科学探索和实验研究中^［1］。控制变量思想是科学探究中的学科核心思想，也是北京中考科学探究试题中考查的重点。

例1 （2020年北京中考化学试卷第24题，节选）丙酸钙为白色固体，易溶于水，可作食品防霉剂，国家标准规定了其用于制作面食、糕点时每千克面粉中的最大使用量。小组同学实验探究其性质和防霉的效果。

Ⅱ．探究丙酸钙防霉的效果

［进行实验］分别按表1中①～⑧的配方蒸制8個馒头，冷却后置于密封袋中。

［解释与结论］

（3） 设计第1组实验的目的是________。

（4） 第2组，⑦中x为________。

（5） 对比第1组、第2组实验可得到的结论是________。

本题是对丙酸钙防霉效果的探究。从面粉、酵母、蔗糖、丙酸钙四种物质的用量角度探究丙酸钙的防霉效果，考查学生对实验方案的理解、对获得的实验数据进行处理以及控制变量法的应用等科学探究能力。尤其是在数据分析、获取证据、推理判断和得出结论等方面，关注了素养的考查。

试题中共涉及了四个影响因素，即面粉用量、酵母用量、蔗糖用量以及丙酸钙用量，而防霉效果是通过观测开始发霉的时间体现出来的，开始发霉的时间越晚防霉效果越好。通过数据分析，可以看出在两大组实验的8个样本中，面粉和酵母的用量始终相同，故这两个因素为控制的变量。而蔗糖和丙酸钙的用量在不同组别或样本中出现差异，是本题中重点研究的两个自变量，因变量则是由开始发霉时间表现出的防霉效果。

依据控制变量法的基本要求，每次实验只改变其中的某一个因素，而控制其余几个因素均不变。可以明确本题的两个自变量需要分别进行分析和推理，这也是本题的主要难点。分析第1组的4个样本可知，在控制面粉、酵母、蔗糖的用量均相同的条件下，丙酸钙的用量越多，开始发霉的时间越晚，即防霉效果越好。因此，第2组实验也应该控制面粉、酵母、蔗糖的用量均相同，且得出相同的结论。由此，“丙酸钙用量”这一因素的影响效果得以验证。在验证另一因素“蔗糖用量”时，则需控制面粉、酵母和丙酸钙的用量均相同。分析题中信息可知，需要对比的是第1组的①与第2组的⑤（或②与⑥、③与⑦、④与⑧），依据两个样本中开始发霉的时间相同，可得出的结论是，蔗糖用量对防霉效果无影响。

本题信息中包含较多数据，对学生的信息获取和分析推理能力要求较高，尤其是需要在不同组别中准确选取样本，难度非常大。学生通过实验事实推测实验目的及得出结论的能力不足，不能缜密、全面地进行分析推理。

例2 （2021年北京市初中学业水平考试化学试卷第38题，节选）硬水加热时易产生水垢，很多工业用水需要对硬水进行软化处理。小组同学利用1.5%的肥皂水比较水的硬度。

［查阅资料］硬水含较多可溶性钙、镁化合物；软水不含或含较少可溶性钙、镁化合物。

Ⅰ．探究水的硬度、肥皂水的用量与产生泡沫量的关系

［进行实验］向蒸馏水中加入CaCl₂和MgCl₂的混合溶液，配制两种不同硬度的硬水。用蒸馏水和两种硬水完成表2中的三组实验。

［解释与结论］

（1） 对比②和⑧可知，肥皂水能区分软水和硬水，依据的现象是________。

（2） 设计第2组实验时，为控制水的硬度相同，⑤中x应为________。

（3） 第2组实验的目的是________。

（4） 由上述三组实验得到的结论是________。

本题在保持近年来北京中考化学命题特色的基础上进行了适当调整，既注重对基础和发展潜能的考查，又考出了学生的实践探究和问题解决能力，符合北京市初中学业水平考试的功能定位。题目中明确指出是探究水的硬度、肥皂水的用量与产生泡沫量的关系。因此，水的硬度、肥皂水的用量是本题中重点研究的两个自变量，因变量则是产生泡沫量的多少。依据控制变量法的基本要求，每次实验只改变其中一个因素，而控制其余因素不变，可以明确本题的两个自变量同样需要分别进行分析和推理。分析某1组的3个样本，如第1组的①②③（或第2组的④⑤⑥）可知，在控制加入CaCl₂和MgCl₂的混合溶液用量相同，即水的硬度相同的条件下，肥皂水的用量越多，产生泡沫量越多。由此，“肥皂水的用量”这一因素的影响效果得以验证。在验证另一因素“水的硬度”时，则需控制肥皂水的用量相同，分析题中信息可知，需要对比的是第1组的②、第2组的⑤与第3组的⑧（或③⑥⑨），依据三个样本中产生泡沫量的差异，可推理出水的硬度与产生泡沫量的关系，即在肥皂水用量相同的条件下，水的硬度越大，产生的泡沫量越少。值得关注的是通过对比⑦⑧⑨或①④⑦，可知对“肥皂水的用量”或“水的硬度”这两个因素的影响效果分别进行探究时，还需使另一因素保持一定用量，效果才会明显。否则会出现两个样本中均无泡沫的现象，不利于推理和判断出准确结论。

本题的创新之处在于通过三个组别的9个样本实验，对两个自变量同时进行分析和研究，并且两个自变量对因变量均有影响，因此对于产生泡沫量的描述出现了“无”“少”“多”“很多”四种情况。正是这种较为复杂多样的结果陈述给部分考生造成了困扰，学生在通过实验事实推测实验目的及得出结论的过程中出现了一定的障碍或挑战。

1.2 认知模型分析

运用控制变量思想进行科学探究，首先要通过分析实验目的，明确核心任务，初步形成对物质或化学反应的基本认识，如例1中核心任务是探究丙酸钙防霉的效果；其次是通过分析实验方案找全实验体系中所有可能的变量，并确定自变量、因变量以及控制变量；最后结合实验事实，分析得出在控制除自变量之外的其他所有变量相同的条件下，自变量对因变量产生了怎样的影响。以例1为例，具体的认知思路可用如下思维模型表示（见表3）。

2 基于控制变量思想的初中化学命题与评价

以控制变量思想为核心的科学探究试题通过提出“某组实验的目的是什么”“通过实验对比能得出的结论是什么”以及“如果要得出某种结论，需要对比哪组实验（或补全某组实验）”等一系列问题，考查不同类型、不同水平考生对科学探究过程的基本认识，以及控制变量思想的准确理解。这就需要教师在日常教学中既要重视科学探究形式，更要重视探究过程中的思维训练，建立实验步骤、结论与目的之间的逻辑关系。

笔者基于教材实验和文献资料开展了如下的命题实践研究，以考查学生对实验探究中“控制变量，对比分析”思想方法的理解及应用能力。

例3 某小组同学对老师演示的趣味实验“化学红绿灯”兴趣浓厚，并进行了如下探究。

［查阅资料］

靛蓝胭脂红（C₁6H₈N₂Na₂O₈S₂），是一种生物染色劑。在碱性条件下与氧气或葡萄糖反应，会呈现绿、红、黄三种不同颜色。

［实验1］向锥形瓶中加入20mL 0.05%的靛蓝胭脂红溶液、70mL 2%的NaOH溶液、10mL 15%的葡萄糖溶液，用上图装置加热到指定温度后，取出锥形瓶振荡，静置并记录颜色发生变化的时间（见表4）。

［实验2］向锥形瓶中加入20mL浓度不等的靛蓝胭脂红溶液、70mL 2%的NaOH溶液、10mL 15%的葡萄糖溶液，用上图装置加热到40℃后，取出锥形瓶振荡，静置并记录颜色发生变化的时间（见表5）。

［实验3］向锥形瓶中加入20mL 0.05%的靛蓝胭脂红溶液、70mL浓度不等的NaOH溶液、10mL 15%的葡萄糖溶液，用上图装置加热到40℃后，取出锥形瓶振荡，静置并记录颜色发生变化的时间（见表6）。

［解释与结论］

（1） 实验12中，静置68s时溶液显________（填“绿”“红”或“黄”）色。

（2） 实验1的目的是________。

（3） 实验2的结论是________。

（4） 实验34中，导致溶液始终不变色的因素可能是________。

（5） 综合分析，影响“化学红绿灯”实验效果的因素有________。

本题为原创试题。试题中分别通过不同实验对反应温度、靛蓝胭脂红溶液的质量分数、NaOH溶液的质量分数3个影响因素进行分析研究。

阅卷统计显示，第（1）小题为简单试题，第（2）（4）（5）小题难度适中，第（3）小题难度较大。除第（1）小题以外，其余试题区分度均较好。从考生实际作答中可以发现以下问题：一是对实验目的、证据与结论之间的关系不清楚，如第（3）小题，考生出现自变量表述不准确或理不清自变量对因变量的具体影响等错误；二是对实验中反应原理的认识并未完全领会，部分考生对资料和实验方案并未完全理解，因此对试题中提供的信息和数据不能准确分析和推理；三是部分考生解决综合问题的能力不够，信心不足，个别试题出现空白答卷等情况。

3 基于控制变量思想的初中化学教学策略

3.1 基于教材统筹设计，系统学习控制变量思想内涵

教材中有关“二氧化碳与水反应的探究”“燃烧条件的探究”和“铁生锈条件的探究”等内容，均体现了控制变量思想的内涵。学生在学习以上内容时，领悟控制变量思想，学会对比分析方法，既为今后的学习奠定基础，同时又掌握了应用此方法解决实际问题的思路和工具。

教师在教学中要钻研课标、用好教材，将课标体系中蕴含的核心素养和思想方法进行深入分析和理解，并将教材中呈现的学科思想方法的范例和标准进行梳理归纳，从单元整体设计的角度将学科思想方法渗透到日常教学中，覆盖知识体系的每一个细节，对学生进行潜移默化的影响和培养。

3.2 构建认知模型，形成解决问题的一般思路

学生通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律^［2］。在控制变量思想的学习中，教师应充分利用归纳演绎法，针对具体的实验情境和实例，引领学生认识和建构相关认知模型，形成分析和解决具体问题的一般思路和方法，并将模型拓展应用到更多情境中，达到巩固和强化模型的作用，使学生的高阶思维水平得到提升。

3.3 重视实践活动，突出实验教学的培养作用

化学是一门以实验为基础的科学，实践活动不仅有利于学生更深入地领悟素养和思想的内涵，更有助于学生在浸润式体验中自我归纳和修正解决问题的方法和路径，即自主建构和完善素养体系。因此，建议教师在实验教学中，尽量创设情境，让学生亲身体验过程，激发学生的学习热情，不仅尊重教材原型实验，更应注重变式和拓展，必要时可对试题中呈现的实验进行情景再现。在应用控制变量法进行实验探究时，实现由已知向未知、由基本实验向科学探究的过渡和迁移。教学中要重视实验的完整性和科学性，不要割裂地机械地看待实验，要建立实验各环节间的推理关系，使学生养成全面科学、多角度地思考问题的能力。

参考文献：

［1］［2］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）［S］. 北京：人民教育出版社，2018.