科学探究中“控制变量法”的教学策略

李 刚

（苏州市教育科学研究院，江苏 苏州 215000）

控制变量法是解决复杂的、多因素影响的物理问题的一种有效方法.所谓控制变量法就是把受多因素影响的某一物理量问题，通过控制某几个因素不变，只让其中一个因素改变，从而转化为多个单一因素影响某一物理量的问题的研究方法.笔者大量听课发现，在教学中很多教师并没有把这种研究问题的重要方法转化为学生的思维方式和思维习惯.目前教师对控制变量这个方法的教学存着很多问题：一是控制变量法的内涵不清楚，二是教学中控制变量法过早显现化，三是只教是什么，不重视怎么做.这种教学带来的危害就是学生只停留在浅层的认识上，一旦让学生去解决新情境的实际问题，就难以运用.

控制变量法是初中物理教学中最常用的、而且是比较重要的研究问题方法之一.在教学中首先应注意循序渐进性.由于控制变量法属于程序性知识的范畴，具有抽象性和概括性，所以控制变量法的学习和掌握是一个由浅入深、由形象到抽象、循序渐进不断深化的过程.

1 理解课标要求与教材呈现方式

1.1 控制变量法教学要求与解读

2022年版《义务教育物理课程标准》，课程目标中指出：“有控制实验条件的意识.”学业质量中指出：“能针对提出的问题，运用控制变量法等制订比较合理的科学探究方案.”从教学要求看，首先应使学生认识到，物理学科中的许多问题都是由多个因素共同造成的结果.控制变量法的精髓是通过控制无关变量，化复杂为简单；观察判断物理量之间的关系.因初中学生感性认识不足，所以控制变量法的教学应以隐性为主，适时显性.“隐性方式重在使学生感受科学方法，受到科学方法的启蒙教育和熏陶，初步体会到科学研究方法和策略.”适时显性就是让学生知道这种研究方法是控制变量法，并不严格要求学生说出控制变量法的定义.

1.2 控制变量法在初中物理教材中的体现

控制变量法贯穿于整个初中物理的始终，是初中物理常用的非常重要的科学探究方法之一.对于初中学生学习物理有着重要的意义.笔者从章节分布和所在栏目等方面，梳理了苏科版初中物理教材中关于“控制变量法”应用的相关内容知识点并汇总，如表1所示.

表1

续表

2 创设真实情境，体验和渗透控制变量法

2.1 体验控制变量法

初中学生刚接触物理方法的时候，感觉比较抽象，此时教师可以从生活情境入手，创设良好的体验氛围.如教师展示两盆相同的植物，提出以下问题：如果我们要研究植物生长与阳光的关系，怎么办？通过这些简单的生活事例，让学生对控制变量法有初步的显性认识，同时也激发了学生对科学方法的兴趣.

2.2 渗透控制变量法

苏科版初中物理教材相对以往的教材有一个显著的特色，就是设置有“综合实践活动”.它是一种基于物理知识和科学研究方法的项目学习活动，学生围绕项目任务进行探究和设计活动，经历全程的探究和设计，有利于学生对科学探究的理解和方法的掌握.如在比较材料的隔声性能的活动中，当明确隔声材料和声源之后，接下来便让学生设计方案比较不同材料的隔声性能.学生用各种不同材料压住音乐盒，通过听声音大小来进行比较.教师引导评价，这个方案是否合理？得出的结论是否可靠？引导学生得出要控制包裹材料的厚度相同等必要条件.这就用到控制变量法，但是教材直到9年级上册的“探究通过导体的电流与电压、电阻的关系”学生实验中，“控制变量法”这个名词才“闪亮登场”，可谓“千呼万唤始出来”.

以真实问题为载体，让学生在解决真实问题情境中感受到控制变量法的重要性.初二刚开始学物理，除了比较材料的隔声性能外，这样的综合实践活动还有很多，如比较材料的保温性能、探究树荫下的光斑等.通过这样的综合实践活动，让学生明白，要想结论可靠，就要弄清结果变量和原因变量，要在控制变量的基础上进行实验的设计与探究.这样的研究才是科学的、严谨的.这是控制变量法的一种隐形渗透.

3 创设探究情境，掌握控制变量法

物理规律的教学中，一般采用以下步骤：观察现象，提出问题，猜想和假设，小组讨论，实验验证，总结规律等，在观察、猜想、讨论的基础上，教师再引导学生用控制变量法进行问题探究.如何让学生掌握这种方法呢？关键是要强化对这种研究方法的认识和运用.在运用控制变量法处理问题时可以采取如下教学程序，如图1所示.

图1

3.1 明确研究的对象（因变量）

如：探究滑动摩擦力大小与什么因素有关？研究对象就是“滑动摩擦力”，从数学的角度看“滑动摩擦力”就是因变量.明确好研究对象后，要追问“怎么测量”？有些研究对象可以直接测量，例如：质量、电流等；大部分研究对象只能间接测量，例如：滑动摩擦力、压力作用效果、动能、吸收的热量等，都需要转化为容易测量的物理量或者容易观察到的现象.这里用到了转化的思想.滑动摩擦力转化为二力平衡条件下的拉力、压力作用效果转化为物体在沙坑中下陷的深度、动能转化为物体撞击木块的远近、吸收的热量转化为加热时间等.学生经过这样的思考，不容易把转化的量与因变量和自变量混淆.

3.2 猜想或确定出影响研究对象（自变量）的其他物理量（自变量）

从数学角度看就是自变量，在此特别注意的是运用控制变量法的自变量至少2个，如：影响液体压强的因素有液体密度和深度；影响电流做功的因素有电压、电流、通电时间3个因素.

在探究活动中，首先要做好猜想和假设环节.学生有可能猜出很多自变量，如何排除有些看似相关的自变量，处理得好，就会让学生很信服；处理得不好，就会影响到教学的效果.教师在猜想和假设环节之前增加一些体验和感悟的活动，让学生知道猜想不是瞎猜，科学猜想要做到猜想有依，假设有据.如：探究导体电阻大小与什么因素有关？学生很容易猜出“材料”这个因素，而对于“长度”和“横截面积”这两个因素，则比较模糊.为了让学生形成有效的猜想，笔者利用橡皮泥设计了一个创意小实验：将电源、开关、灵敏电流表、橡皮泥连成电路；闭合开关，灵敏电流表指针发生偏转；拉伸橡皮泥，电流表指针偏转角度变小.橡皮泥是很好的导体，并且柔软易形变，学生在拉伸的过程中，看到灵敏电流表的示数减小了，从而感知到了电阻大小可能与导体的“长度”和“横截面积”是有关的，并且能有依据地帮助学生提出了自己的猜想.

其次对于自变量还要追问“如何改变”，把探究引向深处，增加探究活动的思维含量.如：探究物体动能大小与什么因素有关？要研究物体动能与速度的关系时，要控制质量不变，改变其速度.当教师提出“如何改变”速度的问题后，学生就围绕这个问题进行尝试和思考.

生1：把同一辆小车从同一斜面的不同高度释放.这个是大多数教师想要的答案，是否还有其他方案呢？教师可以追问一下.生2提出：把同一辆小车放在同一斜面的同一位置，改变斜面的倾斜程度后释放.生3提出：把一辆小车从斜面的某一高度释放.第1次撞击物块后，不把被撞击的物块放回原来位置，接着将该小车从原来斜面的原来高度释放，再撞击物块.可以看出，这3种方案都是可行的，有些还在教师的预设之外.正是在“如何改变”这个问题的引领下，学生的思维一下激活了，自然而然想出很多的方法.一下也打破了探究活动中思维的固化，让探究活动变得多元开放，让学生的思维能力得到更大的发展.因此在引导学生用控制变量法进行问题探究时，这样追问是很有意义和价值的.

对于有些定量研究，还要问自变量“如何测量”.如：探究通过导体的电流与电压、电阻的关系.为了探究电流和电压的关系，在电阻不变的条件下，如何做到改变电压？如何测量电压？这些问题的思考，让学生知道了滑动变阻器和电压表的必要性，它们所起的作用也就明白了.

3.3 做好变量的控制

变量的控制是前提，如：探究通过导体的电流与电压、电阻的关系.为了探究电流和电阻的关系，如何做到保持电压不变？怎么操作？如果做不到保持电压相等，如何分析原因？这些问题的思考都是思维能力培养的增长点，也为后面的实验探究铺平道路.

无论演示实验还是分组实验，教师要做到心中有“法”，把物理方法的渗透落到实际教学中，还原问题本源，让学生尝试进行长程思维，让学生学习过程多一些困难和挑战，要远比脱离实际的说教效果好得多.

4 创设问题情境，反思控制变量

在体验压强的课堂小实验中，两个食指同时按压铅笔的尾部和笔尖，有学生用如图2（甲）的方法操作，笔者演示图2（乙）所示，请学生评价这两种方法有什么不同.实际上，没有控制两手指的压力相等，貌似不起眼的操作，其物理意义发生了较大的改变，教师需要及时纠正并说明.

图2

如图3所示，在采用“向漏斗口吹气，观察乒乓球状态”的方法来探究流速对流体压强的影响时，让学生判断两种方案的合理性.情境中的实验基于教材，巧妙地针对实验设计进行深入挖掘和思考.需要学生明确实验目的，进而知道要观察的现象以及影响实验的因素.考查学生实验探究的能力和控制变量的意识，启发物理教学要注重教学的过程，引导学生去解决情境化的问题.

图3

在多变量（因素）中，一个研究对象可能会受到多个变量的影响.为了搞清楚研究对象与这些变量之间的关系，我们可以把多变量问题变成多个单变量问题，先逐个研究单个变量对研究对象的影响，即每次只改变某一个变量，同时控制其他量不变.最后把这些单变量的结论综合起来，得到概括性的结论.在探究一个物理量与哪些因素有关时，要利用共变法去指导实验的设计，用控制变量法设计实验的过程中要严格做到只改变一个因素，保证其他可能的影响因素都不变，才能推理得出是有关因素还是无关因素，其流程如图4所示.

图4 控制变量法探究思维流程图

5 重视习题教学，强化控制变量

教学实践中，许多教师乐于讲实验，不喜欢让学生自己动手做实验，认为这是在浪费时间.当今的中考试题，越来越趋向于学生实验的过程体验和深度理解，靠死记硬背应付实验效果渐失.

例1.（2022年苏州）兴趣小组探究影响浮力大小的因素.猜想1：与物体浸在液体中的深度有关；猜想2：与物体浸在液体中的体积有关；猜想3：与液体的密度有关.

小组为验证上述猜想，用弹簧测力计、4个相同的小长方体磁力块、2个分别盛有水和盐水的烧杯等，按图5所示步骤进行实验：

图5

①利用磁力将4个磁力块组合成长方形物块.

② 根据图（A）（B）（C）的测量结果，小明认为猜想1是正确的，小华却认为不一定正确.你觉得小华的理由是 .

③ 小华为了证明自己想法，利用上述器材设计实验（D），根据（A）（B）（D）的测量结果，可得：浮力大小与浸在液体中的深度无关，请在图5（D）中画出她实验时磁力块的放置图.

④兴趣小组进一步研究得出浮力大小与物体浸在液体中的体积有关.

⑤ 根据图5（A）（C）（E）的结果，得出浮力大小还与___________有关.

（2）小华把4个磁力块组合成图6，她还能探究浮力与___________的关系.

图6

探究浮力的大小和与物体浸在液体中的深度关系时，要控制物体浸入液体的体积和液体的密度一定，而小明根据图5（A）（B）（C）的3次实验，得出浮力大小与浸在液体中的深度有关这个结论是不一定正确的.只有控制了物体浸入液体的体积和液体密度，改变浸在液体中的深度，才能得出浮力的大小是否与浸在液体中的深度有关.这题不仅考查学生控制变量法的意识，还考查学生运用控制变量法制订合理的科学探究方案的能力.

总之，教师要明确控制变量的教学价值，即解决多因素影响的复杂问题，认识起决定作用的影响因素，认识变量间的因果关系.通过深化函数关系的理解认识物理规律.教学时要根据物理教材实际和学生认知顺序，把物理知识与控制变量法教学有机结合.此外，从一个较长的学习过程看，对控制变量法的认识都是在反复理解和运用中逐渐形成的，其间有一个由低级到高级的螺旋上升过程，对控制变量法应该注意在不同知识阶段的再现.要想让学生掌握好这种科学研究方法，教师就应该为学生多创设认知问题情境，先使得学生对它的表象有初步认识，同时在实验探究的教学活动中逐步渗透控制变量法，使得学生对它的本质不断地进行认识.还要为学生创设新的复杂问题情境或者布置一些具有控制变量法的综合实践活动，来帮助学生强化并掌握其内核.