時(shí)間：2023-05-30 08:55:59
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇控制變量法，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
一、控制變量法的概念
自然界發(fā)生的很多現(xiàn)象往往是相互關(guān)聯(lián)的，并且研究對(duì)象往往不是單個(gè)存在的。影響研究對(duì)象的因素，在許多情況下是多種因素相互交錯(cuò)、共同作用的。為了研究一個(gè)物理量同影響它的多個(gè)因素中的一個(gè)因素的具體關(guān)系，我們就要人為地控制其他因素保持不變，進(jìn)行具體比較，探究這個(gè)物理量同這個(gè)因素之間的關(guān)系，然后得出科學(xué)的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)論，這就是控制變量法。這種實(shí)驗(yàn)方法在初中物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用得相當(dāng)普遍。
學(xué)生最初接觸物理的聲學(xué)知識(shí)時(shí)，控制變量法就已經(jīng)隱性地體現(xiàn)出來了。例如，真空罩中的鬧鈴實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是比較聲音在空氣和真空中的傳播情況，在實(shí)驗(yàn)操作過程中，實(shí)際上保持了鬧鈴、鬧鈴的位置、研究者離鬧鈴的距離這幾個(gè)因素不變，最后得出一個(gè)結(jié)論：聲音在空氣中能夠傳播，在真空中不能傳播。這個(gè)時(shí)候，作為授課者，就應(yīng)當(dāng)對(duì)控制變量法做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，讓學(xué)生對(duì)控制變量法有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，為以后的探究實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。
二、控制變量法的特征
控制變量法與物理實(shí)驗(yàn)中的其他實(shí)驗(yàn)方法不同，它有一個(gè)顯著特征：必須是兩個(gè)或兩個(gè)以上的因素對(duì)某一個(gè)物理量有影響。實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了科學(xué)地探究這幾個(gè)因素對(duì)這個(gè)物理量的具體影響，就要應(yīng)用控制變量法。比如說，某段導(dǎo)體中通過電流的大小，不僅和這段導(dǎo)體兩端電壓有關(guān)，還和這段導(dǎo)體的電阻有關(guān)，所以在實(shí)驗(yàn)探究的過程當(dāng)中，就要分兩個(gè)步驟來進(jìn)行。在探究導(dǎo)體中通過的電流大小與導(dǎo)體兩端電壓是否有關(guān)時(shí)，我們就要控制電阻不變；在探究導(dǎo)體中通過的電流大小與電阻是否有關(guān)時(shí)，我們就要控制電阻兩端電壓不變。
三、控制變量法的關(guān)鍵
在教學(xué)的過程當(dāng)中，往往會(huì)碰到某個(gè)物理量可能與多個(gè)因素有關(guān)。為了探究這個(gè)問題，通常采取的思維程序是：提出問題猜想與反駁實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 分析論證得出結(jié)論。在驗(yàn)證猜想的過程當(dāng)中，我們就要用到控制變量法。控制變量法的關(guān)鍵在于，要人為地控制一個(gè)或者幾個(gè)因素保持不變，只讓探究的單個(gè)因素在變化，觀察這個(gè)因素與物理量的具體關(guān)系。比如說，在探究導(dǎo)體的電阻大小與哪些因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，為了研究與橫截面積是否有關(guān)，教師可事先故意將長(zhǎng)度不同的一根鎳鉻合金線和一根銅線，分別串入接有小燈泡和電流表的電路中，讓學(xué)生分別觀察小燈泡的亮暗情況和電流表的示數(shù)變化情況，然后提出問題：剛才的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，能否說明導(dǎo)體的電阻大小與導(dǎo)體的橫截面積有關(guān)？大多數(shù)的學(xué)生經(jīng)過思考，能夠得出答案：不能，因?yàn)檫@時(shí)它們的長(zhǎng)度和導(dǎo)體的材料都不同。依次類推，采用同樣的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生得出：在探究導(dǎo)體的電阻大小與長(zhǎng)度有關(guān)時(shí)，要保證材料、橫截面積相同；在探究導(dǎo)體的電阻大小與材料有關(guān)時(shí)，要保證長(zhǎng)度、橫截面積相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，授課者要進(jìn)行歸納，要研究電阻的大小同導(dǎo)體的長(zhǎng)度、橫截面積、材料這三個(gè)因素任何一個(gè)因素間的關(guān)系，就要人為地控制另外兩個(gè)因素不變。這就是控制變量法在該實(shí)驗(yàn)操作過程中的關(guān)鍵所在。
四、控制變量法的作用
被研究的物理量的變化會(huì)受幾個(gè)因素的影響。為了探究其中某一因素對(duì)該物理量變化的影響情況，就要控制其他幾個(gè)因素不變，這樣做的好處是能排除其他因素對(duì)該物理量的干擾，直接顯露單一因素對(duì)被研究對(duì)象變化的影響情況。比如，在探究影響液體蒸發(fā)快慢的因素實(shí)驗(yàn)中，我們?yōu)榱颂骄繙囟取⒁后w的表面積、液體上方空氣流通程度對(duì)蒸發(fā)快慢的影響時(shí)，就要分步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在探究溫度對(duì)液體蒸發(fā)快慢的影響時(shí)，就要保持液體的表面積、液體上方空氣流通程度兩個(gè)因素不變，排除這兩個(gè)因素對(duì)蒸發(fā)快慢的影響。依次類推，分步操作，這樣能夠讓影響物理量的多個(gè)因素變單個(gè)因素，使復(fù)雜的問題變簡(jiǎn)單的問題。
充分應(yīng)用控制變量法，能將一些多因素的抽象的大問題，轉(zhuǎn)化為直觀的易于操控的小問題。
關(guān)鍵詞：初中物理；控制變量法；教學(xué)設(shè)計(jì)
在新課程理念中，突出了科學(xué)方法對(duì)人類發(fā)展的重要性。《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（修訂版）中有明確的要求：提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，具有初步的科學(xué)探究能力。物理學(xué)是一門富含多種科學(xué)方法的自然科學(xué)，其中“控制變量法”是最重要的思想方法之一。所謂“控制變量法”，狹義上是指：在研究物理問題時(shí)，某一物理量往往受到幾個(gè)不同物理量的影響，為了確定各個(gè)不同物理量之間的關(guān)系，就需要控制某些量，使其固定不變，改變某一個(gè)量，看所研究的物理量與該物理量之間的關(guān)系。
現(xiàn)以義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》（蘇科版）八年級(jí)上冊(cè)為參考，結(jié)合本人的一些教學(xué)探索，以初中學(xué)生學(xué)習(xí)物理的第一個(gè)學(xué)期為教學(xué)周期，有計(jì)劃地進(jìn)行“控制變量法”的教學(xué)設(shè)計(jì)。
一、初識(shí)“控制變量法”，了解方法的基本概念
在本教材中，第一次遇到“控制變量法”是在學(xué)習(xí)“聲音的特征”中。我就實(shí)驗(yàn)“弦樂器的音調(diào)高低與什么因素有關(guān)”進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)。
①演示：撥動(dòng)吉他琴弦。②提出問題：吉他的音調(diào)高低與什么因素有關(guān)呢？③學(xué)生猜想：可能與弦的長(zhǎng)短、粗細(xì)、松緊有關(guān)？④教師再問：怎樣通過實(shí)驗(yàn)來判斷音調(diào)高低與弦的長(zhǎng)短有關(guān)？我們選擇的器材需要具備什么特點(diǎn)？⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，老師介紹：同學(xué)們很有辦法，想到了好方法來證明弦樂器的音調(diào)高低與弦的長(zhǎng)短、粗細(xì)、松緊有關(guān)，還得出了具體的關(guān)系，但你們知道嗎？在第一次實(shí)驗(yàn)中，為了比較發(fā)聲的音調(diào)高低與弦的長(zhǎng)短的關(guān)系，要選取粗細(xì)和松緊相同的琴弦，而不能任意選取，這種方法是物理學(xué)中一種非常重要的科學(xué)探究方法，它叫“控制變量法”。由于物理現(xiàn)象往往是由多種因素相互交錯(cuò)、共同影響的，為研究其中某一因素的影響時(shí)，常常將其他因素控制不變，觀察這一因素對(duì)物理現(xiàn)象的影響，這就是控制變量法。
教學(xué)中，教師不宜對(duì)控制變量法過多講解，只要讓學(xué)生知道物理學(xué)習(xí)中有這樣一種重要的研究方法，知道“控制變量法”的概念即可。
二、再識(shí)“控制變量法”，明確方法的使用條件
第二次接觸“控制變量法”，是在學(xué)習(xí)“汽化和液化”時(shí)。我就“液體蒸發(fā)快慢與什么因素有關(guān)”進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)。
①創(chuàng)設(shè)情境：星期一上學(xué)要穿校服，星期天媽媽把校服洗了。大家有什么辦法能讓校服干得更快些，保證第二天能穿？②學(xué)生回答：用洗衣機(jī)甩、用烘干機(jī)烘、用吹風(fēng)機(jī)吹、晾到陽臺(tái)外……③提出問題：液體的蒸發(fā)快慢可能與哪些因素有關(guān)？④學(xué)生猜想：液體的溫度、表面積、液體表面的空氣流動(dòng)（教師作適當(dāng)?shù)恼T導(dǎo)啟發(fā)）。⑤設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：此時(shí)，學(xué)生對(duì)先前接觸的“控制變量法”已經(jīng)有所淡忘，教師可組織學(xué)生討論：水的蒸發(fā)快慢可能與溫度、表面積和空氣流動(dòng)三者都有關(guān)系，選取什么樣的器材，才能證明蒸發(fā)快慢是與溫度有關(guān)而不是與表面積或空氣流動(dòng)有關(guān)？⑥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：……⑦完成實(shí)驗(yàn)后，教師評(píng)價(jià)：在研究“液體蒸發(fā)快慢與什么因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)中，又一次運(yùn)用了“控制變量法”，請(qǐng)大家總結(jié)一下，在什么情況下使用“控制變量法”呢？
通過歸納使用條件，使學(xué)生對(duì)“控制變量法”有了深入了解，為后面的物理學(xué)習(xí)中運(yùn)用此方法解決問題奠定了基礎(chǔ)。
三、再遇“控制變量法”，檢驗(yàn)方法的掌握效果
通過以上的教學(xué)，學(xué)生對(duì)“控制變量法”有了一定的認(rèn)識(shí)。在練習(xí)中，出現(xiàn)了這樣一道題，我決定到實(shí)驗(yàn)室通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)學(xué)生應(yīng)用“控制變量法”來解決實(shí)際問題的能力。
題目：兩千多年前，墨翟用小孔成像的實(shí)驗(yàn)說明了光在同一種均勻物質(zhì)中沿直線傳播。你做過這一實(shí)驗(yàn)嗎？你認(rèn)為像的大小與什么有關(guān)？你能用圖示表達(dá)出你的研究過程嗎？請(qǐng)仿照示例完成下面題目。
【示例】猜想：我認(rèn)為與物體的大小有關(guān)，研究方法的圖示是（ ）（圖略）。
①猜想一：（ ），研究方法的圖示是（ ）。猜想二：（ ），研究方法的圖示是（ ）。
②提出問題：小孔成像的大小與什么因素有關(guān)呢？
③學(xué)生猜想：可能與物體的大小、物體和小孔之間的距離、光屏與小孔之間的距離有關(guān)。
④設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：那么該如何選取合適的器材來設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>
⑤學(xué)生回答：在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，一定要注意使用“控制變量法”。比如，要研究“像的大小是否與物體的大小有關(guān)”時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中要保持“物體和小孔之間的距離”和“光屏與小孔之間的距離”兩個(gè)因素不變，改變“物體的大小”，觀察成像的大小變化，從而得出結(jié)論。
⑥學(xué)生實(shí)驗(yàn)：……
本節(jié)實(shí)驗(yàn)課的設(shè)計(jì)，意在讓學(xué)生能理解并掌握“控制變量法”，能運(yùn)用該法去解決實(shí)際問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師提問：本題是想考查我們哪些知識(shí)？在七嘴八舌的回答中，有同學(xué)說，是想考查有沒有掌握“控制變量法”。他的回答，立刻得到其他學(xué)生的附和。實(shí)驗(yàn)提高了學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究的思維能力和實(shí)驗(yàn)操作的基本能力，同時(shí)也促進(jìn)了良好的思維品質(zhì)的提高。
通過大半學(xué)期循序漸進(jìn)的教學(xué)，學(xué)生對(duì)“控制變量法”有了深刻認(rèn)識(shí)，并能較熟練地掌握運(yùn)用，為學(xué)生學(xué)習(xí)以后相關(guān)知識(shí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
控制變量法在物理教育中具有重要作用.比如，研究物理密度與質(zhì)量、體積之間的關(guān)系；研究勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)間、位移、速度之間的關(guān)系；研究液體的壓強(qiáng)與液體種類、深度等因素的關(guān)系；研究歐姆定律；研究電磁鐵磁性強(qiáng)弱與線圈匝數(shù)、電流大小之間的關(guān)系；研究液體蒸發(fā)快慢與液體種類、液體表面空氣流速之間的聯(lián)系；等等.這種物理學(xué)方法，可以使一些較為復(fù)雜的物理學(xué)變量影響因素得到簡(jiǎn)化，得出主要因素與次要因素之間的聯(lián)系，進(jìn)而簡(jiǎn)化了物理學(xué)的理論難度.控制變量法在初中物理電學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用.
一、控制變量法在研究歐姆定律過程中的應(yīng)用
例1 在研究“電流跟電壓、電阻的關(guān)系”時(shí)，學(xué)生設(shè)計(jì)如圖1電路圖，其中R為定值電阻，R′為滑動(dòng)變阻器，實(shí)驗(yàn)后，數(shù)據(jù)記錄在表1和表2中.（1）根據(jù)表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出如下結(jié)論：由表1可得：.由表2可得：.（2）在研究“電流與電阻關(guān)系”時(shí)，先用5Ω的定值電阻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使電壓表的示數(shù)為3V，再換用10Ω的定值電阻時(shí)，某同學(xué)沒有改變滑動(dòng)變阻器滑片的位置，合上開關(guān)后，電壓表的示數(shù)將3V（選填“大于”、“小于”或“等于”）.此時(shí)應(yīng)向（選填“右”或“左”）調(diào)節(jié)滑片，使電壓表的示數(shù)仍為3V.
解析：在研究歐姆定律之前， 學(xué)生已經(jīng)了解了電流、電壓、電阻這些基本概念，根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路圖，表1中的電阻是定值，通過改變電壓值，可以得出電流隨著電壓的增大而增大，而且滿足一定的正比例關(guān)系；表2中的電壓是個(gè)定值，通過改變電阻器電阻，可以看出通過導(dǎo)體的電流隨著電阻值的增大而減小，且滿足一定的反比例關(guān)系.因此，可以得出歐姆定律：U=IR.當(dāng)電流值不變，電阻變大時(shí)，電壓值也會(huì)變大，電壓表示數(shù)將大于3V.為了減小電壓值，不許降低電阻，所以向右側(cè)移動(dòng)滑片.
二、控制變量法在研究電功過程中的應(yīng)用
例2 在研究“電流做功快慢與哪些因素有關(guān)”時(shí)，電流做功的過程就是將電能轉(zhuǎn)化成其他形式能量的過程.研究電功時(shí)，可以將電功轉(zhuǎn)化成的熱能進(jìn)行分析，通過溫度計(jì)測(cè)量溫度的變化情況得出做功大小，進(jìn)而分析出電功與電流、電壓之間的聯(lián)系.通常情況下，采用以下實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)過程.
實(shí)驗(yàn)：按照如圖2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.
通過探究，我們不難發(fā)現(xiàn)，兩電阻絲之間是串聯(lián)關(guān)系，因此兩者之間的電流是相等的，當(dāng)R1>R2時(shí)，通過電壓表示數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)R1兩端的電壓高；通過溫度計(jì)，我們看到R1的煤油溫度升高較快，即相同時(shí)間內(nèi)R1消耗的電能更多.可以得出：通過用電器的電流和通電時(shí)間相同時(shí)，用電器上的電壓越高，電流做功就越多.
總之，通過分析控制變量法在初中物理電學(xué)中的應(yīng)用，可以看出這種方法的靈活性和優(yōu)越性，特別是針對(duì)一些相關(guān)因素比較復(fù)雜的問題，運(yùn)用控制變量法可以巧妙地實(shí)現(xiàn)問題的簡(jiǎn)化，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的思維能力.
關(guān)鍵詞：初中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；控制變量法；教學(xué)應(yīng)用；作用意義；分析
在物理教學(xué)中，控制變量法是指在進(jìn)行問題研究以及規(guī)律探索過程中，通過每次只改變一個(gè)因素，控制與保持其他因素不發(fā)生變化的方式，進(jìn)行相關(guān)物理問題以及因素關(guān)系分析探索的一種方法途徑，它在進(jìn)行問題的研究以及關(guān)系探索中，主要是將多因素問題轉(zhuǎn)化成為多個(gè)單因素問題，并對(duì)它們分別進(jìn)行研究，再對(duì)于研究結(jié)果進(jìn)行綜合的一種思想方法，在物理教學(xué)中的應(yīng)用非常廣泛。通常情況下，在進(jìn)行物理教學(xué)或者是研究的過程中，由于進(jìn)行研究的物理對(duì)象并不是孤立存在的狀態(tài)，通常與其他事物之間有著密切的聯(lián)系與作用，因此，在進(jìn)行問題研究過程中，對(duì)于研究問題產(chǎn)生影響與作用因素也不是單一的，往往會(huì)呈現(xiàn)多種因素交錯(cuò)或者是共同作用的局面和情況，而要想實(shí)現(xiàn)對(duì)于所研究問題的特點(diǎn)把握，或者是進(jìn)行事物變化原因與規(guī)律的探尋，僅僅通過對(duì)于自然條件下研究對(duì)象的整體觀察與分析是不夠的，必須通過人為影響的施加，進(jìn)行特定條件下的研究對(duì)象變化規(guī)律與特征的分析總結(jié)，才能夠發(fā)現(xiàn)問題中所包含的變化原因與規(guī)律特征。下文將通過對(duì)于控制變量法在初中物理教學(xué)中的具體應(yīng)用分析，對(duì)于控制變量法在物理教學(xué)中的作用意義進(jìn)行探索分析。
1、控制變量法在初中物理教學(xué)中的作用
初中物理主要是為培養(yǎng)個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)和觀察能力，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出大量的物理規(guī)律，為了使學(xué)生對(duì)這些物理規(guī)律牢固的進(jìn)行掌握，就需要不斷的培養(yǎng)個(gè)學(xué)生對(duì)物理規(guī)律進(jìn)行探究的能力。控制變量法是一種有效的、常用的探索物理規(guī)律的方法，在初中物理教學(xué)中發(fā)揮著重要的作用，很多物理規(guī)律、物理概念的推導(dǎo)和探索，試驗(yàn)的演示及分組教學(xué)等，都離不開控制變量法的應(yīng)用，因此，控制變量法在初中物理教學(xué)中是用來對(duì)物理規(guī)律進(jìn)行探索，對(duì)實(shí)際物理問題進(jìn)行分析和解決的好幫手。
2、物理量大小比較中控制變量法的應(yīng)用
2.1物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用
在進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)某一物理量變化的因素進(jìn)行對(duì)比，需要對(duì)這些影響物理量變化的因素進(jìn)行研究，此時(shí)可以采用控制變量法進(jìn)行研究，將多變的、復(fù)雜的物理問題轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的變量問題，將抽象的、多因素的大問題轉(zhuǎn)變多一些可以直觀操作的小問題，使復(fù)雜的條件轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌谟^察的、特定的條件，從而利于研究。通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的深入分析、研究和總結(jié)，找出該因素與物理量之間的關(guān)系。
例如，對(duì)導(dǎo)電體電阻大小的影響因素的研究中，需要對(duì)導(dǎo)電體的物理特性進(jìn)行分析，先將長(zhǎng)度、橫截面不同的一根銅絲和鎳鉻絲分別接上小燈泡，小燈泡置于直流電路中，然后讓學(xué)生觀察燈泡亮度的差異，然后用不同長(zhǎng)度、不同截面積的兩根鎳鉻絲分別接入同等條件的電路中，對(duì)小燈泡的亮度進(jìn)行觀察。然后讓學(xué)生對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行思考，并說明導(dǎo)電體與電阻大小的特性關(guān)系。因此，研究電阻的大小和導(dǎo)電體的截面、長(zhǎng)度、材料等因素中任何一個(gè)存在關(guān)系，就需要對(duì)另外兩個(gè)因素進(jìn)行控制。在研究過程中，控制變量法能夠有序的呈現(xiàn)和分解物理問題，讓同學(xué)們對(duì)多個(gè)因素逐一進(jìn)行研究，這種研究方法，學(xué)生的思路會(huì)變得特別清晰，幫助學(xué)生準(zhǔn)確、快速的完成探究。
2.2物理練習(xí)中的應(yīng)用
除了在物理實(shí)驗(yàn)中采用控制變量法進(jìn)行探求以外，在物理量的大小、解析和分析實(shí)際問題中，也經(jīng)常會(huì)用到該方法。物理中考中，控制變量法屬于必考內(nèi)容，所以，在課堂教學(xué)中，教師要有針對(duì)的對(duì)此類試題進(jìn)行聯(lián)系，從不同知識(shí)點(diǎn)、不同角度進(jìn)行練習(xí)，讓學(xué)生熟練的掌握此種方法，在解決實(shí)際問題中，有目的的進(jìn)行分析，從而使學(xué)生的解題速度及正確率都得到提高。
例如，在照明電路中，接入大功率電爐，此時(shí)電線發(fā)熱，對(duì)其絕緣皮產(chǎn)生威脅，甚至引發(fā)火災(zāi)，用所學(xué)的物理知識(shí)簡(jiǎn)單說明這是什么原因?qū)е碌摹４祟}是控制變量法在實(shí)際問題中的典型應(yīng)用，該題主要說的是電線發(fā)熱的問題，思路：首先找出引起發(fā)熱的物理量和沒有影響的物理量進(jìn)行說明，所以，就電線而言，由于本身的電阻不變，那么接入大功率電爐以后，流經(jīng)電線的電流顯著增大，從公式P=I2R可以知道，此時(shí)電線中的熱功率提高的非常快，同樣的時(shí)間內(nèi)發(fā)熱量大增，因此在普通照明電路中，如果接入大功率電爐，電線就會(huì)很快出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，嚴(yán)重的可以燒壞絕緣皮，引發(fā)火災(zāi)。
再如，在同一張桌面上放著鐵塊和長(zhǎng)方體木塊，現(xiàn)在想對(duì)鐵塊和木塊的下表面的粗糙程度進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)在要求用一個(gè)滿足試驗(yàn)要求的彈簧測(cè)力計(jì)，設(shè)計(jì)一個(gè)試驗(yàn)對(duì)你的猜想進(jìn)行驗(yàn)證，并將步驟、現(xiàn)象和結(jié)果寫出來。該題主要是對(duì)學(xué)生運(yùn)用控制變量法、試驗(yàn)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)能力進(jìn)行考察，如何才能對(duì)兩個(gè)物體的下表面粗糙程度進(jìn)行對(duì)比，此時(shí)可以考慮滑動(dòng)摩擦力的大小，影響該力大小的因素主要包含物體表面粗糙程度、壓力的大小決定的。眾所周知，壓力大小相同時(shí)，如果摩擦力越大，那么物體的接觸面就會(huì)越粗糙。所以，在對(duì)該題的試驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，先要確保壓力相同，可以將鐵塊和木塊疊切來。由此可見，控制變量法是一種常用的解決物理問題的方法，對(duì)初中物理問題能夠很好的進(jìn)行解決，并且對(duì)于一些其他學(xué)科的問題，也能夠采用此法進(jìn)行解決。
3、結(jié)束語
在初中物理教學(xué)中，控制變量法的應(yīng)用體現(xiàn)了新課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的理念。教師在進(jìn)行教學(xué)時(shí)，要重點(diǎn)練習(xí)學(xué)生對(duì)控制變量法的應(yīng)用能力，為培養(yǎng)學(xué)生探究能力、科研能力及解決實(shí)際問題的能力奠定基礎(chǔ)，不斷的提高初中物理教學(xué)的效果。
參考文獻(xiàn)
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八年級(jí)學(xué)生剛學(xué)習(xí)“控制變量法”相關(guān)問題時(shí)，學(xué)生不理解“變量”也不知道如何控制“變量”。我舉了通俗的例子說明：人的健康狀況受哪些因素的影響？經(jīng)過學(xué)生討論，認(rèn)為受“先天因素、飲食情況、是否鍛煉”三個(gè)因素的影響。于是我提出問題：人的健康狀況與是否鍛煉有什么關(guān)系？同學(xué)們馬上給出答案，鍛煉的人要好于不鍛煉的人。我接著追問：如果一個(gè)先天體質(zhì)差但飲食習(xí)慣好且參與鍛煉的人和一個(gè)先天體質(zhì)好但飲食習(xí)慣不好且不參與鍛煉的人哪個(gè)更健康呢？一時(shí)同學(xué)們沒了答案。接著我又給出第三個(gè)問題：在什么條件下，你們的答案才是正確的呢？經(jīng)過大家討論認(rèn)為，在先天因素和飲食習(xí)慣都相同的條件下。這里的條件就是控制變量，我們所采用的研究問題的方法就是控制變量法。
一、控制變量法對(duì)理解和分析物理公式起著很重要的作用，多出現(xiàn)在選擇題中
例如：對(duì)公式v=s/t的理解，不能盲目地說速度v與路程s成正比，與時(shí)間t成反比。而應(yīng)該說：當(dāng)時(shí)間t一定，速度v與路程s成正比；當(dāng)路程s一定，速度v與時(shí)間t成反比；當(dāng)v一定，s與t成正比。對(duì)其他物理公式的分析采取同樣方法。對(duì)公式P=UI的理解，絕不能簡(jiǎn)單地說電壓U越高或電流越大，電功率P就越大。正確的理解是：當(dāng)電流I一定，電功率P與電壓U成正比；當(dāng)電壓U一定，電功率P與電流I成正比；當(dāng)P一定，U與I成反比。上述歸納為：只要是三個(gè)物理量組成的公式，在分析它們的關(guān)系時(shí)，一定要控制其中一個(gè)量不變，然后討論另外兩個(gè)量的關(guān)系。如果是四個(gè)物理量組成的公式呢？則應(yīng)控制其中兩個(gè)量不變，然后討論另外兩個(gè)量的關(guān)系。例：W=UIt的分析：當(dāng)I和t一定，W與U成正比；當(dāng)U和t一定，W與I成正比；當(dāng)W和t一定，U與I成反比；當(dāng)W和I一定U與t成反比。不管公式中出現(xiàn)多少個(gè)物理量，在分析兩個(gè)量的關(guān)系時(shí)，則需把其他所有量都控制不變（常數(shù)除外）。這樣就掌握了正確的分析物理公式的方法。
二、在簡(jiǎn)答題中解釋物理現(xiàn)象時(shí)常用到控制變量法
例：為什么坐在沙發(fā)上比坐在木凳上舒服些？我們知道影響壓強(qiáng)大小因素有壓力和受力面積，這里是同一人控制的是壓力一定，坐沙發(fā)比坐木凳人體的受力面積大，根據(jù)P=F/S，所以人體受到的壓強(qiáng)小，感覺舒服些。為什么人走在冰面上比走在地面上容易滑倒？影響滑動(dòng)摩擦力的因素是壓力和接觸面的粗糙程度。這里是控制壓力不變，改變了接觸面的粗糙程度，冰面的粗糙程度比地面小，人受到冰面的滑動(dòng)摩擦力小，因此容易滑倒。如果在解答此類問題時(shí)，沒有控制變量會(huì)導(dǎo)致邏輯不嚴(yán)謹(jǐn)而失分。
三、控制變量法在探究實(shí)驗(yàn)中更為重要
如果在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)沒有控制變量，整個(gè)試驗(yàn)就是失敗的，得出的結(jié)論也毫無意義。例如：在探究“影響動(dòng)能大小的因素”的時(shí)，首先在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)需要選同一斜面且保證斜面的傾斜程度一定。然后再分別研究與質(zhì)量和速度的關(guān)系。（1）動(dòng)能與質(zhì)量的關(guān)系。選兩個(gè)質(zhì)量不等（改變質(zhì)量）的鋼球使它們處于斜面上同一高度（控制到達(dá)平面時(shí)速度相等）自由釋放，觀察兩次平面上的木塊被推動(dòng)距離的遠(yuǎn)近。歸納結(jié)論：物體的運(yùn)動(dòng)速度相同，質(zhì)量越大，動(dòng)能越大。（2）動(dòng)能與速度的關(guān)系。選兩個(gè)質(zhì)量相同或同一鋼球（控制質(zhì)量相等）使其處于斜面上不同高度（改變到達(dá)平面時(shí)的速度）自由釋放，再觀察兩次平面上的木塊被推動(dòng)距離的遠(yuǎn)近。分析歸納：物體的質(zhì)量相同，運(yùn)動(dòng)速度越大，動(dòng)能越大。探究“電流與電壓的關(guān)系”時(shí)，需要控制定值電阻R一定，通過滑動(dòng)變阻器改變R兩端電壓，然后用電流表測(cè)出每次對(duì)應(yīng)的電流值I。最后得出：當(dāng)電阻一定，通過導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體兩端的電壓成正比的結(jié)論。而“探究電流與電阻的關(guān)系”時(shí)則要改變定值電阻R的阻值，通過滑動(dòng)變阻器控制定值電阻R兩端電壓一定，用電流表測(cè)出每次對(duì)應(yīng)的電流值I。從而得到：當(dāng)電壓一定，通過導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體的電阻成反比的結(jié)論。除了上述實(shí)驗(yàn)，還有多個(gè)采用控制變量法的探究實(shí)驗(yàn)：“同種物質(zhì)的質(zhì)量與體積的關(guān)系”“影響浮力大小的因素”“比較不同物質(zhì)的吸熱能力”“電熱與什么因素有關(guān)”“影響電磁鐵磁性強(qiáng)弱的因素”等。
控制變量法不僅應(yīng)用在上述題型中，在這里不一一列舉，它是學(xué)生學(xué)習(xí)物理必須掌握的方法。總之，該方法可以說是貫穿初中物理教學(xué)的始終，是初中物理教學(xué)中最為常用、最為重要的一種方法。
參考文獻(xiàn)：
（四川省資中縣發(fā)輪中心衛(wèi)生院641200 ）
物理學(xué)是一門以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物體間的相互作用、物體運(yùn)動(dòng)一般規(guī)律的自然科學(xué)。縱觀初中物理教材，版本眾多，有瀘科版、人教版、蘇科版、教科版等，雖然版本不同，知識(shí)編排的先后順序有所差異，但都以探究實(shí)驗(yàn)為重點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，而這些實(shí)驗(yàn)的探究方法絕大多數(shù)都是控制變量法。什么是控制變量法呢？控制變量法就是為了探究一個(gè)量與多個(gè)變量中某一變量的關(guān)系而保持其它變量不變的方法。這種方法在初中乃至于整個(gè)物理學(xué)中都是非常常用的實(shí)驗(yàn)探究方法，它在物理教學(xué)中有極其重要的意義。
一、“控制變量法”是一種科學(xué)的探究方法，應(yīng)用廣泛。
初中物理中有三分之二的物理規(guī)律都需要用控制變量進(jìn)行探究。例如在研究壓力的作用效果與哪些因素有關(guān)時(shí)，不僅要在相同的壓力F作用下，而且還需要壓力作用在同樣的物體上，通過受力面積的變化來比較壓力的作用效果。如果相同的壓力，一個(gè)壓力作用的受力面積較大但在海綿上，而另一個(gè)大小相等的壓力作用面積較小卻作用在課桌上，這時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)壓力一定時(shí)，受力面積較大，作用效果反而更明顯。其實(shí)得到這種錯(cuò)誤結(jié)論的原因就是未控制除面積之外的另一個(gè)變量——受力物體。再如在探究通電螺線管的磁性強(qiáng)弱與電流大小，線圈匝數(shù)的關(guān)系時(shí)，只顧增加線圈的匝數(shù)，而不控制電流大小和鐵心，或是只增加電流大小，而不控制線圈匝數(shù)和鐵心都將得到錯(cuò)誤的結(jié)論。控制變量法在物理學(xué)探究實(shí)驗(yàn)中有其廣泛的運(yùn)用是源于它是一種行之有效的方法。我們教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生如何認(rèn)識(shí)變量，控制變量，讓他們主動(dòng)的、有意識(shí)的去運(yùn)用。也只有這樣才能真正意義上的做到：教師引導(dǎo)，學(xué)生為主導(dǎo)的教與學(xué)。
二、“控制變量法”在解題時(shí)具有簡(jiǎn)單、實(shí)效的作用。
初中物理中有許多公式都是通過探究實(shí)驗(yàn)而得出結(jié)論，學(xué)生在探究實(shí)驗(yàn)中經(jīng)教師的指導(dǎo)知道如何中控制變量，然而回歸到公式運(yùn)用去解題時(shí)，往往會(huì)是數(shù)學(xué)思維模式，不能再將變量與公式聯(lián)系起來靈活運(yùn)用。例如數(shù)學(xué)中y=kx（k為常量），學(xué)生很容易明白y與x成正比，即x越大，y的值越大。但與此相似的如速度公式V=S/t的變形式S=Vt，在很多選擇題中就會(huì)有諸如“根據(jù)S=Vt可知，路程與速度正比，或是物體運(yùn)動(dòng)的速度越大，物體的路程就越遠(yuǎn)”的選擇答案。學(xué)生容易認(rèn)為它是正確的，而如果學(xué)生運(yùn)用了控制變量法，它就會(huì)知道在討論路程與速度的關(guān)系時(shí)，其實(shí)還應(yīng)該控制變量——時(shí)間。再如初中物理的難點(diǎn)，關(guān)于浮力F=ρ液V排g的理解，大部分學(xué)生都會(huì)認(rèn)為“排開液體的體積越大，浮力就會(huì)越大”是正確的。而根據(jù)控制變量法應(yīng)該要先控制變量液體的密度，才會(huì)有這樣的關(guān)系。實(shí)際上在討論一個(gè)量與多個(gè)變量的關(guān)系時(shí)，控制變量法會(huì)有更強(qiáng)的簡(jiǎn)單實(shí)用性。例如：質(zhì)量和初溫相同的鐵和銅釋放相同熱量后放在一起，熱量將會(huì)從哪個(gè)物體傳給另一個(gè)物體？這一題包含了四個(gè)物理量，可謂錯(cuò)綜復(fù)雜，屬于熱學(xué)中的難題。雖然學(xué)生知道有公式Q=Cmt，但一看見這么變量時(shí)就不知道從何開始，而根據(jù)控制變量法簡(jiǎn)單分析可知熱量從高溫物體傳遞給低溫物體，其實(shí)關(guān)鍵在于比較t，將公式變形就和t=Q/Cm，根據(jù)題意被控制變量Q、m是相同的，實(shí)際上就只有t與C之間的關(guān)系了，因C鐵>C銅，所以有t鐵<t銅，末溫更高的是鐵，最后熱量應(yīng)該是從鐵傳遞給銅。此題難點(diǎn)在于運(yùn)用控制變法來簡(jiǎn)化物理量與物理量之間的關(guān)系。
可見，在解決多數(shù)物理問題時(shí)，靈活運(yùn)用控制變量法能簡(jiǎn)化題意，提高解題速度和準(zhǔn)確性。控制變量法不僅在實(shí)驗(yàn)探究中，而且在公式理解與解題之中同樣能體現(xiàn)其重要性。
三、“控制變量法”能引導(dǎo)學(xué)生自主的、科學(xué)的進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，拓展思維。
近年來各種版本的物理教科書不停的更改，都是為了探索如何更好的將中小學(xué)教育由應(yīng)試教育轉(zhuǎn)化為素質(zhì)教育，而素質(zhì)教育重在培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，提高動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力。物理學(xué)以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，探究實(shí)驗(yàn)更是學(xué)生獲得真知的主要手段，控制變量法作為探究實(shí)驗(yàn)的主要方法，普遍應(yīng)用可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而對(duì)一些自我疑問會(huì)自主的用實(shí)驗(yàn)去證明檢驗(yàn)，控制變量法為他們提供了科學(xué)方法的指導(dǎo)。
一、控制變量法。
利用控制變量法研究物理問題，注重了知識(shí)的形成過程，有利于扭轉(zhuǎn)重結(jié)論、輕過程的傾向，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，使學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)。
蒸發(fā)的快慢與哪些因素的有關(guān)；滑動(dòng)摩擦力的大小與哪些因素有關(guān)；液體壓強(qiáng)與哪些因素有關(guān)；研究浮力大小與哪些因素有關(guān)；壓力的作用效果與哪些因素有關(guān)；滑輪組的機(jī)械效率與哪些因素有關(guān)；研究電磁鐵的磁性強(qiáng)弱跟哪些因素有關(guān)系等均應(yīng)用了這種科學(xué)方法。
二、控制變量法應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的類型
控制變量法在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用最為廣泛，現(xiàn)舉例說明其應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)類型：
1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。例：同一水平桌面上放有長(zhǎng)方體木塊和鐵塊各一個(gè)。現(xiàn)想探究木塊和鐵塊的下表面誰更粗糙，請(qǐng)你只利用一個(gè)量程滿足實(shí)驗(yàn)要求的彈簧測(cè)力計(jì)，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證你的猜想，寫出實(shí)驗(yàn)的步驟：在同一水平桌面上，將鐵塊放在木塊上，用彈簧測(cè)力計(jì)沿水平方向拉木塊做勻速直線運(yùn)動(dòng)，讀出彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)F1；再將木塊放在鐵塊上，用彈簧測(cè)力計(jì)沿水平方向拉鐵塊做勻速直線運(yùn)動(dòng)，讀出彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)F2；比較F1和F2的大小，得出木塊和鐵塊的粗糙程度。
2.實(shí)驗(yàn)器材。例：在學(xué)習(xí)吉他演奏的過程中，小華發(fā)現(xiàn)琴弦發(fā)出聲音的音調(diào)高低受各種因素影響，他決定對(duì)此進(jìn)行研究。經(jīng)過和同學(xué)們討論，提出了以下猜想：
猜想一：琴弦發(fā)出聲音的音調(diào)高低，可能與琴弦的橫截面積有關(guān)；
猜想二：琴弦發(fā)出聲音的音調(diào)高低，可能與琴弦的長(zhǎng)短有關(guān)；
猜想三：琴弦發(fā)現(xiàn)聲音的音調(diào)高低，可能與琴弦的材料有關(guān)。
為了驗(yàn)證上述猜想是否正確，他們找到了下表所列9種規(guī)格的琴弦，因?yàn)橐粽{(diào)的高低取決于聲源振動(dòng)的頻率，于是借來一個(gè)能夠測(cè)量振動(dòng)頻率的儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
三、控制變量法在教學(xué)有運(yùn)用
同時(shí)它能將一些復(fù)雜的多變量的物理問題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的單變量的問題，將一些多因素的抽象的大問題，轉(zhuǎn)化為直觀的易于操控的小問題。教學(xué)中如果此法應(yīng)用得當(dāng)，將會(huì)非常地方便、快捷，省時(shí)、省力，而且能少走很多不必要的彎路，減少很多無謂的而且是艱辛的探索之路，收到事半功倍、一石二鳥的良好效益。
實(shí)例1：初溫相同、質(zhì)量相等的銅塊和鐵塊吸收同樣的熱量后，溫度高的是（）。
A、銅塊B、鐵塊C、都一樣D、無法確定
[分析]實(shí)例1判斷的是初溫相同的物體，吸收同樣的熱量后誰的溫度更高。由于初溫相同，溫度高的溫差肯定大，因此本例可以將比較溫度的高低問題轉(zhuǎn)化為比較溫差的大小問題。那么，溫差的大小跟哪些因素有關(guān)呢？由公式Q=cm（t0-t）或Q=cmΔt可知，溫差的大小與物體的質(zhì)量、比熱容、吸收的熱量有關(guān)。由于是比較銅塊和鐵塊的溫差大小，這就要求比熱容不同（可變），而其它條件必須保持不變（相同）才能進(jìn)行比較。再由吸熱相等（Q=cmΔt乘積一定）可知：比熱容c與溫差Δt成反比關(guān)系（從純數(shù)學(xué)的角度看），因此比熱容大的溫差小，比熱容小的溫差大。查表可知，銅的比熱容小，鐵的比熱容大，故正確的選項(xiàng)為B答案。
實(shí)例2：下列關(guān)于導(dǎo)線的電阻說法正確的是（）
A、長(zhǎng)導(dǎo)線比短導(dǎo)線電阻大B、粗導(dǎo)線比細(xì)導(dǎo)線電阻小
C、導(dǎo)線中有電流時(shí)才有電阻，沒有電流時(shí)電阻為零
D、常溫下，粗細(xì)長(zhǎng)短都相同的鐵絲比鋁線電阻大
在課堂教學(xué)中運(yùn)用控制變量法去分析問題、解決問題有著不可低估的重要作用,下邊就控制變量法分別在概念規(guī)律、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、探究實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)、例題教學(xué)、習(xí)題設(shè)計(jì)中的應(yīng)用各舉一例作一探討。
一、控制變量法在密度概念教學(xué)中的應(yīng)用
1.質(zhì)量相同(控制質(zhì)量)的不同物質(zhì),定量地看,密度與體積成反比例關(guān)系。
2.體積相同(控制體積)的不同物質(zhì),定量地看,密度與質(zhì)量成正比例關(guān)系。
3.物質(zhì)相同(控制物質(zhì)因素)的不同物體,定量地看,m/v的值不變,即質(zhì)量與體積成正比例關(guān)系。
同理,控制變量法還普遍的應(yīng)用于速度、電功、功率、比熱容、燃料的熱值、力的三要素、參照物的選擇等物理概念的教學(xué)中。
二、控制變量法在歐姆定律教學(xué)中的應(yīng)用
1.把一電阻跟滑動(dòng)變阻器串聯(lián)起來,用滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)同一電阻(控制電阻)兩端的電壓,記錄通過該電流,去探究電流與電壓的關(guān)系;
2.把兩個(gè)阻值不同的電阻分別跟滑動(dòng)變阻器串聯(lián)起來,用滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)兩個(gè)阻值不同電阻兩端的電壓并使之不變(控制電壓),記錄通過的電流,去探究電流與電阻的關(guān)系;
3.通過定量分析,概括總結(jié)出歐姆定律。
同理,控制變量法還應(yīng)用在焦耳定律等物理規(guī)律的教學(xué)中。
三、控制變量法在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用
例:給你一個(gè)電池組(電壓未知,且不變),一只電流表,一個(gè)已知最大阻值為Rab的滑動(dòng)變阻器,一只開關(guān)和幾根導(dǎo)線,請(qǐng)你設(shè)計(jì)只需連一次電路就能測(cè)出未知電阻Rx的方法。
設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),如下左圖所示。進(jìn)行實(shí)驗(yàn),分析測(cè)算。
1.閉合開關(guān),將變阻器滑片P移到a端,測(cè)出此時(shí)電路中電流I1。
2.將滑片P移到b端,測(cè)出此時(shí)電路中電流I2,由I1Rx=I2(Rx+Rab),得Rx=I2Rab/(I1-I2)。(當(dāng)然,也可將Rx與Rab并聯(lián),如上右圖所示)
以上兩種方法,都離不開一個(gè)設(shè)計(jì)思想,即控制電壓(電源或Rx兩端電壓)這個(gè)變量,用電流表測(cè)出電流,然后用歐姆定律就可算出未知電阻的阻值。
四、控制變量法在探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用
初中物理教材中許多實(shí)驗(yàn)都必須使用控制變量法完成探究,方可得出結(jié)論。如探究“影響磁性強(qiáng)弱的因素等實(shí)驗(yàn)、摩擦力的大小與什么因素有、壓力的作用效果與什么因素有關(guān)、動(dòng)能的大小與什么因素有關(guān)、重力勢(shì)能與什么因素有關(guān)、阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響”中無一不滲透著控制變量法。
五、控制變量法在演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用
初中物理教材中許多實(shí)驗(yàn)都必須用控制變量法完成演示,進(jìn)行比較、分析、判斷。例如音調(diào)和頻率關(guān)系、液體內(nèi)部壓強(qiáng)的特點(diǎn)、決定電阻大小的因素等演示實(shí)驗(yàn)。
六、控制變量法在例題教學(xué)中的應(yīng)用
例題:某同學(xué)在“探究電阻上電流與電壓的關(guān)系”時(shí),根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪出了如圖所示的U-I關(guān)系圖像,由此圖像可知:
A.R1
C.R1>R2 D.無法確定
析題:如果圖像上標(biāo)有具體的電流、電壓數(shù)據(jù),在圖像上任意找一個(gè)特殊點(diǎn)的坐標(biāo),根據(jù)歐姆定律公式就可以計(jì)算出它們的電阻值,并加以比較即可。可是,圖像上標(biāo)出并沒有具體的電流、電壓數(shù)據(jù),要比較它們的電阻大小就好像“無法判斷”,也無從下手。其實(shí),用控制變量的方法就可以進(jìn)行比較判斷的。在圖像上任意取一相同的電壓值U1=U2(控制電壓),去看它們對(duì)應(yīng)的電流值I1、I2,顯然I1
解題:在圖上作三條“輔助線”,通過“輔助線”可以看出,在相同電壓下,通過R1的電流I1大,則R1的阻值就大,因此選C。
七、控制變量法在習(xí)題設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
如“質(zhì)量相等的水和煤油,吸收相同的熱量,誰的溫度升高較大?”
控制變量法是一種分析問題、解決問題最普遍、最有效的科學(xué)方法,也是一種教學(xué)思想。在物理課堂教學(xué)中如能恰當(dāng)運(yùn)用這一科學(xué)方法,滲透這一教學(xué)思想,課堂教學(xué)就會(huì)取得事半功倍的效果。更為重要的是,在教學(xué)過程中,學(xué)生分析問題、解決問題的能力得到了極大的提高。在初中物理(如在力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué))中,可用“控制變量法”去分析、解決的實(shí)際問題還很多,這就為學(xué)生靈活應(yīng)用這一科學(xué)方法解決問題提供了保證。總之,控制變量法貫穿整個(gè)初中物理的教學(xué)過程中,在教學(xué)中教師要有意識(shí)的去培養(yǎng)學(xué)生利用控制變量法去探究新知,掌握新知。
盡管控制變量法對(duì)某些多因素問題失效, 但當(dāng)前探究教學(xué)中幾乎壓倒性地用控制變量法來研究多因素問題, 此項(xiàng)研究調(diào)查了這種做法對(duì)中學(xué)生探究方案設(shè)計(jì)所造成的影響, 結(jié)果表明: 在具有簡(jiǎn)單多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的意識(shí)和能力的學(xué)生中, 初一學(xué)生的比例大于初二、初三和高一學(xué)生的比例, 這說明過度的控制變量法訓(xùn)練, 削弱了多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的意識(shí)和能力, 窄化了學(xué)生探究方案的設(shè)計(jì)思路.
關(guān)鍵詞: 多因素問題; 控制變量法; 多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì); 科學(xué)探究
1 控制變量法的局限性
盡管控制變量法不是研究多因素問題的唯一方法, 但是一種非常重要的方法, 因此我國(guó)中學(xué)階段所有理科的課程標(biāo)準(zhǔn)都明確要求會(huì)用控制變量法進(jìn)行科學(xué)探究. 然而, 受傳統(tǒng)應(yīng)試教育的過深影響, 很多教師不是讓學(xué)生通過實(shí)際探究學(xué)會(huì)控制變量法, 而是采用大量習(xí)題的反復(fù)訓(xùn)練, 這種強(qiáng)化訓(xùn)練給學(xué)生留下了簡(jiǎn)單化甚至異化的控制變量法. 在筆者的一次問題測(cè)試中, 來自19 個(gè)學(xué)校的962 個(gè)初三學(xué)生, 竟有98% 的認(rèn)為多因素問題都可以用控制變量法來研究, 70% 的認(rèn)為控制變量就是“改變一個(gè)因素, 同時(shí)保持其他相關(guān)因素不變”, 但也有25% 的認(rèn)為控制變量就是“改變一個(gè)因素, 同時(shí)保持其他所有因素不變”.
然而,這種“保持其他所有因素不變”范式經(jīng)常碰到問題. 例如,探究“空心管子作為承重橫梁時(shí)其承受力與管子直徑的關(guān)系”時(shí),根據(jù)“保持其他所有因素不變”范式,除了控制管子長(zhǎng)度不變外,還應(yīng)控制什么不變呢? 一些學(xué)生可能意識(shí)到,
應(yīng)該控制管子質(zhì)量不變. 但是, 如果控制質(zhì)量不變, 管壁厚度就要發(fā)生變化; 反之, 控制管壁厚度不變, 質(zhì)量就要發(fā)生變化. 而且, 管壁厚度指的是相對(duì)厚度或是絕對(duì)厚度呢? 如圖所示,B 管子與A管子有相同的絕對(duì)厚度, C 管子與A 管子有相同
的相對(duì)厚度, 這可能會(huì)讓學(xué)生陷入困境, 不可能同時(shí)控制質(zhì)量和厚度不變. 其實(shí), 類似例子還很多,它們讓我們看到了一個(gè)一般性問題: 在改變一個(gè)因素時(shí), 不可能控制其他所有因素不變.
解決“保持其他所有因素不變”范式問題的辦法是把它改成“保持其他相關(guān)因素”范式. 新范式一般是讓學(xué)生先猜想可能的相關(guān)因素, 把無關(guān)因素排除, 然后“改變一個(gè)因素, 同時(shí)控制其他相關(guān)因素不變”. 這種新范式在中學(xué)物理運(yùn)用很多, 如滑動(dòng)摩擦力的大小與哪些因素有關(guān)? 液體壓強(qiáng)與哪些因素有關(guān)?壓力的作用效果與哪些因素有關(guān)?導(dǎo)體的電阻與哪些因素有關(guān)? 電磁鐵的磁性強(qiáng)弱跟哪些因素有關(guān)系? 等等.
但新范式同樣也有問題. 例如, 在探究“淀粉的消化率跟唾液的溫度、pH 值等的關(guān)系”時(shí), 掌握了新范式的學(xué)生就會(huì)知道: 在改變溫度時(shí), 要保持pH 值不變; 在改變pH 值時(shí), 要保持溫度不變.但是, 學(xué)生在改變溫度時(shí), 究竟把pH 值控制在什么數(shù)值呢? 有些學(xué)生可能會(huì)控制pH 值在中性, 有些學(xué)生可能控制在酸性, 有些學(xué)生可能控制在堿性, 等等. 而實(shí)際上, 淀粉的消化率在不同pH 值時(shí), 受溫度的影響是不一樣的, 但學(xué)生并未知道哪個(gè)pH 值是合適的. 然而, 不管學(xué)生把pH 值控制在哪個(gè)數(shù)值, 都不違反控制變量法. 這樣, 進(jìn)行真實(shí)探究的學(xué)生就會(huì)得到不同的結(jié)論, 這些結(jié)論是真實(shí)的, 但卻可能是錯(cuò)誤的.
《標(biāo)準(zhǔn)》中明確指出:“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定計(jì)劃”環(huán)節(jié)，要嘗試考慮影響問題的主要因素，有控制變量的意識(shí)。由此可見，在該環(huán)節(jié)中首先有必要滲透的就是控制變量法。物理學(xué)中對(duì)于多因素(多變量)的問題，常常采用控制因素(變量)的方法，把多因素的問題變成多個(gè)單因素的問題，而只改變其中的某一個(gè)因素，從而研究這個(gè)因素對(duì)事物的影響，分別加以研究，最后再綜合解決，這種方法叫控制變量法。
現(xiàn)實(shí)情境中的物理問題往往多種因素共同作用，如果能使用控制變量法簡(jiǎn)化為研究對(duì)象與單一因素分別研究，就能簡(jiǎn)化問題，降低難度。下面以“液體內(nèi)部壓強(qiáng)與哪些因素有關(guān)”為例來談控制變量法在“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定計(jì)劃”環(huán)節(jié)中的具體應(yīng)用。猜想1:液體內(nèi)部的壓強(qiáng)，可能與液體的深度有關(guān);猜想2:液體內(nèi)部的壓強(qiáng)，可能與液體的密度有關(guān);猜想3:液體內(nèi)部的壓強(qiáng)，可能與方向有關(guān)．由于已經(jīng)猜想液體內(nèi)部壓強(qiáng)與三個(gè)因素有關(guān)，故而在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)就必須使用控制變量法。第一個(gè)階段由教師直接告知部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行隱性教育:在研究與液體深度的關(guān)系時(shí)，應(yīng)該保證液體密度、方向相同，比如都在水(同種液體)中且朝同一方向，并多次改變所處深度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。第二個(gè)階段由教師和同學(xué)共同探討、交流，進(jìn)行顯性教育。得出在研究液體內(nèi)部壓強(qiáng)與液體密度關(guān)系時(shí)，則應(yīng)該使得每次所處深度及方向相同，并多次選擇密度不同的液體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。第三個(gè)階段:把研究液體內(nèi)部的壓強(qiáng)與方向的關(guān)系完全交給學(xué)生，讓學(xué)生主動(dòng)進(jìn)入方法應(yīng)用階段。第四個(gè)階段:研究方法的內(nèi)化。引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出多因素的問題需要用到控制變量法，要研究的因素必須多次改變，暫時(shí)不研究的因素要保持不變，然后觀察研究對(duì)象。
控制變量的研究方法滲透進(jìn)去了，但“液體內(nèi)部壓強(qiáng)與哪些因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并沒有完成。在研究與液體深度的關(guān)系時(shí)，可以直接觀察同種液體、同一方向的不同深度時(shí)，并不能直接觀察到壓強(qiáng)這個(gè)量，就更無法判斷壓強(qiáng)的大小是否有發(fā)生變化。所以，還需要重點(diǎn)滲透轉(zhuǎn)換法。轉(zhuǎn)換法主要是指在保證效果相同的前提下，將不可見、不易見的現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成可見、易見的現(xiàn)象;將陌生、復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)換成熟悉、簡(jiǎn)單的問題;將難以測(cè)量或測(cè)準(zhǔn)的物理量轉(zhuǎn)換為能夠測(cè)量或測(cè)準(zhǔn)的物理量的方法。仍然以“液體內(nèi)部壓強(qiáng)與哪些因素有關(guān)”為例來談轉(zhuǎn)換法如何在“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定計(jì)劃”環(huán)節(jié)中進(jìn)行滲透。第一個(gè)階段可由教師直接告知“研究發(fā)聲體是否在振動(dòng)”時(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行隱性教育:將紙屑置于鼓面，觀察紙屑是否發(fā)生跳動(dòng)。第二個(gè)階段由教師和同學(xué)共同探討、交流，進(jìn)行顯性教育。探究固體壓強(qiáng)的大小與什么因素有關(guān)，固體壓強(qiáng)大小是否可以直接觀測(cè)，不能直接觀測(cè)時(shí)是如何解決這個(gè)問題的。第三個(gè)階段:把液體壓強(qiáng)大小如何觀測(cè)這個(gè)問題直接交給學(xué)生。讓學(xué)生自行得出液體壓強(qiáng)無法直接觀察，而液體壓強(qiáng)的作用效果卻是可以直接觀察的。引導(dǎo)學(xué)生得出液體壓強(qiáng)有使得物體發(fā)生形變的作用效果，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生選擇體積易于形變的物體放入液體中，如空心氣球。并進(jìn)一步得出氣球浸沒后，若液體壓強(qiáng)變大，則氣球體積會(huì)變小，容器內(nèi)的液面高度也會(huì)隨之降低。即液面降低則液體壓強(qiáng)增大，液面升高則液體壓強(qiáng)減小，液面不變則液體壓強(qiáng)不變。當(dāng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)完成后可以提供相應(yīng)的器材讓學(xué)生自行完成實(shí)驗(yàn)。也可以給出液體壓強(qiáng)計(jì)讓學(xué)生通過遷移的方法來說出液體壓強(qiáng)計(jì)的原理和使用方法，讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用液體壓強(qiáng)計(jì)，并用該儀器設(shè)計(jì)一個(gè)較好的實(shí)驗(yàn)方案。第四個(gè)階段:研究方法的內(nèi)化。引導(dǎo)學(xué)生得出，在實(shí)驗(yàn)中遇到不可見、不易見的物理現(xiàn)象時(shí)可以轉(zhuǎn)換成可見、易見的現(xiàn)象;遇到陌生、復(fù)雜的問題時(shí)可以轉(zhuǎn)換成熟悉、簡(jiǎn)單的問題;遇到難以測(cè)量或測(cè)準(zhǔn)的物理量時(shí)可以轉(zhuǎn)換成能夠測(cè)量或測(cè)準(zhǔn)的物理量。控制變量法和轉(zhuǎn)換法在探究實(shí)驗(yàn)的“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定計(jì)劃”要素中有很高的復(fù)現(xiàn)率，如果按所述四個(gè)階段反復(fù)應(yīng)用、滲透會(huì)有利于形成穩(wěn)定的心理特征，從而提高學(xué)生使用這兩種方法的能力。
2“進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)”要素中有必要進(jìn)行研究方法的滲透
進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)要素在整個(gè)科學(xué)探究中非常重要。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)與制定的計(jì)劃必須通過這一要素來實(shí)施。關(guān)于“進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)”要素，標(biāo)準(zhǔn)中指出:“能通過觀察、實(shí)驗(yàn)和公共信息資源收集證據(jù)”、“會(huì)閱讀簡(jiǎn)單儀器的說明書，能按要求進(jìn)行操作”。可見這個(gè)科學(xué)探究要素中能檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)和基本技能的掌握與運(yùn)用，能培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和信息收集能力。部分教師錯(cuò)誤地認(rèn)為該要素只需要按設(shè)計(jì)好的方案按部就班即可，不再需要研究方法的滲透。而筆者認(rèn)為，該要素中不僅需要滲透相關(guān)研究方法，而且要求學(xué)生對(duì)研究方法的理解很深刻。下面筆者通過兩個(gè)實(shí)例來說明。
在“探究液體蒸發(fā)快慢與液體表面空氣流動(dòng)速度”時(shí)，使得液體表面積、液體溫度及液體質(zhì)量相同，并用電吹風(fēng)對(duì)著左邊玻璃板吹風(fēng)，然后記錄兩邊液體各自蒸發(fā)完的時(shí)間。可以發(fā)現(xiàn)在“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定計(jì)劃”要素中學(xué)生很好地應(yīng)用了控制變量法和轉(zhuǎn)換法。但是在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生對(duì)著左邊玻璃板吹風(fēng)，就會(huì)出現(xiàn)如圖1所示的現(xiàn)象。在這個(gè)過程中，可以觀察到左邊玻璃板上的水滴表面積明顯增大。
在“探究弦樂器的音調(diào)與松緊的關(guān)系”時(shí)，選用了三根長(zhǎng)度、粗細(xì)相同的尼龍線，并使得尼龍線的松緊分別不同。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生一旦改變尼龍線的松緊，尼龍線的粗細(xì)就會(huì)隨之發(fā)生變化。于是該組實(shí)驗(yàn)將有弦的粗細(xì)、弦的松緊兩個(gè)因素不同。所以該實(shí)驗(yàn)有必要更換成不易被拉伸的鋼絲來完成實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)同樣要求在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生要有控制變量的意識(shí)。由以上兩個(gè)例子可以知道，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)環(huán)節(jié)不僅僅是對(duì)知識(shí)與技能有要求，同時(shí)對(duì)研究方法也有高要求。這就說明在“進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)”要素中有必要進(jìn)行研究方法的滲透。
3“分析與論證”要素中如何進(jìn)行研究方法的滲透
關(guān)于“分析與論證”要素，在《標(biāo)準(zhǔn)》中明確提出:“經(jīng)歷從物理現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)中歸納科學(xué)規(guī)律的過程”、“能對(duì)收集的信息進(jìn)行簡(jiǎn)單歸類及比較”、“能進(jìn)行簡(jiǎn)單的因果推理”。可見在“分析與論證”要素中最重要的就是:會(huì)使用歸納推理這種研究方法。對(duì)初中生進(jìn)行歸納推理能力的培養(yǎng)，還可以使得學(xué)生理解其他研究方法運(yùn)用的一般規(guī)律。因此，歸納推理方法也可看作是許多研究方法的應(yīng)用基礎(chǔ)。中學(xué)階段很多物理概念也是通過物理現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)歸納推理得到的，所以說歸納推理能力運(yùn)用不僅存在于科學(xué)探究過程中，它還貫穿于整個(gè)初中物理學(xué)習(xí)過程。
歸納推理(inductiveinference)，從個(gè)別性或特殊性知識(shí)的前提推出一般性知識(shí)結(jié)論的推理。物理歸納推理:由個(gè)別性的物理判斷推斷出一般性的物理判斷。歸納推理又分為完全歸納推理和不完全歸納推理。完全歸納推理的特點(diǎn)是:在前提中考察了一類事物的全部對(duì)象，結(jié)論沒有超出前提所斷定的知識(shí)范圍。因此，其前提和結(jié)論之間的聯(lián)系是必然的，運(yùn)用完全歸納推理獲得正確的結(jié)論，必須滿足兩條要求:(1)在前提中考察了一類事物的全部對(duì)象;(2)前提中對(duì)該類事物每一對(duì)象所作的斷定都是真的。例如:通過實(shí)驗(yàn)得到固體中可以傳播聲音，液體中可以傳播聲音，氣體中可以傳播聲音，實(shí)驗(yàn)結(jié)論:聲音可以在介質(zhì)中傳播。在得完實(shí)驗(yàn)結(jié)論后，應(yīng)該引導(dǎo)讓學(xué)生體會(huì)完全歸納推理的邏輯形式:S1是PS2是P……Sn是PS1，S2，…，Sn是S類的全部對(duì)象所以，所有S都是P。
完全歸納推理通常適用于數(shù)量不多的事物，當(dāng)所要考察的事物數(shù)量極多，甚至是無限的時(shí)候，完全歸納推理就不適用了，而需要運(yùn)用另一種歸納推理形式，即不完全歸納推理。這里以“探究液體內(nèi)部壓強(qiáng)與哪些因素有關(guān)”為例，就如何通過四個(gè)階段來滲透“不完全歸納”進(jìn)行示例。在收集到相關(guān)數(shù)據(jù)后，就可以進(jìn)入“分析與論證”要素。第一個(gè)階段由教師直接告知，進(jìn)行隱性教育:選取①、②、③三組數(shù)據(jù)，可以看到液體種類和深度是保持不變的(運(yùn)用了控制變量法)，橡皮膜的方向有三種:朝上、朝下、某一個(gè)側(cè)面，但是研究對(duì)象液體壓強(qiáng)(表中觀察的是壓強(qiáng)計(jì)左右液面高度差，運(yùn)用了轉(zhuǎn)換法)并沒有發(fā)生改變。得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論:液體內(nèi)部壓強(qiáng)與方向無關(guān)。第二個(gè)階段由教師和學(xué)生共同探討、交流，進(jìn)行顯性教育。選取⑤、⑥、⑦三組數(shù)據(jù)，可以看到深度保持不變，在密度最大的鹽水中液體壓強(qiáng)最大，在密度較小的水中液體壓強(qiáng)壓強(qiáng)較小，在密度最小的酒精中液體壓強(qiáng)最小。雖然只研究了三種液體，但是可以根據(jù)研究目的合理地?cái)U(kuò)大研究對(duì)象的范圍，進(jìn)一步推理出一般結(jié)論。即:在深度相同時(shí)，液體壓強(qiáng)隨液體密度的增大而增大。第三個(gè)階段:把“探究液體壓強(qiáng)與深度的關(guān)系”完全交給學(xué)生，讓學(xué)生主動(dòng)的進(jìn)入方法應(yīng)用階段。第四個(gè)階段:方法的內(nèi)化，讓學(xué)生一起體會(huì)不完全歸納推理的邏輯形式如下:S1是PS2是P……Sn是PS1，S2，…，Sn是S類的部分對(duì)象，并且其中沒有S不是P所以，所有S是(或不是)P。
在分析與論證要素中，要將歸納推理和其他研究方法結(jié)合在一起進(jìn)行滲透，才能達(dá)到較好的教學(xué)效果。如正確表述實(shí)驗(yàn)結(jié)論一直是學(xué)生的弱項(xiàng)。先來看一個(gè)錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)論表述:深度越大，壓強(qiáng)計(jì)兩邊液面高度差就越大。該表述的第一個(gè)錯(cuò)誤就是沒有控制變量。修改后的表述應(yīng)該是:當(dāng)液體密度相同時(shí)，深度越大壓強(qiáng)計(jì)兩邊液面高度差就越大。該表述的第二個(gè)錯(cuò)誤就是沒有很好地理解轉(zhuǎn)換法且忘記了實(shí)驗(yàn)?zāi)康模俅涡薷暮蟮谋硎鰬?yīng)該是:當(dāng)液體密度相同時(shí)，深度越大液體壓強(qiáng)越大。
4“評(píng)估”要素中有必要進(jìn)行研究方法的滲透
《標(biāo)準(zhǔn)》明確指出:“有評(píng)估探究過程和結(jié)果的意識(shí)”、“能關(guān)注探究活動(dòng)中出現(xiàn)的新問題”、“有從評(píng)估中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的意識(shí)”、“嘗試改進(jìn)探究方案”、“了解評(píng)估在科學(xué)探究中的意義。”由此可見，評(píng)估是對(duì)整個(gè)探究過程的科學(xué)性、合理性的反思，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)各探究環(huán)節(jié)存在的不足，進(jìn)而改進(jìn)探究方案。評(píng)估可以從很多角度出發(fā)，比如實(shí)驗(yàn)的合理性、安全性、節(jié)能環(huán)保等等。多因素影響的實(shí)驗(yàn)是否合理，其中一個(gè)非常重要的角度就是:是否準(zhǔn)確地應(yīng)用了控制變量法。由此可見，評(píng)估環(huán)節(jié)也需要研究方法的滲透。從控制變量的角度評(píng)估，主要有以下三個(gè)方面的內(nèi)容:一是實(shí)驗(yàn)器材的選擇是否合理。如“研究電阻大小與長(zhǎng)度的關(guān)系”時(shí)，是否選擇了粗細(xì)、材料相同而長(zhǎng)度不同的電阻絲。二是探究過程中，是否按要求控制了其它因素保持不變，并使得研究的因素發(fā)生改變。如:“探究物體的動(dòng)能與質(zhì)量的關(guān)系”時(shí)，是否在多次改變小車質(zhì)量的同時(shí)，有做到將小車放在同一斜面、同一高度自由滑下。三是實(shí)驗(yàn)結(jié)論的表述是否有注意到控制變量。如當(dāng)壓力相同時(shí)，接觸面越粗糙物體所受滑動(dòng)摩擦力越大。
關(guān)鍵詞：初中物理；實(shí)驗(yàn)方法；教學(xué)
中圖分類號(hào)：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1002-7661（2014）18-210-01
物理是一門以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理知識(shí)教學(xué)的基礎(chǔ)。在《初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》同時(shí)也指出，在突出科學(xué)探究?jī)?nèi)容的同時(shí)，也要重視研究方法的指導(dǎo)，使學(xué)生在進(jìn)行科學(xué)探究、學(xué)習(xí)物理知識(shí)的過程中，逐漸拓寬視野，初步領(lǐng)悟到科學(xué)研究方法的真諦。由此可見，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中蘊(yùn)含著大量的科學(xué)方法，正確地掌握物理實(shí)驗(yàn)的探究方法，有助于揭示物理現(xiàn)象、物理規(guī)律的本質(zhì)屬性和內(nèi)部規(guī)律。
既然物理實(shí)驗(yàn)方法這么重要，我們?cè)鯓硬拍茏寣W(xué)生掌握，并能應(yīng)用自如呢？首先我們要對(duì)初中物理教學(xué)中常用的探究實(shí)驗(yàn)方法有所理解。初中物理實(shí)驗(yàn)探究方法主要有以下幾種：
1、控制變量法：為了研究物理量與影響它的多個(gè)因素中的一個(gè)因素的關(guān)系，可將除了這個(gè)因素以外的其他因素人為地控制起來，使其保持不變，再比較、研究該物理量與該因素之間的關(guān)系，得出結(jié)論，然后再綜合起來得出規(guī)律的法。這種方法在整個(gè)初中物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用比較普遍
2、等效替代法：研究某一個(gè)物理現(xiàn)象和規(guī)律時(shí)，因?qū)嶒?yàn)本身的特殊限制或因?qū)嶒?yàn)器材等限制，不可以或很難直接揭示物理本質(zhì)，而采取與之相似或有共同特征的等效現(xiàn)象來替代的方法。這種方法若運(yùn)用恰當(dāng)，不僅能順利得出結(jié)論，而且容易被學(xué)生接受和理解。
3、轉(zhuǎn)換法：有的物理量不便于直接測(cè)量，物理現(xiàn)象不便于直接觀察，通過轉(zhuǎn)換為容易測(cè)量到與之相等或與之相關(guān)聯(lián)的物理現(xiàn)象，從而獲得結(jié)論的方法。
4、類比法：類比法是一種推理方法。為了把要表達(dá)的物理問題說清楚，往往可用具體的、有形的、人們所熟知的事物來類比要說明抽象的、無形的、陌生的事物，通過借助于一個(gè)比較熟悉的對(duì)象的某些特征，去理解和掌握另一個(gè)有相似性的對(duì)象的某些特征。
5、圖像法：圖像是一個(gè)數(shù)學(xué)概念，用來表示一個(gè)量隨另一個(gè)量的變化關(guān)系，很直觀。由于物理學(xué)中經(jīng)常要研究一個(gè)物理量隨另一個(gè)物理量的變化情況，因此圖像在物理中有著廣泛的應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用圖像來處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探究?jī)?nèi)在的物理規(guī)律，具有獨(dú)特之處。
6、理想化方法：指在物理教學(xué)中通過想象建立模型和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的一種科學(xué)方法。可分為理想化模型和理想化實(shí)驗(yàn)。理想化模型就是指把復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化，把研究對(duì)象的一些次要因素舍去，抓住主要因素，對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行理想化處理去再現(xiàn)原形的本質(zhì)的東西，構(gòu)成理想化的物理模型。這是一種重要的物理研究方法。
7、對(duì)比法：“比較”是人們常用的探究方法，是找出事物之間的差異點(diǎn)和共同點(diǎn)的研究方法，比較事物間的相同特征或相異特征。
下面就初中物理實(shí)驗(yàn)《探究影響導(dǎo)體電阻大小的因素》中運(yùn)用的探究方法――控制變量法，來談?wù)勗鯓舆M(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)方法的教學(xué)，希望能起到拋磚引玉的作用。
1、作為教師，你首先要明確該實(shí)驗(yàn)用哪種實(shí)驗(yàn)方法最合適，也就是說先要確定實(shí)驗(yàn)方法。這就要求你對(duì)各種實(shí)驗(yàn)方法都要有深入的認(rèn)識(shí)，并有所研究。
2、在實(shí)驗(yàn)問題的提出時(shí)就開始滲透實(shí)驗(yàn)方法的思想，并讓學(xué)生聯(lián)系實(shí)驗(yàn)提出的問題和假設(shè)來尋找，并確定實(shí)驗(yàn)的變量。例如在《探究影響導(dǎo)體電阻大小的因素》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，當(dāng)我們換用不同的電阻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)燈泡的亮度是不一樣的，那樣就可以提問“為什么燈泡的亮度不一樣？”來引導(dǎo)學(xué)生去分析比較，得出影響導(dǎo)體電阻大小的因素可能是導(dǎo)體的材料、長(zhǎng)度和橫截面積，還有溫度，從而確定該實(shí)驗(yàn)的變量。
3、確定變量后，要引導(dǎo)學(xué)生用怎樣的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在該實(shí)驗(yàn)中，我們確定了四個(gè)實(shí)驗(yàn)的變量，那么我們就可以提問“我們?cè)鯓硬拍苤肋@些變量與電阻的關(guān)系？怎樣進(jìn)行研究？”讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，要研究每個(gè)變量與電阻的關(guān)系，就必須在每次實(shí)驗(yàn)中控制另外的變量保持不變。這樣自然而然的，我們就可以提出實(shí)驗(yàn)要使用的實(shí)驗(yàn)方法――控制變量法。接著教師要把控制變量的思想介紹給學(xué)生，使學(xué)生逐步領(lǐng)悟到控制變量法的實(shí)質(zhì)要領(lǐng)，為之后的實(shí)驗(yàn)方法的教學(xué)作好準(zhǔn)備。
4、學(xué)生明確了實(shí)驗(yàn)方法后，但是對(duì)該實(shí)驗(yàn)方法還處在認(rèn)識(shí)階段，還沒有理解，更難說得上運(yùn)用。這就需要我們引導(dǎo)他們來運(yùn)用這種實(shí)驗(yàn)方法來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，根據(jù)控制變量法的要求，我們就需要準(zhǔn)備不同材料、不同長(zhǎng)度、不同橫截面積的金屬導(dǎo)線。那么在實(shí)驗(yàn)操作中我們應(yīng)該選用那些金屬導(dǎo)線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)兀窟@樣一個(gè)問題的提出又可以讓學(xué)生對(duì)控制變量法有更深的認(rèn)識(shí)。例如，在探究導(dǎo)體電阻的大小與導(dǎo)體材料的關(guān)系實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們就可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)控制變量法的思想，選用相同長(zhǎng)度、相同的橫截面積，不同材料的的導(dǎo)線來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞： 控制變量 化學(xué)教學(xué) 滲透方法
影響事物變化的因素多種多樣，在研究和解決問題時(shí)，對(duì)影響事物變化規(guī)律的因素加以人為控制，只改變其中的某一個(gè)因素，從而研究這個(gè)因素對(duì)事物的影響，這種方法叫控制變量法。它是科學(xué)研究中的重要思想方法，廣泛地運(yùn)用在各種科學(xué)探索和科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究之中。在多因素、多水平的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)者通過多維度變成單一維度，化繁為簡(jiǎn)，探究各種變量之間的因果關(guān)系、關(guān)系大小與類型，其結(jié)果有利于實(shí)驗(yàn)條件的選擇、操作、控制和優(yōu)化。
控制變量在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中有一定要求，如《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》發(fā)展科學(xué)探究能力中要求“根據(jù)所要探究的具體問題設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案。具有控制實(shí)驗(yàn)條件的意識(shí)”。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)中要求“初步認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)條件控制、數(shù)據(jù)處理等方法在化學(xué)學(xué)習(xí)和科學(xué)研究中的應(yīng)用”。實(shí)驗(yàn)條件控制與控制變量法雖然不盡相同，但也有控制變量的思想；美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)制定的科學(xué)過程技能則明確有“確定和控制變量”①。
在化學(xué)教學(xué)中，滲透控制變量思想有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，能使學(xué)生更好地通過實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)并理解化學(xué)知識(shí)，認(rèn)識(shí)并體驗(yàn)控制變量在科學(xué)研究中的意義，初步體驗(yàn)控制變量的方法。
1.教材中挖掘――初步認(rèn)識(shí)控制變量思想
化學(xué)教材中相關(guān)實(shí)驗(yàn)或材料里蘊(yùn)含控制變量細(xì)想，在教學(xué)中，教師應(yīng)該適時(shí)指導(dǎo)學(xué)生初步認(rèn)識(shí)控制變量思想。
1.1化學(xué)反應(yīng)需要控制反應(yīng)條件
許多化學(xué)反應(yīng)需要一定的條件，在不同的條件下，有不同的反應(yīng)現(xiàn)象和反應(yīng)本質(zhì)。只有對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行嚴(yán)格、有效的控制，才能獲得化學(xué)科學(xué)事實(shí)，取得重大發(fā)現(xiàn)，正是從這種意義上說，沒有化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件的控制，就沒有化學(xué)實(shí)驗(yàn)科學(xué)。如鈉與氧氣在常溫和加熱條件下的不同反應(yīng)、銅與稀硝酸和濃硝酸不同的反應(yīng)、鋁與稀硫酸和濃硫酸的不同現(xiàn)象，等等，有機(jī)化學(xué)反應(yīng)更需要控制條件。
1.2一些化學(xué)基本概念或原理的建構(gòu)過程滲透著控制變量思想
如蘇教版化學(xué)1關(guān)于物質(zhì)的聚集狀態(tài)有如下表格：
表1-4 1mol物質(zhì)的體積
說明：固體、液體密度均為193K時(shí)的測(cè)定值，氣體密度為1.01×10■Pa、273K時(shí)的測(cè)定值。
表格中數(shù)據(jù)意圖通過學(xué)生的計(jì)算并比較、歸納出一定條件下，等物質(zhì)的量的固體、液體、氣體物質(zhì)體積大小的差異；得出在標(biāo)準(zhǔn)狀況下1mol任何氣體的體積都近似等于22.4L的結(jié)論；并思考影響物質(zhì)體積的可能因素，解釋上述計(jì)算結(jié)果。雖然主體是表格計(jì)算與比較，但前提條件（“1mol”，“氣體密度為1.01×10■Pa、273K時(shí)的測(cè)定值”）很重要，沒有這兩條件的限制，所計(jì)算的數(shù)值和基于計(jì)算得出的結(jié)論都是有欠缺的，特別是對(duì)22.4L?mol■的理解與應(yīng)用有重要意義。
又如蘇教版化學(xué)2化學(xué)反應(yīng)速率課題的活動(dòng)與探究更體現(xiàn)控制變量思想。
完成下列試驗(yàn)，分析影響過氧化氫分解速率的因素。
【實(shí)驗(yàn)1】取兩支大試管，各加入5ml12%的過氧化氫溶液（即雙氧水），將其中一支試管用水浴加熱，觀察并比較兩支試管中發(fā)生的變化。
【實(shí)驗(yàn)2】取兩支大試管，各加入5ml4%的過氧化氫溶液，用藥匙向其中一支試管中加入少量二氧化錳粉末，觀察發(fā)生的變化。
【實(shí)驗(yàn)3】取兩支試管，分別加入5ml4%、5ml12%的過氧化氫溶液，再各加入幾滴0.2mol?L■氯化鐵溶液，觀察氣泡生成的快慢。
影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素很多，三組實(shí)驗(yàn)中各改變一個(gè)因素（實(shí)驗(yàn)1改變溫度、實(shí)驗(yàn)2加入催化劑、實(shí)驗(yàn)3改變濃度）而控制其他條件完全相同，控制變量的思想體現(xiàn)得很明確，基于這樣的實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論也相當(dāng)可靠。
教材中控制變量思想的挖掘需要教師的點(diǎn)撥，需要教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行控制變量思想的反思，使隱含的控制變量思想顯露出來，易于被學(xué)生認(rèn)識(shí)并理解。
2.創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)――感悟控制變量的意義
化學(xué)教學(xué)中，運(yùn)用控制變量思想改進(jìn)或創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生更好地理解化學(xué)基本概念、基本原理、基本反應(yīng)的本質(zhì)。
蘇教版化學(xué)1物質(zhì)的分散系中安排了這樣的實(shí)驗(yàn)：將盛有硫酸銅溶液和氫氧化鐵膠體的兩只小燒杯分別置于暗處，用激光筆照射，從垂直于光線的方向觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這實(shí)驗(yàn)非常簡(jiǎn)單明了地比較了溶液和膠體的性質(zhì)之一，膠體能產(chǎn)生丁達(dá)爾效應(yīng)，而溶液不能；這實(shí)驗(yàn)使學(xué)生感受到丁達(dá)爾效應(yīng)是鑒別溶液和膠體的一種重要而簡(jiǎn)單的方法。但對(duì)于是否有丁達(dá)爾效應(yīng)與分散質(zhì)粒子直徑大小之間的本質(zhì)聯(lián)系學(xué)生不是很清楚。我們可以創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)，通過控制變量的思想使學(xué)生更清楚不同分散系及其性質(zhì)的本質(zhì)區(qū)別。例如：
【實(shí)驗(yàn)1】取3支試管，分別加入4ml0.01mol?L■的KI溶液，再在第2支試管中滴入一滴0.01mol?L■的AgNO■溶液，振蕩，在第3支試管中滴入4ml的0.01mol?L■的AgNO■溶液。觀察現(xiàn)象。
【實(shí)驗(yàn)2】用激光筆照射上面3支試管，從垂直于光線的方向觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
【實(shí)驗(yàn)3】將第3支試管中的混合物過濾，取濾液于試管中，用激光筆照射試管，從垂直于光線的方向觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；再將濾液置于半透膜中進(jìn)行滲透，收集滲透液置于試管中，用激光筆照射試管，從垂直于光線的方向觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
實(shí)驗(yàn)1控制反應(yīng)物之一AgNO■溶液的用量使產(chǎn)生微量或大量AgI，微量AgI分散于分散劑中所形成的分散質(zhì)粒子較小，表現(xiàn)為肉眼觀察較澄清，但有丁達(dá)爾效應(yīng)，而大量AgI聚集產(chǎn)生的分散質(zhì)粒子較大，表現(xiàn)為肉眼觀察渾濁，光透不過，且無丁達(dá)爾現(xiàn)象；不加AgNO■溶液的試管作為空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)，透明，沒有丁達(dá)爾效應(yīng)；實(shí)驗(yàn)3將沉淀進(jìn)行過濾、濾液進(jìn)行滲透，濾紙和半透膜的孔徑不同，相當(dāng)于改變了分離“設(shè)備”的孔徑這一變量，進(jìn)而控制了分散質(zhì)粒子直徑，光照所觀察的現(xiàn)象隨之變化。通過這樣的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，學(xué)生能深刻理解不同分散系中分散質(zhì)粒子直徑大小的不同及其對(duì)性質(zhì)的影響，也能感悟到控制變量對(duì)科學(xué)知識(shí)的獲得與理解的意義。
3.研究性學(xué)習(xí)――體驗(yàn)控制變量的方法
研究性學(xué)習(xí)是提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，形成科學(xué)方法的重要舞臺(tái)，自然也是體驗(yàn)控制變量方法的重要舞臺(tái)。
筆者在蘇教版化學(xué)2“化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能”教學(xué)中設(shè)計(jì)了開放的實(shí)驗(yàn)，提供稀硫酸、硫酸銅溶液、酒精、鋅片（兩片）、鐵絲（兩根）、銅片（兩片）、碳棒（兩根）、電流計(jì)、小燒杯、導(dǎo)線若干，讓學(xué)生小組實(shí)驗(yàn)組裝探索原電池的形成條件。最后總結(jié)時(shí)，經(jīng)過題型，學(xué)生發(fā)現(xiàn)不同電極不同溶液組合時(shí)電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)幅度不同。于是提出這樣一個(gè)問題：影響電流強(qiáng)度（或者電壓）的因素有哪些，有怎樣的內(nèi)在聯(lián)系？課后學(xué)生發(fā)揮想象、討論提出很多可能的影響因素，如電極材料及表面積大小、電解質(zhì)溶液種類及濃度、電極插入溶液的深度、電極間距，等等。隨后設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，部分如下：
（1）在2mol?L■稀硫酸中插入下表中電極組，測(cè)定其兩極電壓。
（2）在2mol?L■稀硫酸中插入下表中電極組，測(cè)定其兩極電壓。
（3）用同樣的鋅―銅做電極組，溶液用稀硫酸，濃度如下表，分別測(cè)定其兩極電壓。
雖然學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)沒有兼顧各種變量的嚴(yán)格控制，比如溶液體積多少、電極插入溶液中的深淺與間距控制，實(shí)驗(yàn)中也沒有考慮到電解質(zhì)溶液的種類的影響，但重要的是學(xué)生確實(shí)運(yùn)用了變量控制的思想，體驗(yàn)了控制變量的方法。
控制變量是認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)的一種重要方法，廣泛應(yīng)用于各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)。在化學(xué)教學(xué)中，學(xué)生控制變量意識(shí)，不僅體現(xiàn)在觀念層面，認(rèn)識(shí)到控制變量對(duì)化學(xué)科學(xué)研究和化學(xué)學(xué)習(xí)的重要性；更重要的是要體現(xiàn)在實(shí)踐層面，學(xué)習(xí)和運(yùn)用控制變量的方法。控制變量思想在化學(xué)教學(xué)中的滲透還有其他途徑，如化學(xué)史料、化學(xué)習(xí)題。
注釋：
①[美]帕迪利亞（Padina，MJ.），主編.華曦，譯：科學(xué)探索者：物質(zhì)構(gòu)成.杭州：浙江教育出版社，2003：148.
參考文獻(xiàn)：
[1][美]帕迪利亞（Padina，MJ.），主編.華曦，譯：科學(xué)探索者：物質(zhì)構(gòu)成.杭州：浙江教育出版社，2003.
