新課程下“控制變量法”在科學探究中的應用

張潔瓊

摘 要： 隨著新課程改革的日趨成熟，各種科學的教育理念逐步被老師和同學們接受。符合學生認知規(guī)律的教學方法和學習方法也逐漸得以普及。本文探討“控制變量法”是物理探究分析常用的方法，也是高中新課程物理學習研究的重要方法之一。結(jié)合控制變量法的特點以及中學教學中的實例，闡述了在物理教學中如何運用好控制變量法來探索問題和分析解決問題.

關(guān)鍵詞：新課程；控制變量法；科學方法；實驗探究

新課標準對物理學科的要求已從原來一個維度知識與技能，發(fā)展成現(xiàn)在的知識與技能，過程與方法，情感與價值觀并重三個維度。在新課程理念下，控制變量方法是學生探究性學科的基礎知識和基本技能，同時培養(yǎng)中學生探索研究物理問題的科學方法，養(yǎng)成良好科學態(tài)度；全面發(fā)展學生素質(zhì)與潛能。

一、控制變量法的理論依據(jù)

在物理學中，常出現(xiàn)研究的物理量與多個物理量有聯(lián)系，決定某一個現(xiàn)象的產(chǎn)生和變化的因素常常也很多。為了弄清事物變化的原因和規(guī)律，必須設法把其中的一個或幾個因素用人為的方法控制起來，使它保持不變，然后來比較、研究其他兩個變量之間的關(guān)系，這是一種研究問題的科學方法。這種研究問題的方法就是控制變量法。

物理現(xiàn)象產(chǎn)生和變化的因素很多，為了弄清和揭示事物變化的原因和規(guī)律。想精確地把握研究對象的各種特性，弄清事物變化的規(guī)律，單靠自然條件下整體觀察研究對象是遠遠不夠的，還必須對研究對象施加人為的影響，形成特定的便于觀察的條件。這樣做的目的，一方面，可以判定變量之問是否具有因果聯(lián)系；另一方面，可以探究變量之間的真實數(shù)量關(guān)系，即是控制變量法。對物理來說，多個物理量的問題就是兩個或兩個以上的物理量共同決定的某個物理量變化。針對這種變化，我們往往保持一些物理量不變，只研究引入物理量與常見量之間的關(guān)系因此控制變量法的精髓在于，通過控制無關(guān)變量，化復雜為簡單。觀察判定物理量之問的因果聯(lián)系，測量探究物理量之問的數(shù)量關(guān)系。控制變量法的目標是將復雜問題分解為一個個的簡單問題，通過逐步地解決這些簡單問題而最終使復雜問題獲得解決，

所以，控制變量法在各個擊破的基礎上，要運用疊加、歸納、綜合等方法最終得到物理量之問復雜的數(shù)量關(guān)系。以下諸方面是筆者在教學實踐中認識到的并自覺運用了控制變量法的幾類案例。

二、控制變量法在實驗中的運用

高中物理對于多種因素導致結(jié)果變化的問題分析，常常采用控制變量法，尤其是在高中物理實驗的操作中更是如此。但我們教材上對控制變量法的介紹比較簡陋，這里和大家一起來探究下控制變量法的概念及基本應用。我們以恒定電流部分中的實驗：研究電阻大小由什么決定的為例。

實驗、決定導體電阻大小的因素

猜想：決定導體電阻大小的因素有那些？

導體的電阻可能與導體的長度、橫截面積和材料三個因素都有關(guān)系。

我們需要采取什么實驗方法去研究？

實驗方法的討論：

a.同種材料，S一定，探究電阻R與L的關(guān)系

b同種材料，L一定，探究電阻R與S的關(guān)系

c.不同材料，S、L一定，探究R與材料的關(guān)系

實驗步驟：

a. 同種材料，S一定，探究電阻R與L的關(guān)系

同種材料，S一定，改變L（6次），測R（伏安法。也可以保持電流不變，測電壓）列表記錄實驗數(shù)據(jù)。

做出R—L （或U/L）圖像。如果圖像是過原點的直線，說明R∝L （圖像法）

結(jié)論：同種材料，S一定，電阻R與L成正比 R ∝L

b.同種材料，L一定，探究電阻R與S的關(guān)系

同種材料，L一定，改變S（6次），測R（伏安法）列表記錄實驗數(shù)據(jù)。

做出R—S-1圖像。如果圖像是過原點的直線，說明 R∝1/S （圖像法）

結(jié)論：同種材料，L一定，電阻與S成反比R∝1/S

c. 不同材料，S、L一定，探究R與材料的關(guān)系

不同材料，S相同和L相同時，電阻不同。

結(jié)論：電阻與材料有關(guān)

以上，控制變量法幫助我們得以證實：導體的電阻R的大小是由電阻率ρ、導線長度L以及橫截面積S共同決定的。定量得出電阻的決定公式：R=ρL/S

在我們驗證實驗中，探究R與導線長度L的關(guān)系的時候，就必須讓電阻率ρ以及橫截面積S保持不變，這就是控制變量法。即，控制住了電阻率ρ、橫截面積S這兩個自變量。如果我們不控制電阻率ρ，不同的材質(zhì)（一個是銅線，一個是鐵線）的導體長度L與其電阻R 的函數(shù)關(guān)系明顯實效。

三、物理控制變量法的實施步驟

高中物理實驗中采用控制因素（變量）的方法，把多因素的問題變成多個單因素的問題。每一次只改變其中的某一個因素，而控制其余幾個因素不變，從而研究被改變的這個因素對事物的影響，分別加以研究，最后再綜合解決，從而得到物理量之間的關(guān)系。它是科學探究中的重要思想方法，廣泛地運用在各種科學探索和科學實驗研究之中。

通過以上實驗我們可以的得到使用控制變量法的一般步驟

（1）確定所研究的目標。明確所研究對象，做到有的放矢。以探究牛頓第二定律為例：我們要研究的就是加速度與哪些因素有關(guān)。

（2）確定影響的因素。一個物理規(guī)律或現(xiàn)象可能受到兩種或兩以上的多個因素的影響，我們使用控制變量法之前，在確定目標的基礎上，分析影響其因素，找出主要因素而忽略次要因素。在本實驗中我們通過分析知道：加速度可能與力以及質(zhì)量有關(guān)。

（3）尋求物理在實驗研究中多次使用控制變量法，設計實驗控制變量。由于些研究對象只受兩個因素的影響，所以實驗時只需控制其中一個變量，來研究另外兩變量間的因果關(guān)系及其量變關(guān)系多變量的問題。當m一定時，探究a與F的關(guān)系。當F一定時，探究a與m的關(guān)系。綜合兩個實驗結(jié)果，得出

a、m、F三者之間的關(guān)系，進而介紹牛頓第二定律。

（4）試驗驗證結(jié)論。任何一個實驗探究的結(jié)果都會有結(jié)論的產(chǎn)生，牛頓第二定律也一樣。

四、控制變量法的作用及其重要意義

科學探究必須融入方法要素，物理教學中有意識地對學生進行科學方法的滲透、指導和訓練，是引領科學探究走向高水平的必由之路。結(jié)合"控制變量法"對新課程物理教學中的基本概念、原理和步驟也有了更深層次的理解。

科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，原有的教學體制無法適應現(xiàn)代社會對學習型人才的培養(yǎng)。新課程標準下目標的要求改進了以往只注重知識的掌握一個維度向知識與技能，方法與過程、情感與科學態(tài)度的三個維度并重的全面發(fā)展。這就使得控制變量法必將成為未來高中物理課堂教育教學的主線。

參考文獻

（1）黃汶.控制變量法及其教學案例.《教學月刊中學版》.2009年10月期

（2）黃玉航.物理研究方法中的控制變量法物理研究方法中的控制變量法