程穎
摘要:基于控制變量思想的實驗問題,不僅可以檢驗學(xué)生的日常課堂表現(xiàn),還可以在由“解題”到“解決問題”的轉(zhuǎn)化方面不斷創(chuàng)新。通過梳理此類試題的解決路徑和命題特點,總結(jié)并得出了相關(guān)的教學(xué)方法和策略,對發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維具有重要意義。
關(guān)鍵詞:控制變量思想;初中化學(xué)命題;初中化學(xué)教學(xué)
文章編號:10056629(2022)12009104
中圖分類號:G633.8
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B
在學(xué)校教育中加強(qiáng)對學(xué)業(yè)水平考試結(jié)果的研究與分析,做好教學(xué)反饋與指導(dǎo),才能不斷提高教學(xué)質(zhì)量。
本文以控制變量思想為例,就初中化學(xué)考試命題、評價與相關(guān)教學(xué)策略進(jìn)行探討。
1 基于控制變量思想的初中化學(xué)試題分析
1.1 典型試題分析
科學(xué)探究是初中化學(xué)學(xué)習(xí)中一項重要的實踐活動,科學(xué)探究素養(yǎng)也是初中化學(xué)應(yīng)重點發(fā)展的核心素養(yǎng)之一。
在科學(xué)探究活動中,對于多因素(即多變量)問題的研究,常采用控制因素(變量)的方法。即把多因素的問題分解成多個單因素的問題,再進(jìn)行逐個研究。每一次實驗只改變其中的某一個因素,而控制其余幾個因素不變,研究被改變的這個因素對事物的影響,最后進(jìn)行綜合分析、做出結(jié)論。其中被改變的因素叫“自變量”;隨自變量改變而改變的因素叫“因變量”;其他可能產(chǎn)生影響的因素叫“控制變量”??刂谱兞糠ㄊ强茖W(xué)研究中的重要方法,廣泛運用在各種科學(xué)探索和實驗研究中[1]??刂谱兞克枷胧强茖W(xué)探究中的學(xué)科核心思想,也是北京中考科學(xué)探究試題中考查的重點。
例1 (2020年北京中考化學(xué)試卷第24題,節(jié)選)丙酸鈣為白色固體,易溶于水,可作食品防霉劑,國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其用于制作面食、糕點時每千克面粉中的最大使用量。小組同學(xué)實驗探究其性質(zhì)和防霉的效果。
Ⅱ.探究丙酸鈣防霉的效果
[進(jìn)行實驗]分別按表1中①~⑧的配方蒸制8個饅頭,冷卻后置于密封袋中。
[解釋與結(jié)論]
(3) 設(shè)計第1組實驗的目的是________。
(4) 第2組,⑦中x為________。
(5) 對比第1組、第2組實驗可得到的結(jié)論是________。
本題是對丙酸鈣防霉效果的探究。從面粉、酵母、蔗糖、丙酸鈣四種物質(zhì)的用量角度探究丙酸鈣的防霉效果,考查學(xué)生對實驗方案的理解、對獲得的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及控制變量法的應(yīng)用等科學(xué)探究能力。尤其是在數(shù)據(jù)分析、獲取證據(jù)、推理判斷和得出結(jié)論等方面,關(guān)注了素養(yǎng)的考查。
試題中共涉及了四個影響因素,即面粉用量、酵母用量、蔗糖用量以及丙酸鈣用量,而防霉效果是通過觀測開始發(fā)霉的時間體現(xiàn)出來的,開始發(fā)霉的時間越晚防霉效果越好。通過數(shù)據(jù)分析,可以看出在兩大組實驗的8個樣本中,面粉和酵母的用量始終相同,故這兩個因素為控制的變量。而蔗糖和丙酸鈣的用量在不同組別或樣本中出現(xiàn)差異,是本題中重點研究的兩個自變量,因變量則是由開始發(fā)霉時間表現(xiàn)出的防霉效果。
依據(jù)控制變量法的基本要求,每次實驗只改變其中的某一個因素,而控制其余幾個因素均不變??梢悦鞔_本題的兩個自變量需要分別進(jìn)行分析和推理,這也是本題的主要難點。分析第1組的4個樣本可知,在控制面粉、酵母、蔗糖的用量均相同的條件下,丙酸鈣的用量越多,開始發(fā)霉的時間越晚,即防霉效果越好。因此,第2組實驗也應(yīng)該控制面粉、酵母、蔗糖的用量均相同,且得出相同的結(jié)論。由此,“丙酸鈣用量”這一因素的影響效果得以驗證。在驗證另一因素“蔗糖用量”時,則需控制面粉、酵母和丙酸鈣的用量均相同。分析題中信息可知,需要對比的是第1組的①與第2組的⑤(或②與⑥、③與⑦、④與⑧),依據(jù)兩個樣本中開始發(fā)霉的時間相同,可得出的結(jié)論是,蔗糖用量對防霉效果無影響。
本題信息中包含較多數(shù)據(jù),對學(xué)生的信息獲取和分析推理能力要求較高,尤其是需要在不同組別中準(zhǔn)確選取樣本,難度非常大。學(xué)生通過實驗事實推測實驗?zāi)康募暗贸鼋Y(jié)論的能力不足,不能縝密、全面地進(jìn)行分析推理。
例2 (2021年北京市初中學(xué)業(yè)水平考試化學(xué)試卷第38題,節(jié)選)硬水加熱時易產(chǎn)生水垢,很多工業(yè)用水需要對硬水進(jìn)行軟化處理。小組同學(xué)利用1.5%的肥皂水比較水的硬度。
[查閱資料]硬水含較多可溶性鈣、鎂化合物;軟水不含或含較少可溶性鈣、鎂化合物。
Ⅰ.探究水的硬度、肥皂水的用量與產(chǎn)生泡沫量的關(guān)系
[進(jìn)行實驗]向蒸餾水中加入CaCl2和MgCl2的混合溶液,配制兩種不同硬度的硬水。用蒸餾水和兩種硬水完成表2中的三組實驗。
[解釋與結(jié)論]
(1) 對比②和⑧可知,肥皂水能區(qū)分軟水和硬水,依據(jù)的現(xiàn)象是________。
(2) 設(shè)計第2組實驗時,為控制水的硬度相同,⑤中x應(yīng)為________。
(3) 第2組實驗的目的是________。
(4) 由上述三組實驗得到的結(jié)論是________。
本題在保持近年來北京中考化學(xué)命題特色的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整,既注重對基礎(chǔ)和發(fā)展?jié)撃艿目疾椋挚汲隽藢W(xué)生的實踐探究和問題解決能力,符合北京市初中學(xué)業(yè)水平考試的功能定位。題目中明確指出是探究水的硬度、肥皂水的用量與產(chǎn)生泡沫量的關(guān)系。因此,水的硬度、肥皂水的用量是本題中重點研究的兩個自變量,因變量則是產(chǎn)生泡沫量的多少。依據(jù)控制變量法的基本要求,每次實驗只改變其中一個因素,而控制其余因素不變,可以明確本題的兩個自變量同樣需要分別進(jìn)行分析和推理。分析某1組的3個樣本,如第1組的①②③(或第2組的④⑤⑥)可知,在控制加入CaCl2和MgCl2的混合溶液用量相同,即水的硬度相同的條件下,肥皂水的用量越多,產(chǎn)生泡沫量越多。由此,“肥皂水的用量”這一因素的影響效果得以驗證。在驗證另一因素“水的硬度”時,則需控制肥皂水的用量相同,分析題中信息可知,需要對比的是第1組的②、第2組的⑤與第3組的⑧(或③⑥⑨),依據(jù)三個樣本中產(chǎn)生泡沫量的差異,可推理出水的硬度與產(chǎn)生泡沫量的關(guān)系,即在肥皂水用量相同的條件下,水的硬度越大,產(chǎn)生的泡沫量越少。值得關(guān)注的是通過對比⑦⑧⑨或①④⑦,可知對“肥皂水的用量”或“水的硬度”這兩個因素的影響效果分別進(jìn)行探究時,還需使另一因素保持一定用量,效果才會明顯。否則會出現(xiàn)兩個樣本中均無泡沫的現(xiàn)象,不利于推理和判斷出準(zhǔn)確結(jié)論。
本題的創(chuàng)新之處在于通過三個組別的9個樣本實驗,對兩個自變量同時進(jìn)行分析和研究,并且兩個自變量對因變量均有影響,因此對于產(chǎn)生泡沫量的描述出現(xiàn)了“無”“少”“多”“很多”四種情況。正是這種較為復(fù)雜多樣的結(jié)果陳述給部分考生造成了困擾,學(xué)生在通過實驗事實推測實驗?zāi)康募暗贸鼋Y(jié)論的過程中出現(xiàn)了一定的障礙或挑戰(zhàn)。
1.2 認(rèn)知模型分析
運用控制變量思想進(jìn)行科學(xué)探究,首先要通過分析實驗?zāi)康?,明確核心任務(wù),初步形成對物質(zhì)或化學(xué)反應(yīng)的基本認(rèn)識,如例1中核心任務(wù)是探究丙酸鈣防霉的效果;其次是通過分析實驗方案找全實驗體系中所有可能的變量,并確定自變量、因變量以及控制變量;最后結(jié)合實驗事實,分析得出在控制除自變量之外的其他所有變量相同的條件下,自變量對因變量產(chǎn)生了怎樣的影響。以例1為例,具體的認(rèn)知思路可用如下思維模型表示(見表3)。
2 基于控制變量思想的初中化學(xué)命題與評價
以控制變量思想為核心的科學(xué)探究試題通過提出“某組實驗的目的是什么”“通過實驗對比能得出的結(jié)論是什么”以及“如果要得出某種結(jié)論,需要對比哪組實驗(或補(bǔ)全某組實驗)”等一系列問題,考查不同類型、不同水平考生對科學(xué)探究過程的基本認(rèn)識,以及控制變量思想的準(zhǔn)確理解。這就需要教師在日常教學(xué)中既要重視科學(xué)探究形式,更要重視探究過程中的思維訓(xùn)練,建立實驗步驟、結(jié)論與目的之間的邏輯關(guān)系。
筆者基于教材實驗和文獻(xiàn)資料開展了如下的命題實踐研究,以考查學(xué)生對實驗探究中“控制變量,對比分析”思想方法的理解及應(yīng)用能力。
例3 某小組同學(xué)對老師演示的趣味實驗“化學(xué)紅綠燈”興趣濃厚,并進(jìn)行了如下探究。
[查閱資料]
靛藍(lán)胭脂紅(C16H8N2Na2O8S2),是一種生物染色劑。在堿性條件下與氧氣或葡萄糖反應(yīng),會呈現(xiàn)綠、紅、黃三種不同顏色。
[實驗1]向錐形瓶中加入20mL 0.05%的靛藍(lán)胭脂紅溶液、70mL 2%的NaOH溶液、10mL 15%的葡萄糖溶液,用上圖裝置加熱到指定溫度后,取出錐形瓶振蕩,靜置并記錄顏色發(fā)生變化的時間(見表4)。
[實驗2]向錐形瓶中加入20mL濃度不等的靛藍(lán)胭脂紅溶液、70mL 2%的NaOH溶液、10mL 15%的葡萄糖溶液,用上圖裝置加熱到40℃后,取出錐形瓶振蕩,靜置并記錄顏色發(fā)生變化的時間(見表5)。
[實驗3]向錐形瓶中加入20mL 0.05%的靛藍(lán)胭脂紅溶液、70mL濃度不等的NaOH溶液、10mL 15%的葡萄糖溶液,用上圖裝置加熱到40℃后,取出錐形瓶振蕩,靜置并記錄顏色發(fā)生變化的時間(見表6)。
[解釋與結(jié)論]
(1) 實驗12中,靜置68s時溶液顯________(填“綠”“紅”或“黃”)色。
(2) 實驗1的目的是________。
(3) 實驗2的結(jié)論是________。
(4) 實驗34中,導(dǎo)致溶液始終不變色的因素可能是________。
(5) 綜合分析,影響“化學(xué)紅綠燈”實驗效果的因素有________。
本題為原創(chuàng)試題。試題中分別通過不同實驗對反應(yīng)溫度、靛藍(lán)胭脂紅溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、NaOH溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)3個影響因素進(jìn)行分析研究。
閱卷統(tǒng)計顯示,第(1)小題為簡單試題,第(2)(4)(5)小題難度適中,第(3)小題難度較大。除第(1)小題以外,其余試題區(qū)分度均較好。從考生實際作答中可以發(fā)現(xiàn)以下問題:一是對實驗?zāi)康?、證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系不清楚,如第(3)小題,考生出現(xiàn)自變量表述不準(zhǔn)確或理不清自變量對因變量的具體影響等錯誤;二是對實驗中反應(yīng)原理的認(rèn)識并未完全領(lǐng)會,部分考生對資料和實驗方案并未完全理解,因此對試題中提供的信息和數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確分析和推理;三是部分考生解決綜合問題的能力不夠,信心不足,個別試題出現(xiàn)空白答卷等情況。
3 基于控制變量思想的初中化學(xué)教學(xué)策略
3.1 基于教材統(tǒng)籌設(shè)計,系統(tǒng)學(xué)習(xí)控制變量思想內(nèi)涵
教材中有關(guān)“二氧化碳與水反應(yīng)的探究”“燃燒條件的探究”和“鐵生銹條件的探究”等內(nèi)容,均體現(xiàn)了控制變量思想的內(nèi)涵。學(xué)生在學(xué)習(xí)以上內(nèi)容時,領(lǐng)悟控制變量思想,學(xué)會對比分析方法,既為今后的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ),同時又掌握了應(yīng)用此方法解決實際問題的思路和工具。
教師在教學(xué)中要鉆研課標(biāo)、用好教材,將課標(biāo)體系中蘊(yùn)含的核心素養(yǎng)和思想方法進(jìn)行深入分析和理解,并將教材中呈現(xiàn)的學(xué)科思想方法的范例和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理歸納,從單元整體設(shè)計的角度將學(xué)科思想方法滲透到日常教學(xué)中,覆蓋知識體系的每一個細(xì)節(jié),對學(xué)生進(jìn)行潛移默化的影響和培養(yǎng)。
3.2 構(gòu)建認(rèn)知模型,形成解決問題的一般思路
學(xué)生通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系,建立認(rèn)知模型,并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象,揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律[2]。在控制變量思想的學(xué)習(xí)中,教師應(yīng)充分利用歸納演繹法,針對具體的實驗情境和實例,引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識和建構(gòu)相關(guān)認(rèn)知模型,形成分析和解決具體問題的一般思路和方法,并將模型拓展應(yīng)用到更多情境中,達(dá)到鞏固和強(qiáng)化模型的作用,使學(xué)生的高階思維水平得到提升。
3.3 重視實踐活動,突出實驗教學(xué)的培養(yǎng)作用
化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué),實踐活動不僅有利于學(xué)生更深入地領(lǐng)悟素養(yǎng)和思想的內(nèi)涵,更有助于學(xué)生在浸潤式體驗中自我歸納和修正解決問題的方法和路徑,即自主建構(gòu)和完善素養(yǎng)體系。因此,建議教師在實驗教學(xué)中,盡量創(chuàng)設(shè)情境,讓學(xué)生親身體驗過程,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,不僅尊重教材原型實驗,更應(yīng)注重變式和拓展,必要時可對試題中呈現(xiàn)的實驗進(jìn)行情景再現(xiàn)。在應(yīng)用控制變量法進(jìn)行實驗探究時,實現(xiàn)由已知向未知、由基本實驗向科學(xué)探究的過渡和遷移。教學(xué)中要重視實驗的完整性和科學(xué)性,不要割裂地機(jī)械地看待實驗,要建立實驗各環(huán)節(jié)間的推理關(guān)系,使學(xué)生養(yǎng)成全面科學(xué)、多角度地思考問題的能力。
參考文獻(xiàn):
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