巧設探究實驗，培養控制變量思維
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【摘 要】本文以H2O2分解速率影響因素的探究實驗為例，闡述了如何引導學生主動參與到實驗方案的設計、交流研討、實驗實施、結果分析等活動，幫助學生建立起控制變量思想的核心概念，充分體驗控制變量法在實驗操作中的運用，并靈活運用控制變量思維分析問題和解決問題。
【關鍵詞】控制變量；實驗探究
【中圖分類號】G633.8 【文獻標識碼】A
【文章編號】2095-3089（2019）13-0284-01
一、問題的提出
化學是一門以實驗為基礎的自然學科，科學探究是實驗的根本。《化學課程標準》2017年版明確指出：科學探究過程包括提出問題和假設、設計方案、實施實驗、獲取證據、分析解釋或建構模型、形成結論及交流評價等核心要素[1]?？刂谱兞糠ㄊ侨藗冞M行科學探究、解決問題的重要手段和方法，是學生實驗探究中必須掌握的基本技能?；瘜W教材的實驗幾乎都滲透了控制變量的思想。面對眾多的影響因素，控制變量的思維與運用能力會直接影響學生對實驗的理解、操作，因此，教學中培養學生控制變量的思維非常重要。
但在教學過程中發現，有很多學生仍缺乏控制變量的思維，不會運用控制變量法來分析問題和解決問題。例如，有這樣一道實驗設計題：
H2O2是一種綠色氧化還原試劑，在化學研究中應用廣泛。某小組擬在同濃度Fe3+的催化下，探究H2O2濃度對H2O2分解反應速率的影響。限選試劑與儀器：30%H2O2、0.1mol·L-1Fe2（SO4）3、蒸餾水，參照下表格式，擬定實驗表格，完整體現實驗方案（列出所選試劑體積、需記錄的待測物理量和所擬定的數據；數據用字母表示）。
這是2014年的廣東高考題節選，要求學生根據化學實驗目的和要求，設計實驗方案，考查的是學生的實驗分析和設計能力，控制變量思維在這里得到充分的體現。
作為高二學生的測試題，大部分的學生完成情況不理想，很多學生不能完整地設計實驗。主要存在問題有：（1）不知道怎樣改變H2O2濃度。（2）不知道還要控制其它變量，如催化劑Fe2（SO4）3的濃度，收集氧氣的體積或時間等。（3）蒸餾水有什么作用？出現以上問題的原因是學生只有控制變量的意識，卻沒有控制變量的思維，在實驗中運用起來自然是錯漏百出。
二、什么是控制變量法
控制變量法就是控制實驗條件的方法，即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，控制其余幾個因素不變，從而研究被改變的這個因素對實驗結果的影響，然后分別研究其他因素，最后綜合解決實驗中存在的問題。它是科學探究的重要思維方法，廣泛運用在各種科學探索和科學實驗中[2]。
控制變量法的運用首先需要明確探究的對象（因變量）和可能的影響因素（自變量）這兩個要件，確立探究對象相對容易！一般就在探究的課題中，但確立其它可能影響探究對象的因素（控制變量）就較有難度，這也是運用控制變量法進行實驗探究的關鍵所在！
三、怎樣培養控制變量思維
怎樣培養控制變量思維？一些老師為了節省時間，在教學過程中仍然停留在教實驗題和練實驗題上，通過練習幫助學生掌握控制變量法的運用。大量的教學實踐證明這種側重知識的訓練而忽視了知識獲得過程的方法并不能起很好的效果。授人以魚不如授人以漁！筆者認為通過探究實驗來幫助學生建立控制變量的思維；讓學生在實驗探究過程中理解控制變量的概念，學會運用控制變量思維分析問題和解決問題，才是較好的途徑。
下面以探究H2O2分解速率影響因素的實驗為例，談談如何在實驗探究中引領學生對控制變量法基本概念的準確認識，并把握控制變量法在實驗探究中的運用。
例題：探究H2O2分解速率的影響因素，反應原理：2H2O2=2H2O+O2↑，提供試劑：30%H2O2、0.1mol·L-1 FeCl3溶液、0.1 mol·L-1CuSO4溶液、蒸餾水，其他物品任選。
任務1：根據表格完成以下探究實驗（1）探究不同催化劑FeCl3溶液、CuSO4溶液對H2O2分解速率的影響。（2）探究有無FeCl3溶液作催化劑對H2O2分解速率的影響。
學生活動1.1、填寫并交流實驗方案。
同學們先了解自變量、因變量和控制變量的概念，再根據對概念的理解并結合該實驗要求，填寫表格中的自變量和因變量，明確需要控制的變量，并交流方案。
學生活動1.2、實施實驗，觀察現象，記錄測量數據（收集相同體積的氣體所需要的時間）。
學生活動1.3、處理數據，對比分析實驗結果。
探究實驗（1）：同學們得出的結論是：其它條件相同，用FeCl3作催化劑比用CuSO4對H2O2的分解速率影響要更大一些。但在具體實驗操作中同學們所測得的速率各不相同，數據上的差異讓學生意識到H2O2的濃度和催化劑的濃度對化學反應速率都有影響，探究（1）的對比實驗中必須控制H2O2的濃度、催化劑的濃度相同，經過交流和實驗實施，同學們得出了必須保持溶液總體積一定和各試劑用量一定的結論。探究實驗（2）：同學們得出的結論是：有FeCl3作催化劑比不加催化劑對H2O2的分解速率影響要大得多，有了探究（1）的基礎，大部分同學都明白了不加催化劑的對比實驗應加蒸餾水來調節溶液總體積一致，以達到H2O2濃度一致的目的，從而充分認識了蒸餾水對調整反應物濃度所起的重大作用。
簡單的探究任務讓學生初步理解了控制變量法中的自變量和因變量究竟是什么，對需要控制的變量及如何控制變量有了一定的認識。
任務2：設計實驗方案，探究用0.1mol·L-1 FeCl3作催化劑，不同反應物濃度對H2O2分解速率的影響。請設計實驗方案，并按照方案進行實驗。
學生活動2.1、設計、討論、交流實驗方案。
同學們根據對控制變量法的認識和理解及上述實驗的經驗，設計出實驗方案，如下表： 絕大多數同學能很快明確了自變量（H2O2的濃度）、因變量（H2O2分解速率），對需要控制的變量（溫度、催化劑的濃度）也十分清晰。
學生活動2.2、實施實驗，觀察現象，記錄測量數據（收集相同體積的氣體所需要的時間）。
學生活動2.3、處理數據，對比分析實驗結果。
在具體的實驗過程中怎樣實現不同反應物濃度？同學們有不同的操作，操作一：先在試管1和試管2中分別加入30%的 H2O2各5ml，再在試管1中加入蒸餾水5ml，最后分別在兩試管中各加入0.1 mol·L-1 FeCl3溶液1ml。操作二：先在試管1和試管2中分別加入30%的 H2O25ml和10ml，再分別加入0.1 mol·L-1 FeCl3溶液1ml，最后在試管1中加蒸餾水5ml；操作三：先在試管1加入30%的 H2O25ml，蒸餾水5ml，試管2中加入30%的 H2O210ml，最后分別在兩試管中各加入0.1mol·L-1 FeCl3溶液1ml。三種不同的實驗操作導致了不同的實驗現象和結果，哪種操作才能體現出控制自變量是唯一的變量？經過對比分析，討論交流，同學們明白了：操作一是誤將H2O2的起始濃度當作是反應時的濃度；操作二沒有注意加試劑的先后順序，不能體現出反應物的濃度對化學反應速率的影響。操作三體現出自變量（H2O2的濃度）是唯一變量。
此探究任務沒有直接給出實驗方案，實驗試劑中也沒有直接給出不同濃度的H2O2，而是利用蒸餾水調節來獲得不同濃度H2O2后進行對比實驗。實驗操作的不同、認知上的沖突促使了同學們思考、交流，從而加深了對控制變量概念的理解。
任務3：設計實驗方案，探究催化劑、反應物濃度、溫度對H2O2分解速率的影響。
學生活動3.1、設計、研討實驗方案。
有了前面實驗探究的基礎，同學們的思路逐漸清晰，已基本具備了控制變量的思維，經過交流研討，同學們得出了實驗探究方案，如下表：
學生活動3.2、實施實驗，觀察現象，記錄測量數據（收集相同體積的氣體所需要的時間）。
學生活動3.3、處理數據，對比分析實驗結果。
該實驗探究多因素對H2O2分解速率的影響，融合了前面的探究內容，目的是讓同學們在面對眾多影響因素時保持清晰的控制變量的思維，不至于手忙腳亂、顧此失彼。實施結果表明這對提升學生的控制變量思維是很有好處的。至此，探究實驗方案設計及實驗實施對學生而言已不如當初困難，說明已經有了控制變量的思維方法和實驗探究的經驗。將探究H2O2分解速率的影響因素這一實驗分解成多個探究任務，從單一因素到多個因素對化學反應速率的影響，逐步提升了學生的控制變量思維能力。
四、課后反思
對于課本的實驗，若老師們對其內容所承載的實驗教學功能和價值挖掘不深，或演示、或分組， 按照要求按步就班地進行驗證性實驗，會使學生的思維空間狹小甚至固化，失去實驗的意義和價值，本課把選修4《化學反應原理》第二章的實驗2-1及P23科學實驗巧妙設計成探究實驗，從簡到繁，從單一到綜合，讓同學們從實驗探究的科學角度理解實驗思想，逐步掌握控制變量法的精髓——確立探究對象、把握“自變量唯一性”的原則。該設計幫助學生建立起控制變量的核心概念，培養控制變量思維，并使其了解了控制變量法在科學探究中的重要作用。
參考文獻
[1]《化學課程標準》，2017年版.
[2]張秀球.“控制變量法”與高考化學試題命制[J].中國考試，2013，9：48-56.
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