初中科学教学运用控制变量法探析
仙居下各二中 王福云 [摘要] 控制变量法是科学研究的重要方法，因而在科学教学中的有效运用控制变量法也是实现《科学课程标准》中“过程与方法”这个课程目标的主要手段。本文从用控制变量法设计演示实验，展示实验思想和科学方法；用控制变量法探究科学规律，构建科学知识；运用控制变量法分析和解决实际问题，，实现学有所用；“控”中有“变”，提升学生思文品质等方面探讨了科学教学运用控制变量法的有关问题。
[关键词] 科学教学；科学素养；控制变量法；运用策略
提高学生的科学素养是初中科学教学的立足点和归宿。一是科学知识与技能，二是科学方法与能力，三是科学行为与习惯，四是科学精神、态度与价值观。这是关于科学课程的基本定位问题。因此，培养学生的科学方法与科学探究能力就成为科学教学的核心内容。其中的控制变量法是科学研究的重要方法，因而在科学教学中的有效运用控制变量法也是实现《科学课程标准》中“过程与方法”这个课程目标的主要手段。我结合教学实践，就控制变量法在科学教学中的有效运用作一些肤浅的探讨。
一、运用控制变量法设计实验，展示实验思想和科学方法
在实验之初，我向学生介绍一种研究问题的科学方法——控制变量法。所谓“控制变量法”， 就是通过控制一些变量，使所要研究的变量关系突现出来。这里所谓的“控制”，就是用人为的方法使得不是问题研究对象的物理量保持不变或相等的关系，然后比较、研究所突现出来的两个变量之间的关系。比如研究液体蒸发的快慢跟哪些因素有关；研究压力作用的效果(压强)跟哪些因素有关；导体中的电流跟哪些因素有关；以及研究速度、密度、力的三要素、浮力、欧姆定律、电功、焦耳定律、电磁铁磁性强弱影响因素等都可以用这种方法。原文请找腾讯752018766辣:文~论^文.网http://www.751com.cn
例如有这样一个实际问题：金属丝被拉断时,拉力的大小与哪些因素有关？我是这样去做的，我在一台拉力器上通过实验来探究这个问题。这台拉力器可以逐渐增大固定在该机器上金属丝的拉力，读出金属丝拉断时拉力的大小。提供金属丝有下表所列的8个品种（每个品种有若干根）
金属丝代号 A B C D E F G H
金属丝材料 铜 铜 铜 铜 铜 铁 铁 铝
长度/cm 10 10 10 20 30 10 20 10
横截面积/mm2 0.5 1.0 1.5 0.5 0.5 1.0 0.5 1.0
(1)猜想一：相同材料的金属丝被拉断时，金属丝的横截面积越大，被拉断的力也越大。
(2)猜想二：相同横截面积的金属丝被拉断时，需要的拉力大小还与金属丝的材料有关。
(3)猜想三：材料和横截面积均相同的金属丝被拉断时需要的拉力大小与金属丝的长度无关。
为了验证猜想一，我选用代号为A、B、C的金属丝做实验；
为了验证猜想二，我选用代号为 B、F、H的金属丝做实验；
为了验证猜想三，我选用代号为 A、D、E的金属丝做实验；
经过实验后，验证了以上猜想，得出了结论：金属丝被拉断时需要的拉力大小与金属丝的材料、横截面积有关，与金属丝的长度无关，同种材料的金属丝被拉断时，横截面积越大，需要的拉力越大。
二、用控制变量法探究科学规律，构建科学知识
例如探究影响导体电阻大小的因素。
1．探究材料
干电池两节，小电灯，开关，电流表，导线，甲、乙、丙、丁四根均匀导线：其中甲、乙、丁为镍铬线，丙为锰铜线，甲、丙、丁等粗，甲、乙、丙等长。
2．探究设想
①实验的目的是什么？②实验的原理是什么？③确定实验变量、反应变量和无关变量以及它们的控制方法？④如何设计实验操作步骤，确保单一变量的观测？
解析：
实验目的：探究导体的电阻跟哪些因素有关。
实验原理：导体的电阻越大，对电流的阻碍作用越大。
操作方法：将四根导体分别接入串有电流表的电路。
反应变量：四段材料、长度、横截面积各不相同的导体。
检测变量：观察灯泡的亮度和电流表的示数。
无关变量：外界环境及通电时间长短等。
控制方法：只改变一个量的大小，其他条件均完全相同。
3．探究步骤
①将干电池、开关、灯泡、电流表串联接成电路，留出两个接线头；②选取甲、丁两根导线接入电路，观察灯泡亮度及电流表的示数，研究导体电阻与导体长度的关系；③选取甲、乙两根导线接入电路，研究导体电阻与导体横截面积的关系；④选取甲、丙两根导线接入电路，研究导体电阻与导体材料的关系；⑤在此过程中保持环境条件、通电时间完全相同，分别完成上述各实验。
4．探究结论
导体电阻跟导体的材料、长度、横截面积有关。
5．拓展探究
为探究电流通过电热器所产生热量的多少与哪些因素有关，请设计实验。
实验材料：低压电源、开关、导线、电流表、两个阻值不等的电阻、滑动变阻器、火柴。
又如：小明同学发现他的眼镜框表面出现了绿色物质，通过学习知道它是铜锈，俗称铜绿，它的化学式是 。借鉴铁生锈的原因和“铁的生锈条件的探究”实验，设计一个实验进行探究铜生锈可能跟哪些物质有关。
分析根据铁生锈的条件和铜锈的化学组成，可以猜想铜生锈可能跟水、氧气、二氧化碳有关。因此，可以通过控制这三种物质的存在，借鉴“铁的生锈条件的探究”实验来设计对比实验。
实验方案：
“控制变量法”由于涉及到多个变量，所以它能解决的问题属于比较复杂的多因素影响问题，因此，在方法的实施中，如能积极运用“比较法”，则可以在实验分析发挥重要作用。
三．运用控制变量法分析和解决实际问题，实现学有所用
在初中科学中，可用“控制变量”去分析和解决的实际问题是很多的，这就为这一科学方法的教学和应用提供了很好的机会。例如有这样一个实际问题，水的质量与泥土、砂石的质量相等的情况下，吸收（或放出）相同的热量后，谁的温度升高（或降低）的快？这个问题看起来有较大的难度，如果用“控制变量法”及结合公式Q吸=cm(t-t0)与Q放=cm(t0-t)来解决这个问题就容易的多了。这个问题要解决的是t-t0或t0-t，把公式先变形为
t-t0=Q吸/cm（升温）和t0-t=Q放/cm（降温），当Q吸（或Q放）、m相等时，很容易发现t-t0（升温），t0-t（降温）与比热C成反比。水的比热比泥土、砂石的比热大，所以泥土、砂石温度升高（或降低）的快。可见，在解决科学问题时，对所解决的问题进行适当的变化，并能恰当运用“控制变量法”去分析，解决问题就容易多了。
用比热容知识还可以解释身边发生的科学现象。例如“热岛效应”是指城市中的气温明显高于外围郊区的现象。夏季，城市局部地区的气温有时甚至比郊区高出6摄氏度以上。城市中有二多二少，二多指的是人工建筑物多，人工热源多，二少指的是绿地少，湿地少。而郊区有二少二多，二少指的是人工建筑物少，人工热源少，二多指的是绿地多，湿地多。人工建筑物中物质的比热比水的比热要小的多，在相同的太阳辐射条件下，其表面温度明显高于绿地、湿地等。 还有就是城市中大气污染严重，城市每天产生了大量的氮氧化物、二氧化碳和粉尘等排放物，这些物质会吸收热辐射，产生温室效应，引起升温。
又如浙江省第七届自然科学竞赛初赛试题：三个试管中分别装甲、乙、丙固体，在相同的加热条件下，甲、乙、丙的温度随时间的变化如图1示，关于甲、乙、丙之间的质量关系，下列推测正确的是（ ）
(A)甲的质量大于乙；(B)甲的质量小于乙； (C)乙的质量大于丙；(D)乙的质量小于丙1845