首页 -> 2008年第6期
用控制变量法提高探究学习的有效性
作者：周友正
[关键词]探究学习 有效性控制变量法 途径策略
随着课程改革的不断深入，探究学习作为科学课的一种最基本的学习方式，被越来越多的科学教师实践着。但在实际的科学教学过程中，探究学习表面热闹的多，实效性强的少。笔者认为，必须以科学理论作指导，在探究学习中运用控制变量法，切实提高探究学习的有效性，让师生真正体会到探究学习的无穷乐趣，进而培养学生的创新意识，形成初步探索问题和解决问题的能力，促进学生的个性发展。
（一）问题缘起
探究学习是学生用以获取知识、领悟科学的思想观念，领悟科学家研究自然界所用的方法而进行的各种活动，包括观察、测量、制作、提出假没、进行实验、提出模型和交流等，讲究发散思维、多方探讨。这很容易造成现实的探究学习松散无序，从而削弱探究学习的实效性。
另外，在研究科学问题的过程中，影响某现象变化的因素是多方面的，为了确定不同科学量之间的关系，就需要控制某些量使其固定不变，而改变某一个量，看某一变量发生变化对研究的对象影响情况，从而探索其中的规律，这就是控制变量法。由于这种研究方法纯化了实验条件，排除了其他因素的干扰，在科学教学和科学实验中，学生容易理解，也容易掌握。掌握控制变量法，对学生进行科学探究、解决实际问题有重大的意义。
探究学习和控制变量法看似矛盾，其实质是统一的。控制变量法是有条件的探究，是建立在一定的知识、能力基础上的探究，它可以去除学生在学习过程中的盲目性，在教师有目的引导下，提出问题，明确分析对象，运用合理的知识和经验，探索教学中的问题，从而解决问题。因此，用控制变量法能够切实提高探究学习的有效性。比如，引导学生用两杯质量相同、体积相同、表面积相同的水，都放在同一室内，一杯用塑料膜罩住，另一杯不罩，同时放在电风扇下吹风。学生很快就会发现，用电风扇吹一段时问后，罩塑料膜的那杯水，体积几乎不变，而没罩塑料膜的那杯水，体积明显减少，学生一下子就可分析由表面空气流动的速度对水的蒸发的影响了。以此类推，学生很容易探得其它因素的影响关系。
（二）用控制变量法解决实验设计问题
在设计实验前，教师要引导学生明确控制变量的意义；在教学过程中，教师必须引导学生认真分析实验设计方法，使学生从中体会控制变量的实验设计思想，掌握实验设计方法。以植物的光合作用的教学为例，当瓶颈内的气体积聚较多时，去掉瓶塞，用带火星的木条复燃来证明产生的是氧气。可能这时学生会提出：这氧气是水中本来就有的。为此，教师要引导学生设计一个控制变量实验来验证。为了突出实验目的，避免次要因素影响，近似地认为两个瓶子的大小是一样的，其中的水量和水中溶解的氧气也是一样的，唯一变化的是一个瓶子中放有金鱼藻，另一个没有。把它们一起放在阳光下．照射相同的时间，比较一下产生的气体的多少及能否使带火星的木条复燃。实验设计中运用了近似的方法和控制变量的方法。经过这样分析，学生在进行实验设计时就能打开思路。设计好实验方案后，指导学生完成实验，做好实验记录。这样通过生生互动、师生互动，最后由他们的思维导出正确结论。
（三）用控制变量法解决实验过程中的问题
在研究电流跟电压、电阻相互关系的实验中（如下图），先使电阻箱的电阻取某一值，多次改变滑动变阻器的阻值，记录每次的电流和电压的值，得到“电阻不变时电流与电阻两端的电压成正比”的关系，然后多次改变电阻箱的阻值。调节滑动变阻器的滑片，使每次电压表的示数保持不变，记录每次电阻箱的阻值与相对应的电流的值，从而得到“电流与电阻成反比”的关系。这个探究实验，若放手让学生自己探究，学生根本无法得到正确的关系。特别是探究电流与电阻关系时，控制电压这个科学量特别重要。运用一定的手段主动干预或控制自然事物、自然现象发展的过程，在特定的客观条件下，探索客观规律，这也是科学研究中必不可少的。像上例中，如果不采用控制变量法，在调节电阻箱的阻值后，不通过R′来控制电压表的示数，学生对“电流与电阻成反比”的科学结论就不这么信服。
（四）用控制变量法解决实验分析问题
让学生探究物质特性、建立密度概念时，先提出问题：体积相同的不同物质，其质量一般不同，对于同一种物质，它的质量跟体积有什么关系呢？接着做出猜想：对于同一种物质，它的体积越大其质量也越大。然后用实验验证猜想：分别用铝块和松木块做实验，用量筒和天平分别测出铝块或松木块在不同体积时的质量，并用表格记录实验测得的数据及求得的质量跟体积的比值。表格如下：
实验分析：①1、2两次实验是在同一种物质(控制一个因素)的情况下，改变物体的体积，比较它们质量大小，由此得出同一种物质它的质量跟它的体积成正比。②2、3两次实验是在质量相同(控制一个因素)的情况下，改变物质、比较它们的体积，由此得出质量相同的不同物质，体积不相同。
实验结论：①分析比较铝块，松木的质量与体积的比值关系，可归纳出同种物质，其质量与体积比值是一个确定值，不同物质它们的质量与体积的比值是不同的。②进一步归纳推理：单位体积的质量反映了物质的特性。科学中就用密度来表示物质的这种特性，用公式表示：ρ= 。
再如，为了探究二氧化碳能与水反应生成具有酸性的物质，A、B两同学分别设计了探究实验的方案。A同学的实验方案是将二氧化碳通人紫色石蕊试液中，观察溶液颜色的变化，如图甲所示。B同学的实验方案是取四朵用石蕊试液染成紫色的干燥小花，按图乙所示进行实验，观察小花的变色情况。请你对A，B两同学的实验方案进行评价：
①哪个同学的方案合理（）；
②方案合理的理由是（ ）。
分析：A同学的实验设计中，对变量的考虑不足，仅仅考虑了化学反应过程中产物（酸）的因素，没有考虑到实验中其它物质也可能使紫色石蕊变色，如二氧化碳气体本身、水等。只有排除了其它因素的干扰，才能确定是哪一种物质在起作用。而从乙同学的设计中可以看出，它不仅用了醋酸，还用了水以及干燥的二氧化碳气体分别做了实验，有了明显的对比，从而可以排除其它因素的影响，找出真正能使紫色石蕊变色的原因。
（五）在探究学习中使用控制变量法的注意事项
探究学习符合中学生的心理特点和学生的认知规律，有助于激发学生的学习兴趣，有利于发挥学生的主观能动性，便于提高学生的观察能力、实验能力、思维能力和自学能力，是现代教育的必然趋势。在探究过程中使用控制变量法时应注意：
1．教师在课前要做好大量的准备工作。为所探究的问题设置种种可产生的结果，做好充分的思想准备和解决方案，避免盲目性。
2．备教材的同时备学生，因材施教，因材施控。
对成绩较好的学生，多放手让学生施展个人的创新能力；对成绩较差的学生，要循循善诱，加以引导。
3．善于发现学生的细微进步。在探究学习中的任何一个突破对学生来说都来之不易，抓住这个时机及时给予表扬和鼓励，会大大刺激学生的求知欲和自信心，为探究教学进一步的开展奠定思想基础。
4．对较难探究的内容，可采用多控制变量的方法，减少学生探究道路中的阻力和不必要的障碍；对较易探究的内容则要少控制其中的科学量，甚至不控制科学量，全面放手，让学生自己搏一搏。
5．自然界中发生的各种现象往往是错综复杂的，要想精确地把握研究对象的各种特性，弄清事物变化的原因和规律，单靠分离单因素的控制变量法是不够的。至少应让学生看到控制变量法的局限性，并尝试用非控制变量法研究一些简单多因素问题，以拓宽研究思路。
亲身经历以探究为主的学习活动是学生学习科学的主要途径。因此，科学课程应向学生提供充分的科学探究机会，使他们在像科学家那样进行科学探究的过程中，体验学习科学的乐趣，增长科学探究能力，获取科学知识，形成尊重事实、善于质疑的科学态度。
参考文献：
[1]陈菊．初中科学课程理念与实施[M]．桂林：广西师范大学出版社，2003．
[2]陈志伟，贾秀英．中学科学教育[M]．杭州：浙江大学出版社，2005．
[3]靳玉乐．探究教学的学习与辅导[M]．北京：中国人事出版社，2004．
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