巧设探究实验，培养控制变量思维
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【摘 要】本文以H2O2分解速率影响因素的探究实验为例，阐述了如何引导学生主动参与到实验方案的设计、交流研讨、实验实施、结果分析等活动，帮助学生建立起控制变量思想的核心概念，充分体验控制变量法在实验操作中的运用，并灵活运用控制变量思维分析问题和解决问题。
【关键词】控制变量；实验探究
【中图分类号】G633.8 【文献标识码】A
【文章编号】2095-3089（2019）13-0284-01
一、问题的提出
化学是一门以实验为基础的自然学科，科学探究是实验的根本。《化学课程标准》2017年版明确指出：科学探究过程包括提出问题和假设、设计方案、实施实验、获取证据、分析解释或建构模型、形成结论及交流评价等核心要素[1]。控制变量法是人们进行科学探究、解决问题的重要手段和方法，是学生实验探究中必须掌握的基本技能。化学教材的实验几乎都渗透了控制变量的思想。面对众多的影响因素，控制变量的思维与运用能力会直接影响学生对实验的理解、操作，因此，教学中培养学生控制变量的思维非常重要。
但在教學过程中发现，有很多学生仍缺乏控制变量的思维，不会运用控制变量法来分析问题和解决问题。例如，有这样一道实验设计题：
H2O2是一种绿色氧化还原试剂，在化学研究中应用广泛。某小组拟在同浓度Fe3+的催化下，探究H2O2浓度对H2O2分解反应速率的影响。限选试剂与仪器：30%H2O2、0.1mol·L-1Fe2（SO4）3、蒸馏水，参照下表格式，拟定实验表格，完整体现实验方案（列出所选试剂体积、需记录的待测物理量和所拟定的数据；数据用字母表示）。
这是2014年的广东高考题节选，要求学生根据化学实验目的和要求，设计实验方案，考查的是学生的实验分析和设计能力，控制变量思维在这里得到充分的体现。
作为高二学生的测试题，大部分的学生完成情况不理想，很多学生不能完整地设计实验。主要存在问题有：（1）不知道怎样改变H2O2浓度。（2）不知道还要控制其它变量，如催化剂Fe2（SO4）3的浓度，收集氧气的体积或时间等。（3）蒸馏水有什么作用？出现以上问题的原因是学生只有控制变量的意识，却没有控制变量的思维，在实验中运用起来自然是错漏百出。
二、什么是控制变量法
控制变量法就是控制实验条件的方法，即把多因素的问题变成多个单因素的问题，每一次只改变其中的某一个因素，控制其余几个因素不变，从而研究被改变的这个因素对实验结果的影响，然后分别研究其他因素，最后综合解决实验中存在的问题。它是科学探究的重要思维方法，广泛运用在各种科学探索和科学实验中[2]。
控制变量法的运用首先需要明确探究的对象（因变量）和可能的影响因素（自变量）这两个要件，确立探究对象相对容易！一般就在探究的课题中，但确立其它可能影响探究对象的因素（控制变量）就较有难度，这也是运用控制变量法进行实验探究的关键所在！
三、怎样培养控制变量思维
怎样培养控制变量思维？一些老师为了节省时间，在教学过程中仍然停留在教实验题和练实验题上，通过练习帮助学生掌握控制变量法的运用。大量的教学实践证明这种侧重知识的训练而忽视了知识获得过程的方法并不能起很好的效果。授人以鱼不如授人以渔！笔者认为通过探究实验来帮助学生建立控制变量的思维；让学生在实验探究过程中理解控制变量的概念，学会运用控制变量思维分析问题和解决问题，才是较好的途径。
下面以探究H2O2分解速率影响因素的实验为例，谈谈如何在实验探究中引领学生对控制变量法基本概念的准确认识，并把握控制变量法在实验探究中的运用。
例题：探究H2O2分解速率的影响因素，反应原理：2H2O2=2H2O+O2↑，提供试剂：30%H2O2、0.1mol·L-1 FeCl3溶液、0.1 mol·L-1CuSO4溶液、蒸馏水，其他物品任选。
任务1：根据表格完成以下探究实验（1）探究不同催化剂FeCl3溶液、CuSO4溶液对H2O2分解速率的影响。（2）探究有无FeCl3溶液作催化剂对H2O2分解速率的影响。
学生活动1.1、填写并交流实验方案。
同学们先了解自变量、因变量和控制变量的概念，再根据对概念的理解并结合该实验要求，填写表格中的自变量和因变量，明确需要控制的变量，并交流方案。
学生活动1.2、实施实验，观察现象，记录测量数据（收集相同体积的气体所需要的时间）。
学生活动1.3、处理数据，对比分析实验结果。
探究实验（1）：同学们得出的结论是：其它条件相同，用FeCl3作催化剂比用CuSO4对H2O2的分解速率影响要更大一些。但在具体实验操作中同学们所测得的速率各不相同，数据上的差异让学生意识到H2O2的浓度和催化剂的浓度对化学反应速率都有影响，探究（1）的对比实验中必须控制H2O2的浓度、催化剂的浓度相同，经过交流和实验实施，同学们得出了必须保持溶液总体积一定和各试剂用量一定的结论。探究实验（2）：同学们得出的结论是：有FeCl3作催化剂比不加催化剂对H2O2的分解速率影响要大得多，有了探究（1）的基础，大部分同学都明白了不加催化剂的对比实验应加蒸馏水来调节溶液总体积一致，以达到H2O2浓度一致的目的，从而充分认识了蒸馏水对调整反应物浓度所起的重大作用。
简单的探究任务让学生初步理解了控制变量法中的自变量和因变量究竟是什么，对需要控制的变量及如何控制变量有了一定的认识。
任务2：设计实验方案，探究用0.1mol·L-1 FeCl3作催化剂，不同反应物浓度对H2O2分解速率的影响。请设计实验方案，并按照方案进行实验。
学生活动2.1、设计、讨论、交流实验方案。
同学们根据对控制变量法的认识和理解及上述实验的经验，设计出实验方案，如下表： 绝大多数同学能很快明确了自变量（H2O2的浓度）、因变量（H2O2分解速率），对需要控制的变量（温度、催化剂的浓度）也十分清晰。
学生活动2.2、实施实验，观察现象，记录测量数据（收集相同体积的气体所需要的时间）。
学生活动2.3、处理数据，对比分析实验结果。
在具体的实验过程中怎样实现不同反应物浓度？同学们有不同的操作，操作一：先在试管1和试管2中分别加入30%的 H2O2各5ml，再在试管1中加入蒸馏水5ml，最后分别在两试管中各加入0.1 mol·L-1 FeCl3溶液1ml。操作二：先在试管1和试管2中分别加入30%的 H2O25ml和10ml，再分別加入0.1 mol·L-1 FeCl3溶液1ml，最后在试管1中加蒸馏水5ml；操作三：先在试管1加入30%的 H2O25ml，蒸馏水5ml，试管2中加入30%的 H2O210ml，最后分别在两试管中各加入0.1mol·L-1 FeCl3溶液1ml。三种不同的实验操作导致了不同的实验现象和结果，哪种操作才能体现出控制自变量是唯一的变量？经过对比分析，讨论交流，同学们明白了：操作一是误将H2O2的起始浓度当作是反应时的浓度；操作二没有注意加试剂的先后顺序，不能体现出反应物的浓度对化学反应速率的影响。操作三体现出自变量（H2O2的浓度）是唯一变量。
此探究任务没有直接给出实验方案，实验试剂中也没有直接给出不同浓度的H2O2，而是利用蒸馏水调节来获得不同浓度H2O2后进行对比实验。实验操作的不同、认知上的冲突促使了同学们思考、交流，从而加深了对控制变量概念的理解。
任务3：设计实验方案，探究催化剂、反应物浓度、温度对H2O2分解速率的影响。
学生活动3.1、设计、研讨实验方案。
有了前面实验探究的基础，同学们的思路逐渐清晰，已基本具备了控制变量的思维，经过交流研讨，同学们得出了实验探究方案，如下表：
学生活动3.2、实施实验，观察现象，记录测量数据（收集相同体积的气体所需要的时间）。
学生活动3.3、处理数据，对比分析实验结果。
该实验探究多因素对H2O2分解速率的影响，融合了前面的探究内容，目的是让同学们在面对众多影响因素时保持清晰的控制变量的思维，不至于手忙脚乱、顾此失彼。实施结果表明这对提升学生的控制变量思维是很有好处的。至此，探究实验方案设计及实验实施对学生而言已不如当初困难，说明已经有了控制变量的思维方法和实验探究的经验。将探究H2O2分解速率的影响因素这一实验分解成多个探究任务，从单一因素到多个因素对化学反应速率的影响，逐步提升了学生的控制变量思维能力。
四、课后反思
对于课本的实验，若老师们对其内容所承载的实验教学功能和价值挖掘不深，或演示、或分组， 按照要求按步就班地进行验证性实验，会使学生的思维空间狭小甚至固化，失去实验的意义和价值，本课把选修4《化学反应原理》第二章的实验2-1及P23科学实验巧妙设计成探究实验，从简到繁，从单一到综合，让同学们从实验探究的科学角度理解实验思想，逐步掌握控制变量法的精髓——确立探究对象、把握“自变量唯一性”的原则。该设计帮助学生建立起控制变量的核心概念，培养控制变量思维，并使其了解了控制变量法在科学探究中的重要作用。
参考文献
[1]《化学课程标准》，2017年版.
[2]张秀球.“控制变量法”与高考化学试题命制[J].中国考试，2013，9：48-56.
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