科学探究实验与控制变量法

科学探究实验与控制变量法

《九年义务教育初中物理课程标准（实验稿）》指出：在义务教育阶段，物理课程不仅应该注重科学知识的传授和技能的训练，注重将物理科学的新成就及其对人类文明的影响等纳入课程，而且还应重视对学生终身学习愿望、科学探究能力、创新意识以及科学精神的培养。这里明确提出了物理课程要重视对学生科学探究能力的培养，并把科学探究列入内容标准，在《标准》中，科学探究既是学生的学习目标，又是重要的教学方式之一。

在科学探究实验中，控制变量法是常用的一种方法。当要探究的物理问题（或物理量）与几个因素都有关系时，我们要控制其它因素不变，只改变其中一个因素，研究物理量和它的关系，再控制别的因素不变，改变其中一个因素，研究物理量和它的关系——这种分别控制逐一研究的方法称之为控制变量法。应用控制变量法，可以把探究的物理问题与多因素的关系转化为单变量问题分别加以研究，最后综合，准确地把握物理量之间的关系。在现行人教版的初中物理教材中，比较典型的应用控制变量法进行探究的实验有探究导体的电阻与长度材料、横截面积等因素的关系；探究导体中的电流与电压、电阻的关系；探究滑动摩擦力的大小与压力、粗糙程度的关系；探究压力的作用效果与压力、受力面积的关系、探究物质的吸热能力与什么因素有关等实验。这些探究活动，从设计实验方案、选择实验器材到分析数据概括结论等环节都离不开控制变量法。

在引导学生设计实验方案上，具体做法是根据研究目的，运用一定的手段主动干预或控制自然事物、自然现象发生发展的过程，在特定的观察条件下去探索客观规律。例如，在引导学生探索、研究导体的电阻的大小与导体的哪些特性有关时，可先故意将横截面积、长度都不同的一根镍铬合金丝和一根铜丝分别串入接有小灯泡的直流电路中，让学生分别观察灯泡发光的亮度，并问学生：刚才的实验现象能否说明电阻大小与导体的某个特性有关？学生经过思考与讨论，得到的结论当然是否定的。再用横截面积和长度都不同的两根镍铬合金丝分别串入上述电路中，观察小灯泡的亮度，并让学生思考这个实验能否说明电阻大小同导体的某种特性有关，结论同样是不能。这时就可不失时机地问学生：“那么，我们应该取怎样的两根金属丝串入上述电路来做这个实验，以研究导电体的电阻大小到底与哪些因素有关呢？”同时向学生出示课前准备好的几根金属丝让他们选择。学生经过思考并相互讨论后，有的回答：应取两根横截面积相同、但长度不同的镍铬合金丝进行上述实验；有的同学说：应取两根长度相同、但横截面积不同的镍铬合金丝进行上述实验；还有的说应取长度、横截面积均相同的一根铜丝和一根镍铬合金丝进行实验比较。这时，教师可适时指出上述几种方法都可以，同时指出要研究电阻的大小同导体的长度、横截面积、材料种类这三个因素任何一个因素间的关系，就要人为地控制另外两个因素，让它们保持不变，这样，一个多因素的探究问题就转化为三个单因素的探究问题：

1 保持导体材料和横截面积一定，改变导体的长度，观察小灯泡的亮度，比较导体电阻的大小。

2 保持导体材料和长度一定，改变导体的横截面积，观察小灯泡的亮度，比较导体电阻的大小。

3 保持导体长度和横截面积一定，改变导体的材料，观察小灯泡的亮度，比较导体电阻的大小。

在引导学生分析现象（数据）、概括结论上，具体做法是确定控制不变的变量，找准发生变化的变量，通过现象或数据信息得出研究对象与发生变化的变量之间的对应关系。例如，在探究导体在磁场中运动时产生感应电流的条件的实验中，闭合开关后，闭合电路的一部分导体ab、电流表、开关组成闭合电路，实验中观察到的现象记录在下表中：

比较实验2和3（或6和7）可知：

比较实验2和6（或3和7）可知：

这主要考查学生是否会用控制变量法来分析现象、概括结论。题中要探究的问题是感应电流的产生条件，表格中列举的变量有开关的断开与闭合（电路的通断）、磁场方向、导体运动方向等三个变量因素。

比较实验2和3（或6和7）可以看出，保持了开关都闭合与磁场方向这两个因素不变，改变了导体运动方向，可见这是研究感应电流的产生与导体运动方向的关系。因此结论是：在磁场方向一定时，感应电流的方向与切割磁感线运动（或与磁场方向垂直的运动）方向有关；比较实验2和6（或3和7）可以看出，保持了开关都闭合与导体运动方向这两个因素不变，改变了磁场方向，可见这是研究感应电流的产生与磁场方向的关系。因此结论是：在导体切割磁感线运动方向一定时，感应电流的方向与磁场方向有关。

科学探究中，控制变量法起着重要的作用，在物理教学中，我们充分利用课本中的探究问题，引导学生应用控制变量法分析处理具体问题，让学生在应用中领悟控制变量法的内涵，提高学生的科学探究能力。