王紹符

(河北大學(xué) 河北 保定 071002)

一個(gè)時(shí)期以來(lái)，對(duì)于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，無(wú)論是在教學(xué)活動(dòng)中還是在各種教學(xué)刊物上經(jīng)常出現(xiàn)“控制變量法”的說(shuō)法.最典型的例子是“歐姆定律實(shí)驗(yàn)”，實(shí)驗(yàn)中控制“電壓”不變，研究“電流”與“電阻”的關(guān)系；然后再控制“電阻”不變，研究“電流”與“電壓”的關(guān)系.與此類似的還有一些，如“牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)”，實(shí)驗(yàn)中控制“質(zhì)量”不變，研究“加速度”與“外力”的關(guān)系；然后再控制“外力”不變，研究“加速度”與“質(zhì)量”的關(guān)系.這種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方法就是現(xiàn)在流傳的所謂 “控制變量法”.

把控制變量說(shuō)成是諸多實(shí)驗(yàn)方法中的一種方法，其實(shí)這是一種誤解.

1 控制乃實(shí)驗(yàn)立足的條件任何實(shí)驗(yàn)都不會(huì)缺少

觀察和實(shí)驗(yàn)是科學(xué)研究的重要方法，這里所說(shuō)的觀察是指對(duì)自然發(fā)生的現(xiàn)象的觀察，而實(shí)驗(yàn)的對(duì)象則是 “人為制造”的現(xiàn)象，是通過(guò)對(duì)某些無(wú)關(guān)因素加以控制，有系統(tǒng)地操縱控制某些實(shí)驗(yàn)條件(自變量)，觀測(cè)伴隨發(fā)生變化的現(xiàn)象(因變量)，從而確定條件與現(xiàn)象間的因果關(guān)系。即實(shí)驗(yàn)是在人為控制條件下的觀察。

實(shí)驗(yàn)就是由控制變量搭建起來(lái)的，所謂“變量”包括：

(1)自變量：實(shí)驗(yàn)操縱控制的變量；

(2)因變量：由自變量引起變化的變量；

(3)無(wú)關(guān)變量：跟實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)無(wú)關(guān)但會(huì)造成干擾的變量.

實(shí)驗(yàn)中自變量必須能夠很好地被“孤立”起來(lái)，避免與其他變量混淆. 無(wú)關(guān)變量會(huì)使實(shí)驗(yàn)偏離目標(biāo)，干擾破壞實(shí)驗(yàn)，對(duì)其實(shí)施控制使其保持不變，或被消除，或被補(bǔ)償．

比如，在做“驗(yàn)證牛頓第二定律”的實(shí)驗(yàn)中，常規(guī)的做法是(見現(xiàn)行人教版教科書).控制木板沒(méi)有滑輪的一端墊高一些，使摩擦力得以被平衡，消除其干擾；還要控制小桶(包括其中的沙子)的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車(包括車上的砝碼)的質(zhì)量，從而可以近似地認(rèn)為作用于小車上的合力的大小與小桶(包括其中的沙子)的重量相等．對(duì)“歐姆定律實(shí)驗(yàn)”也是一樣，要選用電阻溫度系數(shù)小的純電阻元器件作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以及控制環(huán)境溫度不會(huì)發(fā)生大的起伏等，這都是不可忽視的需要加以控制的變量．

一些簡(jiǎn)單的演示實(shí)驗(yàn)也少不了控制．例如在做“覆杯實(shí)驗(yàn)”時(shí)，控制使用的器材，如杯子、紙片等，一定是水可以潤(rùn)濕的材料做成的，用滿是油污的杯子，或用荷葉代替紙片都會(huì)使實(shí)驗(yàn)失?。?/p>

在做“小試管逆流而上的實(shí)驗(yàn)”時(shí)，要控制大小試管的內(nèi)徑，保證將小試管插入大試管時(shí)有一個(gè)合適的間隙．此外，還要控制小試管插入大試管水中的深度．

如果認(rèn)為“控制變量”是諸多實(shí)驗(yàn)方法之一，因而稱之為“控制變量法”，那么它必然是只有某幾個(gè)或某些個(gè)實(shí)驗(yàn)使用，而不是所有的實(shí)驗(yàn)都使用.事實(shí)是所有的實(shí)驗(yàn)都少不了控制，這還能說(shuō)控制變量是“一種”實(shí)驗(yàn)方法嗎？

上述“歐姆定律實(shí)驗(yàn)”和“牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)”(以及類似的其他實(shí)驗(yàn))使用的方法屬于“單因子(或稱‘單因素’，下同)”實(shí)驗(yàn)，也就是有兩個(gè)因子(自變量)影響我們要觀察的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(因變量)，先使一個(gè)恒定，研究另一個(gè)的影響，然后再使后一個(gè)恒定，研究前一個(gè)的影響.其實(shí)兩個(gè)因子一起研究(雙因子或多因子實(shí)驗(yàn))也是有的，對(duì)于“歐姆定律實(shí)驗(yàn)”和“牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)”也不是不可以，同樣可以得到應(yīng)有的結(jié)論，電荷相互作用的庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)不就是兩個(gè)電荷量都改變嗎？

如果操縱控制一個(gè)因子的實(shí)驗(yàn)叫做“控制變量法”的話，那么操縱控制兩個(gè)(或多個(gè))因子的實(shí)驗(yàn)是否也應(yīng)叫做“控制變量法”？如此說(shuō)來(lái)還有不是“控制變量法”的實(shí)驗(yàn)嗎？

實(shí)驗(yàn)就是由控制變量搭建起來(lái)的.什么時(shí)候說(shuō)“控制變量”都沒(méi)錯(cuò)，筆者質(zhì)疑的是把“控制變量”作為諸多實(shí)驗(yàn)方法中的一種方法，并命名為“控制變量法”！

“控制變量法”之說(shuō)現(xiàn)在如此風(fēng)傳，從百度上可以“找到相關(guān)結(jié)果約1 890 000個(gè)”(截至到2013-3-2)，看來(lái)勢(shì)不可擋(筆者的這篇文章大概會(huì)少有人認(rèn)同)，但是卻不見于經(jīng)典，就連現(xiàn)行的人教版初高中物理教科書中講到“第二定律”和“歐姆定律”的實(shí)驗(yàn)章節(jié)都沒(méi)“控制變量法”一詞的蹤跡.難道不值得三思嗎？

2 控制是實(shí)驗(yàn)的靈魂沒(méi)有控制就沒(méi)有實(shí)驗(yàn)

前些年筆者在某市聽過(guò)一次公開課，講的是初中物理“比熱容”，在實(shí)驗(yàn)室上的，全班五十多人，兩人一組做實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)的方法是：兩個(gè)試管分別裝有等量的煤油和水，置于三腳架上的石棉網(wǎng)上，下面用酒精燈加熱．本來(lái)是要觀察在加熱時(shí)間長(zhǎng)短相同的情況下，煤油的溫度比水的溫度升高得多，從而引入“比熱容”概念．然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻與預(yù)料的大相徑庭，結(jié)果是煤油的溫度比水的溫度升高得少的小組不在少數(shù)，相差不多無(wú)法下結(jié)論的還有一些．

所以會(huì)出現(xiàn)事與愿違的結(jié)果，其原因就在控制．這個(gè)實(shí)驗(yàn)源于很久以來(lái)教科書上的實(shí)驗(yàn)，教科書使用兩個(gè)燒杯盛煤油和水，量比較大，實(shí)驗(yàn)用時(shí)較長(zhǎng)；分別用兩個(gè)酒精燈加熱，火焰不易調(diào)節(jié)得一樣.改用試管盛煤油和水，量可以減少，省時(shí)；用一個(gè)酒精燈，免去了調(diào)整．

殊不知實(shí)驗(yàn)的對(duì)象是“煤油和水”，用試管盛裝少量的煤油和水必定使構(gòu)成試管的玻璃對(duì)煤油或水的比例增加，這就混淆了實(shí)驗(yàn)的對(duì)象究竟是煤油和水，還是玻璃.干擾因素沒(méi)有得到很好的控制，觀察到的溫度變化究竟主要是哪種物質(zhì)溫度變化也就分不清了．在不同的小組試管中煤油或水與試管玻璃的比例也有不同．此外，實(shí)驗(yàn)中的加熱方法也無(wú)法控制煤油和水得到的熱量相等．這個(gè)實(shí)驗(yàn)完全失去了控制，不能成為實(shí)驗(yàn).

從以上討論可以看出，控制乃一切實(shí)驗(yàn)立足的條件，是靈魂，是生命.實(shí)驗(yàn)就是由控制變量搭建起來(lái)的，對(duì)于一切實(shí)驗(yàn)沒(méi)有控制就不能成為實(shí)驗(yàn)，絕不是諸多實(shí)驗(yàn)方法之一.