李俊紅

摘要：“具有控制實驗條件的意識”是新課標的要求。比較了控制實驗條件和對比實驗研究，在此基礎(chǔ)上對近幾年中考化學(xué)試卷中考查“控制實驗條件”試題的表現(xiàn)形式進行了分類和評析，從把握教學(xué)內(nèi)容、遵循學(xué)生認知規(guī)律、捕捉教學(xué)異常狀況三方面闡述把握最佳時機，開展以“控制實驗條件”的教學(xué)實踐，以實現(xiàn)從知識技能本位教學(xué)到學(xué)生核心素養(yǎng)提升的轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：控制實驗條件；對比實驗；核心素養(yǎng)；教學(xué)時機；試題命制

文章編號：1005–6629（2016）8–0073–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

《義務(wù)教育化學(xué)課程標準（2011年版）》在對一級主題“科學(xué)探究”的具體要求中指出：“發(fā)展科學(xué)探究能力”八大要素的“制訂計劃”包含“根據(jù)所要探究的具體問題設(shè)計簡單的化學(xué)實驗方案”和“具有控制實驗條件的意識”。《2015普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試大綱（理科）》清晰表述了對探究實驗考查的要求：“設(shè)計、評價或改進實驗方案”，“了解控制實驗條件的方法”。2014年《教育部關(guān)于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務(wù)的意見》（教基二[2014]4號）文件出臺后，專家們對構(gòu)成中學(xué)化學(xué)核心素養(yǎng)之一“實驗探究”的水平描述中指出：“形成化學(xué)變化是有條件的觀念，學(xué)會運用控制實驗條件研究化學(xué)反應(yīng)?！贝撕?，全國各地不斷涌現(xiàn)出了以“素養(yǎng)立意”的試題。在此形勢下，課程標準、考試說明、考試大綱和中學(xué)化學(xué)核心素養(yǎng)中提出的“對比實驗研究”的要求是如何以試題的形式出現(xiàn)的？控制實驗條件與對比實驗研究是什么關(guān)系？在課堂中如何把握最佳教學(xué)時機開展針對“素養(yǎng)立意”命題的教學(xué)？這是本文要探討的主要問題。

1 控制實驗條件與對比實驗研究

化學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，無論是定性實驗還是定量實驗，都需要人為地控制一定的實驗條件。實驗條件的控制，就是把影響實驗對象的諸條件中的一個條件作為可變，其他條件保持不變，探尋此條件的變化對實驗結(jié)果的影響，以便找出最佳實驗條件的一種科學(xué)方法[1]?？刂茖嶒灄l件主要研究影響化學(xué)反應(yīng)的因素[2]，控制對某個實驗結(jié)果可能產(chǎn)生影響的其他實驗條件（即無關(guān)變量或干擾變量），通過改變單一變量，研究對化學(xué)反應(yīng)的影響。例如，在初中化學(xué)教學(xué)中，經(jīng)常要控制的實驗條件主要有反應(yīng)物（種類、純度、狀態(tài)、形狀、用量、體積和濃度等）、實驗儀器和裝置（儀器規(guī)格和裝置的不同連接）和實驗操作（點燃、加熱、冷卻、振蕩、溶解、攪拌、洗滌、過濾、蒸發(fā)、蒸餾、時間、壓強等）[3]。對比實驗研究是指設(shè)置兩個或兩個以上的實驗，每次實驗只能改變某個單一因素（稱為自變量或刺激變量），控制其他因素（稱為無關(guān)變量或干擾變量）保持不變，從而觀察該單一因素的改變引發(fā)或?qū)е碌膶嶒灲Y(jié)果（稱為因變量或觀測變量）的一種收集證據(jù)的實驗研究方法。對比實驗研究主要研究兩種或兩種以上物質(zhì)性質(zhì)的差別，例如，探究金屬的活動性順序，“同樣的試管、大小厚薄相同的金屬、相同濃度的鹽酸或硫酸、相同的溫度”都是為了控制無關(guān)變量，而“不同種類的金屬”是自變量，“反應(yīng)速率的差異”就是學(xué)生要觀察的因變量。對比實驗是運用比較的方法來揭示事物的性質(zhì)和變化規(guī)律的一種實驗方法。

2 中考試題中控制實驗條件題目類型

2.1 以表格和數(shù)據(jù)形式出現(xiàn)的“控制實驗條件”題

例1 （2013廈門）探究影響鋅與稀硫酸反應(yīng)快慢的因素。反應(yīng)過程中，用前10min內(nèi)收集的氫氣體積比較反應(yīng)的快慢?？刂破渌麠l件相同，進行下表四組實驗，獲得數(shù)據(jù)如表1。①比較實驗a和實驗b，可以得到的結(jié)論是 。②為了研究硫酸濃度對反應(yīng)快慢的影響，需比較實驗和實驗 （填編號）。③控制其他條件相同，需控制的條件是 （例舉一種條件即可）。

評析：本題實驗探究的是影響鋅與稀硫酸反應(yīng)速率的因素，試題通過表格和數(shù)據(jù)的形式體現(xiàn)控制裝置、溫度、壓強等（無關(guān)變量）相同，觀察自變量（鋅的純度、稀硫酸的濃度和體積）對反應(yīng)速率（因變量）的影響，考查學(xué)生分析數(shù)據(jù)、處理信息，控制單一變量，通過對比實驗得出結(jié)論的能力。

2.2 以現(xiàn)象描述形式出現(xiàn)的“控制實驗條件”題

例2 （2015廈門）用裝置（如圖1）完成以下實驗：探究燃燒條件：若B處盛放木炭。Ⅰ.先在A處通入氮氣一段時間后，在B處加熱，B、C處沒有明顯變化；Ⅱ.待B處冷卻至室溫，在A處通入氧氣一段時間后，B、C處沒有明顯變化；Ⅲ.在A處繼續(xù)通入氧氣，然后在B處加熱，發(fā)現(xiàn)木炭燃燒，C處變渾濁。Ⅰ與Ⅲ對比，說明燃燒的條件之一是 ；Ⅱ與Ⅲ對比，說明燃燒的條件之一是 。

評析：本題實驗探究的是燃燒條件，試題配以實驗裝置圖，通過實驗操作及其對應(yīng)實驗現(xiàn)象描述的呈現(xiàn)方式，考查學(xué)生通過比較現(xiàn)象的差異，分析造成實驗結(jié)論差異的根本原因是實驗操作上的不同，控制不同的實驗操作就是控制實驗條件。

2.3 以曲線圖形式出現(xiàn)的“控制實驗條件”題

例3 （2011廈門）研究性學(xué)習(xí)小組對碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質(zhì)進行探究，請你參與實驗。比較與鹽酸反應(yīng)生成相同體積的二氧化碳氣體的快慢。取碳酸氫鈉4.2g放入如圖2裝置的錐形瓶中，取碳酸鈉5.3g放入另一相同裝置的錐形瓶中，分別加入相同質(zhì)量、相同濃度的鹽酸（足量）。相同的條件下，通過圖3裝置測量生成氣體的體積，得到時間-體積關(guān)系曲線如圖4所示。數(shù)據(jù)與分析：根據(jù)圖4曲線，可得出有關(guān)“比較與鹽酸反應(yīng)生成相同體積二氧化碳氣體的快慢”的結(jié)論是。反思與討論：實驗中“取碳酸氫鈉4.2g、碳酸鈉5.3g”的目的是 。

評析：本題實驗過程中生成二氧化碳氣體體積和時間的關(guān)系，是通過數(shù)形結(jié)合的思想——函數(shù)圖像體現(xiàn)的，試題考查學(xué)生定性分析曲線的變化規(guī)律得出控制單一變量（反應(yīng)物的種類）對實驗結(jié)果（反應(yīng)速率）的影響，同時考查學(xué)生定量分析得到等體積二氧化碳和控制實驗條件（反應(yīng)物的量）的關(guān)系。

2.4 以實驗裝置形式出現(xiàn)的“控制實驗條件”題

例4 （2015泰安）用變量控制方法探究影響物質(zhì)溶解性的因素。實驗（圖5）目的是探究對硝酸鉀溶解性的影響；實驗（圖6）是探究溶劑種類對物質(zhì)溶解性的影響，該實驗中需要控制的變量是溫度和 。

評析：本題的控制實驗條件是通過實驗裝置圖的形式呈現(xiàn)的，考查學(xué)生通過讀圖比較裝置圖的差異（找出自變量），控制其他條件相同（無關(guān)變量），得出自變量對因變量（物質(zhì)溶解性大?。┑挠绊憽?img src="https://cimg.fx361.com/images/2021/07/18/qkimageshuaxhuax201608huax20160821-4-l.jpg"/>

2.5 以設(shè)計實驗方案形式出現(xiàn)的“控制實驗條件”題

例5 （2015杭州）實驗室小金分別用甲鹽的晶體配置了溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為5%的A溶液和30%的B溶液，但忘了貼標簽，請你運用兩種不同的科學(xué)原理，分別設(shè)計兩個簡單實驗來判別這兩瓶溶液。請寫出簡要的實驗方案和明確的判別依據(jù)。有下列儀器、物品供選擇：量筒、天平、小燒杯、酒精燈、三腳架、石棉網(wǎng)、漏斗、玻璃棒、濾紙、溫度計、新鮮蘿卜、甲鹽的晶體。（實驗室的室溫為30℃，30℃甲鹽的溶解度為50g）方案1： ；判別依據(jù)： 。方案2：；判別依據(jù)： 。評析：本題鑒別兩種同一溶質(zhì)不同濃度的不飽和溶液，無論是采取蒸發(fā)溶劑比較溶質(zhì)結(jié)晶的先后順序，還是加溶質(zhì)比較哪種溶液先達到飽和狀態(tài)，設(shè)計實驗方案中均需考慮控制無關(guān)變量。

2.6 蘊含在實驗評價中的“控制實驗條件”題

例6 （2015泰安）定量測定空氣中氧氣的含量。裝置一（圖7）比裝置二（圖8）更合理，理由是；根據(jù)表2提供的實驗數(shù)據(jù)，完成表2。定量實驗操作中易產(chǎn)生誤差，如果反應(yīng)前氣球中存在氣體（其量小于注射器內(nèi)的空氣），而實驗后冷卻至室溫，將氣球內(nèi)的氣體全部擠出讀數(shù)，導(dǎo)致實驗測得的結(jié)果 （填“偏小”“偏大”或“無影響”）。

評析：本題以實驗評價（裝置更合理或誤差分析）的形式考查學(xué)生分析控制實驗條件（儀器連接或?qū)嶒灢僮鳎嶒灲Y(jié)果產(chǎn)生的影響。

2.7 隱蔽在選擇題選項中的“控制實驗條件”題

例7 （2015無錫）如圖9所示：若關(guān)閉Ⅱ閥打開Ⅰ閥，紫色小花（用石蕊溶液染成）變紅；若關(guān)閉Ⅰ閥打開Ⅱ閥，紫色小花不變紅。則甲瓶中所盛的試劑可能是 ①濃H2SO4 ②濃NaOH溶液 ③飽和NaCl溶液。選項：A.只有①；B.只有②；C.①②；D.①②③。

評析：本試題雖然以選擇題的形式呈現(xiàn)，隱蔽在題中的“控制實驗條件”是操作和裝置，操作不同，裝置不同，產(chǎn)生了不同的實驗現(xiàn)象，得出了不同的結(jié)論。

綜上所述，近幾年中考試題體現(xiàn)出對構(gòu)成中學(xué)化學(xué)核心素養(yǎng)之一“實驗探究”水平描述的考查：（要）“形成化學(xué)變化是有條件的觀念，學(xué)會運用控制實驗條件研究化學(xué)反應(yīng)?！痹囶}表現(xiàn)方式多樣，體現(xiàn)其價值導(dǎo)向：讓學(xué)生形成控制實驗條件的意識，學(xué)會控制變量研究化學(xué)反應(yīng)的科學(xué)方法。因此，教學(xué)中適時把握教學(xué)時機，開展以“素養(yǎng)立意”命題的教學(xué)實踐意義重大。

3 把握最佳時機開展以“素養(yǎng)立意”的教學(xué)實踐

核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受相應(yīng)學(xué)段的教育過程中，逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。根據(jù)“高中化學(xué)核心素養(yǎng)研制課題組”第6次討論稿，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括“宏微結(jié)合”、“分類轉(zhuǎn)化”、“變化守恒（辯證思維）”、“模型認知”、“實驗探究”、“綠色應(yīng)用”等內(nèi)容?？刂茖嶒灄l件是培養(yǎng)學(xué)生具有“實驗探究”核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容。而教學(xué)最佳時機是針對特定的教育者與教育對象之間客觀存在的可以獲得最佳教育效能的一段時間中的一種機遇[4]。在學(xué)生知識建構(gòu)的過程中，科學(xué)地創(chuàng)設(shè)、捕捉與利用最佳的教育教學(xué)時機，開展以“素養(yǎng)立意”的教學(xué)實踐，培養(yǎng)學(xué)生形成“控制實驗條件研究化學(xué)反應(yīng)”的意識，能使教與學(xué)的活動收到事半功倍的效果。

3.1 把握教學(xué)內(nèi)容，適時滲透“控制實驗條件”的方法教育

學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成，不是靠做題解決的，而是在體驗問題解決的過程中逐漸養(yǎng)成的。初三化學(xué)課本中各個單元的教學(xué)內(nèi)容，知識本體的背后均承載著“物質(zhì)是變化的，變化是有條件的，控制實驗條件就能控制化學(xué)反應(yīng)”的化學(xué)觀念，這就要求教師充分理解課本中實驗教學(xué)的功能及其蘊含的學(xué)科思想和研究方法，挖掘?qū)嶒灡澈蟮膶W(xué)科素養(yǎng)價值，適時開展培養(yǎng)學(xué)生具有控制實驗條件的核心素養(yǎng)和科學(xué)方法教育。例如，課本中檢驗氧氣的實驗，如果多次把燃著的木條伸入瓶內(nèi)，直到木條火焰熄滅，適時引導(dǎo)學(xué)生分析實驗現(xiàn)象的差異（即因變量）是由氧氣的濃度（自變量）引起的，從而可以得出：控制氧氣的濃度就能控制木條的燃燒情況即控制反應(yīng)物的濃度就能控制化學(xué)反應(yīng)。如果進一步探究，從定性上升到定量，收集不同濃度的氧氣（自變量），探究木條的燃燒情況（因變量），控制木條的規(guī)格、火焰大小、伸入氧氣內(nèi)的速度相同（無關(guān)變量）。如果更進一步探究木條從燃燒到熄滅過程中氧氣濃度的變化，可采用手持技術(shù)適時向?qū)W生展示氧氣濃度隨木條燃燒時間的變化曲線，引導(dǎo)學(xué)生分析氧氣濃度隨時間的變化規(guī)律，同時轉(zhuǎn)化了部分學(xué)生錯誤的前概念“木條火焰熄滅，是因為瓶內(nèi)氧氣反應(yīng)完了”。由此可見，通過對這個看似簡單的課本實驗背后功能價值的挖掘，創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)了學(xué)生的認知沖突和探究欲望。在設(shè)計實驗方案的體驗過程中，使學(xué)生對控制實驗條件、對比實驗、定性到定量的研究方法逐步養(yǎng)成，從而解決問題促進能力發(fā)展的學(xué)科素養(yǎng)得以提升。

3.2 遵循認知規(guī)律，適時把握“控制實驗條件”的層次要求

對于初三學(xué)生而言，化學(xué)是啟蒙學(xué)科，培養(yǎng)學(xué)生“控制實驗條件”的意識和方法應(yīng)遵循學(xué)生的認知規(guī)律，由淺及深，循序漸進。如課程內(nèi)容中的一級主題“身邊的化學(xué)物質(zhì)”性質(zhì)的學(xué)習(xí)，教材的編排順序是氧氣、二氧化碳、一氧化碳、金屬到酸堿鹽，學(xué)生認識物質(zhì)的性質(zhì)經(jīng)歷了從典型代表物到類別物質(zhì)、從單一角度到多角度、從宏觀到微觀、從定性到定量的層級發(fā)展過程[5]。氧氣的實驗主要基于觀察和描述，如硫在空氣中燃燒和在氧氣中燃燒的差異。而碳的氧化物的實驗開始有方案設(shè)計層面的要求，如驗證二氧化碳和水的反應(yīng)，當二氧化碳溶于水，塑料瓶變癟，繼續(xù)往其中注射適量的紫色石蕊試液，發(fā)現(xiàn)紫色石蕊變紅，教學(xué)中利用課堂生成的資源適時引導(dǎo)學(xué)生分析造成此實驗現(xiàn)象（因變量）是由哪些因素（自變量）引起的，當自變量不單一時，需要控制單一變量設(shè)計實驗方案做對照。到九年級化學(xué)（下），學(xué)生第一次研究一類物質(zhì)金屬的性質(zhì)，學(xué)生初步認識到要從相似性和差異性兩方面去認識，其中差異性的研究，就需要控制變量做對比實驗，如金屬和酸的反應(yīng)。酸、堿、鹽是初中化學(xué)學(xué)習(xí)臨近結(jié)束時要研究的物質(zhì)，除了要繼續(xù)基于類別的思想來探究外，還可嘗試引導(dǎo)學(xué)生從微觀組成的角度來探究酸、堿、鹽的性質(zhì)，如酸、堿溶液使指示劑變色，究竟是溶液中的什么離子使指示劑變色的，設(shè)計實驗驗證同樣需要控制實驗條件，研究單一變量對實驗結(jié)果的影響。由此可見，培養(yǎng)學(xué)生形成“控制實驗條件的意識”，要充分領(lǐng)悟教材內(nèi)容編寫順序的意圖，從整體上規(guī)劃，既要考慮義務(wù)教育階段化學(xué)的啟蒙性，又要兼顧學(xué)生的認知規(guī)律，從宏觀到微觀，從特殊到一般，從定性到定量，螺旋上升，防止隨意拔高要求，造成欲速則不達的后果。

3.3 捕捉異常狀況，適時把握“控制實驗條件”的教學(xué)時機

教學(xué)是動態(tài)的、生成的，即使教師事先預(yù)設(shè)充分，課堂上也難免會發(fā)生一些突發(fā)事件。如果把課堂上這些本不愿發(fā)生的“意外”處理好，充分發(fā)揮教學(xué)機智，同樣是教育學(xué)生控制實驗條件的最佳時機。教學(xué)中的異常狀況往往有以下幾種：實驗失敗或現(xiàn)象異常，如測定空氣里氧氣含量的實驗[6]，一旦發(fā)現(xiàn)水不倒流或者倒流過來水的體積大于或小于1/5，怎么辦？如果引導(dǎo)學(xué)生分析原因，并且馬上改進裝置，控制操作或反應(yīng)物的量，繼續(xù)實驗，不僅能鍛煉學(xué)生對實驗成敗的反思能力，而且加深了學(xué)生對控制實驗條件影響實驗結(jié)果的理解；學(xué)生回答與預(yù)期不符，如課堂上學(xué)生回答“二氧化碳易溶”，如果教師事先對學(xué)生的回答有充分的預(yù)期，可馬上補做氯化氫溶于水，塑料瓶變癟的對照實驗，不僅糾正了學(xué)生錯誤的前概念，而且向?qū)W生滲透了控制變量做對照實驗的研究方法；學(xué)生學(xué)化學(xué)的“頑疾”，如書寫化學(xué)方程式常常忘記寫條件，可反復(fù)通過改變條件做對照實驗，或者探究燃燒條件時通過控制變量，讓學(xué)生理解燃燒是條件控制下的燃燒，控制條件就能控制燃燒即控制化學(xué)反應(yīng)。

總之，課堂中的“異常狀況”是課堂即時生成的很好的教學(xué)資源，需要教師事先充分預(yù)見并且發(fā)揮教學(xué)機智，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容把握教學(xué)時機適時向?qū)W生滲透“控制實驗條件的意識”，避免教學(xué)“滑過”現(xiàn)象，從而提高課堂教學(xué)效益。

參考文獻：

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