控制變量法及其在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用
[摘要] 以現(xiàn)代研究性學(xué)習(xí)理論和新課程標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)了“控制變量法”這一研究物理問(wèn)題的常用科學(xué)方法在初中物理中的運(yùn)用，并對(duì)在初中物理教學(xué)中正確運(yùn)用“控制變量法”提出了建議和思考。
【關(guān)鍵詞】控制變量方法科學(xué)方法應(yīng)用研究
目前，建構(gòu)主義作為一種新興的認(rèn)知理論，已成為國(guó)際科學(xué)教育改革的主流理論。建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的自主性、社會(huì)性和情境性，由此產(chǎn)生了探究式學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)等現(xiàn)代學(xué)習(xí)方式，主張從“基于記憶的科學(xué)”轉(zhuǎn)向“基于探究的科學(xué)”，從“單向教學(xué)”轉(zhuǎn)向“合作學(xué)習(xí)”。物理課程標(biāo)準(zhǔn)在總體課程目標(biāo)中指出：“義務(wù)教育階段物理教育的目標(biāo)是培養(yǎng)全民學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)”，并專(zhuān)門(mén)將科學(xué)探究納入內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)，旨在強(qiáng)化學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。
在物理學(xué)中，研究對(duì)象往往不是孤立的，而是總是與其他事物、現(xiàn)象相互聯(lián)系，因此，很多時(shí)候影響研究對(duì)象的因素并不是單一的，而是多種因素交織、共同作用的。
為了準(zhǔn)確地掌握研究對(duì)象的各種特性，找出事物變化的原因和規(guī)律貝語(yǔ)網(wǎng)校，單單在自然條件下對(duì)研究對(duì)象整體進(jìn)行觀察是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須對(duì)研究對(duì)象施加人為的影響，創(chuàng)設(shè)便于觀察的具體條件。即當(dāng)影響某一物理量變化的因素很多時(shí)，為了研究某一因素的變化對(duì)該物理量的影響，必須保持其他因素不變，否則就無(wú)法知道是哪一個(gè)因素引起了該物理量的變化。例如：物理量A與B、C、D等因素有關(guān)。求得A與B之間具體關(guān)系的方法是：控制C、D不變，只改變B，判斷A的變化，從而得出規(guī)律；再用類(lèi)似的步驟，分析得出A與C、A與D之間的關(guān)系。這就是控制變量法。 采用“控制變量法”，可以把物理量的變化簡(jiǎn)化為與各個(gè)單一因素的變化相關(guān)的問(wèn)題初中物理研究性論文，逐一進(jìn)行分析、求解，從而降低了分析物理問(wèn)題的難度。
在物理教學(xué)中，如何以學(xué)生為主體，將“控制變量法”有機(jī)融入學(xué)生的探究學(xué)習(xí)活動(dòng)中，對(duì)于貫徹新課程標(biāo)準(zhǔn)、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力極為重要。近年來(lái)，各地中考中出現(xiàn)了不少需要用此法作答的題目。本文就“控制變量法”在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用作了初步探討。
1.控制變量法在教學(xué)中建立概念和規(guī)律的應(yīng)用。
控制變量法在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中經(jīng)常用來(lái)探究物理規(guī)律，例如《牛頓第一定律》、《阿基米德原理》、《歐姆定律的實(shí)驗(yàn)教學(xué)》、《壓強(qiáng)》等都運(yùn)用了“控制變量法”的科學(xué)方法。
例如：在歐姆定律的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可以組織學(xué)生討論如何研究I、U、R之間的關(guān)系。確定研究對(duì)象為電流后，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用控制變量法，先控制一個(gè)物理量“電阻”不變，研究電流與電壓兩個(gè)物理量之間的關(guān)系，再控制另一個(gè)物理量“電壓”不變，研究電流與電阻兩個(gè)物理量之間的關(guān)系，最后綜合、總結(jié)這些單一的關(guān)系，找出它們之間的規(guī)律，推導(dǎo)出歐姆定律。
例如：在物理啟蒙教育階段，為了凸顯距離長(zhǎng)短、時(shí)間長(zhǎng)短、運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系，對(duì)變量進(jìn)行兩個(gè)層次的控制。第一層次，選取各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)中最簡(jiǎn)單的勻速直線運(yùn)動(dòng)，即控制運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，不倒轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)速度不變。第二層次，在一般環(huán)境下選取不同的變量進(jìn)行控制，研究?jī)烧邔?duì)應(yīng)量之間的關(guān)系：
（1）當(dāng)控制時(shí)間相同時(shí)，比較兩物體行進(jìn)的距離，判斷兩物體運(yùn)動(dòng)的速度有多快。學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)會(huì)讓他們得出正確的結(jié)論：距離越大，運(yùn)動(dòng)越快，速度越大。
（2）當(dāng)距離相等時(shí)，比較兩個(gè)運(yùn)動(dòng)物體完成整個(gè)行程所需的時(shí)間，以比較物體的速度。學(xué)生也從生活中知道，先到達(dá)終點(diǎn)的物體速度更快（即用時(shí)少的物體速度更快）。然后，通過(guò)綜合比較，可得出表達(dá)式V = S/t。
2.控制變量方法在探索性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。
探究式教學(xué)強(qiáng)調(diào)發(fā)散思維、多方討論，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，發(fā)表自己的見(jiàn)解；而控制變量法是對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的限制，只能進(jìn)行一個(gè)方面的探究和研究。兩者看似矛盾，其實(shí)本質(zhì)上是統(tǒng)一的。控制變量法是一種有條件的探究，是以一定的知識(shí)和能力為基礎(chǔ)的，可以消除學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的盲目性，學(xué)生在教師有目的的引導(dǎo)下，提出問(wèn)題，明確分析對(duì)象，運(yùn)用合理的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，探究教學(xué)中的問(wèn)題，進(jìn)而解決問(wèn)題。
例如，在要求學(xué)生“探究影響液體蒸發(fā)速度的因素”時(shí)，學(xué)生會(huì)猜測(cè)影響液體蒸發(fā)速度的因素可能包括溫度、液體表面積、液體質(zhì)量、液體種類(lèi)等因素。在眾多因素中，要求學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證猜想無(wú)疑會(huì)增加學(xué)生的盲目性，因?yàn)橛绊懙囊蛩靥啵瑢?duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，會(huì)覺(jué)得每個(gè)因素都有影響，因素之間是相互影響的，學(xué)生無(wú)法從中找到正確的結(jié)論。此時(shí)，教師應(yīng)主動(dòng)引導(dǎo)和幫助學(xué)生排除相關(guān)干擾因素，采用控制變量法，讓學(xué)生通過(guò)比較、分析、觀察，找到真正的影響因素。例如，引導(dǎo)學(xué)生用兩杯質(zhì)量、體積、表面積相同的水，放在同一個(gè)房間，用塑料薄膜蓋住其中一個(gè)杯子，另一個(gè)杯子不蓋，放在電風(fēng)扇下同時(shí)吹風(fēng)。 學(xué)生很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)，用電風(fēng)扇吹一段時(shí)間后，蓋上保鮮膜的那杯水的體積幾乎不變，而沒(méi)有蓋上保鮮膜的那杯水的體積則明顯減少。學(xué)生可以立即分析出表面氣流速度對(duì)水蒸發(fā)的影響。通過(guò)類(lèi)比，學(xué)生很容易探究其他因素的影響。
3.控制變量法在練習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用。
在運(yùn)用物理知識(shí)分析解決一些實(shí)際問(wèn)題時(shí)，如果能靈活運(yùn)用“控制變量”進(jìn)行分析，就會(huì)收到事半功倍的效果。在初中物理教學(xué)中，有很多實(shí)際問(wèn)題可以用“控制變量”來(lái)分析解決，這為這一科學(xué)的教學(xué)方法和應(yīng)用提供了良好的契機(jī)。
例如：如果水和煤油的質(zhì)量相等，吸收相同量的熱量后，哪一個(gè)的溫升更大？
分析：這道題乍一看似乎很難，因?yàn)檫@句話里包含了四個(gè)物理量，也就是說(shuō)要比較誰(shuí)的溫升更大初中物理研究性論文，就需要同時(shí)分析另外三個(gè)物理量（質(zhì)量、熱量、比熱容）對(duì)其的綜合影響。如果沒(méi)有科學(xué)的分析方法，解決這樣的實(shí)際問(wèn)題不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且準(zhǔn)確率也較低。但如果能適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生思考能否用物理實(shí)驗(yàn)中常用的科學(xué)方法來(lái)解決這個(gè)實(shí)際問(wèn)題，經(jīng)過(guò)同學(xué)們的思考和相互討論，很多學(xué)生就會(huì)想到用“控制變量法”，結(jié)合公式Q=cm△t來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。思路如下：因?yàn)檫@道題是求△t（溫升）的大小，所以先把這個(gè)公式改成△t=Q/cm的形式。 在對(duì)題目的分析中發(fā)現(xiàn)，m與Q相同，即本題中的△t只取決于c，而從關(guān)系式△t=Q/Cm可知，當(dāng)m、Q相同時(shí)，△t與c成反比，而水的比熱容大于煤油，因此很容易得出本題答案為：“煤油的溫升大于水的溫升”。
在解決物理問(wèn)題時(shí)，如果能恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用科學(xué)方法進(jìn)行分析，確實(shí)可以提高解決問(wèn)題的速度和準(zhǔn)確性。更重要的是，通過(guò)解決這些實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程，學(xué)生們對(duì)如何運(yùn)用“控制變量法”等科學(xué)方法分析和解決問(wèn)題進(jìn)行了有益的嘗試。在初中物理（如力學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)等）中，一個(gè)物理量往往與多個(gè)變量有關(guān)，一般不可能同時(shí)研究多個(gè)變量對(duì)研究對(duì)象的綜合影響，只能采取逐一控制變量的方法。這些物理量主要有弦的音高、聲音的響度、固體、液體、氣體的壓力、浮力、杠桿平衡條件、動(dòng)能和重力勢(shì)能因素、功率、機(jī)械效率、影響內(nèi)能的因素、熱量（燃燒燃料）、影響電阻的因素、歐姆定律、電磁鐵磁性、電功、電功率……因此，“控制變量法”是研究物理問(wèn)題最重要、應(yīng)用最廣泛的科學(xué)方法。 學(xué)生必須不斷加深對(duì)“控制變量法”的理解，逐步達(dá)到自覺(jué)運(yùn)用的目的。
4.建議和想法
1、在探究過(guò)程中運(yùn)用控制變量法時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： ①教師在課前要做大量的準(zhǔn)備工作，對(duì)所要探究的問(wèn)題設(shè)置各種可能的結(jié)果，做好充分的思想準(zhǔn)備和解決的辦法。 ②在準(zhǔn)備教材的同時(shí)，做好學(xué)生的準(zhǔn)備，因材施教，因材施教。要耐心、親切，貼心引導(dǎo)，一步步帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)成功的殿堂。 ③善于發(fā)現(xiàn)學(xué)生細(xì)微的進(jìn)步，為探究教學(xué)的進(jìn)一步開(kāi)展奠定思想基礎(chǔ)。
2、應(yīng)用“控制變量法”時(shí)，應(yīng)注意變量的可控性和對(duì)無(wú)關(guān)變量的有效控制，根據(jù)研究的需要，采用各種方法和技術(shù)，減少或消除可能影響實(shí)驗(yàn)科學(xué)性的各種無(wú)關(guān)因素的干擾，以簡(jiǎn)化、純化的狀態(tài)去理解研究對(duì)象。
3、注重應(yīng)用能力的遷移。作為物理學(xué)研究方法的“控制變量法”，在教學(xué)中應(yīng)注意“授人以魚(yú)”與“授人以漁”的關(guān)系。宏觀上可采取“先學(xué)、二學(xué)、三創(chuàng)”的教學(xué)模式，最終將所學(xué)的科學(xué)方法自主遷移到新知識(shí)的學(xué)習(xí)中，或應(yīng)用于解決自己遇到的新問(wèn)題，達(dá)到培養(yǎng)能力、提高科學(xué)素質(zhì)的目的。
參考
[1] 廖伯勤、張大昌主編的《初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)解讀》
[2] 項(xiàng)紅專(zhuān)主編，《中學(xué)教學(xué)研究論文寫(xiě)作指導(dǎo)》
[3]裴迪娜，教育研究方法導(dǎo)論。
[4] 閆金鐸等，中學(xué)物理教師教育研究方法
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