通過預設和糾正錯誤示范培養“變量控制”科學方法

陳秀榮

江蘇省豐縣中學(221700)

“變量控制”是一種重要的科學方法,《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》明確把“能運用變量控制的方法探究并確定合適的反應條件”作為高中學生學業質量水平的要求[1],人教版化學必修第二冊教材在顯眼位置以“方法引導”欄目專門介紹變量控制方法。同時,變量控制作為設計化學實驗時的常用方法,貫穿學生整個化學學習過程,也是科學探究的核心能力[2]。

但在實際教學中,學生對變量控制方法的學習主要是在教師的明確指引下進行的,缺少獨立的設計,尤其難以識別可能存在的“未控制”變量導致結果不可靠的情況[3]。為了強化控制變量科學方法的培養,本文提出可以預設錯誤的(未控制變量的)實驗示范,引導學生尋找其中未被控制的額外變量,并重新設計實驗進行糾正。

1 初識方法:感受變量控制的價值

人教版教材中第一次專門介紹變量控制的方法,是在必修第二冊“化學反應的速率與限度”一節的“方法引導”部分。在常規的教學設計中,教師一般會先介紹變量控制的方法,再應用這個方法設計“影響化學反應速率的因素”探究實驗來體現實驗設計中的控制變量思想。但是,這樣的“順序”設計不容易讓學生感受到控制變量方法的必要性和價值,因此本文提出一種“倒序”的教學設計。

教師進行如下演示實驗,在試管中倒入5 mL 10% H2O2溶液,然后滴加2滴10% CuSO4溶液,發現溶液中緩慢地形成一個個的小氣泡,說明此時反應速率較慢。過1～2 min后,教師往原試管中繼續滴加2滴10% FeCl3溶液,溶液中快速冒出了許多氣泡,說明此時反應速率較快。隨后,師生就實驗現象展開討論。

教師:從實驗現象中,你發現什么因素影響了過氧化氫分解的速率?

學生1:催化劑種類。FeCl3比CuSO4的催化效果更好,反應速率更快。

教師:這個實驗可以證明這一點嗎?

學生2:可以,因為加FeCl3的時候,過氧化氫已經反應掉一部分了,理論上反應速率應該更慢,但加FeCl3之后反應速率卻變快了,可以證明FeCl3確實催化效果更好。

教師:從這個角度看,反應物濃度這個變量雖然沒有被控制,但不影響結果的可信度。那其他方面呢,有沒有同學有不同意見?

學生3:我覺得結果不可信。因為加FeCl3之后,催化劑的量也改變了,也許4滴催化劑的反應速率本來就比2滴催化劑要快。

教師:這位同學的質疑很值得關注,因為催化劑的量和催化劑的種類都有可能導致反應速率加快,在剛剛的實驗中,這兩個變量都改變了,我們不知道反應速率加快到底是哪個變量導致的,又或者是兩個變量共同作用導致的。除此以外,你還能找到實驗中沒有被控制的變量嗎?

提出這個問題后,學生沉默思考,但久久沒有發言。教師播放了“鋁片與氫氧化鈉溶液的反應”實驗視頻,視頻中,鋁片與氫氧化鈉反應初期速率緩慢,但過一會后突然劇烈反應,溶液快速沸騰,氣泡快速生成,夾雜著白霧升騰而起。學生想到,這個反應是放熱反應,隨著溫度的不斷升高,反應速率也不斷加快,導致溫度繼續升高,速率進一步加快……聯想到剛剛的實驗,過氧化氫分解也是放熱反應,也可能出現類似的現象,即反應放熱導致的溫度升高最終導致反應速率加快。這樣,學生找到了原始實驗第3個未被控制的額外變量——溫度。

通過上述的教學過程,學生深刻認識到,如果不經過精心的實驗設計,即便得到了感覺上可靠的實驗結果,也未必是科學嚴謹的。因為有一些未被控制的額外變量可能干擾實驗結果,讓人無法區分究竟哪個變量才是導致結果發生的真正原因(又或者這些變量都是原因)。至此,教師順理成章地引出了“變量控制”的科學方法的教學,并讓學生感受到這個方法的必要性和重要價值。

2 遷移方法:應用變量控制的實踐

在學習了變量控制方法之后,教師在“化學能轉化成電能”的復習課上訓練學生將控制變量方法遷移應用到實驗探究活動中(參考人教版必修二的實驗活動6)。教師進行預設的演示實驗(錯誤示范)如圖1所示。該實驗的目的是探究電極種類(銅、碳)對原電池電流的影響,在2個燒杯中放入等濃度等體積的硫酸,用2個相同的鋅片分別作為2個原電池的負極,用銅片作為第1個原電池的正極,用碳棒作為第2個原電池的正極,負極、正極均用導線相連并串聯電流表,比較電流表示數大小。教師在即將搭建好實驗裝置時,針對裝置是否實現了“變量控制”的問題展開討論。

圖1 未控制變量的探究電極種類對電流的影響的演示實驗

教師:同學們認為這樣的實驗裝置實現“變量控制”了嗎?

學生1:電解質濃度和用量都一樣,控制了。

學生2:這里的變量很多……

教師:這個實驗中變量確實很多,需要仔細梳理,請同學們填寫表1來識別變量,然后檢查額外變量是否被控制(表1中的“變量名稱”和“額外變量是否被控制”需要學生自己填寫)。

學生2:我發現,一個是銅片,一個是碳棒,形狀不一樣,這樣2種電極與溶液的接觸面積可能是不同的。

表1 實驗中的變量

教師:很好,你發現了這個實驗的設計缺陷。同學們可以根據變量控制的方法,自己改進實驗嗎?(學生小組討論,形成方案。)

經過討論,不同學生小組大致形成了2種方案。

學生方案一:測量浸入溶液的銅片的長、寬,計算其表面積;測量碳棒的直徑,計算其表面積;比較兩者的面積,如果不一致,把銅片剪成合適大小,使其表面積與碳棒一致。

學生方案二:把銅片換成與碳棒直徑相同的粗銅絲(見圖2),浸入溶液時,確保與碳棒浸入深度相同。

圖2 改進后的學生方案

教師:大家覺得哪種方案更好?

學生3:我覺得方案二更好,因為方案一還有電極的形狀這一變量沒有被控制。平面的銅片靠近負極的那個面明顯生成的氣泡更多,另一面的氣泡很少。

經過進一步的討論,大家同意學生3的觀點,最終采用方案二進行了后續的實驗。在這個教學過程中,學生把已學的變量控制方法應用到批判性評價實驗方案的嚴謹性、科學性上,并進一步用其設計新的實驗方案,這是對科學方法的遷移應用。制的方法,久而久之可能會形成定勢思維,過分追

3 拓展方法:多因素變量控制與綜合應用

學生在必修階段接觸的主要是單因素變量控求單因素的最優條件,而忽略了系統的最優條件。實際上,化學現象、化工生產是復雜的,存在許多自變量都能導致因變量(結果)的變化,要兼顧全局,考慮最優的條件。

例如,在“探究原電池電流的影響因素”的實驗中,學生發現“電極與溶液的接觸面積越大,電流越大”,因此過分地追求將這單一變量最優化。教師適時給予引導。

學生:能不能用一個很大的鋅片和銅片,讓電池電流更大呢?

教師:但是這樣燒杯就裝不下了。

學生:那就可以換一個更大的燒杯。

教師:在現實生活中,如果給你一個特別大的燒杯電池,你會愿意嗎?

學生:不愿意……看來鋅片和銅片也不能特別“占地方”。

教師:在這個實驗中,“電極與溶液的接觸面積”只是眾多變量中的一種,我們應該找到盡可能多的變量,然后考慮實際情況,優先改進更安全、更經濟、更方便的變量,達到綜合情況的最優化。

實際上,電極種類、電解質種類、電解質濃度、電極間距等眾多變量都能影響“燒杯電池”的電流,學生為了變量控制常常要把多因素問題轉化為單因素問題單獨實驗和分析,但最后還需要綜合考慮,才能更好地解決實際問題。