义务教育物理课程中控制变量思想的目的性分析

延安大学物理与电子信息学院(716000)高彤彤 任新成

1课标要求

在义务教育物理课程标准（2011年版）的课程性质部分指出“义务教育物理课程应综合反映人类在探索物质、相互作用和运动规律等过程中的成果。物理学不仅含有探索大自然的知识成果，而且含有探索者的科学思想、科学方法、科学态度和科学精神等”。由此可以看出物理学丰富的内涵，涉及物理知识、物理方法、物理思想、物理态度和物理精神5个方面。在课程的具体实施中，一般以知识作为载体，以方法作为通道，以思想作为目标，使学生由外而内深刻地领悟知识，从而端正科学态度，继而由内而外地物化思想发扬科学精神，使整个学习思维过程融会贯通、淋漓尽致。

2科学方法与科学思想

科学方法与科学思想在某种程度上无法分离，甚至共为一体。在义务教育物理课程中，尤其是实验中展现了很多科学方法，并有相对应的思想渗透其中。

2.1放大法

放大法，又可称为累积法。例如，在要测量一条导线的直径时，直接测量操作难度大，且误差较大，故可采用放大法（累积法）进行测量。可以将导线紧密地缠绕在一个光滑的柱状物体上，然后测量几十匝或者几百匝导线的长度，然后除以匝数可获得导线直径。这种方法其实是化零为整的思想，提供给学生一种思想方法：面对细小物体的测量问题应该具有怎样的思维方向和思维意识。

2.2类比法

因为中学生的经验知识在学习活动中是不可忽略的学习背景，对学生学习有很大的影响，因此，将学习过程与现实生活适当地类比，可以减少学生的思维跨度，加强新知识的亲切感和立体感。

比如，为了帮助学生理解电流和电压，可以把电流、电压与水流、水压进行类比，抽水机提供了水压，水压使水沿着一定的方向流动形成水流，水流通过涡轮使涡轮转动消耗水能。类比法所渗透的思想是由此及彼的思想：让学生学习到如何用自己了解的“此”去理解新知识的“彼”。

2.3控制度量法

纵观义务教育物理课程中使用最多的科学方法应该是控制变量法，其主要体现在两个方面：一是实验方法，二是物理量及其计算公式的引入。

2.3.1实验方法

实验中的控制变量法，即保持一个或多个量不变，使另一个或多个量改变，来探究这些量之间的关系。其实，在小学阶段的科学课程中，就对控制变量这一思想有所渗透。在科教版5年级科学上册第1节课就引入了这一“方法”。当然，对于小学生并没有正式给出方法的确切名称，整个探究过程是在“对比”活动中进行的。课本要求学生探究“水是否对种子的发芽有影响”。实验设置了实验组和对照组，整个实验过程保证其他因素不变，只是给实验组定期加适量水，对照组不加水，过一段时间，“对比”两组实验种子的发芽状况，从而得出结论。对比实验是小学阶段科学课上较常用的一种实验方法。要想科学地完成对比实验，需要进行控制变量。变量是指在实验中可以发生变化的因素。控制是对比实验的灵魂，实验中变量控制的好坏决定着对比实验的成败。由此可见，控制变量的思想在小学阶段就已经进入课堂，从某种意义上可以说，对比方法是控制变量方法的雏形。小学阶段通过对比实验对学生的探究意识进行启迪，并随着学生身心的逐渐发展与完善，对这一方法会有更深刻的认识和理解。因此，在初中物理课程中的很多物理实验都是采用了控制变量法对问题进行探究的。

比如，探究滑动摩擦力的影响因素，影响蒸发快慢的因素，动能的影响因素，电磁铁磁性的强弱等，不同之处是有的实验很明显是运用控制变量法进行实验，而有的是将控制变量思想隐含其中。以北师大9年级物理在研究重力势能时的影响因素为例，要求学生通过“观察和思考”得出影响重力势能的因素，教材内容如图1所示。

可以看出甲组实验只改变铁块高度这一因素，保持铁块质量相同、木质小桌相同、沙子量相同等来研究高度与重力势能的关系；乙组只改变铁块的质量，保持高度相同、木质小桌相同、沙子量相同来研究质量与重力势能的关系。不难看出，在这个“思考与观察”的过程中，学生必须把握好不变因素与变量因素才能清晰地分析问题得出正确的结论。但是，教材中并没有提出这是“控制变量方法”的运用，但这种思想很显然渗透其中。

2.3.2物理量及其计算公式

其实，义务教育物理课程的很多概念都是基于控制变量思想而给出的，比如密度、比热容等。那么，物理概念的控制变量思想如何体现？下面以密度的学习为例进行讨论。

密度概念的学习无处不渗透着控制变量的思想。在学习密度这一课时，首先，会向同学呈现不同的物体，让学生利用不同的方法进行区别，结果发现学生普遍使用感觉器官，比如眼睛、鼻子进行辨别，均属于感官识别。感官识别是通过最明显、区分度最大的因素进行甄别，不考虑其他因素，与控制变量思想有异曲同工之妙：抓住最主要的因素，对其他因素进行适度处理。但继而向学生展示外观一模一样的两个长方体，并告知学生一个是铁块，一个是木块，询问学生如何区别。当感觉器官无力解决问题时，学生就会进行稍微复杂的思维过程，但学生并不难得出通过称“质量”来判别，质量大的是铁块，反之是木块。再举一例，有两个质量相同的物块，仍然一个是铁块一个是木块，又该如何判断？学生根据生活经验很容易得出体积大的是木块，反之是铁块。随即，教师引出问题：“那么，我们是否可以通过研究质量和体积来认识物质呢？”面对这个问题，学生好像知道，但又说不清楚。此时，学生已经有所意识：一个因素相同，判断另外一个因素即可，但是具体的定量关系无法确定。于是，教师就引导学生研究质量与体积的关系，通过某种途径在他们之间搭一座桥来沟通联系，因为，之前的两组判断就是在“体积相同时，依据质量大小来确定”，“质量相同时，根据体积大小来确定”而得出结论的。这个过程中有3个变量，分别为：物质、质量、体积。自由组合可以分为4组实验：①相同体积的不同物质，它们的质量相同吗；②不同体积的相同物质，质量是否相同呢；③相同质量，不同体积的物质相同吗；④不同质量，相同体积的物质相同吗？

很多教师是通过分析数据来发现同种物质的质量，体积成倍增加，直接来向学生说明，学生其实并未发觉数据中的奥秘，所以接下来教师引导学生用质量除以体积，继而引出密度概念。这个过程中，学生的思维是有断层的。毫无疑问，学生很难发现这样成倍的关系，因为学生根本没有这样的意识，会产生疑问：“为什么就要除？”而且如果要通过观察分析数据得出，必须要有大量的实验数据，那样才会比较直观地体现这一结论。但对于有限的课堂时间，课堂上记录的实验数据数量不足以完成结论的得出。其实，这里碰到的只是一个思维的转变，学生应该认识到：学习知识是为了使今后的学习和生活更加便捷。教师只要告诉学生：“要区别两个物体，当体积相同时，只要比质量就可以，那么体积可以是1 m3、2 m3、3 m3等，我们会发现不同的人可能选取的体积不同，那么，怎么才能最简单地比较？”学生自然而然也认为体积相同才可以有良好的对比性，而且体积都固定为1 m3才最简单。这样学生很自然会将质量和体积作除法，紧接着面对计算后的数据，学生会容易地得出不同的物质，质量和体积的比值不同；相同的物质，质量与体积的比值相同。此时，密度的概念其实已经得出，即质量与体积的比值。学生就会明白“对数据做这样的处理，只是通过化作最直观的比较形式，帮助判断”。这样，学生的思维会更加流畅，学习情绪也会更加高涨。

其实，这个过程运用的就是控制变量的思想，保证无关变量一致，去研究单一变量。这个过程并不是有多么深奥，只是一个去繁从简的过程。

物理学中的很多方法思想都在体现物理的简洁美，比如：等效思想、理想模型思想等。

除了密度这一重要概念渗透控制变量思想，还有比热容、速度等。比如，要比较两种物质比热容，只有保证质量相同、升高或降低的温度相同，吸收或放出的热量才具有可比性；要比较两者的速度，保持时间相同，仅通过比较路程多少，就可得出准确结论。关于一些应用控制变量法进行探究的实验亦是如此。比如，在研究电阻的影响因素时，对于探究长度因素的影响，是通过保证材料、横截面积、温度相同的条件下进行研究的，这一过程就是在制造可比性，从而确保实验结果的有效性。

4结束语

对于控制变量思想，最核心的内容应该是：如何使研究对象具有可比性和可观察性。控制变量是一种方法，一种研究单一因素影响力的方法；是一种角度，一种从错综复杂的问题中求得解决方案的角度；是一种思想，是一种平衡次要问题，突出主要问题的思想；更是一种态度，一种如何公正公平地去衡量某一事物的态度。北京大学教授虞福春先生曾经指出:“迄今以来的物理学发展中,有过许许多多的卓越实验,具有极其丰富和精彩的物理思想,揭示了解决问题的途径和方法。这些思想和方法已经超越了各个具体的实验而有着普遍的指导意义。”现代教学中，如何让学生养成科学的思维习惯，拥有科学的态度，使学生能够通过方法，体会思想，来处理各种问题，达到终身学习，终身创新的收获，才是教师的新使命。

收稿日期：2014-06-26