初中物理教学中控制变量法的应用

初中物理教学中“控制变量法”的应用甘肃省民勤县西渠中学李红栋【摘要】新课程的实施对学生科学探究能力的培养十分重视，而“控制变量法”是常用的探究物理问题、分析和解决物理问题的最重要的方法。控制变量法是自然学科中常规的研究方法，也是初中物理教学中基础的重要的教法之一。它能将一些复杂的多变量的物理问题转化为简单的单变量的问题，将一些多因素的抽象的大问题，转化为直观的易于操控的小问题。教学中如果此法应用得当，将会非常地方便、快捷，省时、省力，而且能少走很多不必要的弯路，减少很多无谓的而且是艰辛的探索之路，收到事半功倍、一石二鸟的良好效益。本文就控制变量法在初中物理教学中的应用作一些粗浅的探讨，希望能起到抛砖引玉的作用。本文将从控制变量法已贯穿整个初中物理教学及控制变量法本身具备的优点的角度，讲述学生必须掌握这种科学的方法，最后介绍如何引导学生使用控制变量法。【关键词】控制变量法、探究、分析、物理规律新课程的实施对学生科学探究能力的培养是十分重视的，而在科学探究中最常用的方法，就是控制变量法。那么，什么是“控制变量法”？所谓控制变量，就是指适时地恰当地控制对我们所要研究的物理量相关的或会有影响的因素、条件，在众多的会引起我们的物理量发生变化的因素中，只让要研究的因素(物理量)发生变化、发生改变，看我们的物理量会如何随着这个因素的改变而改变，而让其它的暂时不研究的因素保持不变、保持相同。通过对相关测量数据的深入研究、分析判断、总结归纳，最后找出这个因素跟我们想要研究的物理量是什么关系，在众多因素的影响中，这个因素对我们的物理量的影响有多大，在这些变化中该因素到底占了多大的比重（贡献）等等。研究完一个因素，再用同样的办法去研究另一个因素，直到用枚举法研究完所有的因素为止。这就是控制变量法的要义与核心。控制变量法在初中物理教学中的应用非常广泛、非常普遍，比如日常的物理规律、物理定律的教学，演示实验分组实验的教学，课内课外师生共同参与或学生独立进行的各类实验、探究以及各种复习资料、练习题册上相关的“比较物理量大小”等都有控制变量法大显身手、施展手脚的广阔天地。它不但可用来探究物理规律，同时也是分析、解决物理问题的好帮手。本文将从控制变量法已贯穿整个初中物理教学及控制变量法本身具备的优点的角度，讲述学生必须掌握这种科学的方法，最后介绍如何引导学生使用控制变量法。一、控制变量法贯穿了整个初中物理教学物理学是一门以观察和实验为基础的学科，大多数物理规律都是在实验的基础上建立起来的，要想让学生牢固地掌握和熟练运用物理规律，就必须培养学生探究物理规律的能力。我国现行初中物理实验的结构体系如下：力学。演示实验52个，学生分组实验9个，小实验7个；热学：演示实验28个，学生分组实验3个，小实验5个；光学：演示实验14个，学生分组实验1个，小实验3个；电学：演示实验21个，学生分组实验9个，小实验3个；总数：演示实验145个，学生分组实验22个，小实验22个，再加上实验性习题18个，总计207个。我们通过试验，把结构体系作了如下调整：（一）22个学生分组实验中的10个改为边学边实验；（二）145个演示实验中的41个改为边学边实验；（三）22个小实验中的8个和18个实验性习题中的13个改为边学边实验；（四）新增加了4个边学边实验。控制变量法作为是一种常用的、有效的探索物理规律的科学方法，在初中物理新课程教学中得到了特别广泛应用，许多物理概念或规律的探索和推导，演示实验、分组实验的教学，都运用了“控制变量法”这一科学方法。下表是课堂教学中应用了控制变量法的物理概念或规律及其对应变量：序号概念或规律对应变量1声音的响度物体振幅、声源的远近2影响液体蒸发的快慢的因素液体温度、表面积、液体表面气流速度3影响导体电阻大小的因素导体的材料、长度、横截面积、温度4欧姆定律（导体中的电流）导体两端的电压、导体的电阻5焦耳定律电流、电阻、时间6影响电磁铁磁性的因素有无铁芯、线圈中电流大小、线圈匝数7通电导线在磁场中的受力方向通电导线电流的方向、磁场的方向8感应电流的方向磁场的方向、导体切磁感线的方向9速度路程、时间10压强压力、受力的面积11液体压强液体密度、液体深度12浮力液体密度、排开液体的体积13影响动能大小的因素物体的质量、物体的速度14影响重力势能大小的因素物体的质量、物体的高度15影响内能的因素物体的质量、温度，种类16热量的变化（热传递）比热容、质量、温度的变化17热量（燃烧燃料）：热值、质量从表中罗列到的物理概念或规律可看到，控制变量法的应用贯穿整个初中物理教学，它是学生必须掌握和熟练应用的科学方法之一。二、控制变量法的优点控制变量法广泛应用于初中物理教学中，相应地，近几年的试题中也出现了很多需要利用这一方法解答的考题，也就是说，控制变量法不仅广泛应用于教学中，而且也广泛应用于试题分析中。其优点在教与练中突显。（一）控制变量法能有序地分解和呈现物理探究问题。当影响某一物理量变化的因素可能较多时，要研究这些因素的变化对该物理量是否有影响，这时就需要使用控制变量法去研究，将复杂的多变量的物理问题转化为简单的单变量的问题，将多因素的抽象的大问题，转化为直观的易于操控的小问题，造成特定的便于观察的条件，进行研究。通过对相关测量数据的深入研究、分析判断、总结归纳，最后找出这个因素跟我们想要研究的物理量是什么关系。例如：在探究液体蒸发快慢时（猜想：液体蒸发的快慢可能与液体温度、液体表面积、液体表面气流速度等因素有关），要得出液体蒸发的快慢与液体温度之间具体关系的方法是：控制液体表面积、液体表面气流速度不变，只改变液体温度，判断液体蒸发的快慢的变化，从而得出规律；再采用类似的步骤分析得出液体蒸发的快慢与液体表面积、液体蒸发的快慢与液体表面气流速度之间的规律。在这种探究过程中，控制变量法，有序地分解和呈现了物理问题，帮助学生对影响物理量的多个因素逐一进行研究。这种探究，思路非常清晰，能帮助学生快速、准确地设计和完成探究。（二）控制变量法能帮助学生，迅速确定解题思路。在试题中，除了实验探究中的应用外，控制变量法还经常用于比较物理量大小和分析、解析实际问题。掌握控制变量法，能帮助学生，在分析这些问题时，迅速确定解题思路，正确作答。1、比较物理量的大小。例1：甲、乙两种物质的质量和体积关系如图所示，由图像可知（）A．B．C．ρ甲=ρ乙D．无法确定这是一题利用控制变量法比较物理量（密度）大小的问题。思路：ρ=m/V,要比较密度大小,可通过控制质量相同,比较体积大小来解决；也可通过控制体积相同,比较质量大小来解决,所以答案应为B。这类题目还有比较电阻、速度、功率等。2、分析、解析实际问题。例2：在照明电路中接入大功率的电炉，电线将显著发热，有可能烧坏它的绝缘皮，甚至引起火灾，请你用学过的物理知识（如：电功率、焦耳定律），简要说明这是为什么？这是一题利用控制变量法去解释实际问题的题目，题目讲述的是电线的发热问题，思路：关键是要找出对发热有影响和没有影响的物理量来分析说明。所以：对电线而言，其电阻不变，接入大功率的电炉后，电流显著增大，由电功率公式：P=I2R可知此时电线中的热功率显著增大，相同时间内发热也显著增多，所以在照明电路中接入大功率的电炉后，电线将显著发热，有可能烧坏它的绝缘皮，甚至引起火灾。在初中物理教学中，用控制变量法去分析和解决的试题很多，如果此法应用得当，学生就能迅速确定解题：一看就知道该怎样做、该如何下手，先做什么、后做什么，对问题的解决能做到胸有成竹。所以教师在教学中要注意培养学生用控制变量分析解题的思维能力，学生只有掌握这种解题方法，才能为快速而准确地解题铺平道路。三、如何引导学生使用控制变量法控制变量法，能有序地分解和呈现物理探究的问题，能帮助学生在分析、解决问题时，抓住问题的本质，形成正确的解题思路，进而解决问题。所以帮助学生掌握这种实用的探究和问题推理方法，显得非常重要。（一）引导学生用控制变量法探究物理规律课堂上，在引导学生用控制变量法探究物理规律的时候，可采用以下步骤进行：提出问题讨论猜想控制变量进行探究总结规律。例如：在初中学生刚开始学习控制变量法时：影响导体电阻大小的因素。提出问题：影响导体电阻大小的因素有哪些？讨论猜想：引导学生进行猜想（可引导学生观察分析课本常见的导体的电阻（率）的数据进行猜想，学生能比较容易地猜想到影响导体电阻大小的因素有：导体的材料、长度、横截面积）控制变量进行探究：（1）控制导体的材料、横截面积不变，探究电阻与导体长度的关系；（2）控制导体的材料、长度不变，探究电阻与导体横截面积的关系；（3）控制导体的长度、横截面积不变，探究电阻与导体材料的关系；总结规律：（1）导体的电阻与导体的长度有关，长度越长，电阻越大；（2）导体的电阻与导体的横截面积有关，横截面积越长，电阻越小；（3）导体的电阻与导体的横截材料有关。在用控制变量法探究物理规律的过程中，应使学生认识到，具体的科学问题常常都是由多个因素共同造成的结果，帮助学生在科学探究中体会变量的概念、建立控制变量的初步意识。同时也使学生对控制变量法有了较系统的认识，对于以后用这种方法去探究其它类似的物理规律时也起到较好的示范的作用。初中物理教学中，探究的实验比较多，在做大部分的探究实验时，都使用了控制变量法，只有掌握这种方法，同学们在做实验时才不会漫无目的，才能得出正确的实验结论，真正理解和掌握物理概念和规律，从而有利于学生研究性学习和创新能力的发展。（二）引导学生用控制变量法去完成相关习题近几年，初中物理试题中出现了很多需要利用控制变量法去解答的考题，所以，平时在课堂上，教师也应有目的地例析一些典型的题目，从不同角度、不同知识点去引导同学们运用控制变量法解决习题中的物理问题，使学生能熟习这类解题方法，从一始就能有目的应用这种方法解题和规范作答，提高学生的解题速度，提高正答率。考核控制变量法的角度有很多，如运用控制变量法选择实验器材、分析实验设计是否合理、根据实验数据或现象写实验的结论、设计实验（包括实验步骤、实验电路图、记录实验数据的表格等）、比较物理量大小、解析实际问题等。下面从两个角度例举说明：1、运用控制变量法，根据实验数据或现象写出实验的结论例3：在“探究电阻上的电流跟电压关系”的实验中，小华同学用下图的电路图进行探究，它釆用改变电池节数的方法改变电压的大小，分别用定值电阻R1（5Ω）和R2（10Ω）进行6次实验，记录数据如下表：（1）从实验次数1和2的数据可以看出：（2）从实验次数和的数据可以看出：在时，通过导体的电流与导体的电阻成反比。点评：这类试题主要考核学生运用控制变量法，用文字规范表达实验结论的能力，特别是表达实验结论时，一定不能漏写结论的前提条件（即被控量），否则得分会大打折扣。2、运用控制变量法，按要求设计物理实验。例4：如右图所示，同一水平桌面上放有长方体木块和铁块各一个，现想探究木块和铁块的下表面谁更粗糙，请你只利用一个量程满足实验要求的弹簧测力计，设计一个实验来验证你的猜想，写出实验的步骤、现象和结论。点评：这类试题主要考核学生运用控制变量法设计实验以及对实验进行评价的能力。怎样才能比较出两物体表面的粗糙程度？影响滑动摩擦力大小的因素是压力的大小和物体表面的粗糙程度（分析变量）。因此，在压力相同时，摩擦力越大，物体的接触面越粗糙。因此在设计本题的实验方案时，首先要保证压力相同（控制变量），可将木块和铁块叠起来解决。控制变量法是一种解决物理问题的科学方法，它不但能解决现有初中物理问题，对于一些初中没有学习过物理问题或其它学科的问题，也可以运用它来解决，教师也要注意引导学生触类旁通。（四）控制变量法的教学充分体现了新课程的教育理念次数电阻（Ω）电压（V）电流（I）151.50.32530.6354.50.94101.50.1551030.36104.50.45新课程的核心理念是以学生发展为本，课程改革要培养学生的信息收集和整理的能力、发现问题和思考问题的能力、分析问题和解决问题的能力、终生学习和创新的能力以及生存和发展的能力。控制变量法的教学恰恰