控制变量法在初中物理教学中的应用.doc

控制变量法在初中物理教学中的应用物理学是一门以实验为基础的学科，物理思想是进行物理规律探索的先导，物理实验是科学探索物理现象的最有效途径，在物理实验的各种指导思想中，最重要，也是最基本的思想就是把影响物理规律的多种要素中的两个要素提出来研究，控制其它要素不变。控制变量法是初中最常用到的研究方法，在力学、电学中都有应用。文中主要探究物质的密度与质量和体积的关系，科学探究压强与压力和受力面积的关系。控制变量，创设“理想”的研究环境，有利于问题的解决。如何在初中物理教学中有效渗透控制变量法是应该注意的问题，应做到了解学生的情况，采取相应的教学步骤；深入教材内容，教师要善于挖掘教材中用控制变量法进行教学的素材，抓住知识和方法的结合点；采用“教师设疑，学生释疑”的方法激发学生的探究兴趣，最后加以训练，使学生能够理解掌握控制变量法。1引言在自然界中发生的各种物理现象通常是错综复杂的，因此影响物理学研究对象的因素往往是多种因素结合，共同起作用的，并不是仅仅只有某个单一的方面。物理学中对于多因素（多变量）的问题，常常采用控制因素（变量）的方法，把多因素的问题变成多个单因素的问题。每一次只改变其中的某一个因素，而控制其余几个因素不变，从而研究被改变的这个因素对事物的影响，分别加以研究，最后再综合解决，这种方法叫控制变量法1。它是科学探究中的重要思想方法，广泛地运用在各种科学探索和科学实验研究之中。对于初中阶段的学生，要想更好地学习物理知识就需要掌握一定的物理科学方法，可以克服盲目性，变被动接受知识为主动获取知识。可以说，物理科学方法是进入物理大门的金钥匙2。比如说做功的快慢也就是功率不仅与做功的多少有关，还与做功的时间有关。在相同的时间内，做功越多，功率就越大；如果做功的多少相同，做功用的时间越少，功率就越大。因此要想准确地了解研究对象的各种特性，弄清事物变化的原因和规律，仅仅靠在自然条件下整体观察研究对象是远远不够的，还必须对研究对象施加人为的影响，造成特定的便于观察的条件，这就是“控制变量”的方法。例如为了研究某物理量同影响它的二个因素中的一个因素之间的关系，可将另外一个因素人为地控制起来，使它保持不变，以便观察和研究该物理量与这一因素之间的关系。在利用物理知识去分析和解决实际问题时，如能灵活运用“控制变量法”去进行分析和处理，将会收到事半功倍的效果3。控制变量法的使用可以使研究的问题简单化，利用这种方法可以对影响物理量的多个因素逐一进行研究，然后再进行分析和综合4。这一思想在初中物理中得以逐步渗透，初中物理教学中还有许多概念或规律的探讨和推导的实验中，都运用了“控制变量法”这一科学方法，以“控制变量法”在教学中的应用为中心，加强在教学中研究问题方法的指导。可见，在解决实际问题时，如果能恰当运用科学方法进行分析，的确能起到提高解题速度与准确率的良好效果。有时，方法比知识更重要，授人以鱼，可供一餐之需，授人以渔，则使人终生受益，说的就是这个道理。在初中物理学中，通过对一些实际问题的解决过程，使学生如何应用“控制变量法”等科学方法去分析、解决问题作了有效尝试，如在声学、力学、电学等领域中的使用，为学生灵活应用这一科学方法去解决问题奠定了坚实基础5。2控制变量法在初中物理实验教学中的应用在初中物理教学中，研究物理问题的方法有很多，如“类比法、物理模型法、等效法、理想实验”等，但控制变量法用得最多6。通过初中物理的学习，学生应能够根据已学物理知识，判断影响研究结论的m个因素，判断后人为地控制起来m-1个影响因素，使它们保持不变，以便观察和研究该物理量与剩余的这一因素之间的关系。随后不断变化控制的变量进行研究，最终得出全面综合性的结论。比如有个结论D，有三个因素影响到它的变化，分别是P、Q、R，那么用控制变量法研究的模型就是（1）控制变量P、Q不变，改变R，研究结论D的情况，研究出结论D和影响因素R的关系；（2）控制变量P、R不变，改变Q，研究结论D的情况，研究出结论D和影响因素Q的关系；（3）控制变量Q、R不变，改变P，研究结论D的情况，研究出结论D和影响因素P的关系；研究控制变量法的方法是：若研究的物理量与多个物理量有联系时，先把一个或几个物理量先控制起来,使它们保持不变，把所研究的问题先转化为一个物理量与单个物理量之间的关系问题，使被研究的问题由复杂变简单，容易发现物理量间的联系，最后将各种联系综合起来，得到正确结论。其方法的特点是：应用此方法的每一步往往只是定性或定量研究其中两个变量之间的关系,而其余变量必须控制不变7。控制变量法在初中物理教学中的应用非常广泛，如在力学教学中的应用有：（1）研究压强与压力及受力面积之间的关系。（2）研究液体压强与密度及深度的关系（）。（3）研究动能与质量及速度的关系（成正比的关系）。（4）研究重力势能与质量及高度的关系(成正比的关系)，等等。在电学教学中的应用有：（1）研究导体的电阻与材料、长度、横截面积及温度的关系。（2）研究导体中的电流与导体两端的电压及导体的电阻的关系。（3）研究电功与电流、电压及通电时间的关系（）。（4）研究电流通过导体产生的热量与电流、电阻及通电时间的关系（）。（5）研究电磁铁的磁性强弱与电流大小及线圈匝数的关系，等等。3利用控制变量法分析解决物理问题九年义务教育全日制初级中学物理教学大纲(试用修订)中指出“在物理教学中要注意与学生生活实际联系，帮助学生通过熟悉的现象理解所学物理知识，知道物理知识在生活、生产和科学试验中的广泛应用，培养学生解决问题的能力，并不断地在物理知识的广泛应用中增强学生学习物理的兴趣和信心”物理新课标也指出“从生活走向物理,从物理走向社会”，这些指导思想都需要每位物理教师重视物理知识的应用，让学生体会物理就在身边，在实际生活经验中，基于以上的认识，在物理教学实践中，利用控制变量法来引导学生分析问题、解决问题，使学生的能力得到一定的提高8。现代的物理教学不仅注重知识的传授和技能的培养，更注重学生能力的培养和创新意识的培养，让学生亲身经历科学探究的过程，掌握科学研究的方法，改变原有的教学模式，以便更新观念，以现有书本为主，实验教学为辅助的教学模式。通过实验来培养学生良好的学习习惯和掌握科学探究的方法，但是在中学物理实验教学中，控制变量法的实验难度相当大，所在这方面的教学实验中，老师应以最容易让学生理解的方式展现出。3.1控制变量法在探究物体的密度中的应用研究物质密度，引导学生类比研究匀速直线运动的方法，在学会了天平、量筒使用后，首先选取最常见的液体水和酒精为研究对象，探索其密度（水是教材中唯一要求记忆的密度值）。首先让学生进行猜想物质的密度与哪些因素有关，学生提出猜想与下列因素有关，如：质量、体积、温度。根据猜想，先控制温度不变，设计实验探究密度与质量、体积的关系。选取纯水和酒精，分别取出10、20、30毫升的量，用天平测出它们的质量，得出如表3-1的数据，根据表中的数据可知：（1）同种液体的质量与体积的比值相同，保持不变；（2）同种液体质量随着体积的增大而增大。最后总结得出：同种物质的质量与体积之比保持不变，质量与体积成正比。然后引导学生建立密度这一概念，并说明密度是物质自身属性，只由物质的种类决定，而与这种物质的质量、体积无关。最后，还有温度方面，在建立密度公式的基础上可知物质的质量是不会变化的，但由于热胀冷缩，体积会变化，所以密度也跟着变化。因此，密度是与温度有关的，我们平常讲的密度都是常温下的，这点要清楚地告诉学生。表3-1物理量液体质量m(g)体积V(cm3)m/v(g/cm3)水10.1101.1水10.0201.0水10.1301.1酒精8100.8酒精16200.8酒精24300.83.2控制变量法在探究压力的作用效果中的应用沪科版八年级第八章压强是初中物理教学中的一个重点，也是难点。首先第一节对压强的理解就尤为重要，这是一个全新的概念，它是学习后面液体压强、大气压强的基础，必须让学生透彻的理解它。初中压强这一物理概念的引入就是在探索压力的作用效果与哪些因素有关的基础上建立的。首先，提出问题：“压力的作用效果与哪些因素有关呢？”学生在下面自由思考，比较重的物体容易陷入泥里，说明可能与压力大小有关；拎东西时，手提袋的提手部分的带子越细，人手越感觉疼，说明可能与面积有关等等。然后，用了一个每个人都能做的小实验让学生亲身体会。让每个学生拿出一支铅笔，食指按住笔尖部分，大拇指按住另外一头，用力挤压，学生会发现越用力人手越痛，而且按住笔尖的食指比大拇指更痛一点。学生立马回答出来，压力的作用效果与压力的大小与受力面积都有关系。为了让学生有更明确清晰地看到效果，设计了一个更严谨的实验，采用了控制变量法。用的实验器材都是比较容易得到的，拿两个相同的塑料透明的大盒子，里面装上等量的沙子，还有两个相同的玻璃杯。实验过程中，进行两组实验，第一组将其中一个玻璃杯正放在沙上面，另外一个倒放在另一堆沙上，比较沙子凹陷的程度；第二组将两个杯子都正放在沙子上，其中一个杯子里放些石块，加大它的重量，比较沙子的凹陷程度。最后，得出如下实验结论：(1)第一组中保持压力的大小不变，发现杯子倒放沙子凹陷的深。由此可知压力的作用效果与受力面积有关，且成反比；(2)第二组中保持受力面积不变，发现重量大的杯子沙子凹陷的深。由此可知压力的作用效果与压力的大小有关，且成正比。通过以上实验归纳总结：压力的作用效果与压力的大小成正比，与受力面积成反比，从而建立了压强这一概念。物理学中许多规律也是运用控制变量法通过科学探究的活动来找出的，从而完成教学。要解决这类实验题，必须先要能对研究结论的现象进行判断，判断后分别控制m-1个变量，再研究剩余的一个变量与结论之间关系。随后不断变化控制变量进行研究，最终得出全面的结论9。控制变量法的掌握不是通过一次教学就能让学生理解和掌握的，它的形成过程是一个长期的、渐进的过程，它的理论模型的形成掌握比物理学知识的掌握更难，但它处于更高的层次。4把控制变量法融入到教学中的四个关键如何在初中物理教学中有效地渗透控制变量法呢？根据教学实践的摸索，渗透控制变量法应抓以下四个方面。4.1入手点了解学生学生是渗透教育的对象，只有摸透学生各年龄阶段的心理特征，才能在教学中有的放矢地进行渗透控制变量法教育。心理学上，根据思维过程中的凭借物或思维形态不同，将思维分为动作思维、形象思维和抽象思维三大类10。对初中学生来说，其思维活动仍有具体形象思维成分，但与抽象逻辑思维有密切的联系，并且在认识客观事物过程中互相配合，相辅相成。尤其到了九年级，学生的抽象思维能力迅速增强，对方法论开始感兴趣。针对上述特点，在教学中可采取相应的三个步骤：（1）结合初中教材中的科学家、科学史介绍科学家用控制变量法探究物理的过程和方法，使学生感受到控制变量法的存在，从而对了解控制变量法产生一种激情，产生求知欲望。（2）从有关讲述物理概念和规律及实验程序的分析过程中进行控制变量法训练，让学生理解控制变量法的内涵，使学生初步认识和领会控制变量法研究问题的思维过程。（3）主要是在教师的指导下运用控制变量法解决一些相似相近情境下的简单问题，并逐步使学生独立运用控制变量法解决一些较为复杂的实际问题。4.2凭借点深入教材初中物理概念、规律的建立、发展和应用过程中大多蕴含着控制变量法这一科学方法，这就要求我们的教学不能就知识而讲知识，也不能单纯地就方法而讲方法，科学方法教育必须与物理知识教学相结合，方法教育要以知识传授为载体。初中教材中的控制变量法大多是隐性的，在许多概念或规律的探索和推导的过程中，都运用了控制变量法这一科学方法11。例如，对“功率”下定义时，把“单位时间”和“做功的多少”这两点作为基本条件，这样就突出了做功的快慢跟它们的关系，使“功率”这一概念能反映“做功的快慢”这一物理意义。还有，在研究速度、密度、力的三要素、压强、欧姆定律、电功、焦耳定律、浮力等知识的教学过程中都用到了控制变量法。所以，教师要善于挖掘教材中用控制变量法进行教学的素材，抓住知识和方法的结合点，这是通过知识教学渗透控制变量法教育的凭借点。如果教师能有效地挖掘教材，不仅能顺利完成物理知识的教学任务，更有利于学生对控制变量法的掌握和创新能力的培养。4.3滋长点激发探究一堂物理课必须最大限度地激起学生的学习兴趣，使学生的学习自始至终都在兴趣盎然的情况下进行，要做到这一点最重要的就是学习动机，即使学生感到对学习有新的需要，而在中学生学习物理的动机形成中，好奇心、求知欲和求成欲起着重要作用，因而是否能把握住学生在各个年级段对学习物理的各种心理活动和内部诱因就尤为重要既要重视学生直接动机（对学习活动本身的需要）的作用，也要同时重视学生间接动机（对学习结果的需要）的作用，并通过一定的教学手段（外部诱因），切实做到调动学生的学习主动性（内部诱因）12。科学探究是学生的学习目标，目的是学生通过探究性学习活动的开展，经历着与科学工作者进行科学探究的相似过程，学习物理知识与技能。而在探究前物理知识是未知的，学生不可能根据未知的物理规律，控制变量进行研究，此时可采用“教师设疑，学生释疑”的方法，在学生探究得出影响的几个因素后，由教师提出相悖于学生的错误观点，引导、启发学生运用“控制变量法”对教师提出的错误观点进行分析、批驳，从而得出正确的结论,也能激发学生的学习兴趣。控制变量法体现在具体的物理研究过程中，在新授课和科学探究中，教师要以学生为主体，注重设计教学过程，并将过程充分而合理地展现出来，让学生看到控制变量法有什么特征、有什么作用，是怎样解决问题的，把“控制变量法”有机地融人学生的探究性学习活动中。在学生得出结论与认知的碰撞中，不断激发和深化学生对“控制变量法”的认识，最终通过学生自己的尝试和体验达到掌握控制变量法的目的。在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。在“控制变量法”引入方法的设计上，问题的提出要尽可能引起学生的注意，让学生既出乎意料之外又感觉在情理之中，激发学生的求知欲。再请学生帮助教师“解惑”，让学生体会到学习的主体作用，激发学生的表现欲，使教师与学生形成高水平的合作与沟通关系，促进师生交往，鼓励学生主体的参与体验，使教学活动在师生没有任何内在和外在压力与制约的交往情境下进行，主体间处于彼此真诚的交往互助、合作分享和相互启发与发现的“双赢”的存在状态和创造过程。通过教师引导行为与学生探究活动的统合，使学生获得经验，有所领悟，体验到自身的价值和成功的愉悦，取得更好的学习效果。4.4提升点加以训练控制变量法的掌握比物理学知识的掌握更难，但它处于更高的层次。通过一堂课的教学，学生能懂一个物理概念并能理解和初步应用，但控制变量法的掌握不是通过一次教就能让学生理解和掌握的，它的形成过程是一个长期的渐进的过程，它需要在摸透学生心理的基础上，凭借教材中可渗透的因素，进行全方位、多渠道的持之以恒的磨砺。为此，可通过以下实施途径寄予训练：（1）结合物理概念进行控制变量法渗透物理概念是从大量同类物理现象和物理过程中抽象出来的，所提示的是客观事物的共同性质和本质特征，物理概念的形成过程就是应用科学方法思维的过程，这位我们提供了渗透控制变量法的教育素材。（2）结合物理规律进行控制变量法的渗透物理规律是物理现象或过程内在的本质联系，在一定条件下发生、发展和变化的必然反映。和物理教学一样，在探索、总结物理规律时，也应重视控制变量法的传授。（3）结合物理规律学史进行控制变量法渗透教材中涉及到许多物理学家，他们取得伟大成就的过程中，所运用的科学研究方法和实验构思精妙绝伦，结合教学内容介绍物理史上科学家研究物理问题的方法，则无疑是渗透控制变量的又一条重要途径。（4）结合物理习题进行控制变量法渗透在初中物理中，可用控制变量法去分析和解决的实际问题是很多的，例如，这样一道题：质量相同的水和煤油，吸收相同的热量，谁升高的温度较大？如能用“控制变量法”这一科学方法来分析，很容易得出这个问题的答案是：煤油升高的温度比水大，这又为我们提供了另一条途径。另外，控制变量法是一种最常用的、最有效的探索客观物理规律的科学方法，是中考必考内容，一般出现在实验设计和阅读探究题中。解决该类问题的关键，首先要明确通过什么现象判断结论的，然后运用控制变量法设计探究方案和探究结论。5结论控制变量法是初中物理教学中最常用和非常有用的探索物