莊振海

摘 要:科學(xué)教育的目的是提高每一個(gè)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),科學(xué)素養(yǎng)包含了科學(xué)探究(過程、方法與能力),而實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)作為科學(xué)探究的重要步驟,它對(duì)學(xué)生的學(xué)業(yè)水平提高、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有著重要意義,更重要的是它能培養(yǎng)學(xué)生今后參與社會(huì)的能力、深刻理解科學(xué)與社會(huì)的關(guān)系。目前在初中科學(xué)中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要方法有兩個(gè)即對(duì)照實(shí)驗(yàn)和控制變量實(shí)驗(yàn),本文將從兩者的定義、設(shè)計(jì)過程中的難點(diǎn)、區(qū)別和聯(lián)系展開討論。

關(guān)鍵詞:對(duì)照實(shí)驗(yàn) 對(duì)照組 控制變量實(shí)驗(yàn) 自變量因變量

初中科學(xué)的教材中并沒有明確提到對(duì)照實(shí)驗(yàn)和控制變量實(shí)驗(yàn)的定義,但教材中很多方面運(yùn)用到對(duì)照實(shí)驗(yàn)和控制變量實(shí)驗(yàn),如生命科學(xué)部分有:是什么將蝴蝶吸引到花上去的,食物上滋生微生物的條件(即研究微生物生長與溫度的關(guān)系、微生物生長與水分的關(guān)系),探究唾液淀粉酶分解淀粉的實(shí)驗(yàn),探究種子萌發(fā)的條件,溫度對(duì)酶的活性影響、PH值對(duì)酶的活性影響等,物質(zhì)科學(xué)部分有:食鹽在水中溶解快慢的影響因素、影響導(dǎo)體電阻大小的因素、研究電壓、電阻對(duì)電流的影響等。在教學(xué)中,筆者經(jīng)常發(fā)現(xiàn)學(xué)生很難判斷哪個(gè)實(shí)驗(yàn)是對(duì)照實(shí)驗(yàn),哪個(gè)實(shí)驗(yàn)是控制變量實(shí)驗(yàn),而且在對(duì)照實(shí)驗(yàn)中,有些學(xué)生不能準(zhǔn)確地判斷對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組,在控制變量實(shí)驗(yàn)中,有些學(xué)生不能識(shí)別自變量和因變量,不能有效地控制變量,不能把因變量轉(zhuǎn)化為可感知的、可量度的事物、現(xiàn)象或測(cè)量方法,而且有相當(dāng)多的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,不知道如何用對(duì)照實(shí)驗(yàn)和控制變量實(shí)驗(yàn),混淆兩者。所以在教學(xué)中澄清兩類實(shí)驗(yàn)的定義,突破實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn),了解它們之間的聯(lián)系,辨別兩者的區(qū)別是非常有必要的。

一、對(duì)照實(shí)驗(yàn)

1.定義:在浙教版七年級(jí)上冊(cè)課本52頁中提到:在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)排除實(shí)驗(yàn)對(duì)象外其他因素的干擾,這就需要對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行控制。設(shè)置對(duì)照組是常用的控制實(shí)驗(yàn)條件的方法。這段話主要闡明了對(duì)照實(shí)驗(yàn)的作用,但并非對(duì)照實(shí)驗(yàn)的定義。查閱有關(guān)材料可知,對(duì)照實(shí)驗(yàn)的定義是為了研究某一因素對(duì)一個(gè)對(duì)象有無影響時(shí),除了對(duì)該因素作處理外,其他因素都保持一致,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,這種實(shí)驗(yàn)稱為對(duì)照實(shí)驗(yàn),對(duì)照實(shí)驗(yàn)有對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組。

2.常見的對(duì)照類型

(1)空白對(duì)照:指不做任何實(shí)驗(yàn)處理的對(duì)照組。如研究唾液淀粉酶分解淀粉的實(shí)驗(yàn)中,A、B兩試管都有等量的淀粉糊,在A試管中加入2ml唾液,在B試管中加入2ml的清水,其中B試管就是一個(gè)空白對(duì)照。

(2)自身對(duì)照:指實(shí)驗(yàn)和對(duì)照在同一對(duì)象上進(jìn)行,即不再另設(shè)對(duì)照組。如探究“蝸牛有視覺嗎?”實(shí)驗(yàn)中,先讓蝸牛在燈光下爬行3分鐘后,用書本遮在它的上面,使它的一半身體處于陰影中,觀察蝸牛怎樣行動(dòng)?實(shí)驗(yàn)結(jié)果是爬向陰影部分,結(jié)論是蝸牛有視覺。本實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)和對(duì)照在同一對(duì)象上進(jìn)行,為了排除無關(guān)變量的干擾,創(chuàng)造了光線明暗不同,而其他條件相同的環(huán)境,觀察蝸牛的爬行情況,從而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

(3)缺因?qū)φ?在實(shí)驗(yàn)處理中,對(duì)照組施以全部實(shí)驗(yàn)變量,而實(shí)驗(yàn)組除研究的因素外,其余條件與對(duì)照組一樣。如,在研究種子萌發(fā)所需要的環(huán)境條件實(shí)驗(yàn)中,作出的假設(shè)是:種子萌發(fā)需要適宜的溫度,充足的水分和充足的空氣。如果要驗(yàn)證種子萌發(fā)需要充足的水分,我們就可以這樣來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn):取兩個(gè)培養(yǎng)皿,第一個(gè)培養(yǎng)皿中有潮濕的紗布;第二個(gè)培養(yǎng)皿中放干燥的紗布,然后各放同種的玉米種子15顆,蓋上培養(yǎng)皿的蓋子,再放在室溫的環(huán)境中,7天后觀察種子的萌發(fā)情況。本實(shí)驗(yàn)就是缺因?qū)φ?根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,就可以知道種子萌發(fā)需要充足的水分。

(4)相互對(duì)照:實(shí)驗(yàn)中,不再設(shè)對(duì)照組,而是利用幾個(gè)實(shí)驗(yàn)組相互對(duì)照。如在探究“是什么將蝴蝶吸引到花上去的”中,同學(xué)們作出的假設(shè)有:可能是花的顏色把蝴蝶吸引到花上去,我們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案應(yīng)是:取若干紙花,它們的顏色不同(有白色、紅色、粉紅色、黃色、黑色五種顏色),花的大小、形狀、氣味都相同,然后放若干只蝴蝶,觀察蝴蝶在花上的停留情況。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案中,不設(shè)對(duì)照組,所有的各組都是實(shí)驗(yàn)組,通過相互對(duì)照,就可以知道不同顏色的花對(duì)蝴蝶的吸引作用。還有,如果我們要探究酶的最適宜的PH值,我們也可以把實(shí)驗(yàn)組溶液的PH值設(shè)置為4、5、6、7、8、9等,根據(jù)相互對(duì)照,即可知酶的最適宜的PH值。

3.對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的確定

在確定實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組時(shí),首先要明確該實(shí)驗(yàn)的目的。實(shí)驗(yàn)組是針對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩砜刂?干預(yù)研究對(duì)象而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作,是用來證明假設(shè)的,對(duì)照組是為了排除其他無關(guān)因素或非研究因素的干擾而進(jìn)行的操作?？梢?在空白對(duì)照和缺因?qū)φ罩?實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的確定就比較容易,在空白對(duì)照中,不加任何實(shí)驗(yàn)處理的那一組即為對(duì)照組。在缺因?qū)φ罩?全部施以實(shí)驗(yàn)變量的那一組即為對(duì)照組,缺乏某一因素的那一組為實(shí)驗(yàn)組。在自身對(duì)照中要緊緊地抓住實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩泶_定實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。如在研究“蝸牛有視覺嗎?”的實(shí)驗(yàn)中,由于實(shí)驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證蝸牛有視覺,就對(duì)有光的環(huán)境作了處理,讓蝸牛的身體一半處于暗環(huán)境中,如果觀察到蝸牛的爬行情況和原先一樣,就能說明蝸牛無視覺,如果蝸牛爬向陰影部分,說明蝸牛的爬行情況發(fā)生了變化,從而證明了蝸牛有視覺,極據(jù)以上情況,我們就可判斷,遮光時(shí)為實(shí)驗(yàn)組,光照正常時(shí)為對(duì)照組。在相互對(duì)照中,每組之間相互為對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組,即它們既為實(shí)驗(yàn)組,又為對(duì)照組。

二、控制變量實(shí)驗(yàn)

控制變量實(shí)驗(yàn)是指為了研究某一因素對(duì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象有怎樣的影響趨勢(shì)時(shí),讓該因素處于不同水平,其他因素保持不變,通過對(duì)比結(jié)果,從而得出該因素對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象有什么規(guī)律的影響。通俗地講,當(dāng)某個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象受較多因素影響時(shí),為了研究某一因素對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的影響,單憑自然狀態(tài)下是看不出來的,這時(shí)就應(yīng)該人為地控制其他因素不變,讓研究的因素不斷地改變,從而找出實(shí)驗(yàn)對(duì)象受此因素影響的規(guī)律。在控制變量實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生要具備以下三種能力:識(shí)別變量的能力,根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋鎰e自變量和因變量的能力,操作性地定義因變量的能力。那么什么是變量、自變量、因變量?如何操作性地定義因變量呢?所謂變量,是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中將會(huì)發(fā)生變化的事物特征,如在研究電流和電壓、電阻的關(guān)系中,電壓、電阻、電流均是變量,如果要研究電流和電壓的關(guān)系,我們常做的方法是:控制電阻不變,改變電壓的大小來研究電流的變化規(guī)律,這時(shí),電壓的大小就是自變量,電流的大小就是因變量,由此可見,自變量就是有目的地改變的變量,也可稱為“由你改變”的變量,因變量是隨著自變量變化而變化的量,即“它自己變”的量。如學(xué)生在做研究性學(xué)習(xí)課題“溫度對(duì)大米發(fā)霉的影響”時(shí),自變量為溫度,因變量為霉菌的數(shù)量,其他變量還有空氣的濕度、空氣中O2的含量、大米的干燥程度、大米的種類,這些變量在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)予以控制不變,以防止對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾,這些變量又叫控制變量,也稱無關(guān)變量。在設(shè)計(jì)控制變量研究的實(shí)驗(yàn)中,如何操作性地定義因變量呢?也就是說如何將因變量轉(zhuǎn)化為可感知、可量度的事物、現(xiàn)象和方法,既說明在實(shí)驗(yàn)中如何測(cè)量因變量,說明需要“做什么”和“怎么做”,這是控制變量實(shí)驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),它能清楚地讓其他人明白你在研究什么,而且這種明確性有助于其他人重復(fù)該實(shí)驗(yàn)。如在討論“蜂蜜的粘度與溫度有什么關(guān)系?”的實(shí)驗(yàn)中,我向?qū)W生提出:本實(shí)驗(yàn)中如何去觀察或測(cè)量蜂蜜的粘度?在學(xué)生思考此問題前我先明確地告訴學(xué)生,你得讓其他人能照著你說的過程去做,你的操作性定義應(yīng)該有以下幾個(gè)特征:①你的方法應(yīng)該是可觀察的、重復(fù)的、直接操作的;②你所提示的測(cè)量或操作必須可行;③最好能把變量轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)形式。經(jīng)過學(xué)生個(gè)人思考,師生共同討論,總結(jié)出以下幾種方案:

1.用相同的4支膠頭滴管,分別吸足20℃、40℃、60℃、80℃的蜂蜜,垂直靜置,用秒表測(cè)量膠頭滴管中蜂蜜滴完的時(shí)間,比較時(shí)間的長短,時(shí)間越長蜂蜜粘度越大?；蛟谀z頭滴管垂直靜置后,在相同的時(shí)間內(nèi),觀察膠頭滴管中剩余蜂蜜的體積,剩余的體積越多,蜂蜜的粘度越大。

2.用4支膠頭滴管,分別吸取20℃、40℃、60℃、80℃的蜂蜜,再拿4支相同的試管,傾斜到同一個(gè)角度,然后在1號(hào)試管口滴一滴20℃的蜂蜜,以此類推,在4號(hào)試管口也滴一滴80℃的蜂蜜,用秒表測(cè)量蜂蜜流到試管底部所需的時(shí)間,時(shí)間越長,粘度越大。

3.在20℃、40℃、60℃、80℃的蜂蜜中,放4個(gè)大小相同的鉤碼,然后分別用彈簧秤勻速拉起勾碼,讀出彈簧秤上的力,力越大,蜂蜜的粘度也越大。

4.也有學(xué)生提到,取相同體積的20℃、40℃、60℃、80℃的蜂蜜,放在4個(gè)相同的燒杯中,然后在液面處放鉤碼,用秒表測(cè)出鉤碼沉到燒杯底部所需的時(shí)間,時(shí)間越長,粘度越大。從以上幾個(gè)方法中,可以看出學(xué)生能用秒表測(cè)時(shí)間的長短、彈簧秤測(cè)拉力的大小、觀察體積的多少,來定義蜂蜜的粘度,方法簡單,操作方便。

三、對(duì)照實(shí)驗(yàn)和控制變量實(shí)驗(yàn)的聯(lián)系和區(qū)別

這兩種實(shí)驗(yàn)在初中科學(xué)中運(yùn)用非常廣泛,以后也會(huì)經(jīng)常用到。在這兩種實(shí)驗(yàn)方法中,都需要控制變量,這是它們的共同之處,但兩者研究的目的不一樣。如,對(duì)照實(shí)驗(yàn)是研究某因素對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象有無影響,而控制變量實(shí)驗(yàn)是研究自變量對(duì)因變量有怎樣的影響,但有時(shí)兩者也可結(jié)合起來使用。如研究“不同程度煙草浸出液對(duì)水蚤生命活動(dòng)的影響”課題中,自變量是煙草浸出液的濃度,因變量是水蚤的生命活動(dòng),可用每分鐘的心跳次數(shù)來表示,也可用單位時(shí)間內(nèi)的水蚤死亡個(gè)數(shù)多少來表示。具體方案可以這樣設(shè)計(jì):取蒸餾水、濃度1、濃度2、濃度3的煙草浸出液,把40只水蚤平均分到以上4種液體中,每隔一段時(shí)間測(cè)量4種液體中水蚤的心跳次數(shù),共進(jìn)行3次來測(cè)心跳。從以上設(shè)計(jì)中可看出,蒸餾水作為對(duì)照組,濃度1、濃度2、濃度3是實(shí)驗(yàn)組。通過本實(shí)驗(yàn)不僅可以知道煙草浸出液對(duì)水蚤的生命活動(dòng)有無影響,而且通過對(duì)比、歸納,還會(huì)知道不同濃度的煙草浸出液對(duì)水蚤生命活動(dòng)有怎樣的規(guī)律性的影響。

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作者單位:溫州瑞安市安陽實(shí)驗(yàn)中學(xué)