从“控制变量法”看物理教学中对学生物理核心素养的培养

唐平

新一轮课程改革明确提出将“发展学生核心素养”作为进一步推进课程改革的关键环节。“核心素养”目标也是对以前三维目标的进一步明确表述，而且更直指教育的根本目的就是立德育人。因此，突出“学生为主体、教师为主导”的探究性教学方法，应是课堂教学的主线。

“物理核心素养”是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应学生终身发展和社会需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特点的品质，是学生科学素养的重要构成。物理核心素养主要由“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”四个方面构成。物理学是一门以实验为基础的科学，同时也是一门带方法论性质的科学，由此决定了物理学习的特点：观察和实验是物理学习的基础;形成物理概念，掌握物理规律，建立物理观念是物理学习的核心，科学方法是物理学习的手段。

如何利用控制变量法进行探究学习，培养学生的物理核心素养呢？

控制变量法的概念

自然界的各种现象往往是错综复杂的，并且被研究对象往往不是孤立的，总是处于与其他事物的相互联系之中，因此影响研究对象的因素在许多情况下并不是单一的，而是多种因素相互交错、共同起作用的。要想精确地把握研究对象的各种特性，弄清事物变化的原因和规律，单靠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。例如电学中研究电流、电压、电阻的关系，我们知道电压是形成电流的原因，而电阻是导体对电流的阻碍作用。导体电阻与导体的长度，横截面和材料有关。这个问题的研究存在两个关键部分，一是我们目标是探索电流与电压、电阻的规律，二是影响电流的因素不只一个量而有诸多因素，一是电压（U）二是电阻（R），我们在研究三者之间的关系时。实验采取控制电阻（R）不变、研究电流与电压的关系。然后再控制电压不变、来研究电流与电阻的关系。这种研究的对象（电流）同时受二个或二个以上的物理量的影响（电压、电阻）我们人为的控制其中的一些物理量，使它们不变，来研究另外两物理量之间的关系，这种方法就是物理实验上的控制变量法。

控制变量法的作用及其意义

物理实验过程中，控制变量法是一种最常用，非常有效的探索物理规律的科学方法。例如，在引导学生探究导体的电阻大小同导电体的哪些特性有关，可先有意将横截面积、长度都不同一根镍路合金丝和一根铜丝分别串入接小灯泡的直流电路中，让学生观察灯泡发光的亮度，并问学生：刚才的实验的实验现象能否说明电阻大小与导电体的某个特性有关？学生经过思考与讨论，得到结论当然是否定的。再用横截面积和长度都不同的两根镍铬合金分别串入上述电路中中，观察小灯泡的亮度，并让学生思考这个实验能否说明电阻大小同导电体的某种特性有关，结论同样是不能。这时就可不失时机地问学生：“那么应该取两根金属丝串入上述电路中做这个实验以研究电体的电阻大小与哪些因素有關呢？同时向学生出示课前准备好的几根金属丝让他们选择。学生经过思考并相互讨论后，有的回答：应取两根截面积相同，但长度不同的镍铬合金丝进行上述实验;有的同学说：应取两根长度相同，但截面积不同的镍铬合金丝进行上述实验;还有说应取长度、横截面均相同的一根镍铬合金进行实验比较。这时教师适时指出上述几中方法都以，同时指出更研究电阻的大小同导电物质的长度、横截面积、材料种类这三个因素任何一个因素的关系，就要人为地控制别个两个因素，使它们相等，并指出这种实验的方法就是”控制变量法“，再让学生设计好实验步骤系统地进行实验，最终得出结论，也就是“电阻定律”。

在此实验中，通过教师引导，学生在学习中体会变量的概念，建立控制变量的实验意识，在学习过程中获得经验，有所领悟，初步形成探索科学的精神和良好的科学品质，同时体验自身价值和成功愉悦，从而取得更好的学习效果。

在中学物理中有许多概念和规律的探索和推导过程，都运用了“控制变量法”这一个科学方法：例如在研究气体的温度、体积、压强这3个状态变量之间的关系时，必须设法把决定气体状态的一个量或两个量用人为的方法控制起来，使它保持不变，然后来比较、研究其他两个变量之间的关系。在进行观察时，首先把研究对象限定为一定质量的气体，然后研究在温度恒定的条件下，它的体积跟压强的关系，得出了玻意耳定律。如果使一定质量气体的体积（或压强）保持不变，研究它的压强跟温度的关系（或体积跟温度的关系），便得出了查理定律了（或盖？吕萨克定律）。这三个定律都是用控制变量的方法得出的描述一定质量的气体的状态量之间的关系的实验定律，为建立理想气体模型、推导理想气体状态方程提供了可靠的实验依据。

例如在研究物体的加速度跟所受的外力和物体质量的关系时，也采用了控制变量的方法。如先研究物体质量不变时，在大小不同的外力作用下，物体的加速度跟外力的关系;再研究在相同大小的外力作用下，物体的加速度跟质量的关系。最后得出的结论就是牛顿第二定律。

再如探究影响电流的热效应的因素、验证欧姆定律、探究影响电流做功多少的因素、理想斜面实验、探究影响滑动摩擦力大小的因素、探究影响动能大小的因素、探究影响重力势能大小的因素等等实验都采用了控制变量法。

在物理核心素养中，科学探究是一个过程，是学习方式和科学研究方法，是学习物理观念、发展科学思维、形成科学态度与责任的手段和途径。同时，也是一种能力，物理观念、科学思维、科学态度与责任是通过物理学习而形成的核心素养。在物理教学中，应该尊重学科规律，根据不同的知识选取恰当的物理方法，以生为本，充分调动学生的积极性和创造性，进而最大程度提高学生的物理学科素养。