【控制變量法在中學物理實驗教學的應用探究8000字（論文）】

控制變量法在中學物理實驗教學的應用研究摘要：在中學物理學習中注重學生對實驗方法的掌握，控制變量法作為物理實驗中的重要方法值得我們探究。而多數(shù)學生對控制變量法的掌握不扎實，很難真正運用。基于此，本論文用試卷測試法就學生對控制變量法理解和掌握程度進行了分析。隨后，根據(jù)分析提出了適當?shù)母倪M措施。為了驗證措施是否起作用進行了對比實驗。從而找到在教學中提高學生運用控制變量法的能力的教學方法和手段，為教師和學生提供指導。關鍵詞：控制變量法；中學物理；改進措施目錄TOC\o"1-3"\h\u250131引言 1120732理論基礎與相關概念 2321312.1理論基礎 2300232.1.1建構(gòu)主義理論 242792.1.2認知結(jié)構(gòu)學習理論 2298572.1.3有意義學習理論 3109812.2相關概念 351202.2.1物理實驗教學 3243682.2.2控制變量法 4111463中學生對控制變量法在物理實驗教學中應用分析 5144423.1研究計劃 522883.1.1研究目標和所括 528483.1.2研究方法 6239923.2首測的落實 6320393.2.1首測的設計方法 6125863.2.2首測的最終評定 657264針對調(diào)查結(jié)果的改進措施 8313494.1引入控制變量法的概念 832734.2深化控制變量法的使用步驟及注意事項 10278914.3明確控制變量法的注意事項 13200135針對改進措施的的對比實驗方案 1440405.1對比實驗的具體方案 1471195.2結(jié)果分析 14171896.結(jié)論 181引言物理課程是一門以進行觀察與實驗相結(jié)合為主要理論基礎的學科，大多數(shù)的物理規(guī)律都應該是在進行實驗的基礎上形成并且確定和發(fā)展起來的。要想讓學生們可以牢牢的掌握并純熟應用物理規(guī)律，就要重視培養(yǎng)他們的科學探究能力。而自然界的很多物理現(xiàn)象非常復雜，故影響物理研究對象的因素并不是一個，是不同因素之間的相互作用。因此，控制變量法可以解決這一問題，值得學習與探究。根據(jù)研究需要，控制變量法將多要素問題轉(zhuǎn)化為一個要素，一次只變一個因素。關于本課題的研究國內(nèi)外的學者關注度逐步在提高。就國內(nèi)而言，2013年李志強[1]分析了物理課程中控制變量法的適用性和重要性；2015年卓玉萍[2]有提到初中物理課程在實驗性教學中應用到的各種科學技術方法及概念；2016年陳欣[3]寫到了運用控制變量法建立物理概念以及規(guī)律，但是舉例較少；2020年羅光勇[4]研究了控制變量思想的重要性并且舉了大量例子。在國外，美國諾伯特·維納曾經(jīng)著書《控制論》，這個概念詞在被加速傳播和廣泛應用的過程中給各個領域的科學家?guī)砹诵碌乃枷胱兏?，科學實驗者將控制論和科學思想相結(jié)合，應用于各種科學實驗。也因為這樣，控制思想就慢慢地滲入到了物理當中[6]。然而，目前大部分都是由教師經(jīng)驗來指導如何在教學中運用控制變量法，對實施前后的效果分析較少，就中學物理來說，控制變量法的實際應用難度最大并且可以靈活地在解答題中進行，在物理課中占有非常重要的地位。故本文先通過試卷測試的方法初步了解學生對于控制變量方法的掌握并且做出分析，然后提出解決問題的措施，利用控制變量進行多個測試進行訓練，最后，通過比較測試驗證改進方案是有用的。最后結(jié)論是，控制變量法的應用對物理學習有幫助，讓老師認識到控制變量法對學生提升物理成績的重要性。2理論基礎與相關概念2.1理論基礎2.1.1建構(gòu)主義理論皮亞杰和維果斯基是這個理論的代表。構(gòu)成主義的主要特點是強調(diào)學生在老師的指導下積極發(fā)現(xiàn)、探索。學生在學習的時候不是單單把信息輸入以及累積。對于學生來說，他們不能直接存儲教師所教授的知識，但是可以根據(jù)現(xiàn)有的知識來理解新的知識。兩個學生建立知識的過程是不同的，任何兩個學生的知識構(gòu)建過程都是不同的。對于教師來說，應該致力于讓學生理解知識而不是讓他們簡單了解知識。在教學的過程中學生積極參加會有助于理解知識，按照之前的知識和其他學生進行對話，與其他學生協(xié)同提問，在自己的大腦中構(gòu)建新的知識，教師只不過是學生的學習助手。教師采用設計的教學方法，通過談話等方式，最終使學生所學的東西有意義。2.1.2認知結(jié)構(gòu)學習理論布魯納是認知建構(gòu)學習理論的先驅(qū)。當人們意識到新的信息時，就會把以前學過的信息與新的信息結(jié)合起來，形成新的精神框架，進而形成自己的知識。布魯納說過，就世界的理解來說，不單單是對它的秩序和結(jié)構(gòu)的反映，世界可能是什么樣的東西，是我們可以事先預測的一種結(jié)構(gòu)或模型。從理論上講，認知的學習結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)是組織人和相似的事物然后給予意義。學生們學習的知識，是所有種類知識的知識結(jié)構(gòu),這種知識結(jié)構(gòu)包括概念、思想和原則。學生在學習的時候，他們會積極探索，發(fā)現(xiàn)新的知識，然后，他們會將選擇的新的知識來保存。2.1.3有意義學習理論有意義學習理論能夠讓我們學習更有效率。有意義的學習和機械的學習是學生常見的學習形式，它們之間沒有很大的區(qū)別，但是它們處于連續(xù)體的兩個極端。學生有兩個標準來決定教育是有意義的還是機械的，標準是學生在新的教學內(nèi)容和舊的知識之間建立實質(zhì)性聯(lián)系的意圖，以及他們需要用自己的話來聯(lián)系。比如，在學習物理知識的時候，學習單位和物理符號等知識是機械學習，理解原理則是有意義學習。學生在學習過程中要有意義的學，作為老師要努力提升學習效果。在課程設計中，作為老師能夠依據(jù)不同的知識內(nèi)容設計課程，規(guī)范學習過程，促進有意義的學習。2.2相關概念2.2.1物理實驗教學物理實驗教學是我國現(xiàn)代物理課程教學內(nèi)容的重要組成部分，人們將其教學內(nèi)容中以物理實驗教學為主體的課程稱之為物理實驗教學。廣義的中學物理實驗課程就是指在我國中學物理教育中所有的關于實驗教學，它既僅僅包含了中學物理的各種實驗教學方法和形式，同時又包含了專門的實驗課。2.2.2控制變量法控制變量法是指根據(jù)科學研究的需要,利用一定的方法,主動控制某一事物的發(fā)展歷程,特殊的觀察環(huán)境和條件下探尋出客觀規(guī)律的方法。在傳統(tǒng)的物理和實驗教學中,運用控制變量的方法來研究這個問題的一種教學方案。這個過程是:進行物理實驗的時候，此實驗影響實驗結(jié)果的因素有許多，這就要求保持所有其它因素不變，僅僅改變一個因素，這樣把很多因素影響實驗結(jié)果轉(zhuǎn)化為單一因素對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。最終得到結(jié)論。

相互聯(lián)系的概念有:

(1)自變量:是人們可以改變的量。做實驗的人根據(jù)要求讓因變量發(fā)生變化的條件。

(2)因變量:通常實驗因自變量改變產(chǎn)生的結(jié)果和現(xiàn)象就是因變量。

(3)與實驗相關的無關變量:影響獨立變量以外的實驗結(jié)果的變量。實驗者在進行實驗時，除了要控制自變量，還需要盡量控制其他因素對實驗的干擾，從而確保實驗結(jié)果的真實性和科學性。

(4)對照組:是指在自然狀態(tài)下，也就是在沒有任何措施也可以進行實驗的一組。(5)實驗組:指一些獨立變量或無關變量的變化影響實驗結(jié)果，實驗人員需要進行實驗探索。3中學生對控制變量法在物理實驗教學中應用分析3.1研究計劃 3.1.1研究目的和所括一．研究目的進行物理實驗教學時,將控制變量法的思想、控制變量法的運用和原理等都滲透于課堂設計中,以此來逐步培養(yǎng)和提高學生控制變量法的綜合能力,學會控制變量法在各類物理實驗教學中的重要性和應用。二．研究所括1.首測關于本課題，其要求經(jīng)過一連串用控制變量方法進行實驗課堂培訓和提高學生的控制變量技術和能力,所以在研究課題的開始之前就已經(jīng)對學生做了前測分析,測試的內(nèi)容主要針對在這所實習學校帶的兩個班,前測的問題都是筆者設計的。經(jīng)測試后將不同班級所有學生就控制變量法的把握水平劃分為甲、乙、丙三個維度。2.進行教學練習本著切合實際的原則特選擇了初中物理教材上一節(jié)課本中幾個小實驗作為一個案例,并且我們將對兩個班級采取不同的方法,一個是班級采用傳統(tǒng)的方法進行教學,另一個是班將控制變量法的理念滲透到教學中去教學,在課堂上設置實驗的時候要更加注重以每個學生自己作為實驗的主體,讓每個學生在實踐中體會完整的理論和探究過程,慢慢地學會使用控制變量法來分析和解決問題。3.后測經(jīng)過了幾次實驗性的教學培養(yǎng)以后，通過實踐測試方式來深入了解到學生們在進行課程設計時所需要的對控制變量法的基本掌握。3.1.2研究方法試卷測試法在這個研究中，對學生是否具有控制變量的能力進行比較和分析，進行前測和后測的測試。2.講授法3.2首測的落實3.2.1首測的設計方法為了落實本次研究，本著實事求是的原則，利用實習的機會對所帶的兩個班級的學生通過針對性試題對他們開展控制變量能力的測驗。3.2.2首測的最終評定學生們的月考結(jié)束后，我根據(jù)他們的物理成績，將前部分同學確定為優(yōu)等生，中間的確定為中等生，后面學生確立為學困生，并且我把各層次學生月考的物理成績和控制變量法考查成績進行分析，得出以下表。表3.1月考成績和控制變量法成績月考控制變量法考查平均分平均分優(yōu)等生8582中等生7168學困生4748圖3.2學生兩次成績對比由表3.1和圖3.2兩個可以清楚地看到，學生對于控制變量法的理解和掌握情況與其物理專業(yè)學科成績密切相關，也就是說，如果學生通過自己的動手和實踐來靈活運用這種控制變量法，那么它們將會對物理專業(yè)學科成績的改善和提高有很大幫助。同時，控制變量能力越好那么物理成績的質(zhì)量就越高。學生采取許多科學方法學物理知識。這些科學方法可以綜合所有的物理知識，使物理也可以理解為科學。學生常常利用控制變量法來學習。學生不掌握控制變量法的本質(zhì)的話，就無法成功地進行大量的實驗研究。作為一種科學方法，控制變量法很多人在小學就聽過，對學生的考試結(jié)果研究后，就控制變量法的題目而言，多數(shù)學生僅能夠認識到題目中體現(xiàn)出了控制變量法，但是卻并不知道本質(zhì)，實驗設計中學生很難做到控制單一的變量。4針對調(diào)查結(jié)果的改進措施4.1引入控制變量法的概念控制變量法是各個學科中運用比較廣泛的方法，特別是在物理學科的學習中，其顯得尤為重要[5]。因為在物理實驗過程中常常需要對多個因素進行探究。本課題是在實習期間進行的，主要運用的是人教版的物理書，實習時利用“探究物體的動能與哪些因素有關”，教學片斷如下表4.1。表4.1上課教學活動教師活動學生活動師：上節(jié)課我們學習了動能。本節(jié)課探究一下動能與什么因素有關系。大家閱讀課本67頁到68頁，動手來做一下實驗吧。大家先做物體運動的速度對于動能的影響。師：大家都在認真做實驗，這個實驗研究的是物體速度對動能的影響。但是大家有的同學用的是大一點的鋼球，有的同學用的是小一點的鋼球，這就造成了大家實驗結(jié)果的不同，在許多科學家的探索之下，發(fā)現(xiàn)了控制變量法對于解決問題的簡潔性。師：控制變量法就是學者依靠現(xiàn)實的研究對某些條件加以控制。隨后，在一定的限制下研究事物的發(fā)展階段。使用控制變量法進行物理實驗研究時，應該清楚把握自變量、因變量和有限無關變量三種變量。自變量是一個重要因素，如上述實驗中研究速度對于動能的影響，可以改變不同的速度。因變量指的是獨立變量的變化導致的結(jié)果，也就是實驗中的動能的大小。無關變量也就是是在做實驗的時候，除了自變量之外一切可以導致結(jié)果發(fā)生變化的量，也就是實驗中的鋼球的大小，即鋼球的質(zhì)量。師：老師已經(jīng)介紹完了。那么請大家思考一下，如何來進行實驗呢?師：那我們就開始實驗吧，這位同學的辦法很好，因此這個表格同學們填一下生1：老師，實驗結(jié)果不一樣。生2：對，老師怎么都不一樣呢？生：老師能夠具體說一下控制變量法？生：應該只有速度的話，只改變速度，也就是使得鋼球從不同的高度落下，其他的無關變量都應該保持不一樣，那就應該一直都使用一個小球才可以。表4.2實驗表格實驗要求自變量因變量無關變量探究物體動能跟物體的速度有關物體的速度物體的動能物體的質(zhì)量，接觸面等探究物體動能跟物體的質(zhì)量有關物體的質(zhì)量物體的動能物體的速度，接觸面等學生很快填寫了4.2這份表格，并在繼續(xù)努力后得出新結(jié)論：質(zhì)量相同的兩個物體，運動的速度越大，它的動能就越大：運動速度相同的物體，質(zhì)量越大，它的動能也越大。4.2深化控制變量法的使用步驟及注意事項在學習中了解了控制變量的定義后，學生仍然不能靈活去使用，并且有時根本不能將題目與控制變量法聯(lián)系起來，基于此在授課過程中，通過引導學生進行自主實驗透徹的了解它的正確使用方法。下面是“探究影響滑動摩擦力大小的因素”的教學片斷，如下表4.3。表4.3上課教學活動教師活動學生活動師：上節(jié)課我們學習了運用二力平衡測量滑動摩擦力，那么大家還有什么想知道的呢?師：同學們現(xiàn)在都用自己的雙臂按著一張桌面在地板上滑動，用腳踏地。先輕輕嘗試，再用力嘗試。師：請同學們根據(jù)自身的生活實踐經(jīng)驗及所了解的東西來思考摩擦力的多少以及可能與什么因素有關呢？師：對，這都是從生活經(jīng)驗中思考出來的，今天我們來認真研究影響滑動摩擦力的因素。根據(jù)剛才幾位同學說的，下面我們來一個一個進行研究，現(xiàn)在大家閱讀課本的第24頁，然后開始做實驗。師：現(xiàn)在開始研究第一個接觸面上壓力對滑動摩擦的影響。大家想一下該怎么做呢？師：是這樣嗎，大家想一下之前學習過的老師上次給大家講的什么是控制變量法，再給大家一點時間思考。師：那大家想一下，既然有兩個變量，我們要研究的是壓力的大小影響的情況，那么誰應該是因變量和自變量呢？師：大家現(xiàn)在開始做實驗吧。同理大家再做一下第二個實驗。師：今天主要給大家講了幾個影響平板滑動時摩擦力強弱的因素：平板接觸面上的壓力和平板接觸面上的粗糙度。師：首先明確實驗目的，得出結(jié)論。我們的目的是通過分析實驗目的來判斷變量，與上述實驗一樣，研究了接觸面粗糙程度，壓力大小和滑動摩擦的影響。根據(jù)這個實驗目的，首先在研究壓力大小情況下，壓力的變化是獨立變量。例如，接觸面的粗糙程度為無關變量，滑動摩擦力是因變量。其次是做出假定。然后剖析要做的實驗，明確實驗變量[7]。最終做出實驗過程。此外，利用用了控制變量的設計開展實驗。還有，實驗結(jié)果的分析。生：老師，我想知道滑動摩擦力和什么有關？生：老師感覺到摩擦力不一樣。生1：接觸面的粗糙度，雨天比較晴天剎車難。生2：接觸面的壓力，推重物比輕物體更難。生1：是要探究接觸面所受壓力對滑動摩擦力的影響，那我們只需要改變壓力的大小就好了，在木塊上多次放上不一樣的砝碼就可以了生1：對，根據(jù)預測有兩個因素會影響摩擦力，剛才只改變壓力的大小，忽略了接觸面的粗糙程度。生：目的是研究壓力大小，所以應該改變壓力大小，但是還要保持接觸面是一樣的才可以，這樣才真正研究的是壓力的大小。生：小組發(fā)現(xiàn)，壓力大的時候，摩擦力也會大，接觸面粗糙摩擦力也會大。4.3明確控制變量法的注意事項再次在學習了控制變量法的基本概念及其使用的步驟以后,在接下來的實踐中往往都會認為考慮不周到,總結(jié)了如何應用控制變量法的幾點注意事項[9]。第一，確定各個因素且尋找具體聯(lián)系。第二，確保自變量以外的其他變量保持不變。第三,結(jié)合學生的學情采取有效的自變量控制方法。第四，關注實驗過程中的細節(jié)。第五，確保自變量的本質(zhì)不發(fā)生改變。5針對改進措施的的對比實驗方案5.1對比實驗的具體方案經(jīng)過分析初二兩個班的物理月考成績發(fā)現(xiàn)，都是同一個老師所教，并且平時的考試成績的優(yōu)秀率和及格率差不多，基于此選擇了初二一班和初二二班，對這兩個班級進行對比。第一次考試到第二次考試這個過程中，對八（一）班的教學中，平時物理實驗過程中注重控制變量法的講授，明確了控制變量法的概念以及使用步驟。而對于初二二班的教學并沒有進行關于控制變量法相關的知識講解。通過這樣的教學，在第二次月考結(jié)束后分析比較兩個班得的成績。5.2結(jié)果分析兩次月考成績?nèi)缦卤?.1、5.2、5.3、5.4。表5.1八（一）班第一次月考物理分數(shù)編號010203040506070809101112131415成績848772806577916956638954428674編號161718192021222324252627282930成績717971658174636189537551836976編號313233343536373839404142434445成績786777558862867371858982648775平均分73.09及格率88％優(yōu)秀率35％表5.2八（二）班第一次期中物理分數(shù)編號010203040506070809101112131415成績888371737765827059679164527684編號161718192021222324252627282930成績758281457184537179436571927669編號313233343536373839404142434445成績887464877468818288867374647368平均分73.27及格率87％優(yōu)秀率35％表5.3八（二）班第二次物理分數(shù)編號123456789101112131415成績667490827785827966736974626674編號161718192021222324252627282930成績715971758154736179737581857468編號313233343536373839404142434445成績728355676877816778848378798287平均分74.22及格率95％優(yōu)秀率33％表5.4八（一）班第二次月考物理分數(shù)編號123456789101112131415成績899183807488867076737964827674編號161718192021222324252627282930成績877971758184737179837571747076編號313233343536373839404142434445成績869385738769744775837277768283平均分77.49及格率97％優(yōu)秀率37％圖5.5月考成績分布餅狀圖圖5.6月考成績對比筆者對兩個班級的學生答題情況進行了分析，由表5.1和表5.2可以看出，在第一個月的考試當中，兩個班的平均物理分數(shù)沒有太大差別，并且優(yōu)秀率是一樣。從表5.5可以看出，初二一班第一次月考成績在80~100分的人數(shù)最多，有15人。一班第二次月考70~80分的人數(shù)最多。第二次月考結(jié)束后，兩個班的成績?nèi)绫?.3和表5.4所示，可以看到兩個班學生成績及格率和優(yōu)秀率差不多，從表5.5可以看出成績分布二班第一次80~90分的人數(shù)最多，第二次考試70~80分的人多。由表5.6上能夠看出，在第一個月的考試中，兩個班的平均物理分數(shù)幾乎相同。在第二次的考試中，兩個班的平均物理分數(shù)比第一個月的考試提高了一些。不過比較八（一）和八（二）班，發(fā)現(xiàn)八（一）班的平均成績較八（二）班的平均成績多3.16分。與第一個月的平均得分相比，八（一）班的第二次月考物理平均得分較第一個月高了4.42分，但是初二二班班僅僅高了0.95分。并且也看出了初二一班的及格率比之前高了不少，而優(yōu)秀率基本沒有變化，這說明物理成績好一些同學已經(jīng)掌握了控制變量法的應用，沒有及格的學生在學習了物理實驗中運用的控制變量法大部分都能夠達到及格水平，而初二二班的優(yōu)秀率沒有變化，及格率減少了。6.結(jié)論本文探討了控制變量法在中學物理的應用。在中學物理學習中，物理實驗占據(jù)了很大部分且大量實驗都運用了控制變量法來解決問題。掌握好控制變量法至關重要[10]。首先閱讀了大量文獻了解了之前的研究情況。其次，經(jīng)過試卷測試的形式調(diào)查了學生對于控制變量思想方法的掌握。通過對調(diào)查結(jié)果的分析以及討論，發(fā)現(xiàn)對控制變量法的掌握情況會影響學生的物理成績。隨后，根據(jù)取得的成果提出了適當?shù)母倪M措施。最后，利用實習的實踐機會，對兩個班的學生進行了對比分析實驗，以檢驗改善措施的效果。通過這樣的綜合比較，改進措施的效力已得到證明。通過本文所做的研究可以得到這的結(jié)論：掌握好控制變量法對中學生物理的學習幫助很大，并且控制變量法的掌