控制变量法在高中化学实验题中的运用
夏时君
(深圳市新安中学，广东深圳518101)
摘要：通过对五个显性案例的剖析，说明控制变量法化学实验探究应用很广。本文分析了其中渗透的隐性控制变
量的内涵，并对控制变量法中的变量类型、变量实施、变量关系和实验条件的优化进行理性提练。
关键词：控制变量法；实验变量；反应变量；化学探究实验
文章编号：1005--6629(2011)02—0053—04中图分类号：G632．479文献标识码：B
控制变量法作为化学实验探究的有效方法．在
探究实验中运用较多。下面笔者通过对五个案例的
评析，剖析控制变量法的实质。
1变量类型的功能、假设与
锌桁水稀硫酸
【案例l】氧化铜，可溶于稀硫一九几
酸。某同学想知道是稀硫酸中的I||
哪种粒子(HzO，H+，s042一)能使氧月口月
化铜溶解。请你和他一起通过，I、CuOCuOCuO
II和III三个实验(如图l所示)完成1固?1儿1
这次探究活动。
(1)某同学提出的假设是(2)通过实验I可以证明——；
(3)要证明另外两种粒子能否溶解氧化铜，还需
要进行实验II和III。在II中加入稀硫酸后氧化铜溶
解，则进一步所做的实验操作是：在III中先加入
．再加入
(4)探究结果为。你认为除
实验II和III所用的试剂外．还能溶解氧化铜的一种常见物质是——。
f分析1所谓控制变量法是指在研究和解决问题
的过程中，对影响事物变化规律的因素或条件加以
人为控制，使其中的一些条件按照特定的要求发生
或不发生变化，以利于在研究过程中。迅速找到事物
发展的规律，最终解决所研究的问题，是进行科学研
究经常用到的方法【11。在化学探究中，不同的因素和
条件对实验产生不同影响。根据因素性质的不同．
变量可分为实验变量、无关变量和反应变量。实验
变量(又称自变量)是指实验中由实验者所操纵的因
素或条件；无关变量f又称因变量)指实验中由于实
验变量而引起的变化和结果。通常实验变量是原因．
反应变量是结果，两者具有因果关系[21。故在化学探
化学教学2011年第1期
究实验中首先要明确实验目的．分析实验原理。确定
实验变量、无关变量、反应变量，并在探究进行中控
制无关变量和操纵实验变量。在探究氧化铜溶于稀
硫酸的影响因素的实验中，根据稀硫酸成分分析可
知，H：O，H+，SO产均有可能成为条件和因素。通过对
有关影响因素作用性质的假设分析，确定实验变量、
无关变量和反应变量对应的物理量．实验问题解决
就有了良好基础。
[答案](1)HzO、H+、5042一中的某一种粒子能够使
CuO溶解；(2)水不能使氧化铜溶解，而H+、S042一两种
粒子中的一种可能使CuO溶解；(3)Na2SO。(或KzS04
等)；稀硫酸；(4)氧化铜固体溶于稀H2sO。是H+在起作
用，而H：0、SO。2‘两种粒子都不能使CuO溶解；硝酸或
盐酸等。
2变量实施的控制、操纵与检测
[案例2】某探究小组用KMnO。酸性溶液与HzC20。
溶液反应过程中溶液紫色消失的方法，研究影响反
应速率的因素。实验条件作如下限定：所用KMnO。酸
性溶液的浓度可选择0．01mol·L-1、0．00lmol·L一，催
化剂的用量可选择0．5g、0g．实验温度可选择298
K、323K。每次实验KMnO。酸性溶液的用量均为4
mL、H2C204溶液0．01tool·L。1的用量均为2mL。
(1)请完成以下实验设计表，并在实验目的一栏
中填出对应的实验编号：
实验催化剂的KMn04酸性溶液
编号"K实验目的用量／g的浓度／tool·L。1
(I)实验①和②探究
①298O．5O．01KMnO。酸性溶液的浓度
对该反应速率的影响；
②(II)实验①和——探究温
度对该反应速率的影
③响：
(111)实验①和——探究
催化剂对该反应速率的④
影响
·53·万方数据
(2)某同学对实验①和②分别进行三次实验，测
得以下实验数据(从混合振荡均匀开始计时)：
KMn04酸性溶液溶液褪色所需时间t／min
的浓度／tool·L-1第1次第2次第3次
O．Ol141311
O．001677
计算用0．001mol·L-1KMnO。酸性溶液进行实验
时KMnO。的平均反应速率——(忽略混合前后溶液
的体积变化)。
(3)若不经过计算，直接看表中的褪色时间长短
来判断浓度大小与反应速率的关系是否可行?一。若不可行(若认为可行则不填)，请设计可以通过直
接观察褪色时间长短来判断的改进方案：——。
『分析1在实验探究中需做到控制无关变量、操
纵实验变量和检测反应变量。控制无关变量即通过
对照法，平衡无关变量的影响，如在问题(1)的实验
①和②中，探究KMnO。的浓度对该反应速率的影响，
就需要消除反应温度和催化剂对实验的影响．需要
控制两者在实验过程中保持不变：操纵实验变量即
通过赋予实验变量不同的水平值。如实验①和②中
KMnO。酸性溶液的浓度由0．01mol·L’1到O．001tool·
L一-的变化。达到对实验变量浓度的操纵：检测反应
变量通过时间长短、现象变化、温度变化、量的增减
等途径来衡量。问题(2)的功能就是通过计算KMn04
的反应速率来定量检测反应变量的大小。问题f3)是
反应变量检测方法的变式与评价．是定性方面的开
放与判别。综上所述。化学探究实验中的控制变量
法如图2所示：
对照组：
实验组：盱甲
操纵实验控制无关检测反应
变量变量变量
【答案](1)
图2控制变量法示意图
)锢
实验"K催化剂的KMn0。酸性溶液实验目的
编号用量，g的浓度／mol·L。
m实验(D和②探究①
2980．5O．OlKMn04酸性溶液的浓度
对该反应速率的影响：
②2980．5O．00lf11)实验①和——探究温
度对该反应速率的影
③323O．50．0l响：
(111)实验①和——探究
催化剂对该反应速率的④298O0．0l
影响
·54·
(2)lxlO。4tool·L-1．min’1
(3)否(或：不可行)。取过量的体积相同、浓度不
同的草酸溶液分别同时与体积相同、浓度相同的高
锰酸钾酸性溶液反应。
3变量关系的分析、处理与概括
3．1定性分析
【案例3】某同学在进行铝和氯化铜溶液反应实
验时观察到下列现象：①铝丝表面生成蓬松状的铜；
②有气泡逸出，在一段时间内气泡越来越多，点燃时
发出爆鸣声，证明是氢气。对铝和氯化铜溶液反应产
生氢气的原因，该同学作出多种猜想，并设计了下列
实验进行验证。
(1)实验操作：
①取4根纯净的铝丝作为A组与下列表格中的
各物质反应：
②取4根下半截缠上细铜丝的铝丝作为B组与
下列表格中的各物质反应：
③取4根前面实验中所得附有蓬松状的铜的铝
丝作为C组与下列表格中的各物质反应。并与A、B组
的反应作对比。
(2)实验现象记录(控制实验温度)：
物热水2．0tool·L。硫酸铜2．0mol·L-1氯化饱和氯化钠
质溶液铜溶液溶液
开始时有极气泡较多，比同浓有气泡．比热水气泡比热水A多，但比氯化
少量气泡度氯化铜溶液少多铜溶液少
B有少量气泡气泡比A多气泡比A多气泡比A多
C气泡比B多气泡比B多气泡比B多气泡比B多
你认为铝和氯化铜溶液反应中产生氢气的原因
可能是哪一些?(不一定填满，不够也可添加)
①反应生成的铜和铝为电极组成原电池。促进
铝和水反应：
②
③
④
(：!jf)!．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一。[分析】定性数据通常以文字、符号、图象图表等
方式描述物质的性质、现象、过程及变化．以程度大
小、变化快慢、时间长短，颜色深浅、温度高低等与主
观感受有关的物理量来衡量，通常用于各种实验变
量对实验结果影响差异明显的探究实验中。如何处
理定性数据?引起反应变量发生的原因是什么?需遵
照控制无关变量、操纵实验变量单一的和对照性等
原则，对数据进行纵向横向对比及综合分析。如实验
现象记录中第一横行，就是通过控制物质起始水平
相同．设置空白实验与对照实验引入不同实验变量，
化学教学2011年第2期万方数据
分析产生实验结果的影响因素及作用大小，即可归
纳概括出Cu2+水解、Cl一对反应的影响性质及规律。纵
向分析略。
[答案]②反应放热，促进反应；③Cu2+水解生成
H+；④C1一对Al和H：0的反应起催化作用；⑤蓬松状Cu
与Al形成许多原电池。
3．2定量分析
【例4】‘‘碘钟”实验中，3I-+$20s2-_-13-+2S042-的反应
速率可以用I，+与加入的淀粉溶液显蓝色的时间t来
度量，f越小，反应速率越大。某探究性学习小组在
20℃进行实验．得到的数据如下表：
实验编号①②③④⑤
c(I_)，0．0400．0800．080O．1600．120
mo卜L-1
c(szon，0．040o．040O．080O．020o_040
mo卜L_1
tls88．044．022．O44．Ot2
回答下列问题：
(1)该实验的目的是
(2)显色时I司t2=
(3)温度对该反应的反应速率的影响符合一般
规律，若在40℃下进行编号③对应浓度的实验，显
色时间fz的范围为(填字母)。
A．<22．0sB．22．0～44．0s
C．<44．0sD．数据不足．无法判断
(4)通过分析比较上表数据，得到的结论是
『分析1定量数据通常以数量化语言、图表及图
象来表达，具有精确性、客观性和严密性等特点。它
能反映变量间的联系与规律。有无单调性。单调性的
类型是线型关系、曲线关系．还是指数关系。在本实
验中．探究两个实验变量I一与S20s2-的浓度与反应变
量反应速率(或用反应时间来衡量)之间的关系。当
c(S20?-)不变时。实验变量e(I-)在0．040tool·L～、0．080
1110卜L一、0．120mo卜L一的变化中，因变量(反应时间)
对应88．0s、44．0s、t2。显然，在其他条件不变时．c(I-)
与反应速率间呈正比例关系；当c(135变时，c(S：O。2-)
由0．040mol·L-1变为0．080mol·L-1时．因变量反应时
间由44．0s变为22．0s，显然，在其他条件不变时。
c(S：081与反应速率间呈正比例关系。综上所述：反
应速率与反应物起始浓度乘积成正比f或显色时间
与反应物起始浓度乘积成反比1。
【答案】(1)研究反应物I一与S：O产的浓度对反应速
化学教学2011年第1期
率的影响；(2)孚s=29．3s；(3)A；(4)反应速率与反应
J
物起始浓度乘积成正比(或显色时间与反应物起始
浓度乘积成反比1
4最佳条件的对比、平衡与选择
[案例5】乙醛能与银氨溶液发生银镜反应。银镜
的光亮程度与反应条件有关。同学们在课外活动中
对乙醛银镜反应的最佳实验条件进行了探究，部分
实验数据如下表：
＼实验
＼变量银氩溶液乙醛的量水浴的温反应混合出现银镜
实验＼的量／mL／滴度／℃液的pH时间／rain
序等＼
1l365115
2l345ll6．5
3l565114
41330119
51350ll6
61580ll3
是
请回答下列问题：
(1)读表，若只进行实验1和实验3，其探究目的
(2)推理，当银氨溶液的量为1mL，乙醛的量为3
滴，水浴温度为40℃，反应混合液pH为11时，出现银镜的时间是——；要探索不同水浴温度下乙醛
进行银镜反应的最佳条件，除了测量银镜出现的时间外，还需要比较不同条件下形成银镜的——。
(3)进一步实验，若还要探索银氨溶液的用量对出现银镜快慢的影响，如何进行实验?——。
『分析1通常将影响实验结果的实验条件称为因
素．各次实验所取的不同数值称为水平。因素与水平
分别用A、B、C……和l、2、3……表示。在多变量的实
验探究中。常见的分析方法有简单比较法、优选法、
正交实验法等[Xl。无论哪一种方法，都以控制变量的
思想为核心。如简单比较法(如图3所示)在三因素三
水平中(A1、A2、A3；B1、B2、B3；Cl、C2、C3)中，先固定二
因素的两水平。讨论另一因素的最佳条件水平；再通
过得到的最佳条件水平，参与另两个因素的最佳水
平探究。其中水平A3是固定因素B和C的两处水平所
找到因素A的最佳条件；水平B，是固定因素为最佳
因素A，和C2所找到因素B的最佳条件；Cl是固定因素
最佳条件A，和B。所找到的最佳条件。在实验条件优
化的探究过程中。各个因素最佳水平的选择都是各
因素各最佳水平优选的结果。
(下转第58页)
·55·万方数据
2几点思考
本题以教材内容为情景．以探究性学习方式．对
诸多化学核心知识进行考查．命题特色是平常中出
新意、新意中蕴精神，是一道充分体现新课程理念的
好题。
回味此题，反思高三复习，我们可得到如下启
示：
2．1强化文本意识
文文是指与教学相关的教学软性资源。教材是
教师实施教学行为依附的主要文本。本题直接教材
选取的知识点有：Fe3+和Fe2+的互相转化实验(见《化
学l》“专题三”)、“镀锌铁皮”实验介绍了分析天平的
使用(见《实验化学》“专题六”)，工业炼铁炼钢、碳与
浓硫酸反应(见《化学1》“专题三”和“专题四”)，高考
试题中如此高密度地重现教材知识．这对课堂教学
和高考复习的导向意义重大。因此我们得到启示：
以新教材为本．落实基础知识，尤其要重视教材主干
知识和新增知识点．这是教师进行课堂教学的指南
针，也是组织学生备考的风向标。
2．2培养综合意识
理综化学命题的最大特色是体现“学科内综
合”，即将多个知识点综合在一道题中考查。本题知
识点分布有：浓硫酸的氧化性、稀硫酸的通性、S0：的
还原性和漂白性、CO：的检验、Fe3+和Fe2+的化学性
质、氢气和氧化铜的反应等。从能力层次上看，本题
考查了方程式的书写、实验简答题、试剂的作用和选
择、气体的定性检验和定量计算等。充分体现“学科
内综合”的特点。这启示我们，高考复习必须打破教
材固有的编排体系，变化知识呈现的时空顺序，加强
对知识考点的剪辑、重组和聚合．从而提高学生分析
问题的综合意识和能力。
2．3创设情境意识
本实验提供的情景很真实．考查学生的思维变
通能力。很多经典习题要么只考查铁与浓硫酸反应
(产生气体gS02币nH2)；要么只考查碳与浓硫酸反应
(产生气体gSO：和C02)，本实验以“碳素钢”为探究对
象，考查了铁、碳同时与浓硫酸反应，是对传统设题
方式的创新，真实反映了钢铁工业的生产实际(根据
炼铁炼钢原理，铁与钢中都将含有杂质(如碳)，体现
了高考命题“源于教材高于习题”的特点。学生对题
干情景既熟悉又陌生。只有深刻理解题意、跳出思维
定势才能正确解题。真实或模拟真实的问题情境可
以增强学习和考试内容的真实性．促进知识技能的
迁移和应用．增加学生学习的兴趣和动力，这正是我
们中等教育的本质，是由学生个体自我实现和发展
的教育机制所决定的【1】。纵览2010年全国各地的新
化学高考试卷，“无情景不大题”已成为高考命题的
通用规则．这也是建构主义学习理论渗透于高考试
题的大趋势。这启示我们，新课程大力倡导探究性学
习必须依附在真实的情景下进行。教师应该在课堂
上尽量为学生创设学习情境。尤其要设置与科学、技
术、社会和环境密切联系的应用情景，让学生在情景
中学习知识、在探究中锻炼思维，增强社会责任感。
提高认识世界、解决实际问题的能力。
参考文献：
【IIY-t=．认真对待轻视知识的教育思潮Ⅱ】．北京大学教育评论，
2004，(3)：3—10．
(上接第55页)
图3简单比较法(三因素三水平)
而探究银镜反应的最佳实验条件中。影响的因
素有：银氨溶液的量、乙醛的量、水浴的温度、混合溶
液的pH，通过出现银镜的时间来衡量。通过对各种
无关变量的控制(银氨溶液的量、混合溶液的pH)，讨
论乙醛的量的不同水平(3d、5d)和水浴的温度的不
同水平(30℃、45℃、50℃、65℃、80℃1对银镜的反
·58·
应速率的因素。
[答案】(1)比较乙醛用量不同时生成银镜的时间
(速度或质量均可)
(2)在6．5～9min之间；光亮程度(或亮度、外观、效
果等1
(3)保持其他的实验条件不变，改变银氨溶液的
用量，测量生成银镜的时间。
参考文献：
【1】王曙光．控制变量法——研究和解决问题的重要方法．物理教
师U1．2002，∽．
【21吏家幸．控制变量法在生物实验设计中的应用．中学生物学U】．
2005，(4)：19．
【3】肖常磊，钱扬史．中学化学实验教学论【M】．北京：北京工业出
版社．2007．9：12—14．
化学教学2011年第2期
鬻
万方数据
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