当涉及理解并设计实验时，学生常发现科学地思考是很有挑战性的。“这种技能……通常被认为是‘控制变量的能力’”（Tairab，2016），这是一种控制实验开展的能力，在理想实验情况下，学生研究者只改变一个变量，而同时其他变量维持不变。Tairab引用的各种研究发现，学生从程序性（操作变量）与逻辑性（评价关系）角度理解这些概念都有困难。

本文描述的活动要求学生设计并建造一个简单塔的二次迭代，第二次涉及到了控制变量。然后通过课堂讨论，我们利用这个活动回顾变量的概念，并阐明是如何操作和评价变量的。这个活动与接下来的课堂讨论引导我们详细阐释独立变量的检验，同时控制尽可能多的其他变量。

我在开学后的第2或第3天将这个活动作为一项形成性评价内容介绍给学生，给所有人（学生和我自己）一个机会评价学生是否具备理解控制性实验并识别变量方面的基础。这节课是很有趣的、充满互动的，并且是一个很好的在复习基本概念的同时开启新学年的方式。这项活动还有一个学生没有意识到的附加功能：给我一个机会观察学生与同伴协作配合的能力，这些信息可在未来建立学生工作组时提供依据。

进门条

在学生进入教室的时候，给每个学生提供1张1/4页的空白纸，让他们写下自己的名字，并要求他们尽他们所能，描述一下变量是什么；当然，学生也可以使用电子进门条完成这一目标。在这个学年的早期阶段，学生可能有能力也可能没有能力对“什么是变量”作出充分的解释。向学生明示他们不会因此被打分，这只是一个简单的预测评。然后要求学生把进门条放到一边，直到活动尾声的时候再看。

活动1

我把学生按照他们的座位分成3～4人1组，因为在这个学年初期我对他们不够了解，还不能很好地以他们的技能水平为基础对他们进行分组。给每组学生提供1个装有预先分类物品的容器和1米长的胶带。这些预选物品可以是学生可以将它们粘在一起的任何物品（例如吸管、牙签、瓶盖、林肯积木、画笔、赛车、纸杯、纸碗、意大利面）。每一套预选物品都包含同样数量但不同种类的物品。例如，一个小组可能收到2个长的林肯积木、3根吸管、1个瓶盖和1根牙签（总共7件物品），但另一个小组可能收到4个瓶盖、1个短的林肯积木、1根吸管和1根牙签（也是7件物品）。另外可参见图1中的塔的样例。尽管这项活动基本上是很安全的，但学生也应该佩戴护目镜以避免因他们想要快速搭建的热情而受伤。此外，学生应该在参与动手活动之前签署一份课堂安全守则。

学生小组被要求在5分钟内建造他们能做到的最高的塔。他们也被告知不能与其他小组交换物品。我在活动开始听到的学生反馈是：“我们在（上一个）年级已经做过这个了！”我只是简单回应说这次活动有一点不同。很快学生就会理解，并且迅速关注活动本身。

学生很快就接受了这个活动的竞争性质。然而，他们很快就会环顾四周，并且意识到每组的预选物品是不同的，同时认识到他们的结果最终也将不同。不能让这个阶段持续太长时间非常重要，因为偶尔可能会有某些学生会对这种预选物品本身的“不公平”而感到失落（这种情况在这几年中仅偶然发生几次）。在这5分钟的最后，记下从最矮到最高的塔的顺序。没有必要记下每组塔的具体高度，但是使用这个顺序作为讨论的起点是有帮助的。造出最高塔的小组总是很高兴的，同时对每一个小组表示赞赏以抚平那些“翘起的羽毛”。

讨论1

开始课堂讨论，在讨论中引发学生思考。我发现绝大多数学生都非常不好意思对抗，但至少每个集体中至少有1个学生能够指责我是不公平的或者操纵了结果。一旦这个门打开了，我们的讨论也将转向“如何／为什么这个比赛是不公平的？”这时，我会将讨论引入到“什么是变量”，旨在鼓励学生“确定模型中自变量和因变量的关系”（NGSS Lead States，2013）。在这10分钟的讨论中，我们可以重新建立这一概念——在一项研究中“变量是可以影响结果的不同因素”（Llewellyn，2007，p121），因为“控制变量或自变量是影响结果的变量”（Llewellyn，2007，p121，原文中斜体字）。在这个活动中，明显的自变量就是提供的搭建材料。此外，反应变量或者因变量可以根据控制变量的改变而改变（Llewellyn，2007，p121，原文中斜体字），而这个活动中塔的高度就是因变量。因为在预选物品有如此多的种类，这不是一场公平的比赛，也不是一个可靠的“实验”，因为除去时间与1米长的胶带以外，没有独立的自变量和一组控制变量。

然而，我们关于“公平与否”的讨论还没有结束。当我问学生如何使这个比赛公平，他们立刻确定下来如果他们拥有一样的预选物品时比赛就会公平。我记下来他们关于如何实现公平的建议，同时，作为一个班级，他们决定每组应该拥有哪些物品。我迅速再次分配了这些物品，每个组不仅拥有相同数量的材料，也有相同的物品（为这一步提前计划好，确保每种物品每个组每种至少拥有1个，比如6根长的林肯积木，6个组每组1个）。

活动2

当预选物品被公平分配给学生后，学生又一次开展在5分钟内建造最高的塔的活动。在总结讨论之前，再次测量这些塔的高度，并记下塔高度的范围。通常情况下，拥有最高塔的小组想要知道奖品是什么，我只是说“炫耀的权利”。我没有提供奖品，因为一些学生在活动1结尾时是有一些生气的，我想让他们忘记那些。同样，我也希望定下一个基调，在我的课堂上，尝试新事物并合作学习是最主要的，而不是为获得个人优势而竞争。然而，塔的高度和设计的多样性的确为我们接下来的讨论提供了绝好的背景。