NOBOOK虛擬實驗室在化學教學中的應用

摘" 要 由于“乙醇的催化氧化”真實實驗的效果不夠明顯，導致實驗難以展開。以核心素養(yǎng)為理論導向，虛擬實驗室作為實踐途徑，以“乙醇的催化氧化”教學為例，通過問題驅動、試誤等多種教學方法，讓學生真切地感受到信息技術的魅力，進一步深化學生對于乙醇催化氧化實驗的理解，促進學生科學探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)的發(fā)展。

關鍵詞 NOBOOK；虛擬實驗室；乙醇的催化氧化；化學實驗；虛擬實驗室；核心素養(yǎng)；信息技術

中圖分類號：G642.423" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）23-0122-03

1" 課題的提出

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中指出：教師應注重發(fā)揮現(xiàn)代信息技術的應用，積極探索現(xiàn)代信息技術與化學實驗的深度融合，合理運用計算機模擬實驗[1]。2019年3月，《關于實施全國中小學教師信息技術應用能力提升工程2.0的意見》指出：信息技術應用能力是新時代高素質(zhì)教師的核心素養(yǎng)[2]。偏遠山區(qū)等由于經(jīng)費緊張而導致實驗室建設滯后，傳統(tǒng)實驗課中學生主動接觸實驗的機會很少，某些實驗危害大、可操作性低且實驗效果不明顯等一系列問題也嚴重影響學生實驗的積極性[3]。由此可見，“互聯(lián)網(wǎng)+”教育勢在必行，具有能夠輕松模擬實物、方便快速營造實驗情景、再現(xiàn)實驗過程等特點的虛擬實驗室也就應運而生。

雷江蛟在《基于NOBOOK虛擬實驗室的中學化學混合式教學模式研究》中提及：虛擬實驗室軟件可通過圖像與聲音相結合，形象地模擬出實驗的全部過程并對實驗的原理進行分析[4]。葉小慈在《乙醇催化氧化微型實驗改進》中指出：近十年來，已發(fā)表上百篇有關乙醇催化氧化實驗改進的研究報道[5]。由此分析可知：虛擬實驗室在未來的發(fā)展中必將進入化學課堂；乙醇催化氧化實驗在高中化學學習中占據(jù)舉足輕重的地位。基于兩者的關系，本文通過采用NOBOOK（NB）虛擬實驗室，參考教材所設計的實驗方案，進一步明晰乙醇催化氧化的實驗現(xiàn)象，加深學生對于實驗的認識，以虛擬實驗室為平臺，鼓勵學生再思考再設計，發(fā)散學生的思維，提高學生的創(chuàng)新能力，進一步達到深度學習的目的，落實化學核心素養(yǎng)。

2" NB虛擬實驗室

NB平臺是由北京樂步教育科技有限公司開發(fā)的一款專為初高中教師打造的虛擬實驗教學軟件，其方便快捷的操作平臺可以滿足實驗人員的各種需求，使煩瑣的實驗變得高效、簡單。NB平臺為使用者提供虛擬的實驗環(huán)境，用戶通過鼠標或觸屏的方式移動操控平臺生成虛擬儀器、虛擬藥品等，從而進行虛擬實驗。NB平臺為教師提供了NB物理實驗室、NB化學實驗室、NB生物實驗室、NB科學實驗室等[6]。

本文主要采用NB平臺提供的NB化學實驗室進行虛擬實驗。NB化學實驗室是為中學化學實驗課程而設計的教學工具，可供教師進行實驗演示、實驗探究等教學準備。在NB化學實驗室內(nèi)，使用者可以根據(jù)實驗需要進行藥品的取用、調(diào)整藥品用量和濃度等，還可進行宏觀實驗的微觀探析、實驗的自主探究與創(chuàng)新，完成教材中沒有的實驗，真正實現(xiàn)化學實驗的自由化與科技化，讓每個學生都有機會以實踐者的身份安全地參與實驗教學活動，真正提升化學實驗學習興趣[7]。

3" 應用案例：乙醇的催化氧化

3.1" 教材內(nèi)容分析

乙醇重要的化學性質(zhì)之一是在加熱條件下，乙醇脫去羥基被氧化成乙醛。人教版高中化學必修第二冊（2019年版）教材是這樣描述該實驗的[7]：

實驗7-5：向試管中加入少量乙醇，取一根銅絲，下端繞成螺旋狀，在酒精燈上灼燒后插入乙醇，反復幾次。注意觀察反應現(xiàn)象，小心地聞試管中液體產(chǎn)生的氣味。

但該實驗中存在下面幾個問題。

1）僅通過聞氣味就鑒定生成物是乙醛的說法不具有強說服力，學生難以理解。

2）生成物乙醛為有毒氣體，對學生和教師身體有害。

3）教材所給的方程式中共有兩種生成物，另一種生成物（H2O）并沒有進行檢驗。

4）螺旋的銅絲灼燒后溫度較高，而此時乙醇溶液的溫度較低，會導致反應難以發(fā)生；抑或在空氣中時，銅絲已經(jīng)冷卻，冷卻后的銅絲無法進行實驗，導致實驗失敗。

5）若銅絲打磨得不夠徹底，也會導致最終實驗現(xiàn)象不明顯。

因此，可在NB實驗室中完成此實驗，在保證安全和方便的情況下，清晰明了地觀察實驗現(xiàn)象并進行實驗創(chuàng)新。

3.2" 教學目標

通過對乙醇催化氧化反應的虛擬實驗探究，提高學生的觀察能力、實驗探究能力，培養(yǎng)學生從微觀視角剖析化學反應實質(zhì)的分析能力；通過學習乙醇催化氧化反應，提升學生從宏觀物質(zhì)、微觀角度分析化學反應本質(zhì)的能力；將現(xiàn)代科學技術與化學知識互相融合，培養(yǎng)學生的化學實驗興趣，讓學生體驗到科技的進步，進一步培養(yǎng)學生的科學精神和科學思維。

3.3" 教學方法及課前準備

通過NB虛擬實驗室為學生提供便捷的實驗平臺，采用分析歸納法、自主學習法、合作探究法、情境創(chuàng)設法、問題驅動、多媒體、講授、討論、對比、歸納等多種教學方法進行“乙醇的催化氧化”教學。

3.4" 教學過程

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設問題情境，提高學生的學習興趣

創(chuàng)設教學情境，通過“銀匠的‘小絕活’”導入該課題。教師提出問題：“銅器、銀器煅燒后都會變黑，但是銀匠們并不擔心，使得銅器、銀器光亮如新對于他們來說只是舉手之勞，原因何在？他們究竟有著怎樣的‘魔力’？”

【設計意圖】通過創(chuàng)設“銀匠的‘小絕活’”這一生活場景，吸引學生注意力，提高其學習興趣。

環(huán)節(jié)二：師生共研實驗特點，引導學生思考實驗內(nèi)容

教師與學生根據(jù)課本已有知識進行實驗研討與探究，教師積極引導學生分析實驗原理，猜測傳統(tǒng)實驗操作步驟可能會出現(xiàn)的問題，例如：加熱到什么程度的銅絲才可以？銅絲需要打磨嗎？需要打磨到什么樣的程度？

緊接著，教師打開并介紹NB虛擬實驗室（圖1），演示基本操作（如取放藥品的操作方法和操作臺面的位置等），引導學生思考該實驗是否可以利用虛擬實驗室進行。教師引導學生思考：“如何使銅器、銀器脫去‘神秘的黑色外衣’而變得光潔如新？若要實驗，該怎樣進行？乙醇與氧氣在催化劑和加熱條件下進行的反應能給我們什么樣的啟示？銅或銀加熱后變成何種物質(zhì)？這種物質(zhì)又具有怎樣的特性？乙醇的哪個基團發(fā)生了反應？真正參與反應的部分是什么？”

【設計意圖】充分發(fā)揮學生的主體性，讓其真正地參與實驗，基于已有知識，在教師引導下自主分析實驗原理，將證據(jù)推理與模型認知這一核心素養(yǎng)落實到教學中。

環(huán)節(jié)三：小組合作討論實驗方案并進行虛擬實驗

由于NB虛擬實驗室在一定程度上保證了實驗的可操作性與簡便性，同時可保證師生的安全，故可由學生合作設計實驗方案并進行實驗操作。小組間進行交流討論，教師逐步引導學生大膽進行實驗創(chuàng)新，啟發(fā)學生積極思考該反應的反應物與生成物的狀態(tài)，以及該如何進行檢驗。

教師提示：“檢驗乙醛的辦法有哪些？新制的氫氧化銅溶液可以檢驗乙醛的生成，乙醛與新制氫氧化銅溶液充分反應后可以生成磚紅色沉淀。”“乙醛對身體有害，我們又該如何收集生成的乙醛溶液呢？是否可以在密閉的環(huán)境中進行實驗。”“乙醇具有揮發(fā)性。當具有流動性的液態(tài)乙醇不便于進行實驗時，我們是否可以以棉花團為載體來儲存少量的乙醇。”“檢驗水的方法有哪些？無水硫酸銅可以檢驗水的生成，水可以使無水硫酸銅變藍。”

教師提出問題：“銅絲由紅變黑、又由黑變紅的原因是什么？寫出實驗中涉及的化學反應方程式。”“分析實驗中Cu在反應中的作用，寫出總反應方程式并推測反應斷鍵位置。”

教師要基于學生的已有認知引導他們進行創(chuàng)新實驗，鼓勵學生大膽進行實驗操作。

【設計意圖】基于NB虛擬實驗室的安全性與便捷性，充分給予學生試誤和創(chuàng)新的機會，以課本實驗所介紹內(nèi)容為基礎，進一步鼓勵學生進行創(chuàng)新，將實驗的創(chuàng)新權交給學生。同時，教師給予適當提示，將部分知識由學生未知轉化為學生已知，提升學生的思維發(fā)展空間，對于學生進行創(chuàng)新實驗具有積極意義。

環(huán)節(jié)四：自評+他評+師評，共同進行深度思考與再分析

教師引導學生進行自我評定與生生互評，并結合各個小組的討論及實驗結果進行評價與分析，糾正實驗中存在的問題，并啟發(fā)學生從產(chǎn)物被氧化的角度進行再思考。同時，引導學生利用互聯(lián)網(wǎng)查閱資料，為學生發(fā)散思維的培養(yǎng)奠定基礎。

師生共同反思總結，回顧整體的學習過程，梳理學習主線，引導學生進行反思與總結并適當布置開放性作業(yè)，進一步完善實驗探究體系，讓學生養(yǎng)成課后鞏固的好習慣，真正學到知識。

【設計意圖】將課堂的主體歸于學生本身，提示學生進行乙醇催化氧化的再思考，促進學生進行深度學習，并形成學習閉環(huán)和科學的思維方式。

4" 結束語

本文通過對“乙醇的催化氧化”實驗的研討與分析，借助信息技術實現(xiàn)學生自主實驗與創(chuàng)新。同時，改善傳統(tǒng)實驗效果不明顯的缺點，通過學生個體與小組合作交流的方式完成化學實驗，提升學生學習積極性，將課堂主體具體落實于學生個體，并發(fā)展學生對實驗的觀察和表征能力與分析解決問題能力。NB虛擬實驗室在一定程度上可以較好地輔助教學，但也具有一定的局限性，如不能有效地鍛煉學生的實驗操作能力。因此，在虛擬實驗室的使用過程中，教師應該正確判斷其適合的教學內(nèi)容，不可完全替代真實實驗，而應該充分發(fā)揮其優(yōu)勢，更好地輔助教學。在信息技術日趨成熟的當下，教師應該正確把握教學方式，以落實學生的學科核心素養(yǎng)為目標，有的放矢地選擇合適的方式進行教學，以保證更好的教學效果。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：3.

[2]姚香潔.基于NOBOOK平臺的中學生物實驗混合式學習研究[D].陜西：延安大學，2020.

[3]陳曉甜.基于NOBOOK的高中化學虛擬實驗教學設計與實踐[D].河南：河南大學，2019.

[4]雷江蛟.基于NOBOOK虛擬實驗室的中學化學混合式教學模式研究[D].陜西：陜西理工大學，2019.

[5]葉小慈，謝永榮.乙醇催化氧化微型實驗改進[J].教育與裝備研究，2020，36（3）：53-54.

[6]朱世根，華杰.NOBOOK虛擬實驗在初中化學教學中的應用：以“一氧化碳的性質(zhì)”教學設計為例[J].廣東化工，2019，46（21）：182-185.

[7]王晶，鄭長龍.普通高中教科書·化學必修第二冊[M].北京：人民教育出版社，2019：78.

*項目來源：陜西省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（項目編號：S20190720036）；陜西理工大學一流專業(yè)建設子項目“‘本碩統(tǒng)籌·高位融通’的卓越中學化學教師培養(yǎng)模式改革探索研究”。

作者：路燕、陳昊涵，陜西理工大學化學與環(huán)境科學學院碩士在讀；許瓊，通信作者，陜西理工大學化學與環(huán)境科學學院，教授，研究方向為化學教育教學（723000）。