虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)支持下的化學(xué)史情境教學(xué)

一、教學(xué)背景

2020年6月教育部頒布了《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》，在“課程的基本理念”部分也提出：“結(jié)合人類探索物質(zhì)及其變化的歷史與化學(xué)科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)化學(xué)的基本原理和方法，形成化學(xué)學(xué)科的核心觀念。”教師要將化學(xué)史融入高中化學(xué)教學(xué)，讓學(xué)生體驗(yàn)化學(xué)發(fā)展史中一些重要的實(shí)驗(yàn)探索過(guò)程就成為不可或缺的部分，但是許多實(shí)驗(yàn)受限于成本、安全性等，無(wú)法在中學(xué)課堂開(kāi)展。

隨著教育信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)入了教育研究者的視野。虛擬實(shí)驗(yàn)依靠多媒體、仿真、3D和VR虛擬現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)在計(jì)算機(jī)上或平板電腦等設(shè)備上模擬實(shí)驗(yàn)操作各環(huán)節(jié)，讓操作者能體驗(yàn)到與真實(shí)環(huán)境中一樣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。虛擬實(shí)驗(yàn)不但具有能讓實(shí)驗(yàn)者更清晰地觀察到真實(shí)實(shí)驗(yàn)中不易觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，還可重復(fù)操作危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)。因此，研究虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)支持下的化學(xué)史情境教學(xué)具有重要的理論與實(shí)踐意義。

本文以高中“天然氣的利用 甲烷”為課例，嘗試進(jìn)行化學(xué)史情境教學(xué)，并依托中央電化館的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展VR分組實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生體驗(yàn)“甲烷的研究歷程”提供最佳的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以期達(dá)到最優(yōu)化的課堂教學(xué)效果。

二、教材分析

本節(jié)課是蘇教版（2017課標(biāo)版）高一必修Ⅱ?qū)ｎ}8第一單元“化石燃料與有機(jī)化合物”的第一課時(shí)，是面向高一學(xué)生的一節(jié)新授課。并且甲烷作為最簡(jiǎn)單的有機(jī)物，是學(xué)生接觸有機(jī)化學(xué)的一枚“敲門磚”，因此本節(jié)課的教學(xué)效果將直接影響后續(xù)各類有機(jī)物知識(shí)的學(xué)習(xí)。教師在教學(xué)設(shè)計(jì)中可以通過(guò)真實(shí)的科學(xué)發(fā)展史情境引導(dǎo)學(xué)生逐步探索甲烷的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，rDgcVHYNF4kORumy8eQFHQ==不斷激發(fā)學(xué)生的求知欲與探索欲，進(jìn)而體驗(yàn)科學(xué)探索的曲折性與前進(jìn)性。

本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)主要包含以下兩個(gè)重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容：一是“甲烷結(jié)構(gòu)模型的搭建與認(rèn)知”，學(xué)生將通過(guò)球棍模型的DIY拼搭探索甲烷的正四面體空間構(gòu)型，為后續(xù)學(xué)習(xí)其他有機(jī)物建立空間構(gòu)型的基礎(chǔ)。二是“甲烷的化學(xué)性質(zhì)”。甲烷易燃，氯氣具有毒性，且甲烷與氯氣的反應(yīng)緩慢、現(xiàn)象不明顯等，導(dǎo)致常規(guī)教學(xué)通常采用播放實(shí)驗(yàn)視頻的方式來(lái)呈現(xiàn)，而本節(jié)課利用虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)展分組實(shí)驗(yàn)探究解決了常規(guī)實(shí)驗(yàn)的安全性等問(wèn)題，以此幫助學(xué)生更直觀地觀察分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)教學(xué)重難點(diǎn)的突破。

三、學(xué)情分析

在初三化學(xué)中，學(xué)生已經(jīng)了解了甲烷不但是最簡(jiǎn)單的有機(jī)物，也是天然氣和沼氣的主要成分。而前期高中階段的學(xué)習(xí)中，學(xué)生還儲(chǔ)備了化學(xué)鍵的基礎(chǔ)知識(shí)，能從共用電子對(duì)的角度解釋共價(jià)鍵的形成，掌握了電子式和結(jié)構(gòu)式的書(shū)寫方法。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生通過(guò)乙醇和二甲醚的結(jié)構(gòu)式學(xué)習(xí)了同分異體知識(shí)。但是高一學(xué)生較缺乏對(duì)空間結(jié)構(gòu)的想象能力，缺少直觀的模型感知，因此對(duì)甲烷的立體結(jié)構(gòu)沒(méi)有清晰的認(rèn)識(shí)，難以進(jìn)行有機(jī)物結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)和有機(jī)反應(yīng)機(jī)理的探究。

四、教學(xué)目標(biāo)

1.通過(guò)模型搭建，理解甲烷具有正四面體的空間構(gòu)型。引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物分子空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

2.通過(guò)對(duì)甲烷物理性質(zhì)的觀察以及化學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)探究，了解甲烷的性質(zhì)，理解取代反應(yīng)的歷程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

3.通過(guò)了解人類對(duì)甲烷認(rèn)識(shí)的科學(xué)探索過(guò)程以及甲烷在生活中的應(yīng)用，感受化學(xué)學(xué)科與社會(huì)發(fā)展的密切聯(lián)系。

五、教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：甲烷的空間構(gòu)型特點(diǎn)、取代反應(yīng)。

教學(xué)難點(diǎn)：通過(guò)二氯甲烷只有一種結(jié)構(gòu)來(lái)幫助學(xué)生建立甲烷正四面體空間構(gòu)型的模型。

六、教學(xué)設(shè)計(jì)思路（見(jiàn)圖1）

七、教學(xué)過(guò)程

環(huán)節(jié)一：古今化學(xué)史情境，引出主題

［導(dǎo)入］化學(xué)史話一：公元前1066年至公元前771年，我國(guó)西周年代的書(shū)籍《易經(jīng)》中有一些關(guān)于自然現(xiàn)象的記載：“澤中有火”“上火下澤”。

化學(xué)史話二：1776年，意大利物理學(xué)家伏打在意大利北部的科摩湖邊，用木棍攪動(dòng)湖里的淤泥，發(fā)現(xiàn)有氣體逸出，他用充滿水的瓶子倒轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)收集冒出的氣體。該氣體燃燒的火焰為青藍(lán)色，與H2的爆炸燃燒不同，其在10～12倍體積的空氣中才會(huì)燃燒爆炸。

教師：這兩篇化學(xué)史話描述的是同一種氣體，大家知道它是什么氣體嗎？

學(xué)生：天然氣，主要成分是甲烷。

［引導(dǎo)］下面我們通過(guò)中央電化館的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用甲烷燃燒的VR實(shí)驗(yàn)觀察甲烷的物理性質(zhì)并驗(yàn)證這種氣體是不是甲烷。

［分組實(shí)驗(yàn)］教師簡(jiǎn)單介紹中央電化館的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，學(xué)生戴上VR頭盔和操縱手桿進(jìn)行甲烷燃燒的虛擬仿真分組實(shí)驗(yàn)，每個(gè)小組的電腦屏幕會(huì)同步顯示學(xué)生的VR視圖。

學(xué)生按照系統(tǒng)提示的實(shí)驗(yàn)步驟操作，如出現(xiàn)操作錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)提示可能出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)，學(xué)生可及時(shí)更正錯(cuò)誤步驟。教師在學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作時(shí)需在旁協(xié)助指導(dǎo)，如：手柄抓取儀器變藍(lán)說(shuō)明已被選中，可以根據(jù)系統(tǒng)的提示進(jìn)行相關(guān)操作，不同的儀器會(huì)有不同的操作建議，如選中集氣瓶就會(huì)出現(xiàn)聞氣味、震蕩等操作選項(xiàng)。

學(xué)生（根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析、小結(jié)）：甲烷是無(wú)色氣體；密度小于空氣；難溶于水；可燃燒生成水與二氧化碳；與化學(xué)史話中介紹的性質(zhì)一致。

［交流討論］

1.根據(jù)甲烷的性質(zhì)，可選擇哪些方法進(jìn)行收集？

2.現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中甲烷能直接點(diǎn)燃嗎？要注意什么？

3.請(qǐng)寫出甲烷燃燒的化學(xué)方程式。

［學(xué)生］可采用排水法收集；點(diǎn)燃甲烷前需要驗(yàn)純；CH4+2O2→CO2+2H2O

（設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)有關(guān)甲烷的中外史料記載引入新課，在激發(fā)學(xué)生探索欲的同時(shí)，還通過(guò)《易經(jīng)》比伏打早近1000年就對(duì)甲烷有記載的史實(shí)增強(qiáng)了學(xué)生的民族自豪感。）

環(huán)節(jié)二：重現(xiàn)科學(xué)探索歷程，辨析微觀結(jié)構(gòu)

教師（過(guò)渡）：甲烷還有哪些性質(zhì)呢？我們能從哪方面著手研究它呢？

學(xué)生：結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，可以先研究結(jié)構(gòu)。

［溫故知新］初中時(shí)我們就知道甲烷的分子式是CH4，在必修Ⅰ中我們還學(xué)習(xí)了共價(jià)鍵的知識(shí)，請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)碳原子和氫原子的結(jié)構(gòu)特征，以及共價(jià)鍵的成鍵特點(diǎn)，寫出甲烷的電子式與結(jié)構(gòu)式，并嘗試用彩泥和小棍搭建甲烷的球棍模型。

［結(jié)果展示］有的學(xué)生搭建出甲烷模型是平面正方形結(jié)構(gòu)，有的學(xué)生則是立體結(jié)構(gòu)。

［課件展示］化學(xué)史話三：1858年凱庫(kù)勒證實(shí)了甲烷由1個(gè)C與4個(gè)H構(gòu)成，之后凱庫(kù)勒、布朗等科學(xué)家也先后提出了甲烷模型，他們都認(rèn)為是平面結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。

化學(xué)史話四：1875年荷蘭科學(xué)家范特霍夫發(fā)表了《空間化學(xué)》一文，提出分子的空間立體結(jié)構(gòu)的假說(shuō)，以及碳的正四面體構(gòu)型假說(shuō)。

教師（引導(dǎo)）：看來(lái)同學(xué)們與科學(xué)家們真是“英雄所見(jiàn)略同”。科學(xué)家們?cè)谘芯考淄闀r(shí)也提出了平面和立體兩類分子結(jié)構(gòu)模型。那甲烷到底是平面結(jié)構(gòu)還是立體結(jié)構(gòu)呢？我們來(lái)看科學(xué)家們后續(xù)的研究結(jié)果。

［課件展示］現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)X-射線和電子衍射證實(shí)了以下實(shí)驗(yàn)事實(shí)：

1.在甲烷分子中4個(gè)C-H鍵的長(zhǎng)度和強(qiáng)度相同，共價(jià)鍵間的夾角也相等。

2.CH2Cl2（二氯甲烷）只有一種結(jié)構(gòu)，不存在同分異構(gòu)體。

教師：同學(xué)們搭建模型時(shí)，都使用了相同長(zhǎng)度的小棍代表了C-H共價(jià)鍵，說(shuō)明大家的模型都符合第一個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)。接下來(lái)請(qǐng)大家把各自模型中的兩個(gè)氫原子換成兩個(gè)其他顏色的氯原子，這樣就組裝成了二氯甲烷模型，看是否符合第二個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)。

［活動(dòng)探究］搭建二氯甲烷模型

學(xué)生（分析）：如果甲烷是正四面體形，則CH2Cl2只有一種結(jié)構(gòu)；若甲烷是正方形平面結(jié)構(gòu)，則CH2Cl2有兩種結(jié)構(gòu)。因此根據(jù)第二個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，甲烷的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是正四面體型。

［小結(jié)］教師用多媒體展示甲烷的空間構(gòu)型三維圖——正四面體型，鍵角為109°28′。

（設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究DIY動(dòng)手搭建甲烷的球棍模型，幫助學(xué)生建立有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)的直觀印象。結(jié)合科學(xué)史，學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己與科學(xué)家“英雄所見(jiàn)略同”后，極大地提高了探索欲。教師隨后引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)X-射線和電子衍射實(shí)驗(yàn)事實(shí)修正自己的模型，讓學(xué)生體驗(yàn)了科學(xué)探究的曲折性，增強(qiáng)了學(xué)生的科學(xué)精神與創(chuàng)新意識(shí)。）

環(huán)節(jié)三：虛擬實(shí)驗(yàn)支持下的性質(zhì)探究

［過(guò)渡］剛才我們搭建了二氯甲烷模型，二氯甲烷是什么樣的物質(zhì)呢？

［課件展示并介紹］化學(xué)史話五：1831至1832年間，美國(guó)科學(xué)家S.Guthrie、法國(guó)科學(xué)家E.Soubeiran 和德國(guó)科學(xué)家J.von Liebig在實(shí)驗(yàn)中幾乎同時(shí)制得了三氯甲烷。1834年法國(guó)化學(xué)家J. Dumas在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了氯甲烷、二氯甲烷等。

［課件呈現(xiàn)資料卡］一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷與四氯化碳的性質(zhì)與用途

教師：在攻克甲烷結(jié)構(gòu)的難題后，科學(xué)家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷與四氯化碳，它們用途廣泛，如二氯甲烷就可用于生產(chǎn)金屬表面漆層的清洗脫脂劑、牙科局部麻醉劑等。于是，1923年，德國(guó)赫斯特公司開(kāi)始采用甲烷直接氯化法工業(yè)量產(chǎn)二氯甲烷。而此時(shí)我國(guó)正受到蘇聯(lián)和東德的技術(shù)封鎖，無(wú)法生產(chǎn)二氯甲烷，因此電影、醫(yī)藥需要的感光膠片都只能依靠進(jìn)口。如果同學(xué)們是我國(guó)的科研工作人員，能否破解生產(chǎn)二氯甲烷的化學(xué)原理呢？

［學(xué)以致用］請(qǐng)學(xué)生繼續(xù)使用彩泥制作氯氣的分子模型，結(jié)合已有的甲烷、二氯甲烷模型嘗試探究直接氯化法制取二氯甲烷的反應(yīng)歷程，并用化學(xué)式表示反應(yīng)過(guò)程。

［學(xué)生］猜測(cè)1：CH4+Cl2→CH3Cl+HCl

CH3Cl+Cl2→CH2Cl2+HCl

猜測(cè)2：CH4+Cl2→CH2Cl2+H2

教師：哪種猜測(cè)是正確的呢？大家能設(shè)計(jì)方案證明嗎？

學(xué)生：我們可通過(guò)觀察甲烷與氯氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，驗(yàn)證產(chǎn)物是H2還是HCl。

教師：氯氣為有毒氣體，考慮到實(shí)驗(yàn)安全性，我們?nèi)匀徊捎弥醒腚娀^的虛擬實(shí)驗(yàn)。

［分組實(shí)驗(yàn)］學(xué)生登錄中央電化館虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行甲烷與氯氣分組VR實(shí)驗(yàn)，教師根據(jù)學(xué)生視圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

學(xué)生（分析）：根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：試管內(nèi)黃綠色的氣體顏色變淡，試管壁上出現(xiàn)了油滴，試管內(nèi)有白霧生成，說(shuō)明猜想1是正確的。

教師（引導(dǎo)）：請(qǐng)大家思考甲烷與氯氣的反應(yīng)屬于我們學(xué)過(guò)的四種基本反應(yīng)類型嗎？

學(xué)生：雖然類似復(fù)分解，但并不是四種基本反應(yīng)類型中的任何一種。有機(jī)化合物分子中的某種原子（或原子團(tuán)）被另一種原子（或原子團(tuán)）所取代的反應(yīng)，在有機(jī)反應(yīng)中稱為“取代反應(yīng)”。

教師（分析）：甲烷與氯氣需要在光照條件下進(jìn)行反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中出現(xiàn)的白霧含有一氯甲烷以及氯化氫，油滴則是二氯甲烷、三氯甲烷以及四氯化碳的混合物，因?yàn)檫@是一個(gè)連續(xù)反應(yīng)，甲烷會(huì)持續(xù)與氯氣發(fā)生取代反應(yīng)，生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷以及四氯化碳。請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)得出的探究結(jié)論寫出反應(yīng)的相關(guān)方程式。

教師（小結(jié)）：恭喜大家通過(guò)聯(lián)系已有知識(shí)與史料，利用模型進(jìn)行合理猜想，并且通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究驗(yàn)證，掌握了甲烷與氯氣取代反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理，破解了直接氯化法的技術(shù)原理。其實(shí)這些步驟就是科學(xué)探究的一般方法，正如同學(xué)們所做的。20世紀(jì)80年代，我國(guó)四川自貢?shū)欪Q化工廠的科研人員也終于開(kāi)發(fā)了利用天然氣熱氯化法生產(chǎn)二氯甲烷的裝置。鄧小平同志還親自到廠聽(tīng)取了技術(shù)人員的匯報(bào)。（多媒體展示人民網(wǎng)上小平同志兩次視察自貢的視頻）希望大家能繼續(xù)利用本節(jié)課學(xué)到的科學(xué)探究方法，踐行科技強(qiáng)國(guó)，把自己的創(chuàng)新夢(mèng)想融入國(guó)家發(fā)展。

（設(shè)計(jì)意圖：教學(xué)設(shè)計(jì)中再次應(yīng)用中央電化館虛擬VR實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生的探究積極性，讓學(xué)生更清晰地觀察到了常規(guī)實(shí)驗(yàn)難以觀測(cè)到的HCl白霧，從而幫助學(xué)生準(zhǔn)確地驗(yàn)證了自己的猜想。化學(xué)史情境與科技的結(jié)合，落實(shí)了對(duì)學(xué)生科學(xué)探究、創(chuàng)新意識(shí)以及社會(huì)責(zé)任感培養(yǎng)的課標(biāo)要求。）

八、教學(xué)效果評(píng)估與反饋

為了更加準(zhǔn)確地評(píng)估虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在化學(xué)史教學(xué)中的應(yīng)用效果，本研究采集了學(xué)生課后對(duì)教學(xué)效果的反饋數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖3）。

調(diào)查問(wèn)卷顯示：在應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合化學(xué)情境教學(xué)后，學(xué)生對(duì)后續(xù)的課程表現(xiàn)出更強(qiáng)的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，并且對(duì)提高學(xué)生的創(chuàng)造性思維和實(shí)驗(yàn)操作水平、數(shù)據(jù)處理與分析能力均有幫助。因此，對(duì)比傳統(tǒng)課堂，在虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)支持下的化學(xué)史情境教學(xué)有效地優(yōu)化了課堂教學(xué)效果。

九、結(jié)語(yǔ)

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在化學(xué)史情境教學(xué)中的應(yīng)用能極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)化學(xué)課程的興趣和課堂參與度。通過(guò)直觀、互動(dòng)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生有機(jī)會(huì)重現(xiàn)化學(xué)史上的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，提出自己的假設(shè)并驗(yàn)證。這不僅增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，還培養(yǎng)了其批判性思維和解決問(wèn)題的能力，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究能力等核心素養(yǎng)的發(fā)展。

（作者單位：福建省福州第十中學(xué)）

編輯：陳鮮艷