NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

摘" 要 由于“乙醇的催化氧化”真實(shí)實(shí)驗(yàn)的效果不夠明顯，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)難以展開(kāi)。以核心素養(yǎng)為理論導(dǎo)向，虛擬實(shí)驗(yàn)室作為實(shí)踐途徑，以“乙醇的催化氧化”教學(xué)為例，通過(guò)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、試誤等多種教學(xué)方法，讓學(xué)生真切地感受到信息技術(shù)的魅力，進(jìn)一步深化學(xué)生對(duì)于乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)的理解，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞 NOBOOK；虛擬實(shí)驗(yàn)室；乙醇的催化氧化；化學(xué)實(shí)驗(yàn)；虛擬實(shí)驗(yàn)室；核心素養(yǎng)；信息技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642.423" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）23-0122-03

1" 課題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中指出：教師應(yīng)注重發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用，積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的深度融合，合理運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)[1]。2019年3月，《關(guān)于實(shí)施全國(guó)中小學(xué)教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升工程2.0的意見(jiàn)》指出：信息技術(shù)應(yīng)用能力是新時(shí)代高素質(zhì)教師的核心素養(yǎng)[2]。偏遠(yuǎn)山區(qū)等由于經(jīng)費(fèi)緊張而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室建設(shè)滯后，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課中學(xué)生主動(dòng)接觸實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)很少，某些實(shí)驗(yàn)危害大、可操作性低且實(shí)驗(yàn)效果不明顯等一系列問(wèn)題也嚴(yán)重影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性[3]。由此可見(jiàn)，“互聯(lián)網(wǎng)+”教育勢(shì)在必行，具有能夠輕松模擬實(shí)物、方便快速營(yíng)造實(shí)驗(yàn)情景、再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程等特點(diǎn)的虛擬實(shí)驗(yàn)室也就應(yīng)運(yùn)而生。

雷江蛟在《基于NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室的中學(xué)化學(xué)混合式教學(xué)模式研究》中提及：虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件可通過(guò)圖像與聲音相結(jié)合，形象地模擬出實(shí)驗(yàn)的全部過(guò)程并對(duì)實(shí)驗(yàn)的原理進(jìn)行分析[4]。葉小慈在《乙醇催化氧化微型實(shí)驗(yàn)改進(jìn)》中指出：近十年來(lái)，已發(fā)表上百篇有關(guān)乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的研究報(bào)道[5]。由此分析可知：虛擬實(shí)驗(yàn)室在未來(lái)的發(fā)展中必將進(jìn)入化學(xué)課堂；乙醇催化氧化實(shí)驗(yàn)在高中化學(xué)學(xué)習(xí)中占據(jù)舉足輕重的地位?；趦烧叩年P(guān)系，本文通過(guò)采用NOBOOK（NB）虛擬實(shí)驗(yàn)室，參考教材所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)一步明晰乙醇催化氧化的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，加深學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，以虛擬實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái)，鼓勵(lì)學(xué)生再思考再設(shè)計(jì)，發(fā)散學(xué)生的思維，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，進(jìn)一步達(dá)到深度學(xué)習(xí)的目的，落實(shí)化學(xué)核心素養(yǎng)。

2" NB虛擬實(shí)驗(yàn)室

NB平臺(tái)是由北京樂(lè)步教育科技有限公司開(kāi)發(fā)的一款專為初高中教師打造的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，其方便快捷的操作平臺(tái)可以滿足實(shí)驗(yàn)人員的各種需求，使煩瑣的實(shí)驗(yàn)變得高效、簡(jiǎn)單。NB平臺(tái)為使用者提供虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，用戶通過(guò)鼠標(biāo)或觸屏的方式移動(dòng)操控平臺(tái)生成虛擬儀器、虛擬藥品等，從而進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。NB平臺(tái)為教師提供了NB物理實(shí)驗(yàn)室、NB化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、NB生物實(shí)驗(yàn)室、NB科學(xué)實(shí)驗(yàn)室等[6]。

本文主要采用NB平臺(tái)提供的NB化學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。NB化學(xué)實(shí)驗(yàn)室是為中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程而設(shè)計(jì)的教學(xué)工具，可供教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)探究等教學(xué)準(zhǔn)備。在NB化學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，使用者可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行藥品的取用、調(diào)整藥品用量和濃度等，還可進(jìn)行宏觀實(shí)驗(yàn)的微觀探析、實(shí)驗(yàn)的自主探究與創(chuàng)新，完成教材中沒(méi)有的實(shí)驗(yàn)，真正實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的自由化與科技化，讓每個(gè)學(xué)生都有機(jī)會(huì)以實(shí)踐者的身份安全地參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，真正提升化學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)興趣[7]。

3" 應(yīng)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(xué)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(xué)必修第二冊(cè)（2019年版）教材是這樣描述該實(shí)驗(yàn)的[7]：

實(shí)驗(yàn)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(fù)幾次。注意觀察反應(yīng)現(xiàn)象，小心地聞試管中液體產(chǎn)生的氣味。

但該實(shí)驗(yàn)中存在下面幾個(gè)問(wèn)題。

1）僅通過(guò)聞氣味就鑒定生成物是乙醛的說(shuō)法不具有強(qiáng)說(shuō)服力，學(xué)生難以理解。

2）生成物乙醛為有毒氣體，對(duì)學(xué)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(méi)有進(jìn)行檢驗(yàn)。

4）螺旋的銅絲灼燒后溫度較高，而此時(shí)乙醇溶液的溫度較低，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)難以發(fā)生；抑或在空氣中時(shí)，銅絲已經(jīng)冷卻，冷卻后的銅絲無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

5）若銅絲打磨得不夠徹底，也會(huì)導(dǎo)致最終實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。

因此，可在NB實(shí)驗(yàn)室中完成此實(shí)驗(yàn)，在保證安全和方便的情況下，清晰明了地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新。

3.2" 教學(xué)目標(biāo)

通過(guò)對(duì)乙醇催化氧化反應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)探究，提高學(xué)生的觀察能力、實(shí)驗(yàn)探究能力，培養(yǎng)學(xué)生從微觀視角剖析化學(xué)反應(yīng)實(shí)質(zhì)的分析能力；通過(guò)學(xué)習(xí)乙醇催化氧化反應(yīng)，提升學(xué)生從宏觀物質(zhì)、微觀角度分析化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的能力；將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與化學(xué)知識(shí)互相融合，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗(yàn)興趣，讓學(xué)生體驗(yàn)到科技的進(jìn)步，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和科學(xué)思維。

3.3" 教學(xué)方法及課前準(zhǔn)備

通過(guò)NB虛擬實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供便捷的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用分析歸納法、自主學(xué)習(xí)法、合作探究法、情境創(chuàng)設(shè)法、問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、多媒體、講授、討論、對(duì)比、歸納等多種教學(xué)方法進(jìn)行“乙醇的催化氧化”教學(xué)。

3.4" 教學(xué)過(guò)程

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，通過(guò)“銀匠的‘小絕活’”導(dǎo)入該課題。教師提出問(wèn)題：“銅器、銀器煅燒后都會(huì)變黑，但是銀匠們并不擔(dān)心，使得銅器、銀器光亮如新對(duì)于他們來(lái)說(shuō)只是舉手之勞，原因何在？他們究竟有著怎樣的‘魔力’？”

【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)創(chuàng)設(shè)“銀匠的‘小絕活’”這一生活場(chǎng)景，吸引學(xué)生注意力，提高其學(xué)習(xí)興趣。

環(huán)節(jié)二：師生共研實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

教師與學(xué)生根據(jù)課本已有知識(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研討與探究，教師積極引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)原理，猜測(cè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作步驟可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)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(kāi)并介紹NB虛擬實(shí)驗(yàn)室（圖1），演示基本操作（如取放藥品的操作方法和操作臺(tái)面的位置等），引導(dǎo)學(xué)生思考該實(shí)驗(yàn)是否可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。教師引導(dǎo)學(xué)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(shí)驗(yàn)，該怎樣進(jìn)行？乙醇與氧氣在催化劑和加熱條件下進(jìn)行的反應(yīng)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(gè)基團(tuán)發(fā)生了反應(yīng)？真正參與反應(yīng)的部分是什么？”

【設(shè)計(jì)意圖】充分發(fā)揮學(xué)生的主體性，讓其真正地參與實(shí)驗(yàn)，基于已有知識(shí)，在教師引導(dǎo)下自主分析實(shí)驗(yàn)原理，將證據(jù)推理與模型認(rèn)知這一核心素養(yǎng)落實(shí)到教學(xué)中。

環(huán)節(jié)三：小組合作討論實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)

由于NB虛擬實(shí)驗(yàn)室在一定程度上保證了實(shí)驗(yàn)的可操作性與簡(jiǎn)便性，同時(shí)可保證師生的安全，故可由學(xué)生合作設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。小組間進(jìn)行交流討論，教師逐步引導(dǎo)學(xué)生大膽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，啟發(fā)學(xué)生積極思考該反應(yīng)的反應(yīng)物與生成物的狀態(tài)，以及該如何進(jìn)行檢驗(yàn)。

教師提示：“檢驗(yàn)乙醛的辦法有哪些？新制的氫氧化銅溶液可以檢驗(yàn)乙醛的生成，乙醛與新制氫氧化銅溶液充分反應(yīng)后可以生成磚紅色沉淀?！薄耙胰?duì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)?！薄耙掖季哂袚]發(fā)性。當(dāng)具有流動(dòng)性的液態(tài)乙醇不便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們是否可以以棉花團(tuán)為載體來(lái)儲(chǔ)存少量的乙醇?！薄皺z驗(yàn)水的方法有哪些？無(wú)水硫酸銅可以檢驗(yàn)水的生成，水可以使無(wú)水硫酸銅變藍(lán)?！?/p>

教師提出問(wèn)題：“銅絲由紅變黑、又由黑變紅的原因是什么？寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)中涉及的化學(xué)反應(yīng)方程式。”“分析實(shí)驗(yàn)中Cu在反應(yīng)中的作用，寫(xiě)出總反應(yīng)方程式并推測(cè)反應(yīng)斷鍵位置。”

教師要基于學(xué)生的已有認(rèn)知引導(dǎo)他們進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生大膽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

【設(shè)計(jì)意圖】基于NB虛擬實(shí)驗(yàn)室的安全性與便捷性，充分給予學(xué)生試誤和創(chuàng)新的機(jī)會(huì)，以課本實(shí)驗(yàn)所介紹內(nèi)容為基礎(chǔ)，進(jìn)一步鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新，將實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新權(quán)交給學(xué)生。同時(shí)，教師給予適當(dāng)提示，將部分知識(shí)由學(xué)生未知轉(zhuǎn)化為學(xué)生已知，提升學(xué)生的思維發(fā)展空間，對(duì)于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)具有積極意義。

環(huán)節(jié)四：自評(píng)+他評(píng)+師評(píng)，共同進(jìn)行深度思考與再分析

教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自我評(píng)定與生生互評(píng)，并結(jié)合各個(gè)小組的討論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析，糾正實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題，并啟發(fā)學(xué)生從產(chǎn)物被氧化的角度進(jìn)行再思考。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)查閱資料，為學(xué)生發(fā)散思維的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

師生共同反思總結(jié)，回顧整體的學(xué)習(xí)過(guò)程，梳理學(xué)習(xí)主線，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反思與總結(jié)并適當(dāng)布置開(kāi)放性作業(yè)，進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)探究體系，讓學(xué)生養(yǎng)成課后鞏固的好習(xí)慣，真正學(xué)到知識(shí)。

【設(shè)計(jì)意圖】將課堂的主體歸于學(xué)生本身，提示學(xué)生進(jìn)行乙醇催化氧化的再思考，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，并形成學(xué)習(xí)閉環(huán)和科學(xué)的思維方式。

4" 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)“乙醇的催化氧化”實(shí)驗(yàn)的研討與分析，借助信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新。同時(shí)，改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)效果不明顯的缺點(diǎn)，通過(guò)學(xué)生個(gè)體與小組合作交流的方式完成化學(xué)實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，將課堂主體具體落實(shí)于學(xué)生個(gè)體，并發(fā)展學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的觀察和表征能力與分析解決問(wèn)題能力。NB虛擬實(shí)驗(yàn)室在一定程度上可以較好地輔助教學(xué)，但也具有一定的局限性，如不能有效地鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力。因此，在虛擬實(shí)驗(yàn)室的使用過(guò)程中，教師應(yīng)該正確判斷其適合的教學(xué)內(nèi)容，不可完全替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，而應(yīng)該充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，更好地輔助教學(xué)。在信息技術(shù)日趨成熟的當(dāng)下，教師應(yīng)該正確把握教學(xué)方式，以落實(shí)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)，有的放矢地選擇合適的方式進(jìn)行教學(xué)，以保證更好的教學(xué)效果。

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*項(xiàng)目來(lái)源：陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：S20190720036）；陜西理工大學(xué)一流專業(yè)建設(shè)子項(xiàng)目“‘本碩統(tǒng)籌·高位融通’的卓越中學(xué)化學(xué)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(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院碩士在讀；許瓊，通信作者，陜西理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，教授，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)教育教學(xué)（723000）。