NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

王金寶 姜大雨

摘? 要 以乙醇的消去反應(yīng)為例，采用NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室輔助傳統(tǒng)教學(xué)的混合式教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生對理論知識的深化理解，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)精神。

關(guān)鍵詞 高中化學(xué);NOBOOK;電子白板;實(shí)驗(yàn)教學(xué);乙醇;消去反應(yīng);虛擬實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號：G633.8? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）13-0118-03

1 前言

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣ぐl(fā)學(xué)生的探究欲望，開拓學(xué)生的思維空間。化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)當(dāng)由驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄啃詫?shí)驗(yàn)、封閉式實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放性實(shí)驗(yàn)[1]。目前，由于教學(xué)經(jīng)費(fèi)緊張、設(shè)備不足、部分實(shí)驗(yàn)存在安全隱患等原因，導(dǎo)致大多數(shù)實(shí)驗(yàn)課都是教師在黑板上畫實(shí)驗(yàn)。對此，可利用現(xiàn)代信息技術(shù)，如借助多媒體設(shè)備為學(xué)生進(jìn)行演示，借助虛擬仿真平臺讓學(xué)生進(jìn)行模擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)，能夠減少實(shí)驗(yàn)對師生健康與環(huán)境質(zhì)量的負(fù)面影響，讓學(xué)生接觸到傳統(tǒng)教學(xué)媒介難以表達(dá)清楚的實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[2]。本文以乙醇的消去反應(yīng)為例，以NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室為實(shí)驗(yàn)操作平臺，提供不同的實(shí)驗(yàn)方案，輔助課堂教學(xué)，以進(jìn)一步提升學(xué)生的科學(xué)探究能力與科學(xué)素養(yǎng)，提高學(xué)生的課堂積極性與參與感。

2 NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室簡介

NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室，簡稱NB虛擬實(shí)驗(yàn)室，是虛擬實(shí)驗(yàn)制作工具，可將微觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象宏觀化，讓學(xué)生通過電子白板動(dòng)手操作虛擬實(shí)驗(yàn)室，從而獲得豐富的感性認(rèn)識，深化對理論知識的理解，體驗(yàn)科學(xué)探究的過程。

3 基于NB虛擬實(shí)驗(yàn)室的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)案例：乙醇的消去反應(yīng)

教學(xué)內(nèi)容分析? 乙醇的消去反應(yīng)是實(shí)驗(yàn)室制取乙烯的常用方法，將體積比為1：3的乙醇與濃硫酸混合液加熱，將溫度升高到170 ℃來制取乙烯。此實(shí)驗(yàn)中需要大量的乙醇和濃硫酸反應(yīng)試劑，但其產(chǎn)率較低;后續(xù)清洗試管困難;產(chǎn)物里含有二氧化硫，會污染環(huán)境;溫度不易控制并存在一定安全風(fēng)險(xiǎn);如若加熱時(shí)間過長，會造成副產(chǎn)物乙醚產(chǎn)生[3]。因此，可在NB虛擬實(shí)驗(yàn)室里操作此實(shí)驗(yàn)，可以控制溫度，也可重復(fù)操作，還能計(jì)算出反應(yīng)前后的用量，環(huán)保無污染。

教學(xué)目標(biāo)? 幫助學(xué)生掌握乙醇的消去反應(yīng)原理，并能區(qū)分乙醇分子間脫水和分子內(nèi)脫水的反應(yīng)條件，學(xué)會進(jìn)行除雜分析;提升自主探究、自主學(xué)習(xí)的能力;培養(yǎng)學(xué)生對化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，讓學(xué)生體驗(yàn)到使用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)獲取知識的科技感，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和科學(xué)思維。

教學(xué)方法及活動(dòng)組織策略? 通過不斷設(shè)問、探究，幫助學(xué)生拋棄繆見，再設(shè)問、再探究，最后分析比較，把單一概念歸納到結(jié)論中。教師采用問題引導(dǎo)，讓學(xué)生以組內(nèi)討論、組間會談、自主探究的方式開展整個(gè)教學(xué)活動(dòng);教師演示NB虛擬實(shí)驗(yàn)室中儀器的使用，講述實(shí)驗(yàn)連接和實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，讓學(xué)生通過模仿教師操作，自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。教師組織學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，在電子白板上利用NB虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)、歸納概括，書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告并驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。課堂活動(dòng)組織策略如圖1所示。

教學(xué)活動(dòng)過程

1）創(chuàng)設(shè)問題情境，確定主題任務(wù)。教師提出問題：同學(xué)們都知道乙烯可以進(jìn)行果蔬催熟，那你們知道實(shí)驗(yàn)室是如何制取乙烯的嗎？

設(shè)計(jì)意圖：通過問題引出主題任務(wù)——乙醇的消去反應(yīng)（實(shí)驗(yàn)室通過乙醇的消去反應(yīng)制取乙烯），進(jìn)一步調(diào)動(dòng)起學(xué)生對在NB虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行乙醇消去反應(yīng)的興趣。

2）講述實(shí)驗(yàn)原理，演示操作流程。教師通過電子白板登錄NB虛擬實(shí)驗(yàn)室，演示操作流程。教師講述本次實(shí)驗(yàn)原

理：在濃硫酸催化的條件下（濃硫酸的作用是做吸水劑和脫水劑），溫度升高到170 ℃;乙醇的消去為β消去，與羥基相連的碳原子為α碳，與氫相連碳原子為β碳，在發(fā)生反應(yīng)過程中，α碳提供羥基，β碳提供氫，分子內(nèi)脫去水分子，形成碳碳雙鍵（不飽和），生成乙烯氣體（如圖2所示）;乙烯能夠使溴的四氯化碳溶液和酸性高錳酸鉀溶液褪色（并給出乙醇的沸點(diǎn)）。

3）模擬實(shí)驗(yàn)過程，分組活動(dòng)探究。學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分組進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)，組間進(jìn)行交流討論;教師逐步引導(dǎo)學(xué)生，啟發(fā)學(xué)生積極思考。

初探：如何鑒定乙烯的生成？讓A組學(xué)生通過NB虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。A組學(xué)生使用電子白板打開NB虛擬實(shí)驗(yàn)室中的乙醇的消去反應(yīng)，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)操作：在燒瓶中加入10 ml乙醇和30 ml濃硫酸的混合液，并加入幾片碎瓷片防止爆沸，鼠標(biāo)點(diǎn)擊電熱套開關(guān)進(jìn)行恒溫170 ℃加熱;觀察燒瓶溫度計(jì)示數(shù)，將生成氣體的導(dǎo)管先通入酸性高錳酸鉀溶液中（圖3），觀察溫度計(jì)示數(shù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，整理實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

【實(shí)驗(yàn)記錄1】當(dāng)溫度計(jì)示數(shù)升到140 ℃時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)室界面的燒瓶中顯示了反應(yīng)方程式???????（圖3），說明乙醇分子間發(fā)生脫水反應(yīng)，產(chǎn)物是乙醚，此反應(yīng)是取代反應(yīng)。

【實(shí)驗(yàn)記錄2】當(dāng)溫度計(jì)示數(shù)升到170 ℃時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)室界面的燒瓶上顯示了乙醇消去反應(yīng)的化學(xué)方程式（圖4）;但反應(yīng)了1 min后，虛擬實(shí)驗(yàn)室界面里燒瓶上顯示一個(gè)新的反應(yīng)方程式：

C+2H2SO4（濃）=== CO2↑+2SO2↑+2H2O

圖3現(xiàn)象表明，濃硫酸和乙醇的混合溶液加熱到140 ℃

時(shí)產(chǎn)生副反應(yīng)，為了防止副產(chǎn)物乙醚的產(chǎn)生，需要將溫度迅速升高到170 ℃。圖4現(xiàn)象表明，在反應(yīng)發(fā)生過程中產(chǎn)生CO2和SO2，CO2不影響乙烯的檢驗(yàn)，只需除去即可;而SO2能使酸性KMnO4溶液褪色，必須再次驗(yàn)證二氧化硫的存在。

再探：如何檢驗(yàn)?zāi)茏C明產(chǎn)生SO2氣體？讓B組學(xué)生根據(jù)A組的過程分析，進(jìn)一步通過NB虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。B組學(xué)生使用電子白板打開NB虛擬實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入新建實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)裝置背包，再次組裝跟A組相同的反應(yīng)裝置，并將導(dǎo)管的另一端先通入品紅溶液（驗(yàn)證是否有SO2產(chǎn)生），然后通入10%的NaOH溶液中（除去CO2和SO2），最后通入品紅溶液（檢測SO2是否除盡），如圖5反應(yīng)前裝置所示;如果導(dǎo)管最先通入的品紅溶液褪色，需要再次加熱驗(yàn)證是否恢復(fù)紅色，如果恢復(fù)紅色，才可驗(yàn)證有二氧化硫產(chǎn)生。驗(yàn)證二氧化硫?qū)嶒?yàn)如圖5所示。