NOBOOK虛擬實驗室在高中化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

吳燕

摘 要：本文針對NOBOOK虛擬實驗室進行簡要概述，以魯科版高中化學(xué)必修一的“金屬鈉及其化合物的性質(zhì)”一課為例，圍繞教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標、教學(xué)方法與教學(xué)實施四個層面，探討了利用NB化學(xué)實驗室開展實驗教學(xué)的具體實施策略，以期為高中化學(xué)實驗教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計提供參考價值。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué);實驗教學(xué);虛擬實驗室

NOBOOK虛擬實驗室（以下簡稱NB化學(xué)實驗室）是一款專用于中小學(xué)實驗教學(xué)的軟件，由教師端、學(xué)生端和加試三部分組成。將其應(yīng)用于化學(xué)實驗教學(xué)中，能夠有效突破以往教學(xué)在實驗平臺、空間與條件等方面存在的局限，為學(xué)生實驗思維與動手操作能力的培養(yǎng)提供充足空間。

一、NOBOOK虛擬實驗室的教學(xué)應(yīng)用

（一）NOBOOK虛擬實驗室界面

在NB化學(xué)實驗?zāi)K的界面設(shè)計上，主要分為在線版、離線版兩大模塊，其下設(shè)有“精品資源”“我的實驗”兩個模塊，其中“精品資源”涵蓋經(jīng)典實驗的組合器材和實驗藥品，提供“新建實驗”“編輯組合實驗”兩項選擇;“我的實驗”包含“自組實驗”“新建實驗”兩種類型，學(xué)生登錄“自組實驗”可選擇導(dǎo)入/導(dǎo)出、移動/復(fù)制、刪除/分享、重命名四個選項，在“新建實驗”模塊之下可選擇“反應(yīng)器材、輔助器材”與“固、液、氣藥品”，并開展具體實驗操作[1]。

（二）教學(xué)目標細化

基于新課程的三維目標進行教學(xué)目標的細化，可從以下三個維度入手：首先是知識與技能維度，要求學(xué)生掌握物質(zhì)的組成、性質(zhì)、原理等基礎(chǔ)性化學(xué)知識，通過觀察實驗現(xiàn)象進行深入思考、提出問題，并完成實驗方案的設(shè)計;利用虛擬軟件根據(jù)自身設(shè)計的實驗方案完成實驗儀器、裝置的選擇，開展具體實驗操作，并觀察、記錄實驗現(xiàn)象，最終歸納推斷出實驗結(jié)論。其次是過程與方法維度，借助虛擬軟件工具開展化學(xué)實驗教學(xué)，能夠為學(xué)生實驗技能的培養(yǎng)與鍛煉創(chuàng)設(shè)有利平臺，在實驗操作過程中培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析、思考、探究與解決問題能力。最后是情感態(tài)度與價值觀維度，通過引入虛擬實驗平臺能夠激發(fā)學(xué)生對于化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，在自主探究的過程中養(yǎng)成嚴謹科學(xué)的學(xué)習(xí)態(tài)度，促進學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)與實踐能力的全面提升[2]。

（三）教學(xué)活動流程

基于NB化學(xué)實驗室進行教學(xué)活動流程設(shè)計，主要表現(xiàn)為：提出問題→猜想與假設(shè)→實驗方案設(shè)計→虛擬實驗操作→方案完善優(yōu)化→展示評價→反思修正。在教學(xué)活動實施過程中，應(yīng)堅持以學(xué)生為主體，通過自主探究、合作討論等方式參與到學(xué)習(xí)過程中，由教師承擔(dān)引導(dǎo)與監(jiān)督職能，保證教學(xué)活動的順利實施[3]。

二、高中化學(xué)虛擬實驗教學(xué)設(shè)計——以“金屬鈉及其化合物的性質(zhì)”為例

（一）教學(xué)內(nèi)容分析

以魯科版高中化學(xué)必修一“金屬鈉及其化合物的性質(zhì)”一課為例，以往在高中化學(xué)課上教師較少開展鈉及其氧化物的教學(xué)，一方面取決于鈉塊與氧化物體積較小，存在被遺漏的可能性;另一方面受其化學(xué)性質(zhì)影響，易與水反應(yīng)生成可燃性氣體，帶來安全隱患[4]。通過引入NB化學(xué)實驗室進行實驗情境的創(chuàng)設(shè)，能夠使實驗內(nèi)容、現(xiàn)象與條件直觀呈現(xiàn)在學(xué)生面前，增進學(xué)生對于實驗原理及知識的理解，借助問題的提出培養(yǎng)學(xué)生的自主思考、探究實踐與解決問題能力。針對本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容進行分析，考慮到以往學(xué)生在學(xué)習(xí)Al、Fe、Cu等金屬的化學(xué)性質(zhì)時，主要圍繞金屬的活動性順序、金屬與氧氣、金屬與酸或鹽溶液的反應(yīng)展開，實際上通過觀察金屬活動性順序表可知，諸如K、Ca、Na等活潑金屬通常直接與酸溶液中的水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但學(xué)生較少了解到上述金屬元素不與酸反應(yīng)的原因。結(jié)合上述問題，擬將化學(xué)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計為鈉的原子結(jié)構(gòu)、氧化還原反應(yīng)兩部分內(nèi)容，在引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)回顧基礎(chǔ)知識的同時，促使其立足于宏觀、微觀兩個層面進行物質(zhì)性質(zhì)的解讀。

（二）三維目標解構(gòu)

1.知識與技能維度

在此維度的教學(xué)目的在于使學(xué)生掌握金屬鈉的物理性質(zhì)及基本常識（如保存方法等），明確鈉及其氧化物反應(yīng)的基本原理及實驗現(xiàn)象，并且能夠利用NB化學(xué)實驗室進行基礎(chǔ)性實驗操作。

2.過程與方法維度

要求學(xué)生采用觀察法進行鈉的物理性質(zhì)研究，掌握虛擬實驗的基本操作方法;立足于宏觀、微觀兩個視角進行鈉的化學(xué)性質(zhì)的探究;能夠利用NB化學(xué)實驗室開展關(guān)于Na與H2O、Na與稀酸、Na2O2與H2O、Na2O2與CO2反應(yīng)的化學(xué)實驗，在此過程中觀察實驗現(xiàn)象、提出問題，培養(yǎng)學(xué)生的分析、推理與實驗操作能力，激活學(xué)生的創(chuàng)造性思維;以小組為單位開展實驗探究活動，通過合作與交流順利完成實驗操作。

3.情感態(tài)度與價值觀維度

通過創(chuàng)設(shè)問題情境激發(fā)學(xué)生的好奇心與求知欲，引導(dǎo)學(xué)生認識到化學(xué)實驗與生活現(xiàn)象間存在密切關(guān)聯(lián)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神;依托NB化學(xué)實驗室賦予學(xué)生新鮮的學(xué)習(xí)體驗，既有助于激發(fā)學(xué)生對于化學(xué)實驗的學(xué)習(xí)興趣，同時也能夠在實驗操作過程中培養(yǎng)其樹立科學(xué)嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度，并且深化學(xué)生信息素養(yǎng)的培育;采用小組合作學(xué)習(xí)模式，學(xué)生經(jīng)由交流觀點、發(fā)現(xiàn)問題、產(chǎn)生認知沖突等環(huán)節(jié)，最終解決問題，深化對知識的理解，并且提高合作學(xué)習(xí)能力。

（三）教學(xué)方法選用

1.創(chuàng)設(shè)生活化情境

鈉是一種化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬，主要以煤油作為存儲介質(zhì)，學(xué)生在日常生活中難以看到以單質(zhì)形式存在的鈉，為使學(xué)生快速建立對于鈉這種金屬元素的認識，教師可選用“‘半仙’為騙錢，把鈉扔進水里裝作驅(qū)水鬼”的視頻片段作為教學(xué)資源，借助生活中發(fā)生的典型事件完成教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生建立對于鈉元素的基本認識，并利用化學(xué)知識破除生活中存在的迷信現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生樹立科學(xué)精神。

2.搭建知識銜接橋梁

通常學(xué)生經(jīng)由初中階段的化學(xué)學(xué)習(xí)后已經(jīng)掌握關(guān)于金屬物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)與活動性順序的基礎(chǔ)知識，初步建立對于鈉化學(xué)性質(zhì)活潑的印象，但普遍未能了解鈉與酸反應(yīng)置換出氫氣的原因。對此教師可將Na與H2O的反應(yīng)作為鋪墊，逐步引出Na2O與H2O、Na2O與CO2、Na2O2與H2O、Na2O2與CO2等化學(xué)反應(yīng)，為新舊知識間的銜接與過渡搭建橋梁，實現(xiàn)新知識的順利導(dǎo)入。

3.小組合作探究法

將學(xué)生劃分為若干小組，以小組合作的形式開展探究實驗，由各小組借助NB化學(xué)實驗室軟件進行Na與H2O、Na與稀酸、Na2O2與H2O、Na2O2與CO2等化學(xué)實驗的操作，使組內(nèi)每一名成員均參與到實驗活動中，在此過程中更加直觀地觀察到實驗現(xiàn)象，通過組內(nèi)成員的交流合作掌握實驗現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，借此引導(dǎo)學(xué)生深化對化學(xué)知識的理解與記憶，并且促進學(xué)生實驗探究能力的動態(tài)發(fā)展。

（四）教學(xué)活動實施

1.創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

在新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師可首先向?qū)W生提出“同學(xué)們在生活中有聽過或見過‘水鬼’嗎？”這一問題，借助帶有神秘色彩的問題激發(fā)學(xué)生的好奇心，使其主動參與到話題討論中，為后續(xù)話題的引出做好鋪墊。隨后教師可為學(xué)生播放“‘大仙’驅(qū)水鬼”的視頻片段，視頻中顯示一個被眾人尊稱為“大仙”的人用手指向一盆水，眾人紛紛看到水中有東西在快速以移動并發(fā)出聲響。通過觀看視頻激發(fā)學(xué)生的認知沖突，使學(xué)生在明確“水鬼”的存在為迷信現(xiàn)象的同時，更加深入思考“水鬼”是什么的問題。接下來由教師揭示謎底，利用鑷子從煤油中夾取一塊鈉，使學(xué)生觀察鈉的實物，提煉出鈉的“銀白色固體”“質(zhì)軟”“密度小于水”“密度大于煤油”“熔點低”等物理性質(zhì)，并通過回顧以往學(xué)習(xí)過的鐵、銅等金屬元素化學(xué)性質(zhì)的知識，初步建立對于金屬性質(zhì)研究方法與規(guī)律的認知，在溫故的基礎(chǔ)上為新知導(dǎo)入創(chuàng)設(shè)鋪墊。

2.講解演示，布置任務(wù)

通過溫習(xí)舊知，學(xué)生均能夠認識到物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)與其原子結(jié)構(gòu)中最外層電子數(shù)量間存在一定關(guān)系，此時教師可出示鈉的原子結(jié)構(gòu)圖，引導(dǎo)學(xué)生從微觀視角認識到鈉最外層電子數(shù)量為1個、不穩(wěn)定，易因失去電子形成8個電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這也是造成鈉化學(xué)性質(zhì)活潑的主要原因，通過上述思考過程促使學(xué)生的化學(xué)思維能力得到鞏固與提升。隨后教師可帶領(lǐng)學(xué)生登錄NB化學(xué)實驗室軟件，進入實驗界面互在實驗器材庫中挑選實驗儀器與藥品，使學(xué)生通過觀察教師的演示掌握基本操作方法，為后續(xù)自主開展實驗探究活動做好準備。接下來教師可安排學(xué)生以小組合作的方式開展課堂實驗活動，將學(xué)生劃分為A、B、C、D、E、F共6個小組，其中A、B兩小組均實施Na與H2O、Na與酸反應(yīng)的化學(xué)實驗，C、D兩小組研究Na2O與H2O、Na2O與CO2的化學(xué)反應(yīng)，E、F兩小組做Na2O2與H2O、Na2O2與CO2的化學(xué)實驗，完成實驗任務(wù)的布置。

3.自主探究，生成結(jié)論

學(xué)生在合作小組內(nèi)完成任務(wù)分工，在教師的引導(dǎo)下搜集資料、掌握教材中的實驗步驟要求，明確實驗操作所需使用的實驗儀器與藥品，通過組內(nèi)討論完成實驗方案的設(shè)計，在此過程中促進學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。隨后由教師隨機抽選小組成員演示實驗設(shè)計與操作過程，由其他成員觀察實驗現(xiàn)象、了解實驗流程、思考實驗不足與問題，并為其評分、給出改進建議。例如某組成員抽中Na2O與H2O反應(yīng)的實驗，小組代表登錄軟件平臺，在器材庫中用鼠標點擊脫脂棉放置在石棉網(wǎng)上，點擊膠頭滴管的膠帽吸取蒸餾水，將蒸餾水滴加在石棉網(wǎng)上的脫脂棉中，完成演示實驗，并寫出化學(xué)方程式Na2O+H2O=2NaOH。

4.小組評價，總結(jié)反思

在抽選組員進行演示操作的同時，其他同學(xué)負責(zé)觀察實驗操作過程與實驗現(xiàn)象，提煉出實驗方案設(shè)計的不足及問題，并給出評分和改進建議。例如該小組實驗方案設(shè)計的不足之處在于Na2O與H2O的化學(xué)反應(yīng)無明顯實驗現(xiàn)象，無法證明Na2O與H2O之間已經(jīng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且也無法證明生成的物質(zhì)是NaOH。對此提出改進建議，可先選取少量Na2O放入小燒杯中，向燒杯中注入適量蒸餾水、滴加2滴酚酞試劑，隨后觀察溶液的顏色額變化，倘若發(fā)現(xiàn)燒杯中的溶液轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色，則說明Na2O與H2O發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成NaOH堿性溶液，從而利用教學(xué)反饋進一步促進學(xué)生思維能力與實踐操作能力的提升。

結(jié)束語

將NB化學(xué)實驗室應(yīng)用于化學(xué)實驗教學(xué)中，使傳統(tǒng)課堂教學(xué)由教師主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，促使學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與探究能力得到有效鍛煉，也為學(xué)生實驗思維的發(fā)展提供充足空間。對此教師還應(yīng)在學(xué)生開展實驗探究的過程中做好指導(dǎo)與監(jiān)督，從中滲透三維目標，為學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的提升創(chuàng)設(shè)良好基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]張雄、王莉.淺談虛擬仿真實驗在基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)中的利與弊[J].山東化工，2020，（01）：178+180.

[2]胡東海.淺探高中化學(xué)實驗教學(xué)的問題與思考[J].東西南北：教育，2020，（09）：0110.

[3]趙燕.實驗教學(xué)法在高中化學(xué)教學(xué)中的運用[J].散文百家·國學(xué)教育，2019，（02）：275.

[4]王楠、吳曉紅.NB虛擬仿真軟件在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].教育與裝備研究，2020，（05）：75-78.