NOBOOK虚拟实验室在高中化学的应用

分类：化学论文发表 时间：2020-12-10 10:14 关注：(1)

　　以乙醇的消去反应为例，采用NOBOOK虚拟实验室辅助传统教学的混合式教学，促进学生对理论知识的深化理解，让学生体验科学探究的过程，培养学生的科学思维和科学精神。

　　关键词：高中化学；NOBOOK；电子白板；实验教学；乙醇；消去反应；虚拟实验室

　　1前言

　　化学是一门以实验为基础的学科，化学实验能够激发学生的探究欲望，开拓学生的思维空间。化学实验教学应当由验证性实验转变为探究性实验、封闭式实验转变为开放性实验[1]。目前，由于教学经费紧张、设备不足、部分实验存在安全隐患等原因，导致大多数实验课都是教师在黑板上画实验。对此，可利用现代信息技术，如借助多媒体设备为学生进行演示，借助虚拟仿真平台让学生进行模拟化学实验，能够减少实验对师生健康与环境质量的负面影响，让学生接触到传统教学媒介难以表达清楚的实验操作和实验现象[2]。本文以乙醇的消去反应为例，以NOBOOK虚拟实验室为实验操作平台，提供不同的实验方案，辅助课堂教学，以进一步提升学生的科学探究能力与科学素养，提高学生的课堂积极性与参与感。

　　2NOBOOK虚拟实验室简介

　　NOBOOK虚拟实验室，简称NB虚拟实验室，是虚拟实验制作工具，可将微观的实验现象宏观化，让学生通过电子白板动手操作虚拟实验室，从而获得丰富的感性认识，深化对理论知识的理解，体验科学探究的过程。

　　3基于NB虚拟实验室的高中化学实验教学设计案例：乙醇的消去反应教学内容分析

　　乙醇的消去反应是实验室制取乙烯的常用方法，将体积比为1:3的乙醇与浓硫酸混合液加热，将温度升高到170℃来制取乙烯。此实验中需要大量的乙醇和浓硫酸反应试剂，但其产率较低；后续清洗试管困难；产物里含有二氧化硫，会污染环境；温度不易控制并存在一定安全风险；如若加热时间过长，会造成副产物乙醚产生[3]。因此，可在NB虚拟实验室里操作此实验，可以控制温度，也可重复操作，还能计算出反应前后的用量，环保无污染。教学目标帮助学生掌握乙醇的消去反应原理，并能区分乙醇分子间脱水和分子内脱水的反应条件，学会进行除杂分析；提升自主探究、自主学习的能力；培养学生对化学实验的兴趣，让学生体验到使用现代科学技术获取知识的科技感，培养学生的科学精神和科学思维。教学方法及活动组织策略通过不断设问、探究，帮助学生抛弃缪见，再设问、再探究，最后分析比较，把单一概念归纳到结论中。教师采用问题引导，让学生以组内讨论、组间会谈、自主探究的方式开展整个教学活动；教师演示NB虚拟实验室中仪器的使用，讲述实验连接和实验注意事项，让学生通过模仿教师操作，自主进行实验探究。教师组织学生设计实验方案，在电子白板上利用NB虚拟实验室进行实验操作，分析实验现象，进行实验改进、归纳概括，书写实验报告并验证实验。课堂活动组织策略如图1所示。教学活动过程1）创设问题情境，确定主题任务。教师提出问题：同学们都知道乙烯可以进行果蔬催熟，那你们知道实验室是如何制取乙烯的吗？设计意图：通过问题引出主题任务——乙醇的消去反应（实验室通过乙醇的消去反应制取乙烯），进一步调动起学生对在NB虚拟实验室进行乙醇消去反应的兴趣。2）讲述实验原理，演示操作流程。教师通过电子白板登录NB虚拟实验室，演示操作流程。教师讲述本次实验原理：在浓硫酸催化的条件下（浓硫酸的作用是做吸水剂和脱水剂），温度升高到170℃；乙醇的消去为β消去，与羟基相连的碳原子为α碳，与氢相连碳原子为β碳，在发生反应过程中，α碳提供羟基，β碳提供氢，分子内脱去水分子，形成碳碳双键（不饱和），生成乙烯气体（如图2所示）；乙烯能够使溴的四氯化碳溶液和酸性高锰酸钾溶液褪色（并给出乙醇的沸点）。3）模拟实验过程，分组活动探究。学生自主设计实验方案并预测实验结果，分组进行操作实验，组间进行交流讨论；教师逐步引导学生，启发学生积极思考。初探：如何鉴定乙烯的生成？让A组学生通过NB虚拟实验室进行实验探究。A组学生使用电子白板打开NB虚拟实验室中的乙醇的消去反应，进行模拟实验操作：在烧瓶中加入10ml乙醇和30ml浓硫酸的混合液，并加入几片碎瓷片防止爆沸，鼠标点击电热套开关进行恒温170℃加热；观察烧瓶温度计示数，将生成气体的导管先通入酸性高锰酸钾溶液中（图3），观察温度计示数和实验现象，整理实验报告。【实验记录1】当温度计示数升到140℃时，虚拟实验室界面的烧瓶中显示了反应方程式（图3），说明乙醇分子间发生脱水反应，产物是乙醚，此反应是取代反应。【实验记录2】当温度计示数升到170℃时，虚拟实验室界面的烧瓶上显示了乙醇消去反应的化学方程式（图4）；但反应了1min后，虚拟实验室界面里烧瓶上显示一个新的反应方程式：C+2H2SO4（浓）===CO2↑+2SO2↑+2H2O图3现象表明，浓硫酸和乙醇的混合溶液加热到140℃时产生副反应，为了防止副产物乙醚的产生，需要将温度迅速升高到170℃。图4现象表明，在反应发生过程中产生CO2和SO2，CO2不影响乙烯的检验，只需除去即可；而SO2能使酸性KMnO4溶液褪色，必须再次验证二氧化硫的存在。再探：如何检验能证明产生SO2气体？让B组学生根据A组的过程分析，进一步通过NB虚拟实验室进行验证实验。B组学生使用电子白板打开NB虚拟实验室，进入新建实验，点击实验装置背包，再次组装跟A组相同的反应装置，并将导管的另一端先通入品红溶液（验证是否有SO2产生），然后通入10%的NaOH溶液中（除去CO2和SO2），最后通入品红溶液（检测SO2是否除尽），如图5反应前装置所示；如果导管最先通入的品红溶液褪色，需要再次加热验证是否恢复红色，如果恢复红色，才可验证有二氧化硫产生。验证二氧化硫实验如图5所示。【实验记录3】反应开始后并没有使品红立即褪色，随着溶液温度从170℃渐渐下降，品红缓慢褪色，然后把褪色的品红用酒精灯进行加热，发现褪色的品红逐渐恢复红色。图5实验现象表明，证明生成的气体中含有SO2，是因为浓硫酸将乙醇脱水碳化后，碳会继续反应产生SO2，SO2具有漂白性，能够使品红褪色，加热后再恢复原色。教师引导学生在虚拟实验室加入洗气装置，排除二氧化硫气体干扰。4）深度思考研究，改进再探方案。C组学生再次验证实验。让C组学生根据B组的验证分析再次通过NB虚拟实验室改进洗气装置，最后分组讨论，进行组间会谈。不同小组针对各自观察到的现象和数据进行汇总分析，师生一起针对验证的方案进行讨论，敲定最后实施的实验方案：导管先通入10%的NaOH溶液中，作为洗气装置（除去反应过程中的CO2和SO2），再通入溴的四氯化碳溶液和酸性高锰酸钾中，观察实验现象（大概2～3min后会发生褪色）如图6所示。基于B组实验的验证，图6实验中酸性高锰酸钾溶液和溴的四氯化碳溶液相继褪色，证明有乙烯生成。教师再讲述实验过程，进行重点总结，生成口诀：乙醇浓硫酸170，分子内脱水变乙烯，生成的气体用碱洗。5）突破过程壁垒，提升核心素养。实验过程以除去副反应的干扰为主要线路，通过教师设问，引导学生思考并设计实验方案，不断改进方案；结合NB虚拟实验室逐步除去干扰检验乙烯的副产物，把知识理论和实践操作融合为一体，加深学生对知识的内化；学生不断对自己设计的实验方案进行反复验证与分析，培养学生的科学思维、科学精神。

　　4结语

　　NB虚拟实验室辅助教学能够给予学生充分的思维空间，实验过程中操作灵敏度较高，能够计算在反应过程中反应物的用量与剩余。在A组实验中，平台界面会自动显示化学反应方程式，可帮助学生分析实验干扰因素；虚拟实验室里大部分溶液的浓度都可以调节，浓度不够，反应则不能发生。

　　参考文献

　　[1]周晓敏,陈燕.中学化学教师对虚拟仿真实验室的认可度与应用意愿度调查[J].化学教育:中英文,2019(21):43-47.

　　[2]王磊,蔡阳伦,林楚宏.高校化学实验绿色化方法与路径探讨[J].中国教育技术装备,2019(04):119-120.

　　[3]喻诚搏,吴莹.对乙醇消去制备乙烯实验的再改进[J].中学化学教学参考,2017(12):40.

　　作者：王金宝 姜大雨