虚拟实验技术支持下的化学史情境教学

一、教学背景

2020年6月教育部颁布了《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》，在“课程的基本理念”部分也提出：“结合人类探索物质及其变化的历史与化学科学发展的趋势，引导学生进一步学习化学的基本原理和方法，形成化学学科的核心观念。”教师要将化学史融入高中化学教学，让学生体验化学发展史中一些重要的实验探索过程就成为不可或缺的部分，但是许多实验受限于成本、安全性等，无法在中学课堂开展。

随着教育信息技术的发展，虚拟实验进入了教育研究者的视野。虚拟实验依靠多媒体、仿真、3D和VR虚拟现实等现代化科学技术在计算机上或平板电脑等设备上模拟实验操作各环节，让操作者能体验到与真实环境中一样的实验项目。虚拟实验不但具有能让实验者更清晰地观察到真实实验中不易观察到的实验现象以及成本低廉的优点，还可重复操作危险性实验。因此，研究虚拟实验技术支持下的化学史情境教学具有重要的理论与实践意义。

本文以高中“天然气的利用 甲烷”为课例，尝试进行化学史情境教学，并依托中央电化馆的虚拟实验系统开展VR分组实验，为学生体验“甲烷的研究历程”提供最佳的实验环境，以期达到最优化的课堂教学效果。

二、教材分析

本节课是苏教版（2017课标版）高一必修Ⅱ专题8第一单元“化石燃料与有机化合物”的第一课时，是面向高一学生的一节新授课。并且甲烷作为最简单的有机物，是学生接触有机化学的一枚“敲门砖”，因此本节课的教学效果将直接影响后续各类有机物知识的学习。教师在教学设计中可以通过真实的科学发展史情境引导学生逐步探索甲烷的结构与性质，rDgcVHYNF4kORumy8eQFHQ==不断激发学生的求知欲与探索欲，进而体验科学探索的曲折性与前进性。

本节教学设计主要包含以下两个重点教学内容：一是“甲烷结构模型的搭建与认知”，学生将通过球棍模型的DIY拼搭探索甲烷的正四面体空间构型，为后续学习其他有机物建立空间构型的基础。二是“甲烷的化学性质”。甲烷易燃，氯气具有毒性，且甲烷与氯气的反应缓慢、现象不明显等，导致常规教学通常采用播放实验视频的方式来呈现，而本节课利用虚拟实验开展分组实验探究解决了常规实验的安全性等问题，以此帮助学生更直观地观察分析实验现象，实现教学重难点的突破。

三、学情分析

在初三化学中，学生已经了解了甲烷不但是最简单的有机物，也是天然气和沼气的主要成分。而前期高中阶段的学习中，学生还储备了化学键的基础知识，能从共用电子对的角度解释共价键的形成，掌握了电子式和结构式的书写方法。在此基础上，学生通过乙醇和二甲醚的结构式学习了同分异体知识。但是高一学生较缺乏对空间结构的想象能力，缺少直观的模型感知，因此对甲烷的立体结构没有清晰的认识，难以进行有机物结构模型建构和有机反应机理的探究。

四、教学目标

1.通过模型搭建，理解甲烷具有正四面体的空间构型。引导学生认识有机化合物分子空间结构特点。

2.通过对甲烷物理性质的观察以及化学性质的实验探究，了解甲烷的性质，理解取代反应的历程，培养学生的科学探究能力。

3.通过了解人类对甲烷认识的科学探索过程以及甲烷在生活中的应用，感受化学学科与社会发展的密切联系。

五、教学重难点

教学重点：甲烷的空间构型特点、取代反应。

教学难点：通过二氯甲烷只有一种结构来帮助学生建立甲烷正四面体空间构型的模型。

六、教学设计思路（见图1）

七、教学过程

环节一：古今化学史情境，引出主题

［导入］化学史话一：公元前1066年至公元前771年，我国西周年代的书籍《易经》中有一些关于自然现象的记载：“泽中有火”“上火下泽”。

化学史话二：1776年，意大利物理学家伏打在意大利北部的科摩湖边，用木棍搅动湖里的淤泥，发现有气体逸出，他用充满水的瓶子倒转过来收集冒出的气体。该气体燃烧的火焰为青蓝色，与H2的爆炸燃烧不同，其在10～12倍体积的空气中才会燃烧爆炸。

教师：这两篇化学史话描述的是同一种气体，大家知道它是什么气体吗？

学生：天然气，主要成分是甲烷。

［引导］下面我们通过中央电化馆的虚拟实验系统，利用甲烷燃烧的VR实验观察甲烷的物理性质并验证这种气体是不是甲烷。

［分组实验］教师简单介绍中央电化馆的虚拟实验系统后，学生戴上VR头盔和操纵手杆进行甲烷燃烧的虚拟仿真分组实验，每个小组的电脑屏幕会同步显示学生的VR视图。

学生按照系统提示的实验步骤操作，如出现操作错误，系统会提示可能出现的实验危险，学生可及时更正错误步骤。教师在学生进行虚拟实验操作时需在旁协助指导，如：手柄抓取仪器变蓝说明已被选中，可以根据系统的提示进行相关操作，不同的仪器会有不同的操作建议，如选中集气瓶就会出现闻气味、震荡等操作选项。

学生（根据实验现象分析、小结）：甲烷是无色气体；密度小于空气；难溶于水；可燃烧生成水与二氧化碳；与化学史话中介绍的性质一致。

［交流讨论］

1.根据甲烷的性质，可选择哪些方法进行收集？

2.现实实验中甲烷能直接点燃吗？要注意什么？

3.请写出甲烷燃烧的化学方程式。

［学生］可采用排水法收集；点燃甲烷前需要验纯；CH4+2O2→CO2+2H2O

（设计意图：通过有关甲烷的中外史料记载引入新课，在激发学生探索欲的同时，还通过《易经》比伏打早近1000年就对甲烷有记载的史实增强了学生的民族自豪感。）

环节二：重现科学探索历程，辨析微观结构

教师（过渡）：甲烷还有哪些性质呢？我们能从哪方面着手研究它呢？

学生：结构决定性质，可以先研究结构。

［温故知新］初中时我们就知道甲烷的分子式是CH4，在必修Ⅰ中我们还学习了共价键的知识，请同学们根据碳原子和氢原子的结构特征，以及共价键的成键特点，写出甲烷的电子式与结构式，并尝试用彩泥和小棍搭建甲烷的球棍模型。

［结果展示］有的学生搭建出甲烷模型是平面正方形结构，有的学生则是立体结构。

［课件展示］化学史话三：1858年凯库勒证实了甲烷由1个C与4个H构成，之后凯库勒、布朗等科学家也先后提出了甲烷模型，他们都认为是平面结构（见图2）。

化学史话四：1875年荷兰科学家范特霍夫发表了《空间化学》一文，提出分子的空间立体结构的假说，以及碳的正四面体构型假说。

教师（引导）：看来同学们与科学家们真是“英雄所见略同”。科学家们在研究甲烷时也提出了平面和立体两类分子结构模型。那甲烷到底是平面结构还是立体结构呢？我们来看科学家们后续的研究结果。

［课件展示］现代科学技术X-射线和电子衍射证实了以下实验事实：

1.在甲烷分子中4个C-H键的长度和强度相同，共价键间的夹角也相等。

2.CH2Cl2（二氯甲烷）只有一种结构，不存在同分异构体。

教师：同学们搭建模型时，都使用了相同长度的小棍代表了C-H共价键，说明大家的模型都符合第一个实验事实。接下来请大家把各自模型中的两个氢原子换成两个其他颜色的氯原子，这样就组装成了二氯甲烷模型，看是否符合第二个实验事实。

［活动探究］搭建二氯甲烷模型

学生（分析）：如果甲烷是正四面体形，则CH2Cl2只有一种结构；若甲烷是正方形平面结构，则CH2Cl2有两种结构。因此根据第二个实验事实，甲烷的结构应该是正四面体型。

［小结］教师用多媒体展示甲烷的空间构型三维图——正四面体型，键角为109°28′。

（设计意图：通过实验探究DIY动手搭建甲烷的球棍模型，帮助学生建立有机物分子结构的直观印象。结合科学史，学生发现自己与科学家“英雄所见略同”后，极大地提高了探索欲。教师随后引导学生根据X-射线和电子衍射实验事实修正自己的模型，让学生体验了科学探究的曲折性，增强了学生的科学精神与创新意识。）

环节三：虚拟实验支持下的性质探究

［过渡］刚才我们搭建了二氯甲烷模型，二氯甲烷是什么样的物质呢？

［课件展示并介绍］化学史话五：1831至1832年间，美国科学家S.Guthrie、法国科学家E.Soubeiran 和德国科学家J.von Liebig在实验中几乎同时制得了三氯甲烷。1834年法国化学家J. Dumas在实验过程中发现了氯甲烷、二氯甲烷等。

［课件呈现资料卡］一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷与四氯化碳的性质与用途

教师：在攻克甲烷结构的难题后，科学家们陆续发现了一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷与四氯化碳，它们用途广泛，如二氯甲烷就可用于生产金属表面漆层的清洗脱脂剂、牙科局部麻醉剂等。于是，1923年，德国赫斯特公司开始采用甲烷直接氯化法工业量产二氯甲烷。而此时我国正受到苏联和东德的技术封锁，无法生产二氯甲烷，因此电影、医药需要的感光胶片都只能依靠进口。如果同学们是我国的科研工作人员，能否破解生产二氯甲烷的化学原理呢？

［学以致用］请学生继续使用彩泥制作氯气的分子模型，结合已有的甲烷、二氯甲烷模型尝试探究直接氯化法制取二氯甲烷的反应历程，并用化学式表示反应过程。

［学生］猜测1：CH4+Cl2→CH3Cl+HCl

CH3Cl+Cl2→CH2Cl2+HCl

猜测2：CH4+Cl2→CH2Cl2+H2

教师：哪种猜测是正确的呢？大家能设计方案证明吗？

学生：我们可通过观察甲烷与氯气反应的实验现象，验证产物是H2还是HCl。

教师：氯气为有毒气体，考虑到实验安全性，我们仍然采用中央电化馆的虚拟实验。

［分组实验］学生登录中央电化馆虚拟实验平台，进行甲烷与氯气分组VR实验，教师根据学生视图进行实验指导。

学生（分析）：根据实验现象：试管内黄绿色的气体颜色变淡，试管壁上出现了油滴，试管内有白雾生成，说明猜想1是正确的。

教师（引导）：请大家思考甲烷与氯气的反应属于我们学过的四种基本反应类型吗？

学生：虽然类似复分解，但并不是四种基本反应类型中的任何一种。有机化合物分子中的某种原子（或原子团）被另一种原子（或原子团）所取代的反应，在有机反应中称为“取代反应”。

教师（分析）：甲烷与氯气需要在光照条件下进行反应，实验现象中出现的白雾含有一氯甲烷以及氯化氢，油滴则是二氯甲烷、三氯甲烷以及四氯化碳的混合物，因为这是一个连续反应，甲烷会持续与氯气发生取代反应，生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷以及四氯化碳。请同学们根据得出的探究结论写出反应的相关方程式。

教师（小结）：恭喜大家通过联系已有知识与史料，利用模型进行合理猜想，并且通过虚拟实验进行探究验证，掌握了甲烷与氯气取代反应的反应机理，破解了直接氯化法的技术原理。其实这些步骤就是科学探究的一般方法，正如同学们所做的。20世纪80年代，我国四川自贡鸿鹤化工厂的科研人员也终于开发了利用天然气热氯化法生产二氯甲烷的装置。邓小平同志还亲自到厂听取了技术人员的汇报。（多媒体展示人民网上小平同志两次视察自贡的视频）希望大家能继续利用本节课学到的科学探究方法，践行科技强国，把自己的创新梦想融入国家发展。

（设计意图：教学设计中再次应用中央电化馆虚拟VR实验提高学生的探究积极性，让学生更清晰地观察到了常规实验难以观测到的HCl白雾，从而帮助学生准确地验证了自己的猜想。化学史情境与科技的结合，落实了对学生科学探究、创新意识以及社会责任感培养的课标要求。）

八、教学效果评估与反馈

为了更加准确地评估虚拟实验技术在化学史教学中的应用效果，本研究采集了学生课后对教学效果的反馈数据（见图3）。

调查问卷显示：在应用虚拟实验结合化学情境教学后，学生对后续的课程表现出更强的学习动机，并且对提高学生的创造性思维和实验操作水平、数据处理与分析能力均有帮助。因此，对比传统课堂，在虚拟实验技术支持下的化学史情境教学有效地优化了课堂教学效果。

九、结语

虚拟实验技术在化学史情境教学中的应用能极大地提高学生的学习化学课程的兴趣和课堂参与度。通过直观、互动的虚拟实验环境，学生有机会重现化学史上的科学实验，提出自己的假设并验证。这不仅增强了学生的实验技能，还培养了其批判性思维和解决问题的能力，促进学生科学探究能力等核心素养的发展。

（作者单位：福建省福州第十中学）

编辑：陈鲜艳