一、教學(xué)背景

2020年6月教育部頒布了《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》，在“課程的基本理念”部分也提出：“結(jié)合人類探索物質(zhì)及其變化的歷史與化學(xué)科學(xué)發(fā)展的趨勢，引導(dǎo)學(xué)生進一步學(xué)習(xí)化學(xué)的基本原理和方法，形成化學(xué)學(xué)科的核心觀念?！苯處熞獙⒒瘜W(xué)史融入高中化學(xué)教學(xué)，讓學(xué)生體驗化學(xué)發(fā)展史中一些重要的實驗探索過程就成為不可或缺的部分，但是許多實驗受限于成本、安全性等，無法在中學(xué)課堂開展。

隨著教育信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗進入了教育研究者的視野。虛擬實驗依靠多媒體、仿真、3D和VR虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)在計算機上或平板電腦等設(shè)備上模擬實驗操作各環(huán)節(jié)，讓操作者能體驗到與真實環(huán)境中一樣的實驗項目。虛擬實驗不但具有能讓實驗者更清晰地觀察到真實實驗中不易觀察到的實驗現(xiàn)象以及成本低廉的優(yōu)點，還可重復(fù)操作危險性實驗。因此，研究虛擬實驗技術(shù)支持下的化學(xué)史情境教學(xué)具有重要的理論與實踐意義。

本文以高中“天然氣的利用 甲烷”為課例，嘗試進行化學(xué)史情境教學(xué)，并依托中央電化館的虛擬實驗系統(tǒng)開展VR分組實驗，為學(xué)生體驗“甲烷的研究歷程”提供最佳的實驗環(huán)境，以期達(dá)到最優(yōu)化的課堂教學(xué)效果。

二、教材分析

本節(jié)課是蘇教版（2017課標(biāo)版）高一必修Ⅱ?qū)ｎ}8第一單元“化石燃料與有機化合物”的第一課時，是面向高一學(xué)生的一節(jié)新授課。并且甲烷作為最簡單的有機物，是學(xué)生接觸有機化學(xué)的一枚“敲門磚”，因此本節(jié)課的教學(xué)效果將直接影響后續(xù)各類有機物知識的學(xué)習(xí)。教師在教學(xué)設(shè)計中可以通過真實的科學(xué)發(fā)展史情境引導(dǎo)學(xué)生逐步探索甲烷的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，rDgcVHYNF4kORumy8eQFHQ==不斷激發(fā)學(xué)生的求知欲與探索欲，進而體驗科學(xué)探索的曲折性與前進性。

本節(jié)教學(xué)設(shè)計主要包含以下兩個重點教學(xué)內(nèi)容：一是“甲烷結(jié)構(gòu)模型的搭建與認(rèn)知”，學(xué)生將通過球棍模型的DIY拼搭探索甲烷的正四面體空間構(gòu)型，為后續(xù)學(xué)習(xí)其他有機物建立空間構(gòu)型的基礎(chǔ)。二是“甲烷的化學(xué)性質(zhì)”。甲烷易燃，氯氣具有毒性，且甲烷與氯氣的反應(yīng)緩慢、現(xiàn)象不明顯等，導(dǎo)致常規(guī)教學(xué)通常采用播放實驗視頻的方式來呈現(xiàn)，而本節(jié)課利用虛擬實驗開展分組實驗探究解決了常規(guī)實驗的安全性等問題，以此幫助學(xué)生更直觀地觀察分析實驗現(xiàn)象，實現(xiàn)教學(xué)重難點的突破。

三、學(xué)情分析

在初三化學(xué)中，學(xué)生已經(jīng)了解了甲烷不但是最簡單的有機物，也是天然氣和沼氣的主要成分。而前期高中階段的學(xué)習(xí)中，學(xué)生還儲備了化學(xué)鍵的基礎(chǔ)知識，能從共用電子對的角度解釋共價鍵的形成，掌握了電子式和結(jié)構(gòu)式的書寫方法。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生通過乙醇和二甲醚的結(jié)構(gòu)式學(xué)習(xí)了同分異體知識。但是高一學(xué)生較缺乏對空間結(jié)構(gòu)的想象能力，缺少直觀的模型感知，因此對甲烷的立體結(jié)構(gòu)沒有清晰的認(rèn)識，難以進行有機物結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)和有機反應(yīng)機理的探究。

四、教學(xué)目標(biāo)

1.通過模型搭建，理解甲烷具有正四面體的空間構(gòu)型。引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識有機化合物分子空間結(jié)構(gòu)特點。

2.通過對甲烷物理性質(zhì)的觀察以及化學(xué)性質(zhì)的實驗探究，了解甲烷的性質(zhì)，理解取代反應(yīng)的歷程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

3.通過了解人類對甲烷認(rèn)識的科學(xué)探索過程以及甲烷在生活中的應(yīng)用，感受化學(xué)學(xué)科與社會發(fā)展的密切聯(lián)系。

五、教學(xué)重難點

教學(xué)重點：甲烷的空間構(gòu)型特點、取代反應(yīng)。

教學(xué)難點：通過二氯甲烷只有一種結(jié)構(gòu)來幫助學(xué)生建立甲烷正四面體空間構(gòu)型的模型。

六、教學(xué)設(shè)計思路（見圖1）

七、教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一：古今化學(xué)史情境，引出主題

［導(dǎo)入］化學(xué)史話一：公元前1066年至公元前771年，我國西周年代的書籍《易經(jīng)》中有一些關(guān)于自然現(xiàn)象的記載：“澤中有火”“上火下澤”。

化學(xué)史話二：1776年，意大利物理學(xué)家伏打在意大利北部的科摩湖邊，用木棍攪動湖里的淤泥，發(fā)現(xiàn)有氣體逸出，他用充滿水的瓶子倒轉(zhuǎn)過來收集冒出的氣體。該氣體燃燒的火焰為青藍(lán)色，與H2的爆炸燃燒不同，其在10～12倍體積的空氣中才會燃燒爆炸。

教師：這兩篇化學(xué)史話描述的是同一種氣體，大家知道它是什么氣體嗎？

學(xué)生：天然氣，主要成分是甲烷。

［引導(dǎo)］下面我們通過中央電化館的虛擬實驗系統(tǒng)，利用甲烷燃燒的VR實驗觀察甲烷的物理性質(zhì)并驗證這種氣體是不是甲烷。

［分組實驗］教師簡單介紹中央電化館的虛擬實驗系統(tǒng)后，學(xué)生戴上VR頭盔和操縱手桿進行甲烷燃燒的虛擬仿真分組實驗，每個小組的電腦屏幕會同步顯示學(xué)生的VR視圖。

學(xué)生按照系統(tǒng)提示的實驗步驟操作，如出現(xiàn)操作錯誤，系統(tǒng)會提示可能出現(xiàn)的實驗危險，學(xué)生可及時更正錯誤步驟。教師在學(xué)生進行虛擬實驗操作時需在旁協(xié)助指導(dǎo)，如：手柄抓取儀器變藍(lán)說明已被選中，可以根據(jù)系統(tǒng)的提示進行相關(guān)操作，不同的儀器會有不同的操作建議，如選中集氣瓶就會出現(xiàn)聞氣味、震蕩等操作選項。

學(xué)生（根據(jù)實驗現(xiàn)象分析、小結(jié)）：甲烷是無色氣體；密度小于空氣；難溶于水；可燃燒生成水與二氧化碳；與化學(xué)史話中介紹的性質(zhì)一致。

［交流討論］

1.根據(jù)甲烷的性質(zhì)，可選擇哪些方法進行收集？

2.現(xiàn)實實驗中甲烷能直接點燃嗎？要注意什么？

3.請寫出甲烷燃燒的化學(xué)方程式。

［學(xué)生］可采用排水法收集；點燃甲烷前需要驗純；CH4+2O2→CO2+2H2O

（設(shè)計意圖：通過有關(guān)甲烷的中外史料記載引入新課，在激發(fā)學(xué)生探索欲的同時，還通過《易經(jīng)》比伏打早近1000年就對甲烷有記載的史實增強了學(xué)生的民族自豪感。）

環(huán)節(jié)二：重現(xiàn)科學(xué)探索歷程，辨析微觀結(jié)構(gòu)

教師（過渡）：甲烷還有哪些性質(zhì)呢？我們能從哪方面著手研究它呢？

學(xué)生：結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，可以先研究結(jié)構(gòu)。

［溫故知新］初中時我們就知道甲烷的分子式是CH4，在必修Ⅰ中我們還學(xué)習(xí)了共價鍵的知識，請同學(xué)們根據(jù)碳原子和氫原子的結(jié)構(gòu)特征，以及共價鍵的成鍵特點，寫出甲烷的電子式與結(jié)構(gòu)式，并嘗試用彩泥和小棍搭建甲烷的球棍模型。

［結(jié)果展示］有的學(xué)生搭建出甲烷模型是平面正方形結(jié)構(gòu)，有的學(xué)生則是立體結(jié)構(gòu)。

［課件展示］化學(xué)史話三：1858年凱庫勒證實了甲烷由1個C與4個H構(gòu)成，之后凱庫勒、布朗等科學(xué)家也先后提出了甲烷模型，他們都認(rèn)為是平面結(jié)構(gòu)（見圖2）。

化學(xué)史話四：1875年荷蘭科學(xué)家范特霍夫發(fā)表了《空間化學(xué)》一文，提出分子的空間立體結(jié)構(gòu)的假說，以及碳的正四面體構(gòu)型假說。

教師（引導(dǎo)）：看來同學(xué)們與科學(xué)家們真是“英雄所見略同”。科學(xué)家們在研究甲烷時也提出了平面和立體兩類分子結(jié)構(gòu)模型。那甲烷到底是平面結(jié)構(gòu)還是立體結(jié)構(gòu)呢？我們來看科學(xué)家們后續(xù)的研究結(jié)果。

［課件展示］現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)X-射線和電子衍射證實了以下實驗事實：

1.在甲烷分子中4個C-H鍵的長度和強度相同，共價鍵間的夾角也相等。

2.CH2Cl2（二氯甲烷）只有一種結(jié)構(gòu)，不存在同分異構(gòu)體。

教師：同學(xué)們搭建模型時，都使用了相同長度的小棍代表了C-H共價鍵，說明大家的模型都符合第一個實驗事實。接下來請大家把各自模型中的兩個氫原子換成兩個其他顏色的氯原子，這樣就組裝成了二氯甲烷模型，看是否符合第二個實驗事實。

［活動探究］搭建二氯甲烷模型

學(xué)生（分析）：如果甲烷是正四面體形，則CH2Cl2只有一種結(jié)構(gòu)；若甲烷是正方形平面結(jié)構(gòu)，則CH2Cl2有兩種結(jié)構(gòu)。因此根據(jù)第二個實驗事實，甲烷的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是正四面體型。

［小結(jié)］教師用多媒體展示甲烷的空間構(gòu)型三維圖——正四面體型，鍵角為109°28′。

（設(shè)計意圖：通過實驗探究DIY動手搭建甲烷的球棍模型，幫助學(xué)生建立有機物分子結(jié)構(gòu)的直觀印象。結(jié)合科學(xué)史，學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己與科學(xué)家“英雄所見略同”后，極大地提高了探索欲。教師隨后引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)X-射線和電子衍射實驗事實修正自己的模型，讓學(xué)生體驗了科學(xué)探究的曲折性，增強了學(xué)生的科學(xué)精神與創(chuàng)新意識。）

環(huán)節(jié)三：虛擬實驗支持下的性質(zhì)探究

［過渡］剛才我們搭建了二氯甲烷模型，二氯甲烷是什么樣的物質(zhì)呢？

［課件展示并介紹］化學(xué)史話五：1831至1832年間，美國科學(xué)家S.Guthrie、法國科學(xué)家E.Soubeiran 和德國科學(xué)家J.von Liebig在實驗中幾乎同時制得了三氯甲烷。1834年法國化學(xué)家J. Dumas在實驗過程中發(fā)現(xiàn)了氯甲烷、二氯甲烷等。

［課件呈現(xiàn)資料卡］一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷與四氯化碳的性質(zhì)與用途

教師：在攻克甲烷結(jié)構(gòu)的難題后，科學(xué)家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷與四氯化碳，它們用途廣泛，如二氯甲烷就可用于生產(chǎn)金屬表面漆層的清洗脫脂劑、牙科局部麻醉劑等。于是，1923年，德國赫斯特公司開始采用甲烷直接氯化法工業(yè)量產(chǎn)二氯甲烷。而此時我國正受到蘇聯(lián)和東德的技術(shù)封鎖，無法生產(chǎn)二氯甲烷，因此電影、醫(yī)藥需要的感光膠片都只能依靠進口。如果同學(xué)們是我國的科研工作人員，能否破解生產(chǎn)二氯甲烷的化學(xué)原理呢？

［學(xué)以致用］請學(xué)生繼續(xù)使用彩泥制作氯氣的分子模型，結(jié)合已有的甲烷、二氯甲烷模型嘗試探究直接氯化法制取二氯甲烷的反應(yīng)歷程，并用化學(xué)式表示反應(yīng)過程。

［學(xué)生］猜測1：CH4+Cl2→CH3Cl+HCl

CH3Cl+Cl2→CH2Cl2+HCl

猜測2：CH4+Cl2→CH2Cl2+H2

教師：哪種猜測是正確的呢？大家能設(shè)計方案證明嗎？

學(xué)生：我們可通過觀察甲烷與氯氣反應(yīng)的實驗現(xiàn)象，驗證產(chǎn)物是H2還是HCl。

教師：氯氣為有毒氣體，考慮到實驗安全性，我們?nèi)匀徊捎弥醒腚娀^的虛擬實驗。

［分組實驗］學(xué)生登錄中央電化館虛擬實驗平臺，進行甲烷與氯氣分組VR實驗，教師根據(jù)學(xué)生視圖進行實驗指導(dǎo)。

學(xué)生（分析）：根據(jù)實驗現(xiàn)象：試管內(nèi)黃綠色的氣體顏色變淡，試管壁上出現(xiàn)了油滴，試管內(nèi)有白霧生成，說明猜想1是正確的。

教師（引導(dǎo)）：請大家思考甲烷與氯氣的反應(yīng)屬于我們學(xué)過的四種基本反應(yīng)類型嗎？

學(xué)生：雖然類似復(fù)分解，但并不是四種基本反應(yīng)類型中的任何一種。有機化合物分子中的某種原子（或原子團）被另一種原子（或原子團）所取代的反應(yīng)，在有機反應(yīng)中稱為“取代反應(yīng)”。

教師（分析）：甲烷與氯氣需要在光照條件下進行反應(yīng)，實驗現(xiàn)象中出現(xiàn)的白霧含有一氯甲烷以及氯化氫，油滴則是二氯甲烷、三氯甲烷以及四氯化碳的混合物，因為這是一個連續(xù)反應(yīng)，甲烷會持續(xù)與氯氣發(fā)生取代反應(yīng)，生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷以及四氯化碳。請同學(xué)們根據(jù)得出的探究結(jié)論寫出反應(yīng)的相關(guān)方程式。

教師（小結(jié)）：恭喜大家通過聯(lián)系已有知識與史料，利用模型進行合理猜想，并且通過虛擬實驗進行探究驗證，掌握了甲烷與氯氣取代反應(yīng)的反應(yīng)機理，破解了直接氯化法的技術(shù)原理。其實這些步驟就是科學(xué)探究的一般方法，正如同學(xué)們所做的。20世紀(jì)80年代，我國四川自貢鴻鶴化工廠的科研人員也終于開發(fā)了利用天然氣熱氯化法生產(chǎn)二氯甲烷的裝置。鄧小平同志還親自到廠聽取了技術(shù)人員的匯報。（多媒體展示人民網(wǎng)上小平同志兩次視察自貢的視頻）希望大家能繼續(xù)利用本節(jié)課學(xué)到的科學(xué)探究方法，踐行科技強國，把自己的創(chuàng)新夢想融入國家發(fā)展。

（設(shè)計意圖：教學(xué)設(shè)計中再次應(yīng)用中央電化館虛擬VR實驗提高學(xué)生的探究積極性，讓學(xué)生更清晰地觀察到了常規(guī)實驗難以觀測到的HCl白霧，從而幫助學(xué)生準(zhǔn)確地驗證了自己的猜想。化學(xué)史情境與科技的結(jié)合，落實了對學(xué)生科學(xué)探究、創(chuàng)新意識以及社會責(zé)任感培養(yǎng)的課標(biāo)要求。）

八、教學(xué)效果評估與反饋

為了更加準(zhǔn)確地評估虛擬實驗技術(shù)在化學(xué)史教學(xué)中的應(yīng)用效果，本研究采集了學(xué)生課后對教學(xué)效果的反饋數(shù)據(jù)（見圖3）。

調(diào)查問卷顯示：在應(yīng)用虛擬實驗結(jié)合化學(xué)情境教學(xué)后，學(xué)生對后續(xù)的課程表現(xiàn)出更強的學(xué)習(xí)動機，并且對提高學(xué)生的創(chuàng)造性思維和實驗操作水平、數(shù)據(jù)處理與分析能力均有幫助。因此，對比傳統(tǒng)課堂，在虛擬實驗技術(shù)支持下的化學(xué)史情境教學(xué)有效地優(yōu)化了課堂教學(xué)效果。

九、結(jié)語

虛擬實驗技術(shù)在化學(xué)史情境教學(xué)中的應(yīng)用能極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)化學(xué)課程的興趣和課堂參與度。通過直觀、互動的虛擬實驗環(huán)境，學(xué)生有機會重現(xiàn)化學(xué)史上的科學(xué)實驗，提出自己的假設(shè)并驗證。這不僅增強了學(xué)生的實驗技能，還培養(yǎng)了其批判性思維和解決問題的能力，促進學(xué)生科學(xué)探究能力等核心素養(yǎng)的發(fā)展。

（作者單位：福建省福州第十中學(xué)）

編輯：陳鮮艷