廖軍清

【摘要】新課程改革之后，高中化學(xué)教材也出現(xiàn)了新的改變，增加了更多分子模型圖、實(shí)驗(yàn)儀器圖以及原子離子結(jié)構(gòu)示意圖等，形象的插圖增加了教材的趣味性，同時(shí)也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。新教材的改變充分體現(xiàn)了新課程的思想，而專業(yè)化學(xué)軟件在新教材的開(kāi)展中發(fā)揮著重要的作用。專業(yè)化學(xué)軟件在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用可以使平面教學(xué)更加立體化、形象化，有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)思維。本文主要分析了化學(xué)軟件在高中化學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用，希望可以給當(dāng)前的高中化學(xué)教學(xué)提供參考。

【關(guān)鍵詞】化學(xué)軟件 高中化學(xué)教學(xué) 應(yīng)用現(xiàn)狀

【中圖分類號(hào)】G633.8 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）30-0124-02

化學(xué)教學(xué)過(guò)程中，很多知識(shí)無(wú)法用語(yǔ)言進(jìn)行詳細(xì)的描述，需要學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察的方式來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，但是很多化學(xué)元素?zé)o法通過(guò)肉眼觀察出來(lái)，比如原子、分子的微觀結(jié)構(gòu)，也無(wú)法運(yùn)用宏觀的模型來(lái)形象的描述化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，由于學(xué)習(xí)過(guò)程比較抽象，因此學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程比較枯燥。適當(dāng)?shù)倪\(yùn)用一些化學(xué)軟件可以幫助學(xué)生有效的掌握化學(xué)知識(shí)，使枯燥的化學(xué)知識(shí)更加直觀化、形象化，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

一、化學(xué)軟件在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用概述

考核教師專業(yè)素質(zhì)的一種重要方法就是考察教師對(duì)教材的熟練程度和教學(xué)設(shè)計(jì)的有效程度。教學(xué)設(shè)計(jì)，或稱教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一種實(shí)施教學(xué)系統(tǒng)方法的具體可操作的程序。它綜合了教學(xué)過(guò)程中的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)對(duì)象、教學(xué)策略、教學(xué)媒體、教學(xué)評(píng)價(jià)等基本要素，將運(yùn)用系統(tǒng)方法的設(shè)計(jì)過(guò)程加以模式化。它的具體還表現(xiàn)為：教學(xué)系統(tǒng)的具體分析和可操作性設(shè)計(jì)，依照的理論依據(jù)和方法，等等。其中對(duì)于可操作性方面，不同的教師在教學(xué)的過(guò)程中有著不同的認(rèn)知方式，曹晶偉[1]等對(duì)模擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件并對(duì)上科版《化學(xué)》教材中“化學(xué)反應(yīng)速率”為例進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。黎新[2]用具體例子討論幾種常用化學(xué)軟件Gaussian、Gaussview、Hyperchem和Chemoffice在無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、儀器分析、結(jié)構(gòu)化學(xué)以及生物化學(xué)等課程教學(xué)中的應(yīng)用。王靈等[3]針對(duì)中學(xué)化學(xué)教師在編排試題、試卷資料以及制作課件等過(guò)程中對(duì)有機(jī)物分子和立體結(jié)構(gòu)的繪制、方程式、電子式的書(shū)寫(xiě)展示存在困難，將Chemwindow6.0、Hy—perChem7.0等化學(xué)軟件和HyperSnap4.5、Camtasia3.0等捕捉軟件的使用做了介紹。馮霞[4]借助化學(xué)軟件等工具繪制出的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)圖形和動(dòng)畫(huà)能生動(dòng)形象地表現(xiàn)化學(xué)微觀世界，將它們應(yīng)用到化學(xué)課件中，可以有效提高這部分知識(shí)的教學(xué)效果。以上，他們介紹了各種軟件的功用，但對(duì)化學(xué)教師的教學(xué)技能與新課程理念下有效教學(xué)設(shè)計(jì)沒(méi)有結(jié)合在一起?；瘜W(xué)軟件在化學(xué)有效教學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究，以提高教學(xué)的有效性，進(jìn)而取得最佳的教學(xué)效果。

二、化學(xué)教學(xué)中常用的計(jì)算化學(xué)軟件

計(jì)算化學(xué)軟件作為化學(xué)化工領(lǐng)域中最常用的工具，無(wú)論在科研或者教學(xué)中都擔(dān)負(fù)著重要的作用。化學(xué)教學(xué)中通常應(yīng)用到下列軟件：

1. ChemDrawChemDraw軟件美國(guó)CambridgeSoft公司推出的一款優(yōu)秀的商業(yè)化化學(xué)軟件ChemOffice 中的模塊之一。ChemDraw 中存貯了大量的分子結(jié)構(gòu)圖形、原子軌道、分子軌道和電子云圖的圖形，在化學(xué)教學(xué)中主要用于繪制有機(jī)分子結(jié)構(gòu)式及反應(yīng)方程式等，ChemDraw 中的實(shí)驗(yàn)裝置繪制模版則是繪制反應(yīng)流程及實(shí)驗(yàn)儀器裝置圖的重要工具。

2. GaussianGaussian 程序是目前國(guó)際上最為流行的量子化學(xué)計(jì)算軟件之一，GaussView 是 Gaussian 的圖形用戶界面，其主要功能是可以很方便而精確地作出各種原子、分子及過(guò)渡態(tài)的空間結(jié)構(gòu)。和一般化學(xué)作圖軟件相比，它更加專業(yè)和精確，可以直接讓學(xué)生觀察了解各種物質(zhì)的鍵長(zhǎng)、鍵角、電子云分布等微觀結(jié)構(gòu)以及分子內(nèi)部的各種振動(dòng)。

3. Materials StudioMaterials Studio 軟件包是 Accelrys 公司開(kāi)發(fā)的，是常用的分子設(shè)計(jì)和模擬軟件，可進(jìn)行量子力學(xué)、分子力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算。Materials Studio 軟件包功能非常強(qiáng)大，主要由這樣幾個(gè)模塊組成：構(gòu)造分子；優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)；研究分子反應(yīng)；觀察軌道和電子圖譜；研究分子動(dòng)力學(xué)。Materials Studio 可以快速準(zhǔn)確地獲得分子的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)對(duì)分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，運(yùn)用所得的結(jié)果來(lái)解釋或預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)。除此之外，也可以計(jì)算出分子的靜態(tài)性質(zhì)，通過(guò)這些數(shù)據(jù)我們可以預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)的位置、說(shuō)明化學(xué)反應(yīng)的途徑和機(jī)制、解釋分子的動(dòng)力學(xué)行為等，在教學(xué)中可以達(dá)到事半功倍的效果。

（1）Materials Studio 在電荷密度教學(xué)中的應(yīng)用

在講授極性分子和非極性分子過(guò)程中，常常提到原子電荷分布情況及對(duì)物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的影響。Materials Studio 中原子電荷顯示功能，使電荷分布一目了然。以Si來(lái)作為示范，在Volumetic Selection中，選擇顯示 total e-lectron density，會(huì)將場(chǎng)給顯現(xiàn)出來(lái)。這個(gè)場(chǎng)是電子在空間中的分布，Isosur-face則是顯示出等位面。這里將電位以顏色來(lái)區(qū)別其高低，在等電位密度中做出電位高低的圖，可以讓學(xué)生清楚地了解極性。

（2）Materials Studio 在晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用

在化學(xué)中，晶體的結(jié)構(gòu)和對(duì)稱性是學(xué)生不易掌握的內(nèi)容，主要原因是該部分涉及三維空間變換，單純板書(shū)式教學(xué)對(duì)學(xué)生的理解作用不大。利用Materials Studio 的建模功能，可以方便地建立各種晶體的三維模型，直觀化地展示其結(jié)構(gòu)和對(duì)稱性等特點(diǎn)。圖1是面心立方 NaCl 在不同視角下的晶體結(jié)構(gòu)圖，我們可以直接得到NaCl的晶體結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以看到NaCl是立方密排晶格（ABCABC）。此外，點(diǎn)擊菜單build中的symmetry還可以得NaCl晶格的原胞。同時(shí)，Materials Studio還允許自由的創(chuàng)建晶體結(jié)構(gòu)，只要已知空間群類型、晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)和元素類型，我們就可以任意的創(chuàng)建晶體。如果按下 Find Sym-metry 選項(xiàng)，便可看到已找到的NaCl晶體的對(duì)稱性為FM-3M，在教學(xué)中展示這種效果，能使學(xué)生容易理解晶體的對(duì)稱性的類型。

（3）原子軌道顯示在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

Materials Studio可以輕松地對(duì)各種原子軌道能量進(jìn)行計(jì)算并獲得其空間圖像。利用Element可以調(diào)出一個(gè)元素表，可以直接選擇元素，例如乙烷，在工具列中，選取CASTEP的計(jì)算套件計(jì)算原子軌道，在Task中選擇Energy，它在計(jì)算基態(tài)能量之后，就可以分析原子軌道了。

三、結(jié)語(yǔ)

將化學(xué)軟件應(yīng)用在教學(xué)中，有效提升了教學(xué)過(guò)程的趣味性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)采用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)動(dòng)畫(huà)，將抽象的微觀化學(xué)知識(shí)變得更加形象化、具體化，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解和掌握，可以有效提高課堂教學(xué)的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]卞?；?，代昭，趙世懷，紀(jì)妍妍. 化學(xué)軟件基礎(chǔ)課程教學(xué)[J].科教導(dǎo)刊（上旬刊），2015，05：136-137.

[2]黎新. 化學(xué)軟件在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，05：90-92.

[3]堵錫華，李靖，史小琴，朱捷. 計(jì)算化學(xué)軟件在分析化學(xué)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J]. 廣東化工，2014，19：233-234.

[4]馮霞. 化學(xué)軟件和捕捉軟件在化學(xué)多媒體課件制作中的應(yīng)用[J]. 重慶教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，03：45-47.