利用免費分子繪制軟件實現(xiàn)線上線下的互動教學

王濤

摘要：簡單介紹了KingDraw、InDraw和MolView 3個免費繪制分子結(jié)構(gòu)的軟件界面，其中結(jié)合“感受化學鍵”一課的教學設計，重點介紹了利用KingDraw繪制和查看常見分子球棍模型的操作和方法。其中主要設計幾個環(huán)節(jié)：（1）查看幾種常見簡單氫化物HF、HCl、H2O、H2S、NH3、CH4的球棍模型，繪制結(jié)構(gòu)式，進而討論同主族氫化物結(jié)構(gòu)相似性和主族非金屬的常見化學鍵數(shù)目規(guī)律；（2）繪制幾種常見簡單有機物C2H6、C2H4、C2H2分子球棍模型，繪制結(jié)構(gòu)式，進而討論原子均盡可能將化學鍵全部利用，同時不僅可以形成單鍵，還有雙鍵、三鍵；（3）嘗試繪制較復雜的幾種分子N2、CO2、H2O2、HClO的結(jié)構(gòu)式，與球棍模型兩相印照，在鞏固前面知識的同時，得出多原子分子中心原子的判斷方法。

關(guān)鍵詞：分子結(jié)構(gòu)；免費軟件；化學鍵；在線教學

文章編號：1008-0546（2021）11-0032-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.008

*本文系2021年度河南省基礎(chǔ)教學研究項目（編號：JCJYC212600016和JCJYB210700014）階段性研究成果。

一、問題提出

在2020年3月這個特殊時期，筆者和很多老師一樣，開展了直播教學。隨著時間的延續(xù)，筆者逐漸適應了直播教學的節(jié)奏，也就開始有了新的想法，如何在直播課堂上開展學生活動，提高在線教學的時效性。

例如原來講授人教版必修2“化學鍵”時，筆者設計了“感受化學鍵”的1節(jié)課，學生結(jié)合任務單自主拼裝常見分子的微型球棍模型，從中得出“常見非金屬原子可以形成的共價鍵數(shù)目”，感受常見分子的球棍模型，繪制常見分子的結(jié)構(gòu)式，為后續(xù)學習共價鍵、書寫電子式奠定良好的基礎(chǔ)。

現(xiàn)在的教學環(huán)境下，能否實現(xiàn)以上的學生活動呢？是否有免費軟件供學生自己繪制常見分子結(jié)構(gòu)，觀察其球棍模型，同時有沒有可能進行旋轉(zhuǎn)等交互體驗呢？

二、軟件簡介

1.KingDraw

KingDraw是由青島清原精準農(nóng)業(yè)科技有限公司開發(fā)的，一款橫跨Android、iOS、Windows多平臺的永久免費有機分子繪制中文軟件，支持多端同步，文件可以輕松保存為cdx、mol、SMILES等多種常用化學繪圖軟件的文件格式。（沒錯！是的，可以和有機繪圖大神Chemoffice共享互通。）

登錄官網(wǎng)，或至手機應用商店搜索下載安裝即可，Android畫板功能界面，見圖1。

KingDraw畫板集成了KingDraw結(jié)構(gòu)式繪制的全部功能。畫板分為上下左右4個功能區(qū)，上部功能區(qū)主要包括繪圖時的常用功能，見圖1。其中點選“···”，就可以調(diào)出3D轉(zhuǎn)換功能鍵，將繪制的常見分子實時3D建模，觀察立體結(jié)構(gòu)。

下方繪制選擇區(qū)主要包括多種結(jié)構(gòu)式繪制元素，左右滑動即可調(diào)出所有圖標，見圖2。點選后單擊畫布即可得到對應的結(jié)構(gòu)式，如若要連接兩個基團，單擊時需準確點擊在連接原子位置。

左側(cè)元素選擇區(qū)，點擊左下角“···”，可以調(diào)出元素周期表，點選更多元素原子符號；右側(cè)功能區(qū)包括結(jié)構(gòu)式美化工具、常見有機基團繪制工具和移動縮放工具，見圖1。

2.InDraw

InDraw是一款由鷹谷公司開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的，同時支持網(wǎng)頁端和Windows端的免費有機分子繪制中文軟件，其文件可實現(xiàn)直接復制粘貼到Word，并在Word中雙擊結(jié)構(gòu)式直接在InDraw中修改；同時，也支持導出cdx格式文件，通過Ctrl C + Ctrl V實現(xiàn)InDraw、Office、ChemOffice三者互通。

登錄官方下載安裝或網(wǎng)頁端打開，注冊登錄，即可進行操作，其網(wǎng)頁端界面，見圖3，其功能區(qū)與King？ Draw多有相似，不再贅述。

3.MolView

MolView是網(wǎng)頁端在線繪制分子及3D轉(zhuǎn)換的工具，百度搜索http：//molview.org打開即可使用，見圖4，畫板功能鍵也與前面相似，點擊“2D to 3D”即可在線查看球棍模型。

筆者選擇了KingDraw開展“感受化學鍵”課時的在線教學，其中KingDraw的3D結(jié)構(gòu)可以提供球棍模型、比例模型、鍵線式三種選擇。

三、教學使用簡介

1.準備工作

為了讓學生更熟悉KingDraw軟件的使用，筆者制作了介紹使用的簡單視頻，并提前一周安排軟件安裝和觀看視頻等活動，預告本次課堂教學內(nèi)容。

2.教學流程

（1）引入主題

【多媒體】視頻“水是什么樣子的？”

【設疑激趣】

大自然用2個H原子、1個O原子搭建起1個H2O分子。試著想象一下水分子是一個怎樣精巧的建筑，是什么“膠”使這些原子黏合在一起，保持水分子不分解成兩個H原子和一個O原子呢？

（2）提供背景資料。

【多媒體】

鍵，安在車軸兩端，管住車輪不脫離軸的鐵棍，“題無四寸之鍵，則車不行?！?/p>

bond，結(jié)合力；聯(lián)結(jié)，聯(lián)系；粘接，粘著劑。

Chemical Bond，物質(zhì)中使離子相結(jié)合或原子相結(jié)合的作用力通稱為化學鍵。

【教師】如何表示看不見的作用力——化學鍵呢？

【多媒體】

在許多工作領(lǐng)域中，模型是非常重要的工具?；瘜W家們利用分子模型來幫助他們理解和預測分子是如何運作的。

常見的分子模型或表達方式有球棍模型、比例模型、結(jié)構(gòu)式，見圖5。

其中，球棍模型中，用顏色、大小不同的小球代表不同原子，通過短棍連接，其中短棍，即化學鍵；比例模型，按照原子實際大小關(guān)系和外層電子運動區(qū)域重疊一部分，搭建出的結(jié)構(gòu)模型；結(jié)構(gòu)式，在元素符號之間繪制短線來表示化學鍵，可以上下左右4個方向。

（3）線下活動1：查看常見氫化物的球棍模型，書寫其結(jié)構(gòu)式

【教師】今天，我們就利用KingDraw來熟悉常見分子的球棍模型，并嘗試繪制出它們的結(jié)構(gòu)式。

【線下活動】參考下列步驟，查看HF、HCl、H2O、H2S、NH3、CH4的球棍模型，并嘗試書寫結(jié)構(gòu)式。

①打開KingDraw界面，點選右上角“+”，即可新建畫板；

②點擊左側(cè)“O”原子符號，在畫板上點擊，即可得到水的化學式；

③點擊右上方“···”，打開后，再點擊“3D”，即可觀察球棍模型；

④此時，左上角依次表示的模型為比例模型、鍵線式、球棍模型，點擊可切換；

⑤點擊右上角“×”，即可退出當前界面；

⑥點擊左下角“···”，打開元素周期表，點擊“S”，回到畫板，點擊可得“H2S”。

【成果交流】學生將書寫的結(jié)構(gòu)式拍照，發(fā)送到班級群，見圖6。

【教師】大家做的非常棒！同學們不妨再思考2個問題：

①同主族氫化物的球棍模型、結(jié)構(gòu)式是否有相似之處？

②C、N、O、F可以形成的連接線數(shù)目（化學鍵）有什么規(guī)律可循？

【學生】思考（稍等片刻，有學生已經(jīng)在群中回復留言）

【投影】歸納整理，見圖7。

（4）線下活動2：搭建常見有機分子模型，嘗試書寫其結(jié)構(gòu)式

【教師】非金屬原子在形成分子時，常見的化學鍵數(shù)目等于其達到相對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)所需的電子數(shù)目，而且在形成分子時，通常每一根化學鍵都要利用到。

【線下活動】參考以下步驟，查看乙烷、乙烯、乙炔的球棍模型，并嘗試整理其化學式、結(jié)構(gòu)式。

①點擊左下角“＼”，僅點擊一下；查看其球棍模型，請嘗試在演草紙上書寫該有機物的化學式、結(jié)構(gòu)式；

②點擊左下角“＼＼”，僅點擊一下；查看其球棍模型，請嘗試在演草紙上書寫該有機物的化學式、結(jié)構(gòu)式；

③點擊左下角“＼＼＼”，僅點擊一下；查看其球棍模型，請嘗試在演草紙上書寫該有機物的化學式、結(jié)構(gòu)式。

【成果交流】學生將書寫的結(jié)構(gòu)式、化學式拍照，發(fā)送到班級群。

【投影】歸納整理，見圖8。

【教師】我們發(fā)現(xiàn)，非金屬元素形成物質(zhì)時，原子間的化學鍵不僅可以形成單鍵，也有雙鍵、三鍵的形式。而且，其中每個原子的化學鍵都被完全利用。

（5）線下活動3：嘗試分析更復雜的分子結(jié)構(gòu)，N2、CO2、H2O2、HClO。

【線下活動】學以致用：請嘗試推斷N2、CO2、H2O2、HClO的結(jié)構(gòu)式。

【成果交流】學生將書寫的結(jié)構(gòu)式、化學式拍照，發(fā)送到班級群。

【教師】結(jié)合同學們提交的結(jié)構(gòu)，有幾個問題需要提醒注意：第一，多原子分子中，如何判斷分子中的中心原子？第二，結(jié)構(gòu)式繪制能否表示出分子的空間結(jié)構(gòu)？

【學生】思考

【視頻連線】化學鍵數(shù)目多的原子作中心，結(jié)構(gòu)式不太好表示分子的空間結(jié)構(gòu)。

【教師】對，能夠形成更多化學鍵的原子一般作為多原子分子的中心，例如HClO，化學式看上去是Cl作中心，其實是O連接H、Cl；同時，一般建議同學們將結(jié)構(gòu)式寫的橫平豎直就行，不用考慮分子的空間結(jié)構(gòu)。

【投影】教師展示4種分子的繪制過程和球棍模型

【投影】歸納整理，見圖9。

（6）反思與追問1

【教師】分子結(jié)構(gòu)模型和真實的分子，完全相同嗎？

【學生】思考反饋

【教師】三種結(jié)構(gòu)表示方法，哪一個表示是正確的呢？哪一個是真正的分子呢？嗯，它們都是，又都不是。嚴格地說，它們都只是模型而已，對某些場合適用的圖像，而對另外一些場合就不恰當了。

化學式HClO無法告訴我們各個原子間的連接情況，因此產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)式，那么次氯酸分子的真正結(jié)構(gòu)就是這個樣子嗎？既是，又不是，在有些層面上看是，而在另一些層面上看則不是?；瘜W家們希望看到三維圖像，看到原子之間的“真實”的距離，也就是按照正確比例畫出的分子。利用X射線衍射的技術(shù)就能得詳圖，于是就有了球棍模型，或許這是20世紀人們最熟悉的一種分子圖示。對原子實際占有的體積更加“逼真”的描繪是比例模型。[1]

（7）反思與追問2

【教師】化學鍵真的存在嗎？

【學生】思考反饋

【教師】科學家們借助一些事實間接證明了原子之間存在著“膠”——化學鍵。在通常情況下，無論是冰、水還是水蒸氣，水分子永遠都是H2O，不可能輕易分解成1個O和2個H，怎樣才能實現(xiàn)這個變化？需要通電或者加熱，輸入能量的方法才能打破它們之間的連接作用力，就如同粘在一起的巴基球，你想把它分開，需要付出力氣一樣。

為什么Mg、C燃燒都需要加熱或點燃的操作，這也是要通過提供能量的方法破壞其中化學鍵作用力，將它們拆成一個一個原子參加反應。

化學鍵真的廣泛存在于幾乎所有的物質(zhì)之中，無論單質(zhì)還是化合物，當然不能像球棍模型那么真實可觸。

【投影】科學家們已經(jīng)拍攝到了！見圖10。

【教師】這就是我們這節(jié)課的主要內(nèi)容，下節(jié)課將在結(jié)構(gòu)式的基礎(chǔ)上學習化學鍵中的“共價鍵”。請大家完成課下作業(yè)和預習。

四、幾點想法

1.改善課堂參與度與互動性，提升學生學習熱情

這幾款軟件永久免費，支持多平臺，具有較低準入度和較高易用度，不僅適用于常見分子結(jié)構(gòu)、球棍模型的搭建任務，更擅長有機分子結(jié)構(gòu)繪制、命名、結(jié)構(gòu)中原子共面性AR交互操作，涵蓋高中有機化學基礎(chǔ)教學的諸多要點。

在實際使用過程中，KingDraw軟件在很大程度上彌補了沒有球棍模型的缺憾，能夠幫助學生更直觀地感受化學鍵和球棍模型，AR交互不錯；相比其他直播課程，學生的參與度和互動性有了很大改善，大部分表示軟件很有趣；同時，還可以提高學生學習熱情的持久度，課下學生仍與教師溝通分子結(jié)構(gòu)搭建和繪制操作，見圖11。

2.分享交流教學心得，研討提升教學水平

筆者在備課過程中，恰巧遇到幾個微信群組中有教師探討有機分子共面的疑難問題，通過分享軟件、模擬和研討講解方法，很快就解決了問題。同時，在開封市高中化學教研群中分享制作的使用視頻，與同行共同探討軟件的使用問題，共同提升教學水平，見圖12。

同時，本節(jié)教學模式對網(wǎng)絡授課中分子結(jié)構(gòu)、有機化學有關(guān)內(nèi)容的教學具有較高的參考價值。其中，設計引導學生使用繪制軟件的操作步驟，在完成操作講解的同時，又完成了分組活動任務，優(yōu)化了課堂教學節(jié)奏和設計簡潔度。

利用班級群組拍照上傳、在線分享交流任務成果，加強師生和生生互動評價等環(huán)節(jié)，提升了參與度與互動性，互動設計依托直播平臺，操作簡單，可復制性強，易于推廣。

參考資料

[1]（美）霍夫曼（Hoffmann，R.），（美）托倫斯（Torrence，V.）著，金麗莉，吳思，花季紅譯.想象中的化學：對科學的反思[M].上海：上?？萍冀逃霭嫔?，2003：9-11