如何用3ds max輔助金屬晶體教學(xué)

畢晟

摘要材料結(jié)構(gòu)（PEP出版的高中化學(xué)學(xué)生選修課本第三版）中，金屬晶體中原子的積累方式只有一些想象，但沒有可視化的模型，這使得學(xué)生很難理解。甚至是不可能讓學(xué)生計(jì)算每個(gè)原子的利用率積累方式，尤其是在面心立方緊密堆積的利用率。本文介紹了如何使用可視化模型教學(xué)，旨在解決上述問題。

關(guān)鍵詞金屬晶體原子堆積3ds max

中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在現(xiàn)行中學(xué)化學(xué)人教版選修三《物質(zhì)結(jié)構(gòu)》中，對(duì)晶體的相關(guān)知識(shí)要求較深，而學(xué)生才學(xué)立體幾何不久，對(duì)空間結(jié)構(gòu)想象不夠，空間中點(diǎn)、線、面之間的關(guān)系難以確定，所以對(duì)微觀晶胞結(jié)構(gòu)的理解就更困難，在金屬晶體的教學(xué)中，學(xué)生的這種情況表現(xiàn)更為突出，學(xué)生對(duì)幾種晶胞的形成、晶胞中原子間的位置關(guān)系、每一晶胞所占用的原子的個(gè)數(shù)、晶胞的體積、原子的空間利用率的計(jì)算等知識(shí)很難把握。這時(shí)我們可以利用3ds max來模擬微觀的場景，直觀地展示給學(xué)生，加深學(xué)生對(duì)金屬晶體的理解。

1 現(xiàn)有教材的不足之處

在高中新教材選修三《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》人教2009版中，第三章第三節(jié)金屬晶體的內(nèi)容中，對(duì)金屬原子的堆積的方式有如下的描述：金屬原子在二維平面堆積中有兩種方式，配位數(shù)分別為4和6的非密置層和密置層。對(duì)這種平面的堆積方式學(xué)生很容理解兩種方式的特征及區(qū)別。在非密置的空間堆積方式中又可得簡單立方與體心立方，在簡單立方中，學(xué)生能準(zhǔn)確理解晶胞中原子間的位置關(guān)系和晶胞的邊長，方便于學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)求晶胞的相關(guān)參數(shù)。但在體心立方中，學(xué)生對(duì)晶胞的邊長與原子半徑的關(guān)系不太明確，求晶胞的參數(shù)更困難。

在密置層的空間堆積中所得的六方最密堆積和面心最密堆積立方中，學(xué)生對(duì)如何得到這兩種晶胞以及兩種晶胞中各原子間的位置關(guān)系理解困難，更難以求晶胞的參數(shù)和原子的空間利用率。特別是在六方最密堆積晶胞中，學(xué)生容易根據(jù)教材圖例認(rèn)為中間原子在四棱柱的面上或在四棱柱的棱上，而它的底面為正方形，而實(shí)際上中間原子與其相切的三原子同處于一正四面體的頂點(diǎn)，底面的另一原子與其不接觸，底面為菱形。

2 改進(jìn)方法

為了給學(xué)生以直觀的感受，可以先用flash制作各晶胞的模型，然后指導(dǎo)學(xué)生用乒乓球代替金屬原子按照教材敘述用膠水粘貼成簡單立方、體心立方和六方最密堆積，通過學(xué)生動(dòng)手加深學(xué)生對(duì)各晶胞的認(rèn)識(shí)，消除內(nèi)心的錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)。在簡單立方中，晶胞邊長與原子半徑間關(guān)系非常明確，邊長為半徑的2倍，配位數(shù)為4。而體心立方中，晶胞的體對(duì)角線長為原子半徑的4倍，配位數(shù)為8。在這兩種晶胞中，學(xué)生可通過模型，利用所學(xué)的數(shù)學(xué)立體幾何知識(shí)能清楚掌握到原子間的位置關(guān)系和快速計(jì)算出原子的配位數(shù)以及原子的空間利用率。在六方最密堆積中，原子間的位置關(guān)系較復(fù)雜。以乒乓球粘成的實(shí)際模型為例，取晶胞的1/3，A層原子為四原子形成的菱形底面，B層原子放在其中A層3原子圍成的空隙中，且只能放一個(gè)原子，該原子不完全屬于A層3原子球心所圍成的空間，但從flash動(dòng)畫透視圖可見，中間原子與其接觸的原子圍成以球心為頂點(diǎn)的正四面體，底面的另一原子不能與接觸相切。通過上下底的球心作連線所形成的四棱柱剛好將中間小球球心圍在其中，A層球心連線將B層球切除部分，但同時(shí)將不屬于此四棱柱的小球切入到此四棱柱中，剛好切出與切進(jìn)的體積相等，即一四棱柱完整擁有一中間小球，而中間小球的球心不在面或邊線上。原子利用率的計(jì)算中，晶胞底面為菱形，高為正四體高的兩倍，配位數(shù)為12。

但對(duì)于面心最密堆積以ABC的方式學(xué)生不可能觀察到面心結(jié)構(gòu)，flash動(dòng)畫方式也不能讓學(xué)生從該方式中抽出面心結(jié)構(gòu)，flash為平面動(dòng)畫，只能讓學(xué)生看到前視圖或透視效果，不能從多角度觀察晶胞。這時(shí)可以改用3ds max軟件模擬面心最密堆積，它可以從不同角度觀察原子在空間堆積所形成的效果。具體方法為：打開3ds max在其前視圖中，建立一小球，然后用復(fù)制的方法得相同大小的小球若干，在左右視圖和上視圖中，調(diào)整各小球的位置，讓它們形成平面的密置層結(jié)構(gòu)，命名為A層。復(fù)制該層兩次，分別命名為B、C層。在前視圖中向上調(diào)整B、C層與A層小球的位置關(guān)系，讓上層每一小球剛好與下層兩球相切；然后在左或右視圖中，將B、C層小球向同一方向平移。最后將A層小球復(fù)制放在C層之上，特別要注意的是要讓兩個(gè)A層對(duì)齊。這時(shí)可以將所得空間密層結(jié)構(gòu)向左或右旋轉(zhuǎn)90度，很容易在視圖中觀察到五個(gè)原子所圍成的面心，去掉一個(gè)面心結(jié)構(gòu)中不屬于它的原子，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)此模型，用相同的方法可以得到整個(gè)面心晶胞的結(jié)構(gòu)。從實(shí)際得到的結(jié)構(gòu)中可以看到其實(shí)A層只要一個(gè)小球，B、C層只要6個(gè)小球，B、C層6小球圍成等邊三角形，中心重疊，所延伸方向剛好相反，配位數(shù)12。3ds max制作該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于，可以用模擬攝像機(jī)記錄該晶胞的形成過程，再通過播放的方式給學(xué)生觀看，可以加深學(xué)生對(duì)原子間的位置關(guān)系的理解。在面心結(jié)構(gòu)中，面對(duì)角線長為半徑的4倍。通過3ds max也可以讓學(xué)生親手制作面心最密堆積晶胞模型，在制作時(shí)不能按教材所述進(jìn)行，按A層只要一個(gè)小球，B、C層只要6個(gè)小球，B、C層6小球圍成等邊三角形，中心重疊所延伸方向剛好相反的方式可以輕松得到面心結(jié)構(gòu)，實(shí)物模型可以讓難以想像和理解的微觀結(jié)構(gòu)真實(shí)地展現(xiàn)在學(xué)生的面前，有利于學(xué)生加深對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握。

3 3ds max輔助教學(xué)的優(yōu)勢

計(jì)算機(jī)的模擬功能，可使抽象內(nèi)容形象化，靜止內(nèi)容動(dòng)感化，為學(xué)生創(chuàng)造生動(dòng)、活潑、直觀、有趣的教學(xué)條件，可以將比較難以解決的問題用計(jì)算機(jī)模擬模型創(chuàng)造一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)的空間以加深學(xué)生知識(shí)的理解。在3ds max的環(huán)境中，學(xué)生可親自操作制作的模型，可以旋轉(zhuǎn)模型從不同的角度觀察各原子或分子在空間中的位置關(guān)系。而在其它的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的方法中，制作的動(dòng)畫往往是平面形式，無法滿足空間要求。在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)中，研究的對(duì)象是微觀微粒，對(duì)學(xué)生而言要求抽象思維，學(xué)生對(duì)看不見摸不著的晶胞難想象到各原子、分子或離子在空間中的排列情況。學(xué)生對(duì)晶胞中各頂點(diǎn)、面心、棱上原子及體內(nèi)原子的利用情況認(rèn)識(shí)較快，但涉及到原子與原子在空間中等距問題就很困難，他們考慮問題往往是在一個(gè)平面內(nèi)來思考原子間的關(guān)系，難以向空間中延伸，如能將微觀的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成宏觀可見的模型將有利于學(xué)生建立晶胞的空間位置關(guān)系，再利用自己所學(xué)的數(shù)學(xué)知識(shí)可解決晶胞的邊長、體積、密度、化學(xué)式、摩爾質(zhì)量等有關(guān)問題。

當(dāng)然3ds max也不足之處，就是掌握該軟件較難，不如其它的輔助方式簡潔易懂，成品的修改也費(fèi)時(shí)。

在《物質(zhì)結(jié)構(gòu)》的實(shí)際教學(xué)過程中，只要老師能多以直觀的方式給學(xué)生給學(xué)生講解或指導(dǎo)學(xué)生新手制作相應(yīng)的模型，就可以幫助學(xué)生更好地理解相關(guān)的知識(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1]宋心琦.化學(xué) 選修三.物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì).人民教育出版社,2009:73.