基于可視化軟件eChem的分子立體構(gòu)型學(xué)習(xí)

蘆瑞 劉英濤

摘要：化學(xué)是基于原子、分子水平上研究物質(zhì)的一門基礎(chǔ)學(xué)科。在高中化學(xué)中涉及了大量的分子立體構(gòu)型，然而，高中學(xué)生尚處于具象思維向抽象思維過(guò)渡階段，缺乏對(duì)微觀粒子構(gòu)型的空間想象能力，因此，將分子構(gòu)型可視化顯得尤為重要。為學(xué)生正確理解分子構(gòu)型提供幫助，將eChem軟件應(yīng)用于高中化學(xué)學(xué)習(xí)中，通過(guò)軟件將微觀粒子可視化幫助學(xué)生樹(shù)立微粒觀，進(jìn)而建立微觀與符號(hào)之間的聯(lián)系。

關(guān)鍵詞：eChem;立體構(gòu)型;可視化

文章編號(hào)：1008-0546（2019）02-0007-02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及其應(yīng)用的一門基礎(chǔ)學(xué)科，其特征是從微觀層次認(rèn)識(shí)物質(zhì)，以符號(hào)形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)[1]?；瘜W(xué)將學(xué)生的視角從宏觀物體帶向微觀粒子領(lǐng)域，體現(xiàn)物質(zhì)的宏觀性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的雙重表征，幫助學(xué)生理解微觀粒子結(jié)構(gòu)與化學(xué)符號(hào)之間的聯(lián)系。然而，處于高中學(xué)習(xí)階段的學(xué)生思維雖已超越了對(duì)具體的可感知事物的依賴，但僅能初步從多維度對(duì)抽象的性質(zhì)進(jìn)行思維[2]，這就限制了學(xué)生對(duì)分子立體構(gòu)型的空間想象能力，導(dǎo)致其在學(xué)習(xí)分子立體構(gòu)型知識(shí)過(guò)程中遇到困難，這在某種程度上也促進(jìn)了一些教學(xué)輔助軟件的發(fā)展。同時(shí)，2017年版《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》已明確指出信息技術(shù)與課程整合的必要性。因此，將軟件技術(shù)融入教育教學(xué)中已成為教學(xué)改革的一大趨勢(shì)。在化學(xué)教學(xué)中，教師要示范性地指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)軟件學(xué)習(xí)化學(xué)，讓化學(xué)軟件成為學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的輔助性工具，進(jìn)而提升學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

一、分子立體構(gòu)型學(xué)習(xí)的得力助手——eChem

眾多化學(xué)軟件如Diamond、GaussView5.0、Authorware、Chem3D等都可繪制分子模型進(jìn)行分子立體構(gòu)型的學(xué)習(xí)，但由于這些軟件界面復(fù)雜，教師在研讀使用說(shuō)明和制作分子模型上會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)軟件時(shí)也會(huì)產(chǎn)生困難。在新課標(biāo)中，學(xué)業(yè)要求表明學(xué)生要學(xué)會(huì)分析簡(jiǎn)單的分子空間構(gòu)型，人教版選修3《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》一書(shū)分子立體構(gòu)型的章節(jié)中就有利用計(jì)算機(jī)軟件制作分子立體模型的實(shí)踐活動(dòng)，因此，尋找一款簡(jiǎn)便、易操作、實(shí)用性強(qiáng)的軟件是必要的。本文倡導(dǎo)的eChem是一款國(guó)外開(kāi)發(fā)的界面簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單并可有效地將信息技術(shù)融入化學(xué)課程中的軟件。借助計(jì)算機(jī)軟件模擬的直觀手段，可充分發(fā)揮學(xué)生自己動(dòng)手搭建分子結(jié)構(gòu)活動(dòng)的作用，降低教學(xué)內(nèi)容的抽象性，促進(jìn)學(xué)生對(duì)分子立體構(gòu)型相關(guān)內(nèi)容的理解和認(rèn)識(shí)，發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)[3]。

二、eChem軟件在分子立體構(gòu)型學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

eChem是一個(gè)化學(xué)軟件包，是由密歇根大學(xué)教育學(xué)院研制和開(kāi)發(fā)的[4]，該軟件可以創(chuàng)建虛擬的三維分子模型，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)界面內(nèi)將多個(gè)分子形象化，包含分子的模型構(gòu)造和分子的性質(zhì)比較。如圖1所示，eChem主要包括三個(gè)工具：Construct（構(gòu)造分子模型）Visualize（形象化比較分子）和Analyze（分析分子性質(zhì)）。eChem軟件有兩個(gè)版本，即網(wǎng)絡(luò)版本和應(yīng)用程序版本，安裝時(shí)任何一種版本都適用于Windows或Mac操作系統(tǒng)。使用說(shuō)明詳見(jiàn)網(wǎng)址：http：//www.hi-ce.org/echem/index.html。

1.輔助無(wú)機(jī)分子立體構(gòu)型學(xué)習(xí)

學(xué)習(xí)無(wú)機(jī)分子立體構(gòu)型時(shí)，教師可示范性地應(yīng)用eChem軟件進(jìn)行教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生軟件的使用方法。學(xué)生根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互斥理論計(jì)算出中心原子孤對(duì)電子數(shù)和價(jià)層電子對(duì)數(shù)推測(cè)出VSEPR模型，進(jìn)而得知分子的立體構(gòu)型。要驗(yàn)證某分子的立體構(gòu)型正確與否，可依據(jù)中心原子的雜化軌道類型并在eChem軟件中繪制分子的立體構(gòu)型進(jìn)行判斷。

以中學(xué)化學(xué)中常見(jiàn)的H₂O分子和NH₃分子為例，學(xué)生在初步學(xué)習(xí)分子立體構(gòu)型知識(shí)時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生這樣的困惑：H₂O分子和NH₃分子的中心原子的軌道雜化類型都是sp³且VSEPR模型都是四面體，但為何H₂O分子的實(shí)際立體構(gòu)型是V型，而NH₃分子的實(shí)際立體構(gòu)型卻是三角錐型？通過(guò)分析可知，H₂O分子中存在兩對(duì)孤對(duì)電子，而NH₃分子中存在一對(duì)孤對(duì)電子，導(dǎo)致分子立體構(gòu)型不同。對(duì)此，學(xué)生無(wú)法將抽象的理論與具象的立體結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)分子立體構(gòu)型遇到困難，其實(shí)我們完全可以借助eChem軟件進(jìn)行輔助學(xué)習(xí)。在H₂O分子中，中心原子氧原子的雜化軌道類型為sp³，學(xué)生可在eChem軟件中找到中心氧原子雜化方式為sp³的氧原子，點(diǎn)擊選擇，在construct界面單擊便繪制出了中心原子氧原子，然后選擇氫原子，此時(shí)便繪制出了H₂O分子的空間構(gòu)型，即為V型。繪制NH₃分子時(shí)，中心原子為氮原子，氮原子的雜化軌道類型為sp³，在eChem軟件中找到雜化方式為sp³的氮原子，點(diǎn)擊雜化方式為sp³的氮原子，在construct界面進(jìn)行繪制，把氫原子補(bǔ)全，即可得到NH₃分子的空間立體構(gòu)型。學(xué)生可將繪制好的H₂O分子和NH₃分子的立體構(gòu)型置于同一界面中進(jìn)行比較學(xué)習(xí)，推測(cè)孤對(duì)電子所在位置，如圖2（a）所示，同時(shí)，也可以將分子模型轉(zhuǎn)動(dòng)（如圖2（b）所示），更加直觀地感受微觀分子構(gòu)型與宏觀物質(zhì)之間的聯(lián)系。除此之外，該軟件還可以繪制BallandStick（球棍模型）、Wireframe（線狀模型）、SpaceFill（比例模型），對(duì)需要的分子模型進(jìn)行原子數(shù)目、沸點(diǎn)、碳原子個(gè)數(shù)、偶極矩、相對(duì)分子質(zhì)量等數(shù)值的分析，也可以將有可比性的分子構(gòu)型置于兩界面、四界面進(jìn)行對(duì)比學(xué)習(xí)，方便了學(xué)生的學(xué)習(xí)。

2.輔助有機(jī)分子立體構(gòu)型學(xué)習(xí)

eChem軟件不僅可以繪制無(wú)機(jī)分子立體構(gòu)型，也可以繪制鏈狀、環(huán)狀的有機(jī)分子立體結(jié)構(gòu)模型，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)空間立體構(gòu)型產(chǎn)生了積極的促進(jìn)作用。如問(wèn)有機(jī)分子4-丁烯基-2-乙炔基甲苯（結(jié)構(gòu)式如圖3（a）所示）中共平面的碳原子最多有幾個(gè)，學(xué)生也許會(huì)很難做出判斷，這時(shí)可以借助eChem軟件繪制分子模型。由于該軟件中共價(jià)鍵不能旋轉(zhuǎn)，所以繪制兩個(gè)片段進(jìn)行判斷，如圖3（b）、（c）所示，可以看出該分子最多有13個(gè)碳原子共平面。

利用eChem軟件，學(xué)生可將繪制好的分子立體構(gòu)型直接在電腦上旋轉(zhuǎn)觀看，借助計(jì)算機(jī)軟件模擬的直觀手段，降低立體構(gòu)型的抽象性，充分發(fā)揮自己動(dòng)手搭建分子結(jié)構(gòu)的能力，促進(jìn)對(duì)分子立體構(gòu)型相關(guān)內(nèi)容的理解，幫助建構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)符號(hào)間的聯(lián)系。

三、總結(jié)

利用eChem軟件可將傳統(tǒng)的圖片式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換為3D立體式學(xué)習(xí)，借助計(jì)算機(jī)的力量來(lái)幫助學(xué)習(xí)者積極地解決問(wèn)題，建立概念上的理解，為化學(xué)教育提供便捷。eChem軟件以其簡(jiǎn)潔、干凈、小巧的界面及特有的構(gòu)建分子模型的功能，不僅方便了教師在分子立體構(gòu)型中的教學(xué)，也有利于提高學(xué)生動(dòng)手能力，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的視覺(jué)及空間想象能力，使抽象問(wèn)題具體化，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生建立映象表征和符號(hào)表征之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)宏觀映象、抽象符號(hào)、微觀粒子間的相互轉(zhuǎn)換。但是，該軟件在搭建分子模型時(shí)也具有一定的局限性。并不是所有的分子都可以建模，可以看到該軟件只是包含了少數(shù)元素，因此可構(gòu)建的分子模型較少，例如繪制SO₃分子模型，其中中心原子硫原子屬于sp²雜化，但該軟件sp²雜化方式卻是硫雙鍵，因此無(wú)法繪制出SO₃立體分子模型。另外，分子模型中的共價(jià)鍵不能旋轉(zhuǎn)，這就為分子模型的建立帶來(lái)了一定的局限性。利用eChem軟件可建立大多數(shù)有機(jī)化合物和部分無(wú)機(jī)化合物分子模型，該軟件是一款很好的計(jì)算機(jī)模擬軟件，性能穩(wěn)定，為響應(yīng)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》要求，可將該軟件推廣于中學(xué)及大學(xué)低年級(jí)全體師生使用。

參考文獻(xiàn)

[1][3]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：1，41-42，84

[2]陳琦，劉孺德.當(dāng)代教育心理學(xué)（第2版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2007：31-34

[4]沈理明，章建東，田軍.eChem——分子結(jié)構(gòu)教與學(xué)的輔助工具[J].化學(xué)教學(xué)，2005（10）：42-44