常見化學(xué)物質(zhì)三維模型制作與應(yīng)用

崔克宇 姜宇 韓旭 楊淼 姜大雨

摘 要 在化學(xué)專業(yè)多媒體教學(xué)課件、微課視頻和在線課程的制作過程中加入所需要物質(zhì)的三維模型，可以明顯增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教師的教學(xué)水平。介紹使用ChemBio3D和Diamond

程序創(chuàng)建常見化學(xué)物質(zhì)三維模型的方法和應(yīng)用這些模型的方法。

關(guān)鍵詞 化學(xué)物質(zhì)；三維模型；ChemBio3D；Diamond

中圖分類號：G652 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）14-0028-03

Make and Application of Three-dimensional Model of Common Chemical Substances//CUI Keyu， JIANG Yu， HAN Xu， YANG Miao， JIANG Dayu

Abstract If the three dimensional models of the needed substances is

added to the multimedia courseware， microlecture video and online course in Chemistry， the students interest in learning and the level

of teachers teaching will be greatly improved. This article mainly introduces the methods of using ChemBio3D and Diamond programs

to create three dimensional models of common chemical substances and the application of these models.

Key words chemical substances； three-dimensional structure model；

ChemBio3D； Diamond

1 前言

隨著信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以計算機為輔助的教學(xué)模式被廣泛應(yīng)用于各個學(xué)科教學(xué)之中[1]。目前多媒體課件的開發(fā)工具主要有PowerPoint、Articulate Storyline、

Flash和Focusky等[2]。

化學(xué)作為一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，它以物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化規(guī)律為研究對象。因此，在化學(xué)專業(yè)的多媒體教學(xué)課件、微課視頻和在線課程制作過程中，必然會涉及非常多的專業(yè)符號、專業(yè)圖形，尤其是在制作晶體化學(xué)和有機化學(xué)課件時，由于化學(xué)教師不是計算機專業(yè)人員，很難掌握3D MAX等專業(yè)模型制作軟件的使用方法，使得相關(guān)物質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)制作成為難題，通常只能上網(wǎng)進(jìn)行搜索和下載。但是這些模型往往只是視頻或動態(tài)圖片，并且模型的顏色不能修改，最重要的是這些物質(zhì)模型不能進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)和改變顯示方式（線狀、棍狀、球棍、圓柱鍵或比例模型）等，使用者的交互性較差，給廣大化學(xué)教育工作者帶來較大的困擾[3]。另外，雖然有少數(shù)教師能會制作一些簡單的物質(zhì)模型，但是不能將這些模型應(yīng)用到PowerPoint等程序中。本文將主要介紹如何采用ChemBio3D

和Diamond兩款程序進(jìn)行常見化學(xué)物質(zhì)三維模型的創(chuàng)建、外觀修改和應(yīng)用。

2 使用ChemBio3D軟件創(chuàng)建常見有機化合物的模型

ChemBioOffice是由劍橋軟件公司（CambridgeSoft）開發(fā)的綜合性科學(xué)應(yīng)用軟件包，其有三個主要模塊：ChemBioDraw、ChemBio 3D和ChemBioFinder。其中ChemBio

3D程序的主要功能有有機分子三維結(jié)構(gòu)的繪制、構(gòu)型的測量（鍵長、鍵角和二面角等信息）和多種分子構(gòu)型的3D顯示方式（線狀、棍狀、球棍、圓柱鍵或比例模型）。

有機分子三維模型的創(chuàng)建方法

1）利用Building工具欄中的單、雙、叁鍵按鈕來創(chuàng)建分子構(gòu)型[4]。按下單鍵工具按鈕，按住鼠標(biāo)從左向右拖動，繪制完一根C-C鍵后，釋放鼠標(biāo)按鈕；然后以其中一個C原子為起點，繼續(xù)按住鼠標(biāo)從左向右拖動，即可完成丙烷C3H8分子模型的創(chuàng)建，見圖1。

2）利用Building工具中的文本工具按鈕來創(chuàng)建分子構(gòu)型。按下單鍵工具按鈕后在編輯區(qū)單擊鼠標(biāo)，在文本區(qū)域內(nèi)鍵入原子符號及數(shù)量（化學(xué)式）即可。如輸入CH3Cl可以得到一氯甲烷的模型，輸入CH3CH（CH3）CH3可以得到異丁烷的模型。需要注意的是，其中的數(shù)字正常錄入即可，其中括號內(nèi)的基團表示位于支鏈。此外還可以利用本方法在原結(jié)構(gòu)上加入或修改取代基：通過文本工具點擊任意需要添加取代基位置的原子，在文本區(qū)域?qū)懮闲碌幕鶊F（縮寫或分子式均可）。

3）利用ChemDraw面板來創(chuàng)建復(fù)雜有機分子構(gòu)型。采用上面的兩種方法可以創(chuàng)建一些簡單的有機分子模型，而創(chuàng)建一些復(fù)雜有機分子的模型則較為困難，可以利用軟件的ChemDraw面板來解決這個問題。用戶可以執(zhí)行View菜單下的ChemDraw Panel命令調(diào)出該面板，然后在ChemDraw面板中單擊鼠標(biāo)右鍵，執(zhí)行其中View菜單中的Show Main Toolbar命令，可以調(diào)出Main Toolbar工具欄，便可以利用ChemBioDraw程序強大的功能繪制出各種化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)式，并同時在編輯區(qū)能看到該物質(zhì)的三維模型。使用者可以查閱相關(guān)的教程來學(xué)習(xí)[4]，在此本文不再贅述。

三維模型的應(yīng)用方法 使用ChemBio3D程序創(chuàng)建好的各種模型，可以采用以下兩種方式進(jìn)行應(yīng)用。

1）動畫AVI方式。此種方法是將ChemBio3D中創(chuàng)建的三維模型保存為視頻文件的格式，這樣可以非常方便地將這些模型動畫應(yīng)用到PowerPoint、Articulate Storyline、Flash和Focusky等軟件中。在ChemBio3D中創(chuàng)建好三維模型以后，執(zhí)行File/Save As命令，將文件保存為AVI格式。雖然用此方法得到的動畫文件在PowerPoint等程序中使用時非常方便，但是在PowerPoint文件演示時不能再任意旋轉(zhuǎn)模型，喪失了交互性。

2）在PPT當(dāng)中的控件方式[5]。如在ChemBio3D程序中創(chuàng)建好一個乙烷模型以后，存為123.c3xml或123.c3d文件，并將此文件保存在與目標(biāo)PPT同一個目錄當(dāng)中。打開目標(biāo)PPT后，點開發(fā)工具→控件→其他控件，在調(diào)出的對話框中選擇“CS Chem3D Control 12.0”控件后點擊確定，然后在幻燈片中按住鼠標(biāo)左鍵不放，拖放出一個矩形區(qū)域。在用鼠標(biāo)選擇的“CS Chem3D Control 12.0”控件的條件下，執(zhí)行“開發(fā)工具”選項卡中“控件”組中的“屬性”命令，在彈出的控件屬性窗口的“DataURL”欄中輸入文件的相對路徑和名稱“123.c3xml”或“123.c3d”。這樣在幻燈片播放到此頁幻燈片時，就可以查看乙烷的三維模型，并且能對模型進(jìn)行放大或縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等相關(guān)操作，具有較強的交互性，見圖2。

可見采用“CS Chem3D Control 12.0”控件的辦法具有較強的交互性，但是采用這種方法時，目標(biāo)計算機中需要安裝ChemBio3D程序，才能保證PPT的正常播放。

3 使用Diamond創(chuàng)建模型和應(yīng)用方法

Diamond是從事晶體合成的化學(xué)科研工作者經(jīng)常使用的一款繪圖軟件，使用該軟件可以繪制出所合成晶體的結(jié)構(gòu)圖、多面體圖、拓?fù)鋱D等[5]。

創(chuàng)建方法

1）輸入原子坐標(biāo)參數(shù)的方法.像NaCl、CSCL和SiO2等一些簡單的無機化合物，可以通過輸入該種物質(zhì)的原子坐標(biāo)參數(shù)的方法來快速創(chuàng)建[5]，相關(guān)晶體的晶胞參數(shù)和晶體中原子的坐標(biāo)參數(shù)可以在相關(guān)資料中獲得.由于已有相關(guān)文獻(xiàn)資料介紹了如何利用晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)創(chuàng)建晶體的模型，本文將不再詳細(xì)介紹。

2）導(dǎo)入cif文件的方法。cif（Crystallographic In-

formation File）類型的文件是晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)儲存和交流最常見文件格式之一，很多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物質(zhì)都采用這種文件來存儲晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。獲取cif文件的方法有很多，使用者可以利用劍橋晶體學(xué)數(shù)據(jù)中心（https：//www.ccdc.cam.

ac.uk/）和晶體學(xué)公開數(shù)據(jù)庫（http：//www.crystallogra

phy.net/cod/），查詢和下載相關(guān)晶體的cif文件。另外，世界各個文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫（如ACS Publication和Royal Society

of Chemistry等）旗下的多數(shù)期刊，近年來發(fā)表的晶體類論文都可以免費下載論文中的cif文件。

Diamond中物質(zhì)模型的應(yīng)用方法

1）生成視頻文件。使用者可以參照文獻(xiàn)的方法制作一個“C60”的多面體模型并打開[5]，打開Move工具欄中的自動按鈕和Video Sequence工具欄中的開啟視頻記錄

后，再使用旋轉(zhuǎn)工具即能記錄模型自動連續(xù)旋轉(zhuǎn)的過程；當(dāng)演示結(jié)束時點擊停止視頻記錄按鈕后，會彈出將文件保存為AVI視頻文件的對話框。利用這種方法生成的視頻或圖片就可以應(yīng)用到PowerPoint、Flash和Focusky等軟件中，但是所生成的視頻文件或圖片文件沒有交互功能，這個問題可以通過下面的方法得到解決。

2）利用CS Chem3D Control 12.0控件的方法。使用者可以參照文獻(xiàn)的方法制作一個“NaCl.diamdoc”的三維模型并打開，執(zhí)行File/Save As/Save Document As命令，將文件另存為NaCl.mol，并在彈出的對話框中選擇“否”。

上文提到的CS Chem3D Control 12.0控件不僅可以加載擴展名為c3xml和c3d的文件，還可以加載擴展名為mol的文件，使用者可以采用上文的方法在PowerPoint中加載此類型的文件，只需要在CS Chem3D Control 12.0

控件的“屬性”對話框中的“DataURL”欄中輸入文件的相名稱“NaCl.mol”。這樣在幻燈片播放到此頁幻燈片時，就可以查看NaCl的三維模型，見圖3，并且能對模型進(jìn)行放大或縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等相關(guān)操作，具有較強的交互性。

使用此方法要注意下面的問題：

1）利用CS Chem3D Control 12.0控件加載的模型與使用Diamond軟件制作的模型的顏色會有一定的變化，可以使用ChemBio3D程序打開NaCl.mol文件修改顏色后保存即可；

2）mol格式的文件不包含由Diamond中創(chuàng)建的物質(zhì)模型的所有信息，如Diamond中創(chuàng)建的物質(zhì)模型如果有多面體時，使用此方法時模型的多面體將消失，此時只能采用上文的方法將模型保存為AVI格式的文件。

4 結(jié)語

在化學(xué)專業(yè)的多媒體教學(xué)課件、微課視頻和在線課程的制作過程中，加入所需要物質(zhì)的三維模型可以明顯增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效率和質(zhì)量。本文主要介紹了使用ChemBio3D和Diamond程序創(chuàng)建常見化學(xué)物質(zhì)三維模型的方法、模型外觀的修改方法和應(yīng)用這些模型的方法。在PowerPoint中使用CS Chem3D Control 12.0控件加載c3xml、c3d和mol類型的文件，可以明顯提高教學(xué)課件的交互性，進(jìn)而提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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