淺談MaterialsStudio在物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

摘 要：物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)是高中化學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。本文結(jié)合物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊中分子構(gòu)型、堆積模型、晶體結(jié)構(gòu)等教學(xué)內(nèi)容，利用Materials Studio的Visualizer等插件，可視化、多維度演示原子、分子、晶體等模型，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，提升學(xué)生的宏觀辨識(shí)與微觀探析學(xué)科素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：Materials Studio;物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì);可視化;教學(xué)

一、問(wèn)題的提出

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)、變化及其應(yīng)用的一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科[1]。在高中化學(xué)課程體系中，物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)作為選擇性必修是在必修模塊物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)內(nèi)容的基礎(chǔ)上建立起宏觀與微觀之間更加深入的聯(lián)結(jié)的模塊。在必修模塊主題的學(xué)習(xí)中，已經(jīng)學(xué)習(xí)了原子結(jié)構(gòu)與元素周期律、化學(xué)鍵等必修模塊知識(shí)，然而通過(guò)進(jìn)一步學(xué)習(xí)，從原子、分子水平上認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的組成與構(gòu)成規(guī)律，讓學(xué)生形成觀念性的認(rèn)識(shí)仍具有一定的認(rèn)知難度。

在當(dāng)今信息時(shí)代，多媒體技術(shù)、教學(xué)輔助軟件等現(xiàn)代教育技術(shù)開(kāi)始逐漸成為改革的推動(dòng)力，2017年版課程標(biāo)準(zhǔn)中也建議要重視信息技術(shù)的應(yīng)用，提出“強(qiáng)化信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)的深度融合，促進(jìn)教師教學(xué)方式和學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變”[2]。聚焦于物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊的學(xué)習(xí)，物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)所涉及的概念與知識(shí)具有抽象性與復(fù)雜性，那么應(yīng)如何幫助學(xué)生在已有元素周期律、原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵相關(guān)概念和知識(shí)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的奧秘？采用怎樣的演示教學(xué)才能幫助學(xué)生更加容易的理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相關(guān)概念？因此，將化學(xué)專業(yè)軟件融入物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)學(xué)習(xí)中，能作為學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的輔助性工具提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的核心素養(yǎng)。

二、物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)教學(xué)的得力助手——Materials Studio

許多化學(xué)專業(yè)軟件如Diamond、CrystalMaker、GaussView、ChemBioOffice、Materials Studio，都能為化學(xué)教學(xué)提供一定幫助，其中Materials Studio軟件是由美國(guó)BIOVIA（前身為Accelrys）公司開(kāi)發(fā)的一款全功能的建模和仿真環(huán)境軟件。Materials Studio軟件的功能極為強(qiáng)大，可以繪制與優(yōu)化分子的立體模型，計(jì)算分子內(nèi)的鍵長(zhǎng)、鍵角，還可以用多視角三維觀察晶體的立體結(jié)構(gòu)，觀測(cè)晶體參數(shù)和晶體類型。此外Materials Studio軟件還可以對(duì)反應(yīng)過(guò)程、表面化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行計(jì)算與模擬[3]。

在2017版新課標(biāo)中，要求學(xué)生能夠分析常見(jiàn)簡(jiǎn)單分子的空間結(jié)構(gòu)，能夠用模型說(shuō)明晶體中的微粒及其微粒間的相互作用，借助Materials Studio軟件模擬的直觀手段，可充分降低學(xué)習(xí)內(nèi)容的枯燥抽象程度，降低空間思維能力和想象力的要求，促進(jìn)學(xué)生對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊中分子構(gòu)型、堆積模型、晶體結(jié)構(gòu)等教學(xué)內(nèi)容相關(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)。

三、Materials Studio軟件在物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

Materials Studio軟件是一個(gè)多功能的化學(xué)專業(yè)軟件包，主要包括Analytical and Crystallization（分析和結(jié)晶化）、Quantum and Catalysis（量子和催化）、Polymers and Classical Simulation（高分子和經(jīng)典模擬）、Materials Visualizer（材料可視化工具）四大組件。在物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的學(xué)習(xí)中，主要涉及到是Materials Visualizer（材料可視化工具）組件，使用其可以創(chuàng)建分子的三維立體模型，也可以把復(fù)雜的堆積模型和晶體結(jié)構(gòu)用以可視化的、容易理解的球棍模型表示出來(lái)，能讓學(xué)生直觀的、多角度的觀察復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)。

（1）輔助分子立體構(gòu)型學(xué)習(xí)

在分子的立體構(gòu)型章節(jié)的學(xué)習(xí)中，要求掌握共價(jià)分子的特定構(gòu)型，并能根據(jù)價(jià)層電子對(duì)互斥理論（VSEPR）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)，根據(jù)相關(guān)結(jié)果預(yù)測(cè)分子的立體構(gòu)型。以化學(xué)中常見(jiàn)的CH4分子和CH3Cl分子的學(xué)習(xí)為例，在此章節(jié)的學(xué)習(xí)中，可以在Sketch Toolbar（繪制工具欄）上單擊Sketch Atom按鈕，在下拉選項(xiàng)中選擇碳，繪制一個(gè)碳原子，之后單擊Auto Hydrogen按鈕，添加適當(dāng)數(shù)目的氫原子。在3D ViewerToolbar（繪制工具欄）上單擊Selection Mode按鈕，選中CH4分子，并在View菜單欄下選擇Display Style，在Display Style對(duì)話框的Atom選項(xiàng)頁(yè)中可以分別選擇CPK（球堆砌模型）和Ball and Stick（球棍模型），得到CH4分子的不同模型（圖1），并可以將該分子模型轉(zhuǎn)動(dòng)與移動(dòng)，更加直觀地感受分子的微觀構(gòu)型。

在初步學(xué)習(xí)VSEPR理論時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生這樣的困惑，雖然CH3Cl也是四面體，但與CH4的正四面體構(gòu)型能有多大區(qū)別呢？Cl取代H之后到底會(huì)對(duì)鍵長(zhǎng)和鍵角產(chǎn)生多大影響？傳統(tǒng)的教學(xué)方式難以直觀的判斷CH3Cl與CH4的差異，我們可以利用Sketch Toolbar（繪制工具欄）上Measure/Change工具，對(duì)鍵長(zhǎng)和鍵角進(jìn)行測(cè)量。繪制好CH3Cl與CH4的模型后，點(diǎn)擊Clean按鈕，使所繪制結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，點(diǎn)擊Measure/Change按鈕，在下拉選項(xiàng)中選擇Distance，依次點(diǎn)擊所測(cè)量鍵長(zhǎng)的相鄰兩個(gè)原子，軟件便能測(cè)量?jī)稍又g距離（綠色字體顯示）;在下拉選項(xiàng)中選擇Angle，依次點(diǎn)擊所測(cè)量鍵角的端點(diǎn)、定點(diǎn)、端點(diǎn)，軟件便能測(cè)量?jī)苫瘜W(xué)鍵的鍵角（黃色字體顯示）。對(duì)于CH4分子，其中4個(gè)C-H的鍵長(zhǎng)為1.140 ?，6個(gè)H-C-H的鍵角為109.471o。對(duì)于CH3Cl分子，其中C-Cl的鍵長(zhǎng)均為1.760 ?，3個(gè)C-H的鍵長(zhǎng)為1.140?，3個(gè)Cl-C-H的鍵角為109.468 o，3個(gè)H-C-H的鍵角為109.473 o。通過(guò)軟件可以直觀的、精確的、測(cè)量出CH4與CH3Cl的各項(xiàng)參數(shù)，可以更加深刻的認(rèn)識(shí)到因?yàn)镃l原子的半徑相對(duì)較大，取代H原子之后，C-Cl鍵長(zhǎng)變長(zhǎng)，并且由于空間位阻的變大，使得H-C-H的鍵角略微變大，空間構(gòu)型也因此發(fā)生了變化。

除此之外，Materials Studio軟件還提供了Study Table（研究列表）功能，還可以將上述繪制的CH4分子和CH3Cl分子導(dǎo)入列表中，就快速的對(duì)分子的分子量、原子個(gè)數(shù)、原子種類、原子個(gè)數(shù)比例、偶極矩、電荷分布等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和對(duì)比。

（2）輔助堆積模型、晶體結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)

在必修模塊的主題學(xué)習(xí)大多是從宏觀角度對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行探究與學(xué)習(xí)，而對(duì)微觀層面物質(zhì)的聚集狀態(tài)、構(gòu)成物質(zhì)的微粒以及微粒的空間排布等方面內(nèi)容學(xué)習(xí)較少。在晶體和聚集狀態(tài)中涉及許多抽象的概念和內(nèi)容如共價(jià)晶體、離子晶體等模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這些內(nèi)容要求學(xué)生具備比較強(qiáng)的空間想象能力和思維能力，傳統(tǒng)的“黑板+粉筆”的學(xué)習(xí)方式較難建立起相應(yīng)的模型，學(xué)習(xí)效果并不理想。

通過(guò)Materials Studio軟件自帶的多種晶體模型，能將傳統(tǒng)平面教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^形象的立體模型，用可視化的球棍模型展現(xiàn)出來(lái)，促進(jìn)對(duì)復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)概念和知識(shí)的學(xué)習(xí)。以金剛石共價(jià)晶體的學(xué)習(xí)和分析為例，從File菜單欄下選擇Import命令，打開(kāi)“Examples＼Documents＼3D Model”路徑下文件“C.msi”，便可以得到金剛石晶胞的線狀模型。在View菜單欄下選擇Display Style，在Display Style對(duì)話框的Atom選項(xiàng)頁(yè)中可以分別選擇Ball and Stick（球棍模型），得到金剛石晶胞的球棍模型（圖2左），3D Viewer Toolbar（繪制工具欄）上單擊Rotation Mode按鈕，能夠多角度觀察晶體構(gòu)型。此外，在軟件中也能重復(fù)繪制多個(gè)晶胞，在View菜單欄下選擇Display Style，在Display Style對(duì)話框的Lattice選項(xiàng)頁(yè)中可以通過(guò)Range設(shè)置X、Y和Z軸方向晶胞重復(fù)數(shù)量，觀察晶胞的重復(fù)后的情況（圖2右）。

通過(guò)自帶的晶體建模功能，Materials Studio軟件可以建立各種晶體的立體模型。如以中學(xué)化學(xué)常見(jiàn)的NaCl離子晶體為例，在Build菜單欄下選擇Crystal下級(jí)菜單打開(kāi)BuildCrystal對(duì)話框，在SpaceGroup選項(xiàng)頁(yè)選擇空間群FM-3M，在Lattice Parameter輸入晶格變長(zhǎng)參數(shù)為5.644?，之后在Build菜單欄下打開(kāi)Add Atom對(duì)話框，輸入Na的晶胞坐標(biāo)參數(shù)（0，0，0）和（0.5，0.5，0），以及Cl的晶胞坐標(biāo)參數(shù)（0.5，0.5，0.5）和（0.5，0，0），便能夠得到NaCl離子晶體的晶胞模型（圖3）。

除此之外，Materials Studio軟件的Analytical and Crystallization組件也提供了晶體粉末衍射譜圖計(jì)算與模擬的功能。在2017版的化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中增加了對(duì)晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定技術(shù)（如：粉末X射線晶體衍射XRD）的介紹，介紹現(xiàn)代分析技術(shù)在結(jié)構(gòu)研究的應(yīng)用，結(jié)合Materials Studio軟件，能開(kāi)展此部分的學(xué)習(xí)與研究。以NaCl離子晶體為例，在繪制完成NaCl晶胞后，在Modules菜單欄下選擇Reflex下級(jí)菜單打開(kāi)PowderDiffraction對(duì)話框，設(shè)置2-Theta角為5-80 o，之后點(diǎn)擊Calculate，即可等到NaCl離子晶體的模擬XRD衍射圖譜。

Materials Studio軟件既能創(chuàng)建分子的三維立體模型，用容易理解的球棍模型表示出來(lái);也可以把復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)可視化，使學(xué)生直觀地理解復(fù)雜與抽象的晶體結(jié)構(gòu);還能幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)現(xiàn)代化學(xué)學(xué)科研究材料結(jié)構(gòu)的表征方法，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到微觀的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)可以借助分析儀器進(jìn)行研究，更加容易建立起微觀結(jié)構(gòu)與宏觀現(xiàn)象的聯(lián)結(jié)。

四、結(jié)語(yǔ)

信息技術(shù)的發(fā)展正深刻影響教學(xué)的方式方法，如何將化學(xué)專業(yè)軟件應(yīng)用于化學(xué)教育，使二者深度融合是值得研究的問(wèn)題。物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的概念存在抽象性與復(fù)雜性的特點(diǎn)，也是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在傳統(tǒng)的“黑板+粉筆”教學(xué)的基礎(chǔ)上，以培育學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)為落點(diǎn)，適切的利用化學(xué)軟件，能將略顯枯燥無(wú)趣的抽象概念轉(zhuǎn)變成直觀形象的觀察學(xué)習(xí)過(guò)程，加深學(xué)生對(duì)化學(xué)概念的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的教學(xué)更加事半功倍。

參考文獻(xiàn)

[1] 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.

[2]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： 87.

[3] 楊華哲.Materials Studio軟件在材料物理教學(xué)與科研中的應(yīng)用[J].物理與工程，2017，27（03）：52-55+62.

作者簡(jiǎn)介：盧雨辰（1989年），男，河北省秦皇島人，博士，單位：天津市教育招生考試院，郵編300387