活用化學軟件輔助教學 構建高中化學高效課堂

楊濤

摘? 要 高中化學作為一門重要課程，在高考中具有重要地位。高中化學中很多教學重點具有比較抽象、難理解的特點，這一問題困擾著很多高中化學教師。借助化學軟件輔助教學，可以大大提高課堂教學質量，提升學生的動手能力、思維能力等，同時使教師的信息化教學水平得到很大提高。

關鍵詞 化學軟件;高中化學;核心素養(yǎng);ChemDraw;Chem3D;Materials Studio;Gaussian;GaussView;化學仿真實驗軟件

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）17-0126-03

0? 前言

高中化學新課程標準對學生學習的精神價值層面、理性認識層面和實踐認識層面均提出不同的要求，重視高中學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。高中化學核心素養(yǎng)是高中學生綜合素質的體現，學生通過對微觀知識的探析，了解物質的宏觀變化;通過構建化學分子模型，認知化學反應的內涵;通過科學實驗探究，創(chuàng)新科學意識;通過培養(yǎng)綠色環(huán)保意識，明確自己的社會責任。傳統(tǒng)的化學教學方式顯然難以滿足新課標要求。在傳統(tǒng)的高中化學教學中，教師注重理論知識的傳授，忽視了學生核心素養(yǎng)培養(yǎng);教師在教學中將60%的課堂時間用于講解，讓學生用40%的課堂時間進行相關習題的練習和鞏固;在傳統(tǒng)的化學實驗中，對于一些危險系數比較高的實驗，或者實驗中涉及毒性比較大的實驗藥品時，教師會采用講實驗、學生記住實驗步驟和實驗原理的方式。

伴隨著信息化教學的普及，可以借助常用的化學軟件輔助高中化學教學[1]，教師組織學生主動地思考、操作和實踐，優(yōu)化課堂時間分配，少講多練，使學生的實際操作能力、創(chuàng)新能力以及合作能力等都有了很大的提高。同時，教師的信息化教學水平也會有很大提高。本文主要分析了幾款常用化學軟件在高中化學教學中的具體應用，希望可以為同行提供教學參考。

1? ChemDraw和Chem3D軟件在高中化學教學中的應用

1.1? ChemDraw和Chem3D軟件功能介紹

ChemDraw作為一種常用的化學結構繪制工具，具有容易安裝、操作簡單、輸出快捷等特點。教師講解分子的結構簡式，學生了解了物質的結構簡式之后，需要畫出分子的結構圖，同時可以想象出來分子的三維立體結構圖。對于一些比較簡單的分子，如二氧化碳、氮氣、氧氣等這樣的小分子，學生學習起來比較容易;而對于有機化學部分中的有機大分子，如氨基酸、多肽等，學生就很難直接畫出結構圖和三維立體結構圖，這時候師生可以利用ChemDraw繪制。

Chem3D是一個三維立體軟件，學生在使用過程中可以把ChemDraw中畫的圖形轉化到Chem3D中，直觀形象地展示分子的三維立體結構[2]。

1.2? ChemDraw和Chem3D在高中化學教學中的應用案例

在高中化學有機部分中有關糖類物質的結構和性質一直是教學中的重點與難點。糖類這一章節(jié)中講到葡萄糖的結構和性質，葡萄糖又叫己醛糖，是一種白色的晶體，結構式C6H12O6，很容易溶于水。葡萄糖在人們運動時提供必要的能量，也是身體必需的一種物質。在高中化學教材中的化學性質部分講到葡萄糖、果糖、蔗糖以及麥芽糖等因為都含有醛基，都可以發(fā)生銀鏡反應。同時，學生已經學習了葡萄糖分子的結構簡式CH2OHCHOHCHOHCHOHCHOHCHO，可以在ChemDraw畫板中畫出葡萄糖分子的結構簡式，然后復制到Chem3D中，實現平面結構向三維立體結構的轉換，具體如圖1、圖2所示。

2? Materials Studio軟件在高中化學教學中的應用

2.1? Materials Studio軟件功能介紹

Materials Studio簡稱MS，這款軟件主要應用于高分子材料方面的相關計算。Materials Studio的主要服務對象是大學化學中的基礎研究，具有比較高的可視化操作界面，而且操作比較簡單，學生很容易學。Materials Studio軟件可以安裝在個人計算機或者教師多媒體黑板中，操作命令也比較簡單。鑒于Materials Studio軟件功能的諸多優(yōu)點，在高中化學教學中可以方便、靈活地運用[3-4]。

2.2? Materials Studio軟件在高中化學教學中的應用案例

晶體結構分析作為高考中的一個考點，主要考查離子晶體、原子晶體、分子晶體和金屬晶體的構成微粒、構成微粒之間的作用力、晶體中含有什么樣的化學鍵、四種晶體結構在熔化時需要克服哪些力以及它們的導電性和熔沸點比較等，這些問題在每年的高考試題中都會有所涉及。在傳統(tǒng)化學教學中，教師一般從三個方面引導學生進行晶體類型的分辨：組成、性質和相互作用力。但是這三個方面都是物質的微觀量，學生對于晶體中晶胞概念始終比較模糊，很難想象面心結構（NaCl）、4個體心填充結構（ZnO）、

2個體心填充結構（MgCl2）等。教師在教學中借助Materials

Studio軟件進行晶體結構的立體演示，學生頓時豁然開朗，如圖3所示。

3? Gaussian軟件在高中化學教學中的應用

3.1? Gaussian軟件功能介紹

Gaussian是量子化學中應用比較廣泛的軟件，與其配套使用的是可視化程度比較高的GaussView軟件。Gaussian軟件的功能特別強大，如分子結構和能量的計算、化學反應路徑的推測、分子的前線軌道計算等，初學者學習起來比較困難。但是Gaussian軟件具有容易安裝，對于小分子計算比較快等優(yōu)點，所以在高中化學教學中也可以應用，可以和GaussView軟件一起應用[5]。

3.2? Gaussian和GaussView軟件在高中化學教學中的應用案例

高中化學有機物中介紹了兩種比較重要的物質——苯和苯酚。苯的物理性質：無色，有特殊的氣味，有毒，易溶于有機溶劑，但不溶于水。結構式：C6H6。苯發(fā)生的化學反應一般是苯環(huán)氫原子的取代反應、苯環(huán)上碳碳雙鍵的加成反應以及碳碳鍵斷裂。學生始終不理解為什么苯的一元取代物只有一種，同時鄰二甲苯沒有同分異構體？學習苯酚時，學生會提出苯酚發(fā)生化學反應，為什么有時候是羥基中的H，有時候是苯環(huán)中的H？教師可以借助Gaussian和GaussView軟件首先對苯和苯酚分子結構進行計算，同時進行立體結構的展示，幫助學生解決知識點的疑問。計算出苯結構中所有碳碳鍵長都相等，均屬于C=C結構，所以苯的一元取代物在苯環(huán)中的六個碳原子上都是一樣的。對于為什么鄰二甲苯沒有同分異構體的問題，學生通過觀看立體結構圖可以看到碳原子電荷密度一樣，所以左邊還是右邊取代都是一樣的結構。

通過計算苯酚的分子結構電荷密度，如圖4所示，苯酚中羥基上H原子電荷密度是0.388，苯環(huán)中與羥基相連的C為一位C，鄰位C相連的H電荷密度是0.255，間位C相連的H電荷密度是0.244，對位C相連的H電荷密度是0.239。通過對H原子電荷密度的計算，可以很容易地解釋苯酚與金屬鈉發(fā)生化學反應時，因為羥基中H顯示酸性，所以很容易生成苯酚鈉，同時生成氫氣;苯酚和溴水發(fā)生取代反應時生成2，4，6-三溴苯酚。

4? 化學仿真實驗軟件在高中化學教學中的應用

4.1? 化學仿真實驗軟件功能介紹

目前化學仿真實驗軟件有很多版本，但是大體功能都差不多，教師在教學中可以結合實際情況進行應用。筆者在應用中下載了好幾款不同的化學仿真實驗軟件，基本都包括儀器器件庫、藥品庫、實驗藥品的配置、實驗數據的記錄等功能。學生也可以在自己的電腦上安裝進行實驗操作，教師可以在智慧黑板上進行動態(tài)的實驗演示，學生的動手能力、思維能力等都會有很大提高。在化學仿真實驗過程中，教師也要引導學生養(yǎng)成良好的綠色環(huán)保意識，嚴格按照實驗需要的試劑量進行藥品的配置，同時注意對實驗過程中產生的有毒氣體或者液體等進行回收利用。

4.2? 化學仿真實驗軟件在高中化學實驗教學中的具體應用

高中化學教學離不開實驗，化學實驗作為這門課程的重要組成部分，可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、綠色環(huán)保意識等。但是高中化學中很多實驗不適合學生進行實際的操作，例如：涉及硝基苯、苯酚、汞水等有毒類物質的化學實驗;涉及強硫酸、濃溴水、氟化氫等有腐蝕性物質的化學實驗;涉及高錳酸鉀、過氧化氫、重鉻酸鉀等強氧化性物質的化學實驗。這些實驗比較適合采用化學仿真實驗軟件進行。苯酚和溴水的化學反應中，因為溴水有腐蝕性，苯酚有毒，所以完全可以采用仿真實驗，學生也可以觀察到把溴水滴入苯酚中，振蕩試管，生成了白色沉淀，有了新物質生成，經過驗證，生成了2，4，6-三溴苯酚。這樣便于學生對知識點的記憶，也節(jié)約了實驗成本，符合綠色環(huán)保的教學理念。

5? 結語

教師在具體的應用過程中可以結合學生的學情、知識內容的特點等進行軟件的選擇。雖然這些軟件的功能比較強大，應用起來可以為課堂教學添彩，但是只能輔助教學，而不能完全取代傳統(tǒng)的課堂教學。在信息化教學不斷普及的教學背景下，希望越來越多的化學軟件可以在高中化學教學中得到應用。

參考文獻

[1]李凱娜.傳統(tǒng)教學與計算機輔助教學效果比較研究：以小學一年級國際象棋課為例[D].北京：首都體育學院，2018.

[2]劉莉.Chem Draw在有機化學課件制作中的應用[J].科教文匯，2010（21）：43，45.

[3]曹晶偉，沈甸.化學軟件Crocodile Chemistry在“化學反應速率”實驗教學中的應用[J].化學教學，2012（11）：20-22，26.

[4]吳健.Materials Studio在結構化學教學中的一些應用[J].高校實驗室工作研究，2007（3）：47-48.

[5]劉芬芬.三種工具軟件在化學教學中的應用探究[D].西安：陜西師范大學，2013.