以O(shè)rbital Viewer為輔助實施原子軌道和共價鍵類型的互動性課堂

余凡，韓靜華，胡冰倩，李堂明，梁昊，李艾華，王亮，李寶

1江漢大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，光電化學(xué)材料與器件教育部重點實驗室，武漢 430056

2華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，武漢 430074

無機化學(xué)課程作為高等院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生進入大學(xué)后所接觸的第一門基礎(chǔ)課，，在整個化學(xué)知識體系構(gòu)建中處于非常重要的地位。但是，由于高考改革導(dǎo)致的高中階段化學(xué)知識儲備、高中與大學(xué)階段學(xué)習(xí)方法的巨大差異、授課內(nèi)容信息量大與可自主支配時間有限等因素，導(dǎo)致許多本科生感覺跟不上無機化學(xué)的學(xué)習(xí)進度，甚至喪失對相關(guān)專業(yè)的學(xué)習(xí)熱情[1-3]。其中較難的部分為物質(zhì)結(jié)構(gòu)，尤其是原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)章節(jié)知識點的學(xué)習(xí)，需要學(xué)生在極短的時間內(nèi)充分發(fā)揮空間想象力從微觀角度去認知一個全新的量子世界，這使很多學(xué)生力不從心、甚至直接放棄相關(guān)知識點的學(xué)習(xí)。如果能在微觀結(jié)構(gòu)教學(xué)中引入互動性教學(xué)模式，讓學(xué)生親自動手將不同理論模型呈現(xiàn)在眼前，將會有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

為此，可以利用Orbital Viewer為輔助，在微觀結(jié)構(gòu)教學(xué)過程中引入互動性教學(xué)。Orbital Viewer(OV)是一款簡便的化學(xué)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)軟件，它能根據(jù)輸入的不同參數(shù)繪制相應(yīng)的三維原子軌道、分子軌道及成鍵類型示意圖，能根據(jù)個人愛好調(diào)節(jié)顯示效果，將結(jié)果輸出為VRML格式以方便瀏覽。該軟件可以通過輸入各個量子數(shù)、原子的坐標(biāo)參數(shù)等，繪制原子軌道和鍵合形式?？傊?，該軟件操作非常便捷、占用資源較小，非常適合在課堂教學(xué)過程中，或者學(xué)生在課后體會學(xué)習(xí)等使用。免費下載網(wǎng)址為http://www.orbitals.com/[4]。

“百聞不如一見，百見不如一行”，因此，以O(shè)V為輔助在微觀結(jié)構(gòu)的教學(xué)過程中實施互動性課堂，將立體的結(jié)構(gòu)特征呈現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生親自去繪制原子軌道、共價鍵形式等，使教學(xué)回歸互動和實踐，能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)[5-7]。

1 課程實施教學(xué)條件

本文介紹的互動性課堂實施主要針對材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生，適合在30人以下的課堂實施，以保證課堂的實施效果。學(xué)生需要自帶筆記本電腦以方便操作。原子軌道的知識點構(gòu)建包括：教師講解不同原子軌道的薛定諤方程的解，電子云的角度、徑向函數(shù)分布，師生間互動討論等內(nèi)容，約占2學(xué)時；共價鍵的知識點包含共價鍵的成鍵本質(zhì)，不同類型σ鍵、π鍵的成鍵，師生間互動討論，約占2學(xué)時。

2 依托Orbital Viewer為輔助實施原子軌道知識點的互動式課堂

【教學(xué)實施方案】在講解原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)認知部分之后，學(xué)生已經(jīng)對原子結(jié)構(gòu)有了初步的認知，但絕大部分學(xué)生對原子結(jié)構(gòu)的直觀認知應(yīng)該還是停留在“行星模型”，對原子結(jié)構(gòu)的真實模型無法進行構(gòu)建。因此，需要利用專業(yè)軟件將具體形象化的原子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)在學(xué)生面前。但傳統(tǒng)方法是教師在多媒體上直接給出原子軌道平面照片，介紹每一條原子軌道的概率密度、概率的分布。此教學(xué)方法收效因人而異，有的學(xué)生能夠迅速了解原子軌道的真實分布情況，但絕大部分學(xué)生仍很難建立有效的結(jié)構(gòu)模型。為此，在原子軌道學(xué)習(xí)過程中依托OV為輔助的互動性課堂實施過程如下：

(1)詳細流程示意圖如圖1所示。首先回顧知識點引入新課，讓學(xué)生回顧各知識點含義，理解每一個參數(shù)的意義。

圖1 ns原子軌道互動性課堂教學(xué)流程圖

(2)以最簡單波函數(shù)Ψ100即1s的薛定諤方程解為例，講解包括角度函數(shù)、徑向函數(shù)的意義。最后提出問題，“那氫原子真實的1s軌道應(yīng)該是什么樣子的呢？”接下來，引導(dǎo)學(xué)生利用Orbital Viewer來認知1s原子軌道的模型。教師具體介紹軟件的操作界面、參數(shù)設(shè)置的意義，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建1s的軌道模型，并描述其結(jié)構(gòu)特征，師生共同討論完成1s軌道模型的建立，并進一步討論探究圖形的含義及特點。

(3)在教師問題引導(dǎo)下，學(xué)生修改參數(shù)去構(gòu)建2s、3s、4s等軌道模型，認真觀察所建模型并比較、歸納1s-4s的軌道模型的特征和規(guī)律，通過師生互動討論得出“節(jié)面與峰值出現(xiàn)的規(guī)律為n-l個峰和n-l-1個節(jié)面”，建立立體原子軌道模型的正確認知。

(4)教師再通過問題引導(dǎo)學(xué)生自己去構(gòu)建2p軌道的立體構(gòu)型，觀察結(jié)構(gòu)特征，并繼續(xù)去構(gòu)建3p、4p的模型，師生互動討論歸納節(jié)面和節(jié)點的規(guī)律。

(5)最后教師進行課堂總結(jié)，闡述原子軌道的真實模型、節(jié)面和節(jié)點的規(guī)律性等。

【教學(xué)實施重點】此教學(xué)環(huán)節(jié)實施的重點在于如何引導(dǎo)學(xué)生自己去創(chuàng)建原子軌道模型，教師要介紹OV軟件的使用方法，從Display-orbital界面進入?yún)?shù)輸入界面。在Display-orbital對話框里選擇atom1，然后輸入相應(yīng)n、l、m和x、y、z等，便可生成相應(yīng)輪廓，其中的Factor可以調(diào)整正負取值；在Polygon-Psi^2 probability設(shè)置參數(shù)，調(diào)整輪廓圖中|Ψ|2的胖瘦；所畫輪廓圖可以另存為VRML 1.0文件以供后期查看。其中atom為所建原子，n、l、m為三個量子數(shù)，x、y、z為原子坐標(biāo)。調(diào)整核外電子出現(xiàn)的次數(shù)點擊Display-point options。在明白這些基本參數(shù)之后，學(xué)生可自行構(gòu)建不同的原子軌道，并進行歸納、總結(jié)。

【教師提出的引導(dǎo)性問題】實施互動性課堂時，教師可以提出的引導(dǎo)性問題有：在構(gòu)建1s軌道時，可以提問，“1s原子軌道輸入的參數(shù)應(yīng)該如何？1s軌道的圖形是什么樣子？”在構(gòu)建1s軌道后，教師提問，“圖形中的小圓點代表什么？其密集的區(qū)域說明什么？”繼續(xù)推進其他s軌道時，提問，“2s、3s、4s軌道建立的參數(shù)如何設(shè)置？它們和1s一起有什么規(guī)律嗎？”

【學(xué)生的學(xué)習(xí)活動】學(xué)生在整體教學(xué)活動中會保持較高的參與感，積極思索相關(guān)問題、模型構(gòu)建的方法，并建立如圖2所示原子軌道模型。但在歸納、總結(jié)2s、3s軌道時，對逐漸增加的層數(shù)理解不夠徹底，此時需要教師去詳細說明，指出概率分布的不同，有效實施互動性討論。整體而言，學(xué)生普遍反映通過互動式教學(xué)模式實施能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使用OV軟件建立原子軌道還能在呆板的知識點體系中引入可視化元素，建立有效的科學(xué)模型。

圖2 利用軟件構(gòu)建的不同原子軌道示意圖

3 依托Orbital Viewer為輔助實施共價鍵知識點的互動式課堂

【教學(xué)實施方案】通過原子結(jié)構(gòu)互動性課堂實施，學(xué)生已建立了正確的原子軌道模型，理解共價鍵的形成、電子云的重疊時就會有一定的理論基礎(chǔ)。但由于高中階段的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，即對共價鍵的理解僅限于八隅律規(guī)則，學(xué)生一般很難理解相鄰兩個原子間共用一對自旋方向相反的電子、電子云發(fā)生重疊這一成鍵本質(zhì)。而如何建立合理的共價鍵模型，對于學(xué)生理解后續(xù)的雜化軌道、價層電子對互斥理論、分子軌道理論等就顯得尤為重要。為此，可嘗試以O(shè)V為輔助實施互動式教學(xué)模式，具體實施如下：

(1)首先以H2為例，講解共價鍵的本質(zhì)，闡述兩個自旋方向相反的電子和兩個自旋方向相同的電子導(dǎo)致的異同，強調(diào)電子云或軌道的重疊，講解σ鍵1s-1s的成鍵形式。引導(dǎo)學(xué)生去建立兩個氫原子及其之間的σ鍵相互作用。引導(dǎo)學(xué)生觀察兩個電子云重疊的理論模型。

(2)教師講解1s-1s之間排斥態(tài)的形式，即兩個電子自旋方向相同時會導(dǎo)致兩個原子核間電子云重疊情況的差別，并引導(dǎo)學(xué)生利用OV去建立相應(yīng)排斥態(tài)模型，比較重疊和排斥兩種狀態(tài)的差異。

(3)繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建1s-2p、2p-2p的σ鍵成鍵模型，同樣比較重疊、排斥兩種不同狀態(tài)的差別，歸納總結(jié)相關(guān)規(guī)律。

(4)教師進行三種σ鍵成鍵形式總結(jié)，如圖3，并依照此方式進行p-p、p-d等π鍵的學(xué)習(xí)及模型建立，如圖4所示。

圖3 s–s，s–p和p–p原子軌道形成σ鍵示意圖

圖4 p–p和p–d原子軌道形成π鍵示意圖

【教學(xué)實施重點】此部分實施的難點在如何有效建立兩個相互作用的原子。一般學(xué)生會在Display-orbital界面直接點擊add按鈕添加新原子，但最終結(jié)果會導(dǎo)致兩個氫原子重疊。少數(shù)同學(xué)會知道需要輸入新的氫原子坐標(biāo)，將兩個氫原子分隔開來。因此，教師在學(xué)生建立模型失敗后，要引導(dǎo)提示學(xué)生建立坐標(biāo)的概念，設(shè)置第二個原子xyz參數(shù)為(1,0,0)，會出現(xiàn)兩個獨立的1s軌道，并沒有發(fā)生相互重疊；再觀察(1/2,0,0)、(1/3,0,0)形式，再思索出現(xiàn)這些差異的原因是什么，最終建立如圖3所示正確成鍵形式。

為了說明排斥態(tài)的模型，告訴學(xué)生在atom2欄中的factor代表的意義為同號疊加，異號排斥。因此將輸入值改為-1，得到新的排斥模型，如圖5所示，引導(dǎo)學(xué)生比較其與重疊態(tài)的不同。

圖5 s–s和p–p原子軌道形成σ＊，π＊鍵分子軌道示意圖

【教師提出的引導(dǎo)性問題】在構(gòu)建兩個氫原子重疊模型時，提問“氫氣分子中，每一個氫原子具有什么原子軌道？有幾個電子？如何在OV里建立兩個獨立的氫原子？”在成功建立氫氣分子模型后，再提問“既然已經(jīng)清楚了1s-1s軌道的不同重疊形式，那是否有其他形式的σ鍵呢？比如1s-2p？2p-2p？下面請同學(xué)們自己建立相關(guān)模型，看看是否可以形成σ鍵？”

【學(xué)生的學(xué)習(xí)活動】共價鍵的理論模型的構(gòu)筑相比原子軌道知識點的學(xué)習(xí)，難度更大。因此，很多同學(xué)面對兩個原子的構(gòu)建成鍵理解上有一定的難度，很多同學(xué)不能理解參數(shù)factor的意義，不知如何區(qū)分重疊態(tài)和排斥態(tài)。因此，教師要根據(jù)實際情況注意講解波的疊加和相消等干涉內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生建立相關(guān)模型。另外，學(xué)生在構(gòu)建p-pπ鍵時，對磁量子數(shù)1,0,-1區(qū)分上認識不足，也需要教師重點講解。學(xué)生普遍反映通過使用OV軟件，能夠清晰認知兩種共價鍵成鍵形式及相關(guān)模型，尤其是理解了重疊態(tài)和排斥態(tài)對于穩(wěn)定體系的差異，也為后續(xù)學(xué)習(xí)雜化軌道理論、分子軌道理論等奠定了基礎(chǔ)。

4 依托Orbital Viewer為輔助實施分子軌道知識點的互動式課堂

分子軌道理論是共價鍵理論當(dāng)中非常重要的知識點，亦是學(xué)習(xí)上的難點。從知識儲備層面上看，學(xué)生已經(jīng)掌握了多電子原子核外電子排布規(guī)則、現(xiàn)代價鍵理論等，通過OV已經(jīng)建立了一定的原子、分子內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)理論模型，均為本節(jié)課打好了學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。但從知識體系構(gòu)建、科學(xué)能力層面來看，由于學(xué)生剛剛學(xué)習(xí)了微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)，尤其是全新的分子軌道理論，會導(dǎo)致該部分知識點學(xué)習(xí)理解上的困境。此部分知識點教學(xué)同樣可嘗試以O(shè)V為輔助實施互動性課堂。教師同樣可以在課堂上提出問題，讓學(xué)生自己去建立相關(guān)模型(如圖5所示)，觀察兩個原子間的成鍵軌道、反鍵軌道對共價鍵成鍵的貢獻，進而充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)善于思考、嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)素養(yǎng)。

5 依托Orbital Viewer為輔助講解δ鍵的互動式課堂

圖6 5d–5d原子軌道形成δ鍵示意圖

6 互動性課堂實施教學(xué)反饋

針對原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)教學(xué)過程中傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端，導(dǎo)致教學(xué)過程封閉、內(nèi)容乏味、收效較低、科學(xué)性較差，尤其是學(xué)生的主觀能動性無法得到充分調(diào)動，嚴(yán)重影響了相關(guān)專業(yè)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。因此，在原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)章節(jié)中實施互動式教學(xué)，是改善相關(guān)教學(xué)現(xiàn)狀、提高教學(xué)質(zhì)量的有效措施。利用OV實施的互動式教學(xué)，能從學(xué)生的認知特點和思維模式出發(fā)，增強學(xué)生的體驗感，使化學(xué)學(xué)習(xí)回歸實踐，尤其是能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動能動性。此互動式教學(xué)模式針對材料化學(xué)專業(yè)學(xué)生已經(jīng)實施了幾屆，學(xué)生普遍反映能有效提高學(xué)生對微觀結(jié)構(gòu)認知的直覺性，并且對化學(xué)知識點的學(xué)習(xí)產(chǎn)生了濃厚的興趣，極大增強了學(xué)生的主觀意識，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率。因此，互動式教學(xué)模式是符合當(dāng)前大學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣的一種有效模式，這也要求任課教師開發(fā)更多的互動式教學(xué)模式以適應(yīng)當(dāng)前教學(xué)模式的需求。