3D 技術(shù)與化學(xué)教學(xué)碰撞的“火花”

◆湖北省赤壁市第一中學(xué) 陳濟(jì)林 涂柳琴

3D One 是一種設(shè)計(jì)建模立體實(shí)物的軟件，KingDraw 是一款專業(yè)型化學(xué)結(jié)構(gòu)編輯器，將兩者與3D 打印技術(shù)結(jié)合（以下統(tǒng)稱3D 技術(shù)），可使微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型，在增強(qiáng)學(xué)生對(duì)抽象化學(xué)知識(shí)理解的同時(shí)，還能激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維。此外，3D 技術(shù)還可以用于制作化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置和模型，幫助學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和觀測(cè)，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和安全性。

本文探討了在高中化學(xué)教學(xué)中融合3D 技術(shù)，尤其是在微觀粒子結(jié)構(gòu)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)和化學(xué)反應(yīng)歷程教學(xué)方面的潛力。我們運(yùn)用3D 技術(shù)做出了具有精確結(jié)構(gòu)和形狀的微觀粒子結(jié)構(gòu)模型、實(shí)驗(yàn)器具模型等，引導(dǎo)學(xué)生通過觀察和數(shù)據(jù)分析，深入理解化學(xué)反應(yīng)的歷程和機(jī)理。

一、結(jié)構(gòu)教學(xué)形象化

化學(xué)的特征是從微觀層次認(rèn)識(shí)物質(zhì)，以符號(hào)形式表征物質(zhì)，從而創(chuàng)造新物質(zhì)或者利用反應(yīng)的能量變化。在傳統(tǒng)的化學(xué)教學(xué)中，學(xué)生通常使用紙質(zhì)或塑料模型模擬分子結(jié)構(gòu)，難以直觀展示分子的三維結(jié)構(gòu)和空間取向。融入3D 技術(shù)后，學(xué)生可設(shè)計(jì)并按比例打印分子模型，更好地理解分子的結(jié)構(gòu)和空間排列。

例如，在講授金屬晶體的堆積方式時(shí)，我們鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用3D One 技術(shù)結(jié)合身邊的實(shí)物參與設(shè)計(jì)制作。又如，當(dāng)講到分子的微觀結(jié)構(gòu)時(shí)，我們與學(xué)生一起應(yīng)用3D One、KingDraw 等軟件制作模型，通過3D 技術(shù)將模型轉(zhuǎn)化為實(shí)物后再進(jìn)行演示，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。

圖1 分子微觀結(jié)構(gòu)模型（左）和3D 打印的模型實(shí)物

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)精準(zhǔn)化

在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，難免存在步驟復(fù)雜或現(xiàn)象不易觀察的實(shí)驗(yàn)。借助3D One 和3D 技術(shù)，學(xué)生可創(chuàng)建虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過模擬實(shí)驗(yàn)觀察和分析實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，更好地理解實(shí)驗(yàn)原理和操作步驟。

例如，在探究氫氧化鋁的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生借助3D One 的動(dòng)畫演示模擬該實(shí)驗(yàn)過程，精準(zhǔn)控制三氯化鋁和氫氧化鈉的用量，并觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。又如，在甲烷與氯氣的取代反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生利用3D One 進(jìn)行動(dòng)畫模擬展示反應(yīng)的機(jī)理。再如，在酯化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，借助3D 技術(shù)可制作出有刻度的分水器，定量測(cè)出生成的乙酸乙酯的量。

三、微觀反應(yīng)可視化

傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)研究方法通常使用玻璃儀器或微孔板等器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但都存在一定的局限性，如形狀和尺寸的限制、實(shí)驗(yàn)過程中的操作難度等。我們通過3D 技術(shù)可以將化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程以三維動(dòng)畫的形式進(jìn)行展示，制造出具有精確結(jié)構(gòu)和形狀的微觀反應(yīng)實(shí)物。

3D One 結(jié)合3D 技術(shù)可制作出反應(yīng)儀器模型和反應(yīng)儀器，進(jìn)一步拓展化學(xué)反應(yīng)的研究范圍。例如，可通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器的幾何形狀和流體流動(dòng)速率等參數(shù)，控制不同反應(yīng)物之間的混合程度，了解反應(yīng)物在混合過程中的行為和變化。

圖2 學(xué)生借助3D 技術(shù)模擬反應(yīng)速率的影響因素開展實(shí)驗(yàn)

借助3D 技術(shù)制作的實(shí)驗(yàn)裝置開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，學(xué)生可以得到關(guān)于化學(xué)反應(yīng)歷程的信息，如反應(yīng)速率、產(chǎn)物選擇性和反應(yīng)機(jī)理等。學(xué)生在設(shè)計(jì)制作和參與實(shí)驗(yàn)的過程中，提高了學(xué)習(xí)興趣，加深了對(duì)化學(xué)反應(yīng)的理解。

總之，借助3D 技術(shù)可創(chuàng)建如交互式的分子模型庫(kù)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)視頻和模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等學(xué)習(xí)資源，為高中化學(xué)教學(xué)帶來新的方式。教師應(yīng)掌握3D 技術(shù)的基本操作，根據(jù)學(xué)科標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)、安排，較好地將其應(yīng)用到教學(xué)中，為學(xué)生提供更具體、直觀和實(shí)踐性強(qiáng)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。