馮美紅

（惠東中學(xué)廣東惠東516300）

淺談信息技術(shù)與有機(jī)分子結(jié)構(gòu)建模教學(xué)的整合

馮美紅

（惠東中學(xué)廣東惠東516300）

信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合是我國面向未來基礎(chǔ)教育教學(xué)改革的新視點(diǎn)，是在傳統(tǒng)教學(xué)模式基礎(chǔ)上的新探索，信息技術(shù)與課堂的有效整合可以有效幫助學(xué)生更好地掌握和體會(huì)學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)。所謂“整合”主要指的是結(jié)合、融合、集成、成為一體、一體化等等，而不是簡(jiǎn)單的結(jié)合或使用。本文以化學(xué)軟件向?qū)W生展示物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型為例，探討信息技術(shù)與化學(xué)學(xué)科教學(xué)的整合在降低學(xué)生的認(rèn)知難度、提高化學(xué)課堂的效率、效果等方面的重要作用。

信息技術(shù)；建模；分子模型；立體結(jié)構(gòu)

一、問題的提出

建構(gòu)主義是西方流行的一種社會(huì)學(xué)理論，我國的課程改革中借用了這個(gè)理論。建構(gòu)主義借“魚?，F(xiàn)象”闡述其核心思想——無法到陸地上的魚邊聽青蛙的描述邊按照自己的經(jīng)驗(yàn)和理解想象著牛的樣子——魚一樣的身子、魚一樣的尾巴、魚一樣的頭上卻長了兩只角、肚子的下面長了四條腿……對(duì)于魚來說這種結(jié)果是合理的，它根據(jù)從青蛙那里得到關(guān)于牛的部分信息，并將該信息與頭腦中已有的知識(shí)相結(jié)合，構(gòu)建出了魚牛的形象，但對(duì)于青蛙來說，魚理解的牛根本不是它所要表述的牛，或者說魚認(rèn)識(shí)的不是真正意義上的牛。按照這樣的理念，在教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生就是魚，而教師就是青蛙，牛就是所要認(rèn)識(shí)的客觀對(duì)象，教師的任務(wù)是向?qū)W生推薦和介紹各種信息，把學(xué)生引進(jìn)門，幫助學(xué)生正確地建構(gòu)知識(shí)。但如果學(xué)生在原有的知識(shí)基礎(chǔ)上無法正確的理解，就像沒見到牛之前，魚的意識(shí)里牛的形象總是停留在“魚?！钡膶用?，這樣錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)牛進(jìn)一步的了解造成知識(shí)的斷層和扭曲。這也是化學(xué)教學(xué)中遇到的一個(gè)普遍的難題，由于化學(xué)學(xué)科的特殊性，要求學(xué)生對(duì)物質(zhì)在宏觀、微觀、符號(hào)這三重表征進(jìn)行統(tǒng)一和糅合，而現(xiàn)狀是魚不一定有機(jī)會(huì)接觸到真實(shí)的?！獙W(xué)生沒法看到物質(zhì)微觀的世界，因此只能通過模擬的形式，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)最接近實(shí)物的模型，進(jìn)一步在模型的基礎(chǔ)上認(rèn)識(shí)相似的物質(zhì)，并根據(jù)已知的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)探究可能具有的性質(zhì)。本文就有機(jī)化學(xué)中分子結(jié)構(gòu)建模教學(xué)為例，談信息技術(shù)與有機(jī)分子結(jié)構(gòu)建模教學(xué)的整合。

有機(jī)化學(xué)在生活中的應(yīng)用之廣是顯而易見的，在化學(xué)教學(xué)中有重要的地位，更具體來講，在高考中有著舉足輕重的體現(xiàn)，例如2009年廣東高考化學(xué)X科中有機(jī)化學(xué)比重只有8%，而2010年最新《考試說明》卻顯示：化學(xué)科中的有機(jī)化學(xué)部分分值比例約20%！因此學(xué)好有機(jī)化學(xué)顯得十分關(guān)鍵。但有機(jī)化學(xué)中紛繁的種類，錯(cuò)綜復(fù)雜的轉(zhuǎn)化關(guān)系，抽象的立體結(jié)構(gòu)卻使部分學(xué)生望而卻步。

二、解決思路

傳統(tǒng)的課堂是利用棍和球拼接成模型來講授有機(jī)分子的立體結(jié)構(gòu)，不僅費(fèi)時(shí)，而且效果不佳。隨著電教平臺(tái)在中學(xué)教室的普及，利用計(jì)算機(jī)上課成為了可能，若能在學(xué)生剛接觸有機(jī)物時(shí)就能隨心所欲地展示分子的模型，將有機(jī)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)“躍然屏幕上”——用三維圖形來表征有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)分子立體結(jié)構(gòu)的印象，有效幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解有機(jī)物真實(shí)的結(jié)構(gòu)，又能增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。本文將以有機(jī)分子結(jié)構(gòu)的繪制和演示為例，探討如何讓有機(jī)化學(xué)課堂“立體化”——如果無法讓魚見到真實(shí)的牛，那見到牛的模型也是一種很好的解決辦法。

三、解決辦法

1.讓分子在屏幕上跳動(dòng)

利用信息技術(shù)來改進(jìn)課堂教學(xué)是當(dāng)前學(xué)校教學(xué)改革的一條重要思路。教育部提出要“努力推進(jìn)信息技術(shù)與其他學(xué)科教學(xué)的整合”，并指出“技術(shù)與課程的整合就是通過課程把信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，從根本上改變傳統(tǒng)教和學(xué)的觀念以及相應(yīng)的學(xué)習(xí)目標(biāo)、方法和評(píng)價(jià)手段。”利用信息技術(shù)的自由參與性、平等交互性、虛擬探究性以及客觀公正性來打破教師對(duì)于知識(shí)、技能的絕對(duì)權(quán)威，通過師生的交流活動(dòng)來相互促進(jìn)和啟發(fā)，從而真正實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長，實(shí)現(xiàn)在傳統(tǒng)課堂教學(xué)上的改進(jìn)和優(yōu)化。利用現(xiàn)代信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)資源，可以把學(xué)科教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)過程以虛擬的方式展現(xiàn)在課堂中?；瘜W(xué)涉及到眾多形態(tài)、色澤、結(jié)構(gòu)、用途各異的物質(zhì)；得出規(guī)律涉及到數(shù)據(jù)的處理、圖表的處理；化學(xué)與物理、生物聯(lián)系緊密，與生產(chǎn)、生活、科技、環(huán)保（STS教育）密切相關(guān)；化學(xué)理論抽象難懂，需要微觀三維空間想像能力。計(jì)算機(jī)技術(shù)能進(jìn)行圖像處理，進(jìn)行微觀放大、宏觀縮小、瞬間變慢、變快，短時(shí)間內(nèi)調(diào)動(dòng)學(xué)生多種感官參與活動(dòng)，形成鮮明的印象。計(jì)算機(jī)技術(shù)還能通過二維或三維動(dòng)畫形式，進(jìn)行信息和圖像輸出，使學(xué)生獲取動(dòng)態(tài)圖像信息，從而使抽象問題具體化、復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，避免了許多繁瑣的講解過程，展現(xiàn)給學(xué)生生動(dòng)形象、富于啟發(fā)、促進(jìn)思維的畫面，有效刺激學(xué)生的感官，力求教材、教師、學(xué)生三者的思維達(dá)到最大化的吻合。筆者曾經(jīng)在給學(xué)生上第一節(jié)有機(jī)化學(xué)課時(shí)利用計(jì)算機(jī)中的交互軟件講授甲烷的立體結(jié)構(gòu)，在移動(dòng)鼠標(biāo)間實(shí)現(xiàn)分子模型在各個(gè)角度、各種風(fēng)格的變換，讓學(xué)生在震撼中欣賞到微觀粒子的結(jié)構(gòu)模型。

圖1 動(dòng)態(tài)展示甲烷的分子模型

在動(dòng)態(tài)的展示畫面中，學(xué)生對(duì)分子模型留下了“立體”的印象，在這個(gè)基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步在“遇到問題——解決問題——提出新的問題”模式中學(xué)透知識(shí)點(diǎn)，并總結(jié)出普遍規(guī)律，如學(xué)生自己動(dòng)手繪制立體結(jié)構(gòu)后遇到的問題是：這種表示方法很難，不方便。如何簡(jiǎn)單地表示立體結(jié)構(gòu)？學(xué)生饒有興致地嘗試寫出自己的平面結(jié)構(gòu)表示法，并在同學(xué)中進(jìn)行交流討論，評(píng)出最優(yōu)方案……這樣在主動(dòng)、輕松的學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生更容易發(fā)揮出創(chuàng)造精神；在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)的自我反饋，合作學(xué)習(xí)中互相關(guān)心、增進(jìn)友愛，既學(xué)會(huì)知識(shí)，又學(xué)會(huì)做人，也使教師在課堂上成為學(xué)生學(xué)習(xí)合作的伙伴、討論的對(duì)手和知心的朋友。

2.取代的角度看結(jié)構(gòu)

建構(gòu)主義教學(xué)理論特別強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)環(huán)境的創(chuàng)設(shè)，并以“情境”、“協(xié)作”、“會(huì)話”和“意義建構(gòu)”為學(xué)習(xí)環(huán)境的四大要素。信息技術(shù)為學(xué)科教學(xué)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境、為學(xué)習(xí)者之間的交流協(xié)作提供了許多新的潛在可能性，又因其能更加逼真地模擬出微觀世界中的各種現(xiàn)象，在視覺上提供一些能表現(xiàn)真實(shí)世界現(xiàn)象、事件和故事的實(shí)例，學(xué)生能用這些實(shí)例進(jìn)行問題發(fā)現(xiàn)和問題解決的活動(dòng)，從而有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。如果說魚已經(jīng)從其中一種牛的模型中看到真實(shí)的一面，否定自己之前“魚?！钡腻e(cuò)誤想法，那么在這個(gè)基礎(chǔ)上如何更好更多地辨認(rèn)其他品種的“?！蹦兀窟@就要通過引導(dǎo)建立一個(gè)正確的基本的模型，并在這個(gè)模型特點(diǎn)的范圍內(nèi)作出合理的推斷。在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中對(duì)有機(jī)物結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)也可以采用這樣建模的方法：在基本模型基礎(chǔ)上用取代（即代換）的方法認(rèn)識(shí)新物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。例如：有機(jī)物常見的基本模型有：甲烷——正四面體；乙烯——共面；乙炔——共線；苯——共面。學(xué)生在這些模型的基礎(chǔ)上用相同的原理認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)。舉個(gè)例子：取代反應(yīng)是重要的有機(jī)反應(yīng)類型之一，學(xué)生是從甲烷與氯氣的反應(yīng)開始認(rèn)識(shí)的，在交互軟件中對(duì)比展示如下，更容易讓學(xué)生建立以甲烷為基礎(chǔ)模型的其他結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)。

圖2 甲烷發(fā)生取代反應(yīng)后的產(chǎn)物模型

在學(xué)生初學(xué)有機(jī)化學(xué)時(shí)就滲透化學(xué)建模的思想，養(yǎng)成用取代的角度來看其他物質(zhì)，從而有效降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。那么看完甲烷后，和它互為同系物的乙烷結(jié)構(gòu)是怎樣的？烴的衍生物如我們常常提到的乙醇的立體結(jié)構(gòu)又是怎樣的呢……利用一系列問題驅(qū)動(dòng)的形式，引導(dǎo)學(xué)生重新正確認(rèn)識(shí)更多的有機(jī)物。

圖3 用取代的方法看物質(zhì)結(jié)構(gòu)

通過對(duì)已知模型的延伸，學(xué)生可以很明確認(rèn)識(shí)到：同一系列或相似結(jié)構(gòu)的物質(zhì)在空間結(jié)構(gòu)上的區(qū)別是：在相同或相近的位置放置大小各異、種類不同的原子而已！甲烷空間結(jié)構(gòu)上的四個(gè)H原子不管換成任何其他的原子，如氯原子、碳原子等，都還是四面體的構(gòu)型。同理，對(duì)于更復(fù)雜的物質(zhì)也可引導(dǎo)學(xué)生從取代的角度看，例如：乙烷分子可看作是甲烷中一個(gè)氫原子被碳原子取代，而乙醇分子中的羥基其實(shí)就是取代了原來乙烷分子中的一個(gè)氫原子，從而形成“甲烷——烷烴——烴的衍生物”系列相似模型，以點(diǎn)帶線，以線組面，將有機(jī)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)一網(wǎng)打盡，大大減輕了學(xué)習(xí)的強(qiáng)度，更能將學(xué)生的能力拔高到獲取知識(shí)本質(zhì)的高度上。

3.同種物質(zhì)還是同分異構(gòu)體？

信息技術(shù)的運(yùn)用，能使許多抽象的化學(xué)概念、化學(xué)規(guī)律，復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)環(huán)境由靜態(tài)變動(dòng)態(tài)，無聲變有聲，抽象變具體，不僅能大大增強(qiáng)表現(xiàn)力而且易于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的激發(fā)有著極高的價(jià)值，從而促使學(xué)生更好、更快、更準(zhǔn)、更深入地把握教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。分辨同系物、同種物質(zhì)、同分異構(gòu)體是有機(jī)化學(xué)的重點(diǎn)之一，如考查學(xué)生對(duì)于甲烷正四面體的認(rèn)識(shí)，經(jīng)典的題設(shè)是：甲烷二氯代物的同分異構(gòu)體有幾種。平時(shí)為方便起見，甲烷的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式都是寫成平面的，這樣就有部分學(xué)生會(huì)在平面到立體的變換中轉(zhuǎn)不過彎來，總誤認(rèn)為二氯甲烷的結(jié)構(gòu)應(yīng)該有兩種，但事實(shí)上二氯甲烷并無同分異構(gòu)體，很多學(xué)生無法理解這一點(diǎn)，利用多媒體輔助教學(xué)，就可以很好地講清楚這個(gè)問題。針對(duì)學(xué)生錯(cuò)誤的回答，可在該軟件中將模型轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置，這樣，學(xué)生必會(huì)恍然大悟：老師其實(shí)在轉(zhuǎn)動(dòng)同一個(gè)模型！也就是說二氯甲烷沒有同分異構(gòu)體，只有一種結(jié)構(gòu)。通過這個(gè)例子，培養(yǎng)學(xué)生不僅能將立體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成平面結(jié)構(gòu)，也形成遇到平面結(jié)構(gòu)要轉(zhuǎn)化成真實(shí)的立體結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

圖4 轉(zhuǎn)動(dòng)甲烷的二氯代物模型

信息技術(shù)手段以其豐富的表現(xiàn)力顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)，使學(xué)生達(dá)到充分的感知，為化學(xué)概念和化學(xué)規(guī)律的掌握提供充分的感性認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)，克服以往教學(xué)只靠口述或做演示實(shí)驗(yàn)的弊病，讓學(xué)生在已學(xué)過內(nèi)容的基礎(chǔ)上去找內(nèi)在聯(lián)系，使學(xué)生主動(dòng)提取舊知、探究新知，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

4.最多有幾個(gè)原子在同一平面上？

化學(xué)教學(xué)與信息技術(shù)整合，增強(qiáng)學(xué)生參與活動(dòng)的自覺性、溝通新舊知識(shí)的聯(lián)系，提高了學(xué)生思維品質(zhì)，使學(xué)生保持良好地學(xué)習(xí)注意力，比起容量偏小的傳統(tǒng)課堂來更是進(jìn)一步豐富了教學(xué)的互動(dòng)信息，使學(xué)生能通過各種感官的有效刺激接受更多的知識(shí)。如交互型化學(xué)軟件可以讓學(xué)生從任意一個(gè)角度來觀察，甚至可以跳進(jìn)模型內(nèi)看分子結(jié)構(gòu)。例如通過對(duì)計(jì)算機(jī)的操控可以很容易觀察到乙烯、乙炔和苯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：所有原子都在同一平面上。同理，從取代的角度看，不管原型中的H原子被什么原子取代，依然都在同一平面上。

圖5 轉(zhuǎn)動(dòng)分子模型觀察原子在同一平面上

同一種有機(jī)物有多種不同的構(gòu)象，在高中簡(jiǎn)單地理解為有機(jī)物結(jié)構(gòu)中的C-C單鍵可以沿著鍵軸旋轉(zhuǎn)。通過空間想象，判斷C-C單鍵旋轉(zhuǎn)后共面共線的原子個(gè)數(shù)是有機(jī)化學(xué)考查的重要內(nèi)容之一。但對(duì)于初學(xué)者或想象能力差的學(xué)生來講，沒有見過單鍵旋轉(zhuǎn)的情景，想要在短時(shí)間內(nèi)有效掌握是比較困難的，適當(dāng)利用多媒體輔助教學(xué)，展示C-C鍵軸不斷轉(zhuǎn)動(dòng)、變換成不同的構(gòu)象，讓學(xué)生的想象有個(gè)落點(diǎn)，為認(rèn)識(shí)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也激起了學(xué)生的好奇心，進(jìn)而更有興致探究在教材或生活中所見到的分子模型，將課堂知識(shí)延伸到生活中，真正做到學(xué)以致用。

圖6 轉(zhuǎn)動(dòng)乙烷中C-C鍵得到的不同構(gòu)象

以上舉例說明信息技術(shù)與有機(jī)化學(xué)的有效整合中的其中一個(gè)實(shí)例——利用交互型軟件展示出不同的分子模型，不僅滿足了不同的教學(xué)效果的要求，改革了傳統(tǒng)枯燥的課堂氛圍，使學(xué)生對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)有較深層面的理解，從而增強(qiáng)學(xué)生參與活動(dòng)的自覺性、溝通新舊知識(shí)的聯(lián)系，提高了學(xué)生思維容量，特別是讓學(xué)生不斷完善知識(shí)結(jié)構(gòu)，有效地培養(yǎng)了學(xué)生分析、對(duì)比、歸納的能力，為學(xué)好有機(jī)化學(xué)打下堅(jiān)實(shí)的理論和信心基礎(chǔ)。當(dāng)然這些應(yīng)用只是冰山的一角而已，化學(xué)教學(xué)與信息技術(shù)整合對(duì)于教師的教學(xué)水平的提高還有學(xué)生的學(xué)習(xí)效果的加強(qiáng)都是相得益彰的，應(yīng)該得到更加廣泛、更加深入的運(yùn)用。

四、結(jié)論

新課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，倡導(dǎo)自主、合作、探究的學(xué)習(xí)方式，重視學(xué)生主動(dòng)積極的參與意識(shí)和精神，與實(shí)施素質(zhì)教育的要求相比，目前學(xué)生學(xué)習(xí)方式較單一、被動(dòng)，缺少自主探索、合作學(xué)習(xí)、獨(dú)立獲取知識(shí)的機(jī)會(huì)，而在信息技術(shù)整合下的學(xué)習(xí)因開放性、交互性等特點(diǎn)而呈現(xiàn)形式的多樣化和效果的最大化，因此，要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生認(rèn)識(shí)與實(shí)踐的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主人，就必須將傳統(tǒng)的教學(xué)方法與信息技術(shù)有效整合起來。

［1］祝智庭，鐘志賢.現(xiàn)代教育技術(shù)［M］.上海：華東師范大學(xué)出版社，2005.7

［2］何克抗.信息技術(shù)與課程整合［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2006：53-54

［3］袁中直，肖信.化學(xué)多媒體素材制作和應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：2-4

［4］李夢(mèng)龍，王智猛，姜林等.化學(xué)軟件及其應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：11-12

1008-0546（2010）10-0008-03

G632.41

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2010.10.003