王濤

摘要：簡(jiǎn)單介紹了KingDraw、InDraw和MolView 3個(gè)免費(fèi)繪制分子結(jié)構(gòu)的軟件界面，其中結(jié)合“感受化學(xué)鍵”一課的教學(xué)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了利用KingDraw繪制和查看常見(jiàn)分子球棍模型的操作和方法。其中主要設(shè)計(jì)幾個(gè)環(huán)節(jié)：（1）查看幾種常見(jiàn)簡(jiǎn)單氫化物HF、HCl、H2O、H2S、NH3、CH4的球棍模型，繪制結(jié)構(gòu)式，進(jìn)而討論同主族氫化物結(jié)構(gòu)相似性和主族非金屬的常見(jiàn)化學(xué)鍵數(shù)目規(guī)律；（2）繪制幾種常見(jiàn)簡(jiǎn)單有機(jī)物C2H6、C2H4、C2H2分子球棍模型，繪制結(jié)構(gòu)式，進(jìn)而討論原子均盡可能將化學(xué)鍵全部利用，同時(shí)不僅可以形成單鍵，還有雙鍵、三鍵；（3）嘗試?yán)L制較復(fù)雜的幾種分子N2、CO2、H2O2、HClO的結(jié)構(gòu)式，與球棍模型兩相印照，在鞏固前面知識(shí)的同時(shí)，得出多原子分子中心原子的判斷方法。

關(guān)鍵詞：分子結(jié)構(gòu)；免費(fèi)軟件；化學(xué)鍵；在線教學(xué)

文章編號(hào)：1008-0546（2021）11-0032-05中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.008

*本文系2021年度河南省基礎(chǔ)教學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào)：JCJYC212600016和JCJYB210700014）階段性研究成果。

一、問(wèn)題提出

在2020年3月這個(gè)特殊時(shí)期，筆者和很多老師一樣，開(kāi)展了直播教學(xué)。隨著時(shí)間的延續(xù)，筆者逐漸適應(yīng)了直播教學(xué)的節(jié)奏，也就開(kāi)始有了新的想法，如何在直播課堂上開(kāi)展學(xué)生活動(dòng)，提高在線教學(xué)的時(shí)效性。

例如原來(lái)講授人教版必修2“化學(xué)鍵”時(shí)，筆者設(shè)計(jì)了“感受化學(xué)鍵”的1節(jié)課，學(xué)生結(jié)合任務(wù)單自主拼裝常見(jiàn)分子的微型球棍模型，從中得出“常見(jiàn)非金屬原子可以形成的共價(jià)鍵數(shù)目”，感受常見(jiàn)分子的球棍模型，繪制常見(jiàn)分子的結(jié)構(gòu)式，為后續(xù)學(xué)習(xí)共價(jià)鍵、書(shū)寫(xiě)電子式奠定良好的基礎(chǔ)。

現(xiàn)在的教學(xué)環(huán)境下，能否實(shí)現(xiàn)以上的學(xué)生活動(dòng)呢？是否有免費(fèi)軟件供學(xué)生自己繪制常見(jiàn)分子結(jié)構(gòu)，觀察其球棍模型，同時(shí)有沒(méi)有可能進(jìn)行旋轉(zhuǎn)等交互體驗(yàn)?zāi)兀?/p>

二、軟件簡(jiǎn)介

1.KingDraw

KingDraw是由青島清原精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)科技有限公司開(kāi)發(fā)的，一款橫跨Android、iOS、Windows多平臺(tái)的永久免費(fèi)有機(jī)分子繪制中文軟件，支持多端同步，文件可以輕松保存為cdx、mol、SMILES等多種常用化學(xué)繪圖軟件的文件格式。（沒(méi)錯(cuò)！是的，可以和有機(jī)繪圖大神Chemoffice共享互通。）

登錄官網(wǎng)，或至手機(jī)應(yīng)用商店搜索下載安裝即可，Android畫(huà)板功能界面，見(jiàn)圖1。

KingDraw畫(huà)板集成了KingDraw結(jié)構(gòu)式繪制的全部功能。畫(huà)板分為上下左右4個(gè)功能區(qū)，上部功能區(qū)主要包括繪圖時(shí)的常用功能，見(jiàn)圖1。其中點(diǎn)選“···”，就可以調(diào)出3D轉(zhuǎn)換功能鍵，將繪制的常見(jiàn)分子實(shí)時(shí)3D建模，觀察立體結(jié)構(gòu)。

下方繪制選擇區(qū)主要包括多種結(jié)構(gòu)式繪制元素，左右滑動(dòng)即可調(diào)出所有圖標(biāo)，見(jiàn)圖2。點(diǎn)選后單擊畫(huà)布即可得到對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)式，如若要連接兩個(gè)基團(tuán)，單擊時(shí)需準(zhǔn)確點(diǎn)擊在連接原子位置。

左側(cè)元素選擇區(qū)，點(diǎn)擊左下角“···”，可以調(diào)出元素周期表，點(diǎn)選更多元素原子符號(hào)；右側(cè)功能區(qū)包括結(jié)構(gòu)式美化工具、常見(jiàn)有機(jī)基團(tuán)繪制工具和移動(dòng)縮放工具，見(jiàn)圖1。

2.InDraw

InDraw是一款由鷹谷公司開(kāi)發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的，同時(shí)支持網(wǎng)頁(yè)端和Windows端的免費(fèi)有機(jī)分子繪制中文軟件，其文件可實(shí)現(xiàn)直接復(fù)制粘貼到Word，并在Word中雙擊結(jié)構(gòu)式直接在InDraw中修改；同時(shí)，也支持導(dǎo)出cdx格式文件，通過(guò)Ctrl C + Ctrl V實(shí)現(xiàn)InDraw、Office、ChemOffice三者互通。

登錄官方下載安裝或網(wǎng)頁(yè)端打開(kāi)，注冊(cè)登錄，即可進(jìn)行操作，其網(wǎng)頁(yè)端界面，見(jiàn)圖3，其功能區(qū)與King？ Draw多有相似，不再贅述。

3.MolView

MolView是網(wǎng)頁(yè)端在線繪制分子及3D轉(zhuǎn)換的工具，百度搜索http：//molview.org打開(kāi)即可使用，見(jiàn)圖4，畫(huà)板功能鍵也與前面相似，點(diǎn)擊“2D to 3D”即可在線查看球棍模型。

筆者選擇了KingDraw開(kāi)展“感受化學(xué)鍵”課時(shí)的在線教學(xué)，其中KingDraw的3D結(jié)構(gòu)可以提供球棍模型、比例模型、鍵線式三種選擇。

三、教學(xué)使用簡(jiǎn)介

1.準(zhǔn)備工作

為了讓學(xué)生更熟悉KingDraw軟件的使用，筆者制作了介紹使用的簡(jiǎn)單視頻，并提前一周安排軟件安裝和觀看視頻等活動(dòng)，預(yù)告本次課堂教學(xué)內(nèi)容。

2.教學(xué)流程

（1）引入主題

【多媒體】視頻“水是什么樣子的？”

【設(shè)疑激趣】

大自然用2個(gè)H原子、1個(gè)O原子搭建起1個(gè)H2O分子。試著想象一下水分子是一個(gè)怎樣精巧的建筑，是什么“膠”使這些原子黏合在一起，保持水分子不分解成兩個(gè)H原子和一個(gè)O原子呢？

（2）提供背景資料。

【多媒體】

鍵，安在車(chē)軸兩端，管住車(chē)輪不脫離軸的鐵棍，“題無(wú)四寸之鍵，則車(chē)不行?！?/p>

bond，結(jié)合力；聯(lián)結(jié)，聯(lián)系；粘接，粘著劑。

Chemical Bond，物質(zhì)中使離子相結(jié)合或原子相結(jié)合的作用力通稱(chēng)為化學(xué)鍵。

【教師】如何表示看不見(jiàn)的作用力——化學(xué)鍵呢？

【多媒體】

在許多工作領(lǐng)域中，模型是非常重要的工具?；瘜W(xué)家們利用分子模型來(lái)幫助他們理解和預(yù)測(cè)分子是如何運(yùn)作的。

常見(jiàn)的分子模型或表達(dá)方式有球棍模型、比例模型、結(jié)構(gòu)式，見(jiàn)圖5。

其中，球棍模型中，用顏色、大小不同的小球代表不同原子，通過(guò)短棍連接，其中短棍，即化學(xué)鍵；比例模型，按照原子實(shí)際大小關(guān)系和外層電子運(yùn)動(dòng)區(qū)域重疊一部分，搭建出的結(jié)構(gòu)模型；結(jié)構(gòu)式，在元素符號(hào)之間繪制短線來(lái)表示化學(xué)鍵，可以上下左右4個(gè)方向。

（3）線下活動(dòng)1：查看常見(jiàn)氫化物的球棍模型，書(shū)寫(xiě)其結(jié)構(gòu)式

【教師】今天，我們就利用KingDraw來(lái)熟悉常見(jiàn)分子的球棍模型，并嘗試?yán)L制出它們的結(jié)構(gòu)式。

【線下活動(dòng)】參考下列步驟，查看HF、HCl、H2O、H2S、NH3、CH4的球棍模型，并嘗試書(shū)寫(xiě)結(jié)構(gòu)式。

①打開(kāi)KingDraw界面，點(diǎn)選右上角“+”，即可新建畫(huà)板；

②點(diǎn)擊左側(cè)“O”原子符號(hào)，在畫(huà)板上點(diǎn)擊，即可得到水的化學(xué)式；

③點(diǎn)擊右上方“···”，打開(kāi)后，再點(diǎn)擊“3D”，即可觀察球棍模型；

④此時(shí)，左上角依次表示的模型為比例模型、鍵線式、球棍模型，點(diǎn)擊可切換；

⑤點(diǎn)擊右上角“×”，即可退出當(dāng)前界面；

⑥點(diǎn)擊左下角“···”，打開(kāi)元素周期表，點(diǎn)擊“S”，回到畫(huà)板，點(diǎn)擊可得“H2S”。

【成果交流】學(xué)生將書(shū)寫(xiě)的結(jié)構(gòu)式拍照，發(fā)送到班級(jí)群，見(jiàn)圖6。

【教師】大家做的非常棒！同學(xué)們不妨再思考2個(gè)問(wèn)題：

①同主族氫化物的球棍模型、結(jié)構(gòu)式是否有相似之處？

②C、N、O、F可以形成的連接線數(shù)目（化學(xué)鍵）有什么規(guī)律可循？

【學(xué)生】思考（稍等片刻，有學(xué)生已經(jīng)在群中回復(fù)留言）

【投影】歸納整理，見(jiàn)圖7。

（4）線下活動(dòng)2：搭建常見(jiàn)有機(jī)分子模型，嘗試書(shū)寫(xiě)其結(jié)構(gòu)式

【教師】非金屬原子在形成分子時(shí)，常見(jiàn)的化學(xué)鍵數(shù)目等于其達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)所需的電子數(shù)目，而且在形成分子時(shí)，通常每一根化學(xué)鍵都要利用到。

【線下活動(dòng)】參考以下步驟，查看乙烷、乙烯、乙炔的球棍模型，并嘗試整理其化學(xué)式、結(jié)構(gòu)式。

①點(diǎn)擊左下角“＼”，僅點(diǎn)擊一下；查看其球棍模型，請(qǐng)嘗試在演草紙上書(shū)寫(xiě)該有機(jī)物的化學(xué)式、結(jié)構(gòu)式；

②點(diǎn)擊左下角“＼＼”，僅點(diǎn)擊一下；查看其球棍模型，請(qǐng)嘗試在演草紙上書(shū)寫(xiě)該有機(jī)物的化學(xué)式、結(jié)構(gòu)式；

③點(diǎn)擊左下角“＼＼＼”，僅點(diǎn)擊一下；查看其球棍模型，請(qǐng)嘗試在演草紙上書(shū)寫(xiě)該有機(jī)物的化學(xué)式、結(jié)構(gòu)式。

【成果交流】學(xué)生將書(shū)寫(xiě)的結(jié)構(gòu)式、化學(xué)式拍照，發(fā)送到班級(jí)群。

【投影】歸納整理，見(jiàn)圖8。

【教師】我們發(fā)現(xiàn)，非金屬元素形成物質(zhì)時(shí)，原子間的化學(xué)鍵不僅可以形成單鍵，也有雙鍵、三鍵的形式。而且，其中每個(gè)原子的化學(xué)鍵都被完全利用。

（5）線下活動(dòng)3：嘗試分析更復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)，N2、CO2、H2O2、HClO。

【線下活動(dòng)】學(xué)以致用：請(qǐng)嘗試推斷N2、CO2、H2O2、HClO的結(jié)構(gòu)式。

【成果交流】學(xué)生將書(shū)寫(xiě)的結(jié)構(gòu)式、化學(xué)式拍照，發(fā)送到班級(jí)群。

【教師】結(jié)合同學(xué)們提交的結(jié)構(gòu)，有幾個(gè)問(wèn)題需要提醒注意：第一，多原子分子中，如何判斷分子中的中心原子？第二，結(jié)構(gòu)式繪制能否表示出分子的空間結(jié)構(gòu)？

【學(xué)生】思考

【視頻連線】化學(xué)鍵數(shù)目多的原子作中心，結(jié)構(gòu)式不太好表示分子的空間結(jié)構(gòu)。

【教師】對(duì)，能夠形成更多化學(xué)鍵的原子一般作為多原子分子的中心，例如HClO，化學(xué)式看上去是Cl作中心，其實(shí)是O連接H、Cl；同時(shí)，一般建議同學(xué)們將結(jié)構(gòu)式寫(xiě)的橫平豎直就行，不用考慮分子的空間結(jié)構(gòu)。

【投影】教師展示4種分子的繪制過(guò)程和球棍模型

【投影】歸納整理，見(jiàn)圖9。

（6）反思與追問(wèn)1

【教師】分子結(jié)構(gòu)模型和真實(shí)的分子，完全相同嗎？

【學(xué)生】思考反饋

【教師】三種結(jié)構(gòu)表示方法，哪一個(gè)表示是正確的呢？哪一個(gè)是真正的分子呢？嗯，它們都是，又都不是。嚴(yán)格地說(shuō)，它們都只是模型而已，對(duì)某些場(chǎng)合適用的圖像，而對(duì)另外一些場(chǎng)合就不恰當(dāng)了。

化學(xué)式HClO無(wú)法告訴我們各個(gè)原子間的連接情況，因此產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)式，那么次氯酸分子的真正結(jié)構(gòu)就是這個(gè)樣子嗎？既是，又不是，在有些層面上看是，而在另一些層面上看則不是?；瘜W(xué)家們希望看到三維圖像，看到原子之間的“真實(shí)”的距離，也就是按照正確比例畫(huà)出的分子。利用X射線衍射的技術(shù)就能得詳圖，于是就有了球棍模型，或許這是20世紀(jì)人們最熟悉的一種分子圖示。對(duì)原子實(shí)際占有的體積更加“逼真”的描繪是比例模型。[1]

（7）反思與追問(wèn)2

【教師】化學(xué)鍵真的存在嗎？

【學(xué)生】思考反饋

【教師】科學(xué)家們借助一些事實(shí)間接證明了原子之間存在著“膠”——化學(xué)鍵。在通常情況下，無(wú)論是冰、水還是水蒸氣，水分子永遠(yuǎn)都是H2O，不可能輕易分解成1個(gè)O和2個(gè)H，怎樣才能實(shí)現(xiàn)這個(gè)變化？需要通電或者加熱，輸入能量的方法才能打破它們之間的連接作用力，就如同粘在一起的巴基球，你想把它分開(kāi)，需要付出力氣一樣。

為什么Mg、C燃燒都需要加熱或點(diǎn)燃的操作，這也是要通過(guò)提供能量的方法破壞其中化學(xué)鍵作用力，將它們拆成一個(gè)一個(gè)原子參加反應(yīng)。

化學(xué)鍵真的廣泛存在于幾乎所有的物質(zhì)之中，無(wú)論單質(zhì)還是化合物，當(dāng)然不能像球棍模型那么真實(shí)可觸。

【投影】科學(xué)家們已經(jīng)拍攝到了！見(jiàn)圖10。

【教師】這就是我們這節(jié)課的主要內(nèi)容，下節(jié)課將在結(jié)構(gòu)式的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)化學(xué)鍵中的“共價(jià)鍵”。請(qǐng)大家完成課下作業(yè)和預(yù)習(xí)。

四、幾點(diǎn)想法

1.改善課堂參與度與互動(dòng)性，提升學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

這幾款軟件永久免費(fèi)，支持多平臺(tái)，具有較低準(zhǔn)入度和較高易用度，不僅適用于常見(jiàn)分子結(jié)構(gòu)、球棍模型的搭建任務(wù)，更擅長(zhǎng)有機(jī)分子結(jié)構(gòu)繪制、命名、結(jié)構(gòu)中原子共面性AR交互操作，涵蓋高中有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)的諸多要點(diǎn)。

在實(shí)際使用過(guò)程中，KingDraw軟件在很大程度上彌補(bǔ)了沒(méi)有球棍模型的缺憾，能夠幫助學(xué)生更直觀地感受化學(xué)鍵和球棍模型，AR交互不錯(cuò)；相比其他直播課程，學(xué)生的參與度和互動(dòng)性有了很大改善，大部分表示軟件很有趣；同時(shí)，還可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的持久度，課下學(xué)生仍與教師溝通分子結(jié)構(gòu)搭建和繪制操作，見(jiàn)圖11。

2.分享交流教學(xué)心得，研討提升教學(xué)水平

筆者在備課過(guò)程中，恰巧遇到幾個(gè)微信群組中有教師探討有機(jī)分子共面的疑難問(wèn)題，通過(guò)分享軟件、模擬和研討講解方法，很快就解決了問(wèn)題。同時(shí)，在開(kāi)封市高中化學(xué)教研群中分享制作的使用視頻，與同行共同探討軟件的使用問(wèn)題，共同提升教學(xué)水平，見(jiàn)圖12。

同時(shí)，本節(jié)教學(xué)模式對(duì)網(wǎng)絡(luò)授課中分子結(jié)構(gòu)、有機(jī)化學(xué)有關(guān)內(nèi)容的教學(xué)具有較高的參考價(jià)值。其中，設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生使用繪制軟件的操作步驟，在完成操作講解的同時(shí)，又完成了分組活動(dòng)任務(wù)，優(yōu)化了課堂教學(xué)節(jié)奏和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔度。

利用班級(jí)群組拍照上傳、在線分享交流任務(wù)成果，加強(qiáng)師生和生生互動(dòng)評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)，提升了參與度與互動(dòng)性，互動(dòng)設(shè)計(jì)依托直播平臺(tái)，操作簡(jiǎn)單，可復(fù)制性強(qiáng)，易于推廣。

參考資料

[1]（美）霍夫曼（Hoffmann，R.），（美）托倫斯（Torrence，V.）著，金麗莉，吳思，花季紅譯.想象中的化學(xué)：對(duì)科學(xué)的反思[M].上海：上?？萍冀逃霭嫔?，2003：9-11