徐藝展 黃劍芳

(福建省福州第一中學(xué)，福建 福州 350108)

在高中化學(xué)選修模塊《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》教學(xué)中，為了幫助學(xué)生認(rèn)識晶體和分子的空間結(jié)構(gòu)，書本中繪制了部分物質(zhì)的空間示意圖。但僅僅依靠平面上的抽象講解難以讓學(xué)生在短時間內(nèi)構(gòu)建空間思維感觀，也無法培養(yǎng)學(xué)生對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間想象能力。缺乏多媒體輔助技術(shù)的支持，學(xué)生難以擺脫平面思維的慣性，不能將自己置身于晶體結(jié)構(gòu)或分子結(jié)構(gòu)的想象中[1]。因此在教學(xué)實(shí)踐中，筆者注重抽象概念和具體實(shí)例相結(jié)合，盡可能通過直觀的實(shí)體模型和多媒體輔助手段模擬，增進(jìn)學(xué)生對科學(xué)概念的實(shí)質(zhì)性理解，幫助學(xué)生突破平面思維障礙，形成較為深刻的空間記憶。

多媒體輔助展示對于進(jìn)一步鞏固學(xué)生的空間想象能力非常重要。為了獲得更好的三維展示效果，黃劍芳[2]采用3ds Max軟件進(jìn)行建模，借助三維虛擬技術(shù)(VRML)進(jìn)行控制。毋庸置疑，3ds Max在立體模型的構(gòu)建和展示效果上表現(xiàn)最全面也最優(yōu)秀。但對于高中化學(xué)教學(xué)而言，龐大的3ds Max顯得功能過剩，且學(xué)習(xí)使用難度大。因此，選擇一款既能通過三維效果展示晶體或分子的空間結(jié)構(gòu)，又能讓教師輕松入門的軟件尤為重要。微軟公司的PowerPoint更加符合這兩點(diǎn)要求。一方面，教師經(jīng)常使用PowerPoint制作課件進(jìn)行授課，對其基本功能和界面操作較為熟悉，比較容易上手；另一方面，PowerPoint 2010及之后的版本提供了一個可以設(shè)置三維效果的工具選項(xiàng)卡，借助該選項(xiàng)卡將平面圖形立體化，制作出具有三維效果的立體模型，能有效幫助學(xué)生獲得更直觀的三維體驗(yàn)，突破平面思維障礙，提升空間想象能力。

本文以PowerPoint 2016為例，介紹如何利用PowerPoint三維效果制作常見的物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。

1 球體的制作與金屬晶體模型的創(chuàng)建

1.1 球體的制作

打開PowerPoint 2016，在“文件”選項(xiàng)卡的繪圖組中選擇“橢圓”，按住Shift鍵在工作區(qū)域畫出一個圓形，此時的圓形是一個平面圖形。選中該圓，點(diǎn)擊右鍵在彈出菜單欄中選中“大小和位置”。隨后在右側(cè)的“大小與屬性”選項(xiàng)欄中，根據(jù)需要設(shè)置該圖形的高度和寬度，例如高度和寬度均設(shè)置為3厘米，即表示該圓的直徑為3厘米；然后點(diǎn)擊右側(cè)“效果”選項(xiàng)，在下方的菜單中點(diǎn)擊“三維格式”，分別設(shè)置“頂部棱臺”和“底部棱臺”效果為“圓形”，寬度和高度均為1.5厘米，即圓形的半徑(1厘米≈28.4磅，系統(tǒng)會自動切換成42.5磅。為與軟件格式統(tǒng)一，凡三維格式均以磅為單位)。此時可以看到工作區(qū)域的圓形已經(jīng)變成一個球體。圖1是圓形和設(shè)置后形成球體的對照圖，可以看出創(chuàng)建的球體三維效果非常顯著。

圖1 圓形和球體的對比

球體制作后，可以利用復(fù)制、粘貼得到更多等徑球，再利用對齊對象的設(shè)置，讓這些球體排成密置列(圖2a)。多條密置列可以拼接成密置層(圖2b)或非密置層(圖2c)。

(a)密置列

1.2 三維旋轉(zhuǎn)

為了更好地展示晶體的空間結(jié)構(gòu)，還需要用到“三維旋轉(zhuǎn)”工具。“三維旋轉(zhuǎn)”工具用于控制三維對象在空間的朝向角度，設(shè)置參數(shù)包含“X軸旋轉(zhuǎn)”“Y軸旋轉(zhuǎn)”“Z軸旋轉(zhuǎn)”和“距底邊高度”等。這里以密置層為例，介紹“三維旋轉(zhuǎn)”的設(shè)置。選中密置層，點(diǎn)擊右鍵進(jìn)行“組合”，然后在右側(cè)的“效果”選項(xiàng)中點(diǎn)擊“三維旋轉(zhuǎn)”，分別設(shè)置“X軸旋轉(zhuǎn)”為0°、“Y軸旋轉(zhuǎn)”為60°、“Z軸旋轉(zhuǎn)”為180°、“距底邊高度”為42.5磅，可以看到密置層發(fā)生了翻轉(zhuǎn)(圖3)。通過調(diào)整X軸、Y軸、Z軸的角度，可以得到不同翻轉(zhuǎn)的密置層。將多個密置層或非密置層進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)，可以制作出常見的金屬晶體堆積方式(圖4)，如簡單立方堆積、體心立方堆積、面心立方堆積和六方堆積等。

圖3 設(shè)置后發(fā)生翻轉(zhuǎn)的密置層

圖4 利用PowerPoint三維效果和三維旋轉(zhuǎn)制作的常見金屬晶體結(jié)構(gòu)

2 分子模型的繪制

常見的分子模型有比例模型和球棍模型。

2.1 比例模型的繪制

比例模型可視為由大小不同的球體構(gòu)成。球體的制作前面已經(jīng)講述了，需要注意的是，不能直接對球體進(jìn)行拉伸或縮小。拉伸或縮小只能改變平面圖形的大小，三維模型的大小須在三維效果中調(diào)整。以甲醛分子的比例模型為例，甲醛分子由1個碳原子、2個氫原子和1個氧原子構(gòu)成，需要繪制3個不同大小的球體，按照一定的空間位置進(jìn)行排布，組合后即可以得到圖5a所示的甲醛分子的立體模型。但是，該模型僅是4個球體的平面堆積，無法體現(xiàn)原子間成鍵融合的狀態(tài)。此時，可在“三維旋轉(zhuǎn)”中設(shè)置“Z軸旋轉(zhuǎn)”為1°，可得到圖5b所示模型，即為我們所熟悉的比例模型。

(a) (b)

2.2 球棍模型的繪制

球棍模型是由球體和棍體構(gòu)成。現(xiàn)以苯分子為例介紹球棍模型的繪制。苯分子由6個碳原子和6個氫原子構(gòu)成，用較大的球體表示碳原子，較小的球體表示氫原子，棍體表示相互之間的共價鍵。

棍體可通過設(shè)置圓角矩形的三維效果來實(shí)現(xiàn)。在繪圖組中選擇“圓角矩形”，在工作區(qū)域畫出一個矩形，然后在“大小與屬性”選項(xiàng)欄中，根據(jù)需要設(shè)置圖形的高度和寬度，例如高度為1厘米，寬度為6厘米；在“三維格式”中，分別設(shè)置“頂部棱臺”和“底部棱臺”效果為“圓形”，高度和寬度均為14.2磅，在“三維旋轉(zhuǎn)”中設(shè)置“距底邊高度”為14.2磅。為了使棍體的兩端更加圓潤，選中棍體，用鼠標(biāo)按住左上角的圓點(diǎn)，如圖6a所示，拉向右側(cè)，進(jìn)行圓角設(shè)置，就可以得到圖6b的圓潤棍體。

圖6 棍體的圓角設(shè)置

苯分子的化學(xué)鍵較為特殊，碳原子與氫原子之間形成σ鍵，而在碳原子與碳原子之間除了形成一個σ鍵以外，6個碳原子還共同形成了大π鍵。大π鍵可以用立體圓環(huán)表示。在繪圖組中選擇“圓·空心”，在工作區(qū)域畫出一個圓環(huán)，然后在“大小與屬性”選項(xiàng)欄中，高度和寬帶均設(shè)置為5厘米；在“三維格式”中，分別設(shè)置“頂部棱臺”和“底部棱臺”效果為“圓形”，高度和寬度均為14.2磅，在“三維旋轉(zhuǎn)”中設(shè)置“距底邊高度”為14.2磅，手動調(diào)節(jié)環(huán)寬為1厘米。

(a) (b)

按苯分子的空間結(jié)構(gòu)，將球體、棍體和立體圓環(huán)進(jìn)行排列，組合后，即可獲得圖8a所示苯的球棍模型。在“三維旋轉(zhuǎn)”中設(shè)置“Y軸旋轉(zhuǎn)”為90°，即可得到圖8b所示模型，直觀展示了苯的平面結(jié)構(gòu)。

(a) (b)

3 紡錘體的制作與原子軌道模型的創(chuàng)建

在教授原子軌道的內(nèi)容時，立體模型的展示對學(xué)生理解原子軌道概念大有裨益。對于球形的s軌道，我們同樣可以用前面的球體來表示，但是紡錘形的p軌道或更加復(fù)雜的d軌道往往無法提供立體的構(gòu)造形式，需要進(jìn)一步增加更多設(shè)置。下面介紹p軌道制作和原子軌道模型創(chuàng)建的具體步驟。

打開PowerPoint 2016，和前面一樣，繪制一個直徑為3厘米的圓形，在“效果”選項(xiàng)“三維格式”中，設(shè)置“頂部棱臺”效果為“圓形”，寬度和高度均為42.5磅，“底部棱臺”效果為“圓形”，寬度為127.5磅，即直徑的1.5倍；高度為170磅，即直徑的2倍。此時在工作區(qū)域看到的仍為球體，但看不出紡錘的形狀，需要通過設(shè)置“三維旋轉(zhuǎn)”進(jìn)行展示。設(shè)置X旋轉(zhuǎn)為0°，Y旋轉(zhuǎn)為75°，Z旋轉(zhuǎn)為180°，距底邊高度為42.5磅，即可獲得半個紡錘體。

為了獲得更好的展示效果，選中該圖形，單擊右鍵，在彈出菜單欄中點(diǎn)擊“邊框”，選擇“無輪廓”，也可以在右側(cè)“形狀選項(xiàng)”中選擇“無線條”。復(fù)制粘貼后得到一個完全一致的圖形。旋轉(zhuǎn)該半紡錘體，調(diào)整位置，與原半紡錘體組合，即獲得一個具有三維效果的紡錘體——p軌道(圖9a)。繼續(xù)復(fù)制粘貼兩次創(chuàng)建的p軌道圖形，通過調(diào)節(jié)圖形的角度、相對位置和層次關(guān)系，可以獲得px、py、pz簡并軌道(圖9b)。圖10是利用制成的三維p軌道展示氮?dú)?N2)的成鍵情況。

(a)p軌道 (b)px、py、pz簡并軌道

圖10 用三維效果表示N2的成鍵情況

若制作一大一小的半紡錘體，則可組合成sp3雜化軌道(圖11a)。如果設(shè)計(jì)者發(fā)揮想象力，還可以進(jìn)一步設(shè)置更多有趣的形狀，例如可以借助設(shè)置圓環(huán)的三維結(jié)構(gòu)，將其與p軌道結(jié)合制作成dz2原子軌道等(圖11b)。

(a)sp3雜化軌道 (b)dz2軌道

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了如何利用PowerPoint自帶的三維效果工具制作物質(zhì)結(jié)構(gòu)立體模型，將學(xué)生很難想象的微觀結(jié)構(gòu)用直觀、立體的三維空間模型進(jìn)行展示，幫助學(xué)生突破平面思維障礙，達(dá)到更好的教學(xué)效果和學(xué)習(xí)目的。廣大高中化學(xué)教師只要充分挖掘教學(xué)素材，也能借助PowerPoint的三維效果，實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)結(jié)構(gòu)立體模型的開發(fā)，制作出具有優(yōu)秀三維展示效果的教學(xué)課件，滿足高中化學(xué)課堂的授課要求，幫助學(xué)生深化對晶體結(jié)構(gòu)和原子、分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。