楊濤

摘? 要 高中化學(xué)作為一門重要課程，在高考中具有重要地位。高中化學(xué)中很多教學(xué)重點具有比較抽象、難理解的特點，這一問題困擾著很多高中化學(xué)教師。借助化學(xué)軟件輔助教學(xué)，可以大大提高課堂教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的動手能力、思維能力等，同時使教師的信息化教學(xué)水平得到很大提高。

關(guān)鍵詞 化學(xué)軟件;高中化學(xué);核心素養(yǎng);ChemDraw;Chem3D;Materials Studio;Gaussian;GaussView;化學(xué)仿真實驗軟件

中圖分類號：G434? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）17-0126-03

0? 前言

高中化學(xué)新課程標(biāo)準對學(xué)生學(xué)習(xí)的精神價值層面、理性認識層面和實踐認識層面均提出不同的要求，重視高中學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。高中化學(xué)核心素養(yǎng)是高中學(xué)生綜合素質(zhì)的體現(xiàn)，學(xué)生通過對微觀知識的探析，了解物質(zhì)的宏觀變化;通過構(gòu)建化學(xué)分子模型，認知化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)涵;通過科學(xué)實驗探究，創(chuàng)新科學(xué)意識;通過培養(yǎng)綠色環(huán)保意識，明確自己的社會責(zé)任。傳統(tǒng)的化學(xué)教學(xué)方式顯然難以滿足新課標(biāo)要求。在傳統(tǒng)的高中化學(xué)教學(xué)中，教師注重理論知識的傳授，忽視了學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng);教師在教學(xué)中將60%的課堂時間用于講解，讓學(xué)生用40%的課堂時間進行相關(guān)習(xí)題的練習(xí)和鞏固;在傳統(tǒng)的化學(xué)實驗中，對于一些危險系數(shù)比較高的實驗，或者實驗中涉及毒性比較大的實驗藥品時，教師會采用講實驗、學(xué)生記住實驗步驟和實驗原理的方式。

伴隨著信息化教學(xué)的普及，可以借助常用的化學(xué)軟件輔助高中化學(xué)教學(xué)[1]，教師組織學(xué)生主動地思考、操作和實踐，優(yōu)化課堂時間分配，少講多練，使學(xué)生的實際操作能力、創(chuàng)新能力以及合作能力等都有了很大的提高。同時，教師的信息化教學(xué)水平也會有很大提高。本文主要分析了幾款常用化學(xué)軟件在高中化學(xué)教學(xué)中的具體應(yīng)用，希望可以為同行提供教學(xué)參考。

1? ChemDraw和Chem3D軟件在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

1.1? ChemDraw和Chem3D軟件功能介紹

ChemDraw作為一種常用的化學(xué)結(jié)構(gòu)繪制工具，具有容易安裝、操作簡單、輸出快捷等特點。教師講解分子的結(jié)構(gòu)簡式，學(xué)生了解了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)簡式之后，需要畫出分子的結(jié)構(gòu)圖，同時可以想象出來分子的三維立體結(jié)構(gòu)圖。對于一些比較簡單的分子，如二氧化碳、氮氣、氧氣等這樣的小分子，學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較容易;而對于有機化學(xué)部分中的有機大分子，如氨基酸、多肽等，學(xué)生就很難直接畫出結(jié)構(gòu)圖和三維立體結(jié)構(gòu)圖，這時候師生可以利用ChemDraw繪制。

Chem3D是一個三維立體軟件，學(xué)生在使用過程中可以把ChemDraw中畫的圖形轉(zhuǎn)化到Chem3D中，直觀形象地展示分子的三維立體結(jié)構(gòu)[2]。

1.2? ChemDraw和Chem3D在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用案例

在高中化學(xué)有機部分中有關(guān)糖類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)一直是教學(xué)中的重點與難點。糖類這一章節(jié)中講到葡萄糖的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，葡萄糖又叫己醛糖，是一種白色的晶體，結(jié)構(gòu)式C6H12O6，很容易溶于水。葡萄糖在人們運動時提供必要的能量，也是身體必需的一種物質(zhì)。在高中化學(xué)教材中的化學(xué)性質(zhì)部分講到葡萄糖、果糖、蔗糖以及麥芽糖等因為都含有醛基，都可以發(fā)生銀鏡反應(yīng)。同時，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了葡萄糖分子的結(jié)構(gòu)簡式CH2OHCHOHCHOHCHOHCHOHCHO，可以在ChemDraw畫板中畫出葡萄糖分子的結(jié)構(gòu)簡式，然后復(fù)制到Chem3D中，實現(xiàn)平面結(jié)構(gòu)向三維立體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，具體如圖1、圖2所示。

2? Materials Studio軟件在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1? Materials Studio軟件功能介紹

Materials Studio簡稱MS，這款軟件主要應(yīng)用于高分子材料方面的相關(guān)計算。Materials Studio的主要服務(wù)對象是大學(xué)化學(xué)中的基礎(chǔ)研究，具有比較高的可視化操作界面，而且操作比較簡單，學(xué)生很容易學(xué)。Materials Studio軟件可以安裝在個人計算機或者教師多媒體黑板中，操作命令也比較簡單。鑒于Materials Studio軟件功能的諸多優(yōu)點，在高中化學(xué)教學(xué)中可以方便、靈活地運用[3-4]。

2.2? Materials Studio軟件在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用案例

晶體結(jié)構(gòu)分析作為高考中的一個考點，主要考查離子晶體、原子晶體、分子晶體和金屬晶體的構(gòu)成微粒、構(gòu)成微粒之間的作用力、晶體中含有什么樣的化學(xué)鍵、四種晶體結(jié)構(gòu)在熔化時需要克服哪些力以及它們的導(dǎo)電性和熔沸點比較等，這些問題在每年的高考試題中都會有所涉及。在傳統(tǒng)化學(xué)教學(xué)中，教師一般從三個方面引導(dǎo)學(xué)生進行晶體類型的分辨：組成、性質(zhì)和相互作用力。但是這三個方面都是物質(zhì)的微觀量，學(xué)生對于晶體中晶胞概念始終比較模糊，很難想象面心結(jié)構(gòu)（NaCl）、4個體心填充結(jié)構(gòu)（ZnO）、

2個體心填充結(jié)構(gòu)（MgCl2）等。教師在教學(xué)中借助Materials

Studio軟件進行晶體結(jié)構(gòu)的立體演示，學(xué)生頓時豁然開朗，如圖3所示。

3? Gaussian軟件在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1? Gaussian軟件功能介紹

Gaussian是量子化學(xué)中應(yīng)用比較廣泛的軟件，與其配套使用的是可視化程度比較高的GaussView軟件。Gaussian軟件的功能特別強大，如分子結(jié)構(gòu)和能量的計算、化學(xué)反應(yīng)路徑的推測、分子的前線軌道計算等，初學(xué)者學(xué)習(xí)起來比較困難。但是Gaussian軟件具有容易安裝，對于小分子計算比較快等優(yōu)點，所以在高中化學(xué)教學(xué)中也可以應(yīng)用，可以和GaussView軟件一起應(yīng)用[5]。

3.2? Gaussian和GaussView軟件在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用案例

高中化學(xué)有機物中介紹了兩種比較重要的物質(zhì)——苯和苯酚。苯的物理性質(zhì)：無色，有特殊的氣味，有毒，易溶于有機溶劑，但不溶于水。結(jié)構(gòu)式：C6H6。苯發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)一般是苯環(huán)氫原子的取代反應(yīng)、苯環(huán)上碳碳雙鍵的加成反應(yīng)以及碳碳鍵斷裂。學(xué)生始終不理解為什么苯的一元取代物只有一種，同時鄰二甲苯?jīng)]有同分異構(gòu)體？學(xué)習(xí)苯酚時，學(xué)生會提出苯酚發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，為什么有時候是羥基中的H，有時候是苯環(huán)中的H？教師可以借助Gaussian和GaussView軟件首先對苯和苯酚分子結(jié)構(gòu)進行計算，同時進行立體結(jié)構(gòu)的展示，幫助學(xué)生解決知識點的疑問。計算出苯結(jié)構(gòu)中所有碳碳鍵長都相等，均屬于C=C結(jié)構(gòu)，所以苯的一元取代物在苯環(huán)中的六個碳原子上都是一樣的。對于為什么鄰二甲苯?jīng)]有同分異構(gòu)體的問題，學(xué)生通過觀看立體結(jié)構(gòu)圖可以看到碳原子電荷密度一樣，所以左邊還是右邊取代都是一樣的結(jié)構(gòu)。

通過計算苯酚的分子結(jié)構(gòu)電荷密度，如圖4所示，苯酚中羥基上H原子電荷密度是0.388，苯環(huán)中與羥基相連的C為一位C，鄰位C相連的H電荷密度是0.255，間位C相連的H電荷密度是0.244，對位C相連的H電荷密度是0.239。通過對H原子電荷密度的計算，可以很容易地解釋苯酚與金屬鈉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，因為羥基中H顯示酸性，所以很容易生成苯酚鈉，同時生成氫氣;苯酚和溴水發(fā)生取代反應(yīng)時生成2，4，6-三溴苯酚。

4? 化學(xué)仿真實驗軟件在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

4.1? 化學(xué)仿真實驗軟件功能介紹

目前化學(xué)仿真實驗軟件有很多版本，但是大體功能都差不多，教師在教學(xué)中可以結(jié)合實際情況進行應(yīng)用。筆者在應(yīng)用中下載了好幾款不同的化學(xué)仿真實驗軟件，基本都包括儀器器件庫、藥品庫、實驗藥品的配置、實驗數(shù)據(jù)的記錄等功能。學(xué)生也可以在自己的電腦上安裝進行實驗操作，教師可以在智慧黑板上進行動態(tài)的實驗演示，學(xué)生的動手能力、思維能力等都會有很大提高。在化學(xué)仿真實驗過程中，教師也要引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成良好的綠色環(huán)保意識，嚴格按照實驗需要的試劑量進行藥品的配置，同時注意對實驗過程中產(chǎn)生的有毒氣體或者液體等進行回收利用。

4.2? 化學(xué)仿真實驗軟件在高中化學(xué)實驗教學(xué)中的具體應(yīng)用

高中化學(xué)教學(xué)離不開實驗，化學(xué)實驗作為這門課程的重要組成部分，可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、綠色環(huán)保意識等。但是高中化學(xué)中很多實驗不適合學(xué)生進行實際的操作，例如：涉及硝基苯、苯酚、汞水等有毒類物質(zhì)的化學(xué)實驗;涉及強硫酸、濃溴水、氟化氫等有腐蝕性物質(zhì)的化學(xué)實驗;涉及高錳酸鉀、過氧化氫、重鉻酸鉀等強氧化性物質(zhì)的化學(xué)實驗。這些實驗比較適合采用化學(xué)仿真實驗軟件進行。苯酚和溴水的化學(xué)反應(yīng)中，因為溴水有腐蝕性，苯酚有毒，所以完全可以采用仿真實驗，學(xué)生也可以觀察到把溴水滴入苯酚中，振蕩試管，生成了白色沉淀，有了新物質(zhì)生成，經(jīng)過驗證，生成了2，4，6-三溴苯酚。這樣便于學(xué)生對知識點的記憶，也節(jié)約了實驗成本，符合綠色環(huán)保的教學(xué)理念。

5? 結(jié)語

教師在具體的應(yīng)用過程中可以結(jié)合學(xué)生的學(xué)情、知識內(nèi)容的特點等進行軟件的選擇。雖然這些軟件的功能比較強大，應(yīng)用起來可以為課堂教學(xué)添彩，但是只能輔助教學(xué)，而不能完全取代傳統(tǒng)的課堂教學(xué)。在信息化教學(xué)不斷普及的教學(xué)背景下，希望越來越多的化學(xué)軟件可以在高中化學(xué)教學(xué)中得到應(yīng)用。

參考文獻

[1]李凱娜.傳統(tǒng)教學(xué)與計算機輔助教學(xué)效果比較研究：以小學(xué)一年級國際象棋課為例[D].北京：首都體育學(xué)院，2018.

[2]劉莉.Chem Draw在有機化學(xué)課件制作中的應(yīng)用[J].科教文匯，2010（21）：43，45.

[3]曹晶偉，沈甸.化學(xué)軟件Crocodile Chemistry在“化學(xué)反應(yīng)速率”實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué)，2012（11）：20-22，26.

[4]吳健.Materials Studio在結(jié)構(gòu)化學(xué)教學(xué)中的一些應(yīng)用[J].高校實驗室工作研究，2007（3）：47-48.

[5]劉芬芬.三種工具軟件在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用探究[D].西安：陜西師范大學(xué)，2013.