基于控件集成技術的分子結構可視化教學

文章編號：1005－6629(2007)03－0045－03 中圖分類號：G633.67 文獻標識碼：B

1不同類型的分子結構模擬技術

1.1通用分子模擬技術

近年來，不少書籍刊物介紹了各種化學分子結構模擬方式，對有效表征分子結構、提高課堂教學質量和學生學習興趣等話題做出了有益的探討。總的來說，化學教學中常用的分子結構模擬方式主要包括通用技術和化學專業技術兩大類。通用技術包括利用二維圖片（Photoshop或其它繪圖軟件制作）、Shockwave交互動畫（for Director或者for Flash）、3DS Max視頻動畫和各種編程技術實現分子模擬的方式，而化學專業技術則是專門針對利用化學專業建模軟件和教學軟件的分子模擬方式而言的。

通過對多種通用技術進行比較，可以發現[1]：（1）二維靜態圖片表現信息量有限，難以讓學生形成有效的空間立體觀念；（2）Flash 3D動畫模擬能力較強，但是卻缺乏真實立體感，不能表達真正的化學結構信息；（3）3DS Max制作質量效果較好，卻制作復雜而且生成文件太大和欠缺科學性；（4）Shockwave動畫和VRML所涉及的編程難度較大，并非是一般化學教師能接受的。

另外，各種動畫文件雖然在分子模擬過程中實現了多種顯示功能，并且能夠被動畫使用者控制動畫演播進程，但是這都是基于動畫制作者的編程設計而實現的。從根本意義上說，使用者并沒有脫離制作者的預設意圖，動畫也沒有實現真正的交互效果。

1.2專業分子模擬技術

一般來說，化學專業分子模擬可以簡單歸納為以下三種方式[2]： （1）采用分子結構模擬軟件，具體軟件有Accelrys Viewer、Rasmol等；（2）采用分子結構模擬插（控）件，具體插件有Chime和Chem3D等，控件有Accelrys Viewer ActiveX Control；（3）采用分子結構建模技術，Javamol編程語言是該類最具代表性的技術之一。在這三種方式中，使用者都可以一定程度地自主控制、轉換分子模擬結構的外觀形式，以及顯示各種復雜的分子內部結構細節特征，從而有助于從多個側面觀察和感受分子結構本質。

對于初接觸分子結構模擬，或者只是把微觀可視化應用于教育方面的人士而言，前兩種模擬方法較為適合他們的需求。大多數軟件、插（控）件都有自己的功能選項菜單，它們對使用者的技術要求不高。當使用者結合自身教學需要顯示不同的分子外觀結構，可以在相關設置中進行適當的設定、調節。對于插（控）件技術，如果能夠結合適當的的腳本編程，則可以有效地增強分子的渲染效果。

1.3分子結構模擬插(控)件

分子結構模擬插（控）件主要是利用各種集成技術來實現分子模擬的。其工作原理可以概括為：當瀏覽器讀取網頁中特定的代碼段，或者控件窗體讀取對象數據代碼時，相應的插（控）件會自動啟動，在顯示窗口內調用和顯示外部化學繪圖文件，按照預先設定的各種標記、選項、參數和命令語句對分子結構進行模擬。由此我們可以認為，插（控）件是解讀分子結構信息的解釋器；但是它們不是獨立存在的，而是需要依靠運行集成軟件來實現數據解釋，并且顯示最終模擬效果的。

ISIS Draw或ChemSketch等專業化學繪圖軟件生成的繪圖文件，具有制作標準規范，存儲化學信息量多，可讀性和學科科學性強等特點，因而插（控）件模擬得到的是精確的分子模型。

Chime等網絡插件[3]適合呈現網頁中集成的繪圖文件。Chime[4-5]憑借高效分子結構可視化和交互效果，得到國外化學教育界的極大重視。控件Accelrys Viewer ActiveX Control（以下簡稱Viewer Control）則適合集成在支持組件對象成分的任何軟件內，例如集成在教師最常使用的課件制作軟PowerPoint（以下簡稱PPT）中，這意味著Viewer Control將有助于廣大化學教師在自己的教學課件中配合各種文本解釋，有針對性地呈現分子結構，豐富學生對分子微觀本質的多重感知。徐成宇[6]對VB6軟件狀態下的Viewer Control集成方法做出介紹，本文將針對該插件的基本情況、在PPT中集成及相關應用問題做出補充討論。

2用Viewer Control實現分子結構模擬

2.1Viewer Control簡述

加拿大Accelrys（原MSI）公司開發了顯示化學分子信息的Weblab Viewer軟件[7]，該軟件支持OLE和ActiveX Control，其控件拓展程序即是Viewer Control。控件安裝包下載地址為：http://www.accelrys.com/ downloads/ViewerActiveX50.exe。與其他分子模擬插件一樣，Viewer Control支持多種化學繪圖文件格式，也允許使用者設置多樣化的分子結構圖像效果。

2.2在PPT中集成Viewer Control

在PPT中集成Viewer Control，其方法與集成Flash動畫類似，具體操作如下：

1．進入需要集成分子模型的PPT文件頁面，顯示控件工具箱，并且點擊“其它控件”。在彈出的控件列表中，選擇“Accelrys ViewerControl50”控件，光標隨即變成十字狀。

2．用十字光標在PPT頁面相關位置上拖曳劃出一個區域，該區域即是化學結構圖形的顯示窗口。顯示窗口默認底色為黑色，其大小可以通過鼠標拉動來實現改變。

3．在顯示窗口中點擊鼠標右鍵，彈出功能菜單。在菜單中選取“屬性”選項，可以得到“屬性”選項卡。在該卡中進行調節，可以設定集成化學繪圖文件的各種顯示特征。常用的功能屬性如表1所示。

4． 在屬性選項中，Source選項是必要的，因為它決定了化學結構文件的來源。源文件地址可采用絕對或相對路徑，如果采用了絕對路徑，其邏輯位置不能發生改變；如果采用的是相對路徑，則應保證PPT與繪圖文件的相對位置是有效的。

在播放PPT頁面期間（圖1），使用者可以通過右鍵點擊顯示窗口彈出操作菜單，隨時設置分子結構呈現模式與鼠標控制方法。基本的分子結構模擬功能，在操作菜單中都可以找得到，如圖2示。

Viewer Control允許通過編程方式，實現更加復雜的分子結構模擬以及按鍵交互。例如通過編程實現分子模型旋轉，可以采用這兩種方法：（1）直接在分子模型的代碼編輯器中輸入“ViewerControl401.Spin = 1”；（2）添加命令按鈕后在其代碼中輸入“ViewerControl401.Spin = True”。

如果讀者想對控件的各種模擬功能有更深刻的了解，可以仔細閱讀控件安裝文件夾下的ViewerActive X.chm文件，該幫助文件對控件的各種功能選項（Properties）、編程句法（Methods）有較詳細介紹。

3 教學過程中學習者“深度浸入”的重要性

各種分子結構模擬技術憑借其高效的信息表征能力，已經成為分子結構教學的基本手段。動態性、可操控性的分子模型不僅有助于學習者深入了解物質微觀表征，也有助于形成各種空間-視覺表征能力。合理利用分子模擬技術，應能極大地提升化學課程教學效果。但是從以往的實踐來看，許多教育者應用分子模擬技術進行教學時過于簡單化，這主要體現為教師在呈現分子模型時通常只讓學生成為被動的觀察者。

學生在課堂上直接觀察教師演示，無疑會對分子微觀結構留下一定印象。可以肯定的是，學生心理上的變化是教師教學行為刺激的初步反映，但是這種心理體驗仍是膚淺的、表面的。如果教師長期讓學生觀看不同類型的分子模型，這未必就能讓學生真正加深對微觀粒子的認識。這是因為，學生對各種分子模型已經喪失了新穎性感覺，而是抱著一種淡漠的觀察態度。他們沒有耐心認真細看，并且思考每幅圖像是否具有其獨特之處；圖像觀察的次數越多，所形成的“圖像疲倦”感覺越是嚴重。因此，學生漫不經心的觀察并不足以形成對化學結構本質的把握。

解決這問題最適宜的方法，只有教師引導學生對圖像“深度浸入”。從部分教師的教學設計可知，他們已經進行初步實踐探索。盡管圖像具有直觀明顯的特點，但是當觀察者缺乏必要的知識儲備，將很難理解圖像中的蘊含信息。學習者也未必能自發地、一如既往地對每幅圖像都給以充分的關注，因而教師的作用，就在于讓學生從被動的觀察者轉變為主動的建構者，并且解讀出具有個人意義的圖像信息。

所謂的“深度浸入”是指學習者聯結以往認知經驗，通過更多地參與對圖像解讀而達到深入理解圖像的各種特征。教師采取的引導方法可以包括：（1）通過學生解決與分子模型圖像特征相關的問題來實現；（2）通過學生口頭或者文字陳述對分子模型圖像的理解來實現；（3）通過學生嘗試繪制自身理解中的分子模型圖像來實現；（4）通過學生操控分子結構模擬軟件中的分子模型來實現；（5）通過學生利用化學專業模擬軟件繪制分子結構模型來實現。以上五種策略都是為了超越教師簡單呈現圖像的事實而提出的，其目的是促進學生進一步與分子結構圖像進行對話。

在對話期間，師生間的圖像解讀是基于解讀者的先擁知識和認知經驗的，這往往帶有明顯的個性化色彩。對于學生而言，只要陳述言之有理，不違背科學性原理，都是值得師生接納、尊重的。根據新的課程資源觀，學生解讀內容的差異本身就是一份富含價值的教學資源，而且許多內容也許是教師未曾意識到的。這將有助于師生共同提高對教學內容的認識，和教師更好地理解學生的思維方式以便改善教學設計。

綜上所述，Viewer Control能夠很好地實現分子結構模擬；但是作為一種動態圖像呈現，教師應該盡量避免信息的簡單化處理，而是引導學生“深度浸入”，教導學生各種觀察理解的角度和科學的思維方式。這也是分子結構模擬插（控）件應用教學的適宜策略。

參考文獻：

[1]肖信，袁中直. 三維分子結構的制作、顯示和格式轉換[J].計算機與應用化學， 2005， 22(8):691-695.

[2]袁中直，肖信. 化學多媒體素材制作和應用[M].北京:化學工業出版社，2004.

[3]陳明旦，劉建文，焦毓才等.Web上的三維分子結構模擬[J].廈門大學學報(自然科學版)，2003，42(2):175 -178.

[4] 麥裕華， 肖信. 網絡環境下的化學信息顯示利器——Chime插件及其應用[J]. 化學教學，2006，(9):45-47.

[5]Liz Dorland. News from Online: What's New with Chime? [J]. Journal of Chemical Education， 2002， 79: 778， 780， 782.

[6]徐成宇.用VB整合Accelrys分子模擬軟件和控件設計中學化學CAI課件[J].中小學教學研究，2005，(11): 61-62.

[7]夏保云，王訓啟，潘忠孝.WebLab Viewer用于顯示分子三維空間結構的教學嘗試[J].化學教育，2000，21(5): 16-17.