基于控件集成技術(shù)的分子結(jié)構(gòu)可視化教學(xué)

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

1不同類型的分子結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)

1.1通用分子模擬技術(shù)

近年來，不少書籍刊物介紹了各種化學(xué)分子結(jié)構(gòu)模擬方式，對有效表征分子結(jié)構(gòu)、提高課堂教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)興趣等話題做出了有益的探討。總的來說，化學(xué)教學(xué)中常用的分子結(jié)構(gòu)模擬方式主要包括通用技術(shù)和化學(xué)專業(yè)技術(shù)兩大類。通用技術(shù)包括利用二維圖片（Photoshop或其它繪圖軟件制作）、Shockwave交互動(dòng)畫（for Director或者for Flash）、3DS Max視頻動(dòng)畫和各種編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)分子模擬的方式，而化學(xué)專業(yè)技術(shù)則是專門針對利用化學(xué)專業(yè)建模軟件和教學(xué)軟件的分子模擬方式而言的。

通過對多種通用技術(shù)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)[1]：（1）二維靜態(tài)圖片表現(xiàn)信息量有限，難以讓學(xué)生形成有效的空間立體觀念；（2）Flash 3D動(dòng)畫模擬能力較強(qiáng)，但是卻缺乏真實(shí)立體感，不能表達(dá)真正的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息；（3）3DS Max制作質(zhì)量效果較好，卻制作復(fù)雜而且生成文件太大和欠缺科學(xué)性；（4）Shockwave動(dòng)畫和VRML所涉及的編程難度較大，并非是一般化學(xué)教師能接受的。

另外，各種動(dòng)畫文件雖然在分子模擬過程中實(shí)現(xiàn)了多種顯示功能，并且能夠被動(dòng)畫使用者控制動(dòng)畫演播進(jìn)程，但是這都是基于動(dòng)畫制作者的編程設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)的。從根本意義上說，使用者并沒有脫離制作者的預(yù)設(shè)意圖，動(dòng)畫也沒有實(shí)現(xiàn)真正的交互效果。

1.2專業(yè)分子模擬技術(shù)

一般來說，化學(xué)專業(yè)分子模擬可以簡單歸納為以下三種方式[2]： （1）采用分子結(jié)構(gòu)模擬軟件，具體軟件有Accelrys Viewer、Rasmol等；（2）采用分子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)建模技術(shù)，Javamol編程語言是該類最具代表性的技術(shù)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(zhuǎn)換分子模擬結(jié)構(gòu)的外觀形式，以及顯示各種復(fù)雜的分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)特征，從而有助于從多個(gè)側(cè)面觀察和感受分子結(jié)構(gòu)本質(zhì)。

對于初接觸分子結(jié)構(gòu)模擬，或者只是把微觀可視化應(yīng)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(shù)軟件、插（控）件都有自己的功能選項(xiàng)菜單，它們對使用者的技術(shù)要求不高。當(dāng)使用者結(jié)合自身教學(xué)需要顯示不同的分子外觀結(jié)構(gòu)，可以在相關(guān)設(shè)置中進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)定、調(diào)節(jié)。對于插（控）件技術(shù)，如果能夠結(jié)合適當(dāng)?shù)牡哪_本編程，則可以有效地增強(qiáng)分子的渲染效果。

1.3分子結(jié)構(gòu)模擬插(控)件

分子結(jié)構(gòu)模擬插（控）件主要是利用各種集成技術(shù)來實(shí)現(xiàn)分子模擬的。其工作原理可以概括為：當(dāng)瀏覽器讀取網(wǎng)頁中特定的代碼段，或者控件窗體讀取對象數(shù)據(jù)代碼時(shí)，相應(yīng)的插（控）件會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，在顯示窗口內(nèi)調(diào)用和顯示外部化學(xué)繪圖文件，按照預(yù)先設(shè)定的各種標(biāo)記、選項(xiàng)、參數(shù)和命令語句對分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。由此我們可以認(rèn)為，插（控）件是解讀分子結(jié)構(gòu)信息的解釋器；但是它們不是獨(dú)立存在的，而是需要依靠運(yùn)行集成軟件來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解釋，并且顯示最終模擬效果的。

ISIS Draw或ChemSketch等專業(yè)化學(xué)繪圖軟件生成的繪圖文件，具有制作標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，存儲(chǔ)化學(xué)信息量多，可讀性和學(xué)科科學(xué)性強(qiáng)等特點(diǎn)，因而插（控）件模擬得到的是精確的分子模型。

Chime等網(wǎng)絡(luò)插件[3]適合呈現(xiàn)網(wǎng)頁中集成的繪圖文件。Chime[4-5]憑借高效分子結(jié)構(gòu)可視化和交互效果，得到國外化學(xué)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(nèi)，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(xué)教師在自己的教學(xué)課件中配合各種文本解釋，有針對性地呈現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)，豐富學(xué)生對分子微觀本質(zhì)的多重感知。徐成宇[6]對VB6軟件狀態(tài)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(guān)應(yīng)用問題做出補(bǔ)充討論。

2用Viewer Control實(shí)現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)模擬

2.1Viewer Control簡述

加拿大Accelrys（原MSI）公司開發(fā)了顯示化學(xué)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(xué)繪圖文件格式，也允許使用者設(shè)置多樣化的分子結(jié)構(gòu)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(dòng)畫類似，具體操作如下：

1．進(jìn)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(diǎn)擊“其它控件”。在彈出的控件列表中，選擇“Accelrys ViewerControl50”控件，光標(biāo)隨即變成十字狀。

2．用十字光標(biāo)在PPT頁面相關(guān)位置上拖曳劃出一個(gè)區(qū)域，該區(qū)域即是化學(xué)結(jié)構(gòu)圖形的顯示窗口。顯示窗口默認(rèn)底色為黑色，其大小可以通過鼠標(biāo)拉動(dòng)來實(shí)現(xiàn)改變。

3．在顯示窗口中點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，彈出功能菜單。在菜單中選取“屬性”選項(xiàng)，可以得到“屬性”選項(xiàng)卡。在該卡中進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以設(shè)定集成化學(xué)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(xiàng)中，Source選項(xiàng)是必要的，因?yàn)樗鼪Q定了化學(xué)結(jié)構(gòu)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(fā)生改變；如果采用的是相對路徑，則應(yīng)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(diǎn)擊顯示窗口彈出操作菜單，隨時(shí)設(shè)置分子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)模式與鼠標(biāo)控制方法。基本的分子結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)模擬以及按鍵交互。例如通過編程實(shí)現(xiàn)分子模型旋轉(zhuǎn)，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(xì)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(xiàng)（Properties）、編程句法（Methods）有較詳細(xì)介紹。

3 教學(xué)過程中學(xué)習(xí)者“深度浸入”的重要性

各種分子結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)憑借其高效的信息表征能力，已經(jīng)成為分子結(jié)構(gòu)教學(xué)的基本手段。動(dòng)態(tài)性、可操控性的分子模型不僅有助于學(xué)習(xí)者深入了解物質(zhì)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(shù)，應(yīng)能極大地提升化學(xué)課程教學(xué)效果。但是從以往的實(shí)踐來看，許多教育者應(yīng)用分子模擬技術(shù)進(jìn)行教學(xué)時(shí)過于簡單化，這主要體現(xiàn)為教師在呈現(xiàn)分子模型時(shí)通常只讓學(xué)生成為被動(dòng)的觀察者。

學(xué)生在課堂上直接觀察教師演示，無疑會(huì)對分子微觀結(jié)構(gòu)留下一定印象。可以肯定的是，學(xué)生心理上的變化是教師教學(xué)行為刺激的初步反映，但是這種心理體驗(yàn)仍是膚淺的、表面的。如果教師長期讓學(xué)生觀看不同類型的分子模型，這未必就能讓學(xué)生真正加深對微觀粒子的認(rèn)識。這是因?yàn)椋瑢W(xué)生對各種分子模型已經(jīng)喪失了新穎性感覺，而是抱著一種淡漠的觀察態(tài)度。他們沒有耐心認(rèn)真細(xì)看，并且思考每幅圖像是否具有其獨(dú)特之處；圖像觀察的次數(shù)越多，所形成的“圖像疲倦”感覺越是嚴(yán)重。因此，學(xué)生漫不經(jīng)心的觀察并不足以形成對化學(xué)結(jié)構(gòu)本質(zhì)的把握。

解決這問題最適宜的方法，只有教師引導(dǎo)學(xué)生對圖像“深度浸入”。從部分教師的教學(xué)設(shè)計(jì)可知，他們已經(jīng)進(jìn)行初步實(shí)踐探索。盡管圖像具有直觀明顯的特點(diǎn)，但是當(dāng)觀察者缺乏必要的知識儲(chǔ)備，將很難理解圖像中的蘊(yùn)含信息。學(xué)習(xí)者也未必能自發(fā)地、一如既往地對每幅圖像都給以充分的關(guān)注，因而教師的作用，就在于讓學(xué)生從被動(dòng)的觀察者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的建構(gòu)者，并且解讀出具有個(gè)人意義的圖像信息。

所謂的“深度浸入”是指學(xué)習(xí)者聯(lián)結(jié)以往認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)，通過更多地參與對圖像解讀而達(dá)到深入理解圖像的各種特征。教師采取的引導(dǎo)方法可以包括：（1）通過學(xué)生解決與分子模型圖像特征相關(guān)的問題來實(shí)現(xiàn)；（2）通過學(xué)生口頭或者文字陳述對分子模型圖像的理解來實(shí)現(xiàn)；（3）通過學(xué)生嘗試?yán)L制自身理解中的分子模型圖像來實(shí)現(xiàn)；（4）通過學(xué)生操控分子結(jié)構(gòu)模擬軟件中的分子模型來實(shí)現(xiàn)；（5）通過學(xué)生利用化學(xué)專業(yè)模擬軟件繪制分子結(jié)構(gòu)模型來實(shí)現(xiàn)。以上五種策略都是為了超越教師簡單呈現(xiàn)圖像的事實(shí)而提出的，其目的是促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步與分子結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)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(rèn)知經(jīng)驗(yàn)的，這往往帶有明顯的個(gè)性化色彩。對于學(xué)生而言，只要陳述言之有理，不違背科學(xué)性原理，都是值得師生接納、尊重的。根據(jù)新的課程資源觀，學(xué)生解讀內(nèi)容的差異本身就是一份富含價(jià)值的教學(xué)資源，而且許多內(nèi)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(xué)內(nèi)容的認(rèn)識，和教師更好地理解學(xué)生的思維方式以便改善教學(xué)設(shè)計(jì)。

綜上所述，Viewer Control能夠很好地實(shí)現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)模擬；但是作為一種動(dòng)態(tài)圖像呈現(xiàn)，教師應(yīng)該盡量避免信息的簡單化處理，而是引導(dǎo)學(xué)生“深度浸入”，教導(dǎo)學(xué)生各種觀察理解的角度和科學(xué)的思維方式。這也是分子結(jié)構(gòu)模擬插（控）件應(yīng)用教學(xué)的適宜策略。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖信，袁中直. 三維分子結(jié)構(gòu)的制作、顯示和格式轉(zhuǎn)換[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)， 2005， 22(8):691-695.

[2]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.

[3]陳明旦，劉建文，焦毓才等.Web上的三維分子結(jié)構(gòu)模擬[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，42(2):175 -178.

[4] 麥裕華， 肖信. 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的化學(xué)信息顯示利器——Chime插件及其應(yīng)用[J]. 化學(xué)教學(xué)，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(shè)計(jì)中學(xué)化學(xué)CAI課件[J].中小學(xué)教學(xué)研究，2005，(11): 61-62.

[7]夏保云，王訓(xùn)啟，潘忠孝.WebLab Viewer用于顯示分子三維空間結(jié)構(gòu)的教學(xué)嘗試[J].化學(xué)教育，2000，21(5): 16-17.