淺談信息技術與有機分子結構建模教學的整合

馮美紅

（惠東中學廣東惠東516300）

淺談信息技術與有機分子結構建模教學的整合

馮美紅

（惠東中學廣東惠東516300）

信息技術與學科課程的整合是我國面向未來基礎教育教學改革的新視點，是在傳統教學模式基礎上的新探索，信息技術與課堂的有效整合可以有效幫助學生更好地掌握和體會學習中的難點。所謂“整合”主要指的是結合、融合、集成、成為一體、一體化等等，而不是簡單的結合或使用。本文以化學軟件向學生展示物質結構模型為例，探討信息技術與化學學科教學的整合在降低學生的認知難度、提高化學課堂的效率、效果等方面的重要作用。

信息技術；建模；分子模型；立體結構

一、問題的提出

建構主義是西方流行的一種社會學理論，我國的課程改革中借用了這個理論。建構主義借“魚?，F象”闡述其核心思想——無法到陸地上的魚邊聽青蛙的描述邊按照自己的經驗和理解想象著牛的樣子——魚一樣的身子、魚一樣的尾巴、魚一樣的頭上卻長了兩只角、肚子的下面長了四條腿……對于魚來說這種結果是合理的，它根據從青蛙那里得到關于牛的部分信息，并將該信息與頭腦中已有的知識相結合，構建出了魚牛的形象，但對于青蛙來說，魚理解的牛根本不是它所要表述的牛，或者說魚認識的不是真正意義上的牛。按照這樣的理念，在教學活動中，學生就是魚，而教師就是青蛙，牛就是所要認識的客觀對象，教師的任務是向學生推薦和介紹各種信息，把學生引進門，幫助學生正確地建構知識。但如果學生在原有的知識基礎上無法正確的理解，就像沒見到牛之前，魚的意識里牛的形象總是停留在“魚?！钡膶用?，這樣錯誤的認識可能會導致對牛進一步的了解造成知識的斷層和扭曲。這也是化學教學中遇到的一個普遍的難題，由于化學學科的特殊性，要求學生對物質在宏觀、微觀、符號這三重表征進行統一和糅合，而現狀是魚不一定有機會接觸到真實的牛——學生沒法看到物質微觀的世界，因此只能通過模擬的形式，讓學生認識最接近實物的模型，進一步在模型的基礎上認識相似的物質，并根據已知的結構基礎探究可能具有的性質。本文就有機化學中分子結構建模教學為例，談信息技術與有機分子結構建模教學的整合。

有機化學在生活中的應用之廣是顯而易見的，在化學教學中有重要的地位，更具體來講，在高考中有著舉足輕重的體現，例如2009年廣東高考化學X科中有機化學比重只有8%，而2010年最新《考試說明》卻顯示：化學科中的有機化學部分分值比例約20%！因此學好有機化學顯得十分關鍵。但有機化學中紛繁的種類，錯綜復雜的轉化關系，抽象的立體結構卻使部分學生望而卻步。

二、解決思路

傳統的課堂是利用棍和球拼接成模型來講授有機分子的立體結構，不僅費時，而且效果不佳。隨著電教平臺在中學教室的普及，利用計算機上課成為了可能，若能在學生剛接觸有機物時就能隨心所欲地展示分子的模型，將有機物質的分子結構“躍然屏幕上”——用三維圖形來表征有機分子的結構，加強學生對分子立體結構的印象，有效幫助學生認識和理解有機物真實的結構，又能增強學生學習的興趣。本文將以有機分子結構的繪制和演示為例，探討如何讓有機化學課堂“立體化”——如果無法讓魚見到真實的牛，那見到牛的模型也是一種很好的解決辦法。

三、解決辦法

1.讓分子在屏幕上跳動

利用信息技術來改進課堂教學是當前學校教學改革的一條重要思路。教育部提出要“努力推進信息技術與其他學科教學的整合”，并指出“技術與課程的整合就是通過課程把信息技術與學科教學有機地結合起來，從根本上改變傳統教和學的觀念以及相應的學習目標、方法和評價手段?！崩眯畔⒓夹g的自由參與性、平等交互性、虛擬探究性以及客觀公正性來打破教師對于知識、技能的絕對權威，通過師生的交流活動來相互促進和啟發，從而真正實現教學相長，實現在傳統課堂教學上的改進和優化。利用現代信息技術和網絡資源，可以把學科教學中的實驗過程以虛擬的方式展現在課堂中?；瘜W涉及到眾多形態、色澤、結構、用途各異的物質；得出規律涉及到數據的處理、圖表的處理；化學與物理、生物聯系緊密，與生產、生活、科技、環保（STS教育）密切相關；化學理論抽象難懂，需要微觀三維空間想像能力。計算機技術能進行圖像處理，進行微觀放大、宏觀縮小、瞬間變慢、變快，短時間內調動學生多種感官參與活動，形成鮮明的印象。計算機技術還能通過二維或三維動畫形式，進行信息和圖像輸出，使學生獲取動態圖像信息，從而使抽象問題具體化、復雜問題簡單化，避免了許多繁瑣的講解過程，展現給學生生動形象、富于啟發、促進思維的畫面，有效刺激學生的感官，力求教材、教師、學生三者的思維達到最大化的吻合。筆者曾經在給學生上第一節有機化學課時利用計算機中的交互軟件講授甲烷的立體結構，在移動鼠標間實現分子模型在各個角度、各種風格的變換，讓學生在震撼中欣賞到微觀粒子的結構模型。

圖1 動態展示甲烷的分子模型

在動態的展示畫面中，學生對分子模型留下了“立體”的印象，在這個基礎上，引導學生進一步在“遇到問題——解決問題——提出新的問題”模式中學透知識點，并總結出普遍規律，如學生自己動手繪制立體結構后遇到的問題是：這種表示方法很難，不方便。如何簡單地表示立體結構？學生饒有興致地嘗試寫出自己的平面結構表示法，并在同學中進行交流討論，評出最優方案……這樣在主動、輕松的學習環境中，學生更容易發揮出創造精神；在實踐中學習，實現了學習的自我反饋，合作學習中互相關心、增進友愛，既學會知識，又學會做人，也使教師在課堂上成為學生學習合作的伙伴、討論的對手和知心的朋友。

2.取代的角度看結構

建構主義教學理論特別強調學習環境的創設，并以“情境”、“協作”、“會話”和“意義建構”為學習環境的四大要素。信息技術為學科教學創設真實的情境、為學習者之間的交流協作提供了許多新的潛在可能性，又因其能更加逼真地模擬出微觀世界中的各種現象，在視覺上提供一些能表現真實世界現象、事件和故事的實例，學生能用這些實例進行問題發現和問題解決的活動，從而有利于培養學生的創新能力。如果說魚已經從其中一種牛的模型中看到真實的一面，否定自己之前“魚?！钡腻e誤想法，那么在這個基礎上如何更好更多地辨認其他品種的“?！蹦?？這就要通過引導建立一個正確的基本的模型，并在這個模型特點的范圍內作出合理的推斷。在有機化學教學中對有機物結構的認識也可以采用這樣建模的方法：在基本模型基礎上用取代（即代換）的方法認識新物質的結構。例如：有機物常見的基本模型有：甲烷——正四面體；乙烯——共面；乙炔——共線；苯——共面。學生在這些模型的基礎上用相同的原理認識結構相似的物質。舉個例子：取代反應是重要的有機反應類型之一，學生是從甲烷與氯氣的反應開始認識的，在交互軟件中對比展示如下，更容易讓學生建立以甲烷為基礎模型的其他結構相似的物質。

圖2 甲烷發生取代反應后的產物模型

在學生初學有機化學時就滲透化學建模的思想，養成用取代的角度來看其他物質，從而有效降低了學生學習的難度。那么看完甲烷后，和它互為同系物的乙烷結構是怎樣的？烴的衍生物如我們常常提到的乙醇的立體結構又是怎樣的呢……利用一系列問題驅動的形式，引導學生重新正確認識更多的有機物。

圖3 用取代的方法看物質結構

通過對已知模型的延伸，學生可以很明確認識到：同一系列或相似結構的物質在空間結構上的區別是：在相同或相近的位置放置大小各異、種類不同的原子而已！甲烷空間結構上的四個H原子不管換成任何其他的原子，如氯原子、碳原子等，都還是四面體的構型。同理，對于更復雜的物質也可引導學生從取代的角度看，例如：乙烷分子可看作是甲烷中一個氫原子被碳原子取代，而乙醇分子中的羥基其實就是取代了原來乙烷分子中的一個氫原子，從而形成“甲烷——烷烴——烴的衍生物”系列相似模型，以點帶線，以線組面，將有機物質的結構一網打盡，大大減輕了學習的強度，更能將學生的能力拔高到獲取知識本質的高度上。

3.同種物質還是同分異構體？

信息技術的運用，能使許多抽象的化學概念、化學規律，復雜的化學反應環境由靜態變動態，無聲變有聲，抽象變具體，不僅能大大增強表現力而且易于提高學生的學習興趣，對學生學習動機的激發有著極高的價值，從而促使學生更好、更快、更準、更深入地把握教學中的重點和難點。分辨同系物、同種物質、同分異構體是有機化學的重點之一，如考查學生對于甲烷正四面體的認識，經典的題設是：甲烷二氯代物的同分異構體有幾種。平時為方便起見，甲烷的結構簡式都是寫成平面的，這樣就有部分學生會在平面到立體的變換中轉不過彎來，總誤認為二氯甲烷的結構應該有兩種，但事實上二氯甲烷并無同分異構體，很多學生無法理解這一點，利用多媒體輔助教學，就可以很好地講清楚這個問題。針對學生錯誤的回答，可在該軟件中將模型轉到相應的位置，這樣，學生必會恍然大悟：老師其實在轉動同一個模型！也就是說二氯甲烷沒有同分異構體，只有一種結構。通過這個例子，培養學生不僅能將立體結構轉化成平面結構，也形成遇到平面結構要轉化成真實的立體結構的學習習慣。

圖4 轉動甲烷的二氯代物模型

信息技術手段以其豐富的表現力顯示出巨大的優勢，使學生達到充分的感知，為化學概念和化學規律的掌握提供充分的感性認識基礎，克服以往教學只靠口述或做演示實驗的弊病，讓學生在已學過內容的基礎上去找內在聯系，使學生主動提取舊知、探究新知，培養學生分析問題和解決問題的能力。

4.最多有幾個原子在同一平面上？

化學教學與信息技術整合，增強學生參與活動的自覺性、溝通新舊知識的聯系，提高了學生思維品質，使學生保持良好地學習注意力，比起容量偏小的傳統課堂來更是進一步豐富了教學的互動信息，使學生能通過各種感官的有效刺激接受更多的知識。如交互型化學軟件可以讓學生從任意一個角度來觀察，甚至可以跳進模型內看分子結構。例如通過對計算機的操控可以很容易觀察到乙烯、乙炔和苯的結構特點：所有原子都在同一平面上。同理，從取代的角度看，不管原型中的H原子被什么原子取代，依然都在同一平面上。

圖5 轉動分子模型觀察原子在同一平面上

同一種有機物有多種不同的構象，在高中簡單地理解為有機物結構中的C-C單鍵可以沿著鍵軸旋轉。通過空間想象，判斷C-C單鍵旋轉后共面共線的原子個數是有機化學考查的重要內容之一。但對于初學者或想象能力差的學生來講，沒有見過單鍵旋轉的情景，想要在短時間內有效掌握是比較困難的，適當利用多媒體輔助教學，展示C-C鍵軸不斷轉動、變換成不同的構象，讓學生的想象有個落點，為認識更復雜的結構打下堅實的基礎，同時也激起了學生的好奇心，進而更有興致探究在教材或生活中所見到的分子模型，將課堂知識延伸到生活中，真正做到學以致用。

圖6 轉動乙烷中C-C鍵得到的不同構象

以上舉例說明信息技術與有機化學的有效整合中的其中一個實例——利用交互型軟件展示出不同的分子模型，不僅滿足了不同的教學效果的要求，改革了傳統枯燥的課堂氛圍，使學生對物質的結構有較深層面的理解，從而增強學生參與活動的自覺性、溝通新舊知識的聯系，提高了學生思維容量，特別是讓學生不斷完善知識結構，有效地培養了學生分析、對比、歸納的能力，為學好有機化學打下堅實的理論和信心基礎。當然這些應用只是冰山的一角而已，化學教學與信息技術整合對于教師的教學水平的提高還有學生的學習效果的加強都是相得益彰的，應該得到更加廣泛、更加深入的運用。

四、結論

新課程標準強調學生學習方式的轉變，倡導自主、合作、探究的學習方式，重視學生主動積極的參與意識和精神，與實施素質教育的要求相比，目前學生學習方式較單一、被動，缺少自主探索、合作學習、獨立獲取知識的機會，而在信息技術整合下的學習因開放性、交互性等特點而呈現形式的多樣化和效果的最大化，因此，要充分調動學生認識與實踐的主觀能動性，讓學生真正成為學習的主人，就必須將傳統的教學方法與信息技術有效整合起來。

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1008-0546（2010）10-0008-03

G632.41

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10.3969/j.issn.1008-0546.2010.10.003