如何用3ds max輔助金屬晶體教學

畢晟

摘要材料結構（PEP出版的高中化學學生選修課本第三版）中，金屬晶體中原子的積累方式只有一些想象，但沒有可視化的模型，這使得學生很難理解。甚至是不可能讓學生計算每個原子的利用率積累方式，尤其是在面心立方緊密堆積的利用率。本文介紹了如何使用可視化模型教學，旨在解決上述問題。

關鍵詞金屬晶體原子堆積3ds max

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：A

在現行中學化學人教版選修三《物質結構》中，對晶體的相關知識要求較深，而學生才學立體幾何不久，對空間結構想象不夠，空間中點、線、面之間的關系難以確定，所以對微觀晶胞結構的理解就更困難，在金屬晶體的教學中，學生的這種情況表現更為突出，學生對幾種晶胞的形成、晶胞中原子間的位置關系、每一晶胞所占用的原子的個數、晶胞的體積、原子的空間利用率的計算等知識很難把握。這時我們可以利用3ds max來模擬微觀的場景，直觀地展示給學生，加深學生對金屬晶體的理解。

1 現有教材的不足之處

在高中新教材選修三《物質結構與性質》人教2009版中，第三章第三節金屬晶體的內容中，對金屬原子的堆積的方式有如下的描述：金屬原子在二維平面堆積中有兩種方式，配位數分別為4和6的非密置層和密置層。對這種平面的堆積方式學生很容理解兩種方式的特征及區別。在非密置的空間堆積方式中又可得簡單立方與體心立方，在簡單立方中，學生能準確理解晶胞中原子間的位置關系和晶胞的邊長，方便于學生利用所學知識求晶胞的相關參數。但在體心立方中，學生對晶胞的邊長與原子半徑的關系不太明確，求晶胞的參數更困難。

在密置層的空間堆積中所得的六方最密堆積和面心最密堆積立方中，學生對如何得到這兩種晶胞以及兩種晶胞中各原子間的位置關系理解困難，更難以求晶胞的參數和原子的空間利用率。特別是在六方最密堆積晶胞中，學生容易根據教材圖例認為中間原子在四棱柱的面上或在四棱柱的棱上，而它的底面為正方形，而實際上中間原子與其相切的三原子同處于一正四面體的頂點，底面的另一原子與其不接觸，底面為菱形。

2 改進方法

為了給學生以直觀的感受，可以先用flash制作各晶胞的模型，然后指導學生用乒乓球代替金屬原子按照教材敘述用膠水粘貼成簡單立方、體心立方和六方最密堆積，通過學生動手加深學生對各晶胞的認識，消除內心的錯誤結構觀點。在簡單立方中，晶胞邊長與原子半徑間關系非常明確，邊長為半徑的2倍，配位數為4。而體心立方中，晶胞的體對角線長為原子半徑的4倍，配位數為8。在這兩種晶胞中，學生可通過模型，利用所學的數學立體幾何知識能清楚掌握到原子間的位置關系和快速計算出原子的配位數以及原子的空間利用率。在六方最密堆積中，原子間的位置關系較復雜。以乒乓球粘成的實際模型為例，取晶胞的1/3，A層原子為四原子形成的菱形底面，B層原子放在其中A層3原子圍成的空隙中，且只能放一個原子，該原子不完全屬于A層3原子球心所圍成的空間，但從flash動畫透視圖可見，中間原子與其接觸的原子圍成以球心為頂點的正四面體，底面的另一原子不能與接觸相切。通過上下底的球心作連線所形成的四棱柱剛好將中間小球球心圍在其中，A層球心連線將B層球切除部分，但同時將不屬于此四棱柱的小球切入到此四棱柱中，剛好切出與切進的體積相等，即一四棱柱完整擁有一中間小球，而中間小球的球心不在面或邊線上。原子利用率的計算中，晶胞底面為菱形，高為正四體高的兩倍，配位數為12。

但對于面心最密堆積以ABC的方式學生不可能觀察到面心結構，flash動畫方式也不能讓學生從該方式中抽出面心結構，flash為平面動畫，只能讓學生看到前視圖或透視效果，不能從多角度觀察晶胞。這時可以改用3ds max軟件模擬面心最密堆積，它可以從不同角度觀察原子在空間堆積所形成的效果。具體方法為：打開3ds max在其前視圖中，建立一小球，然后用復制的方法得相同大小的小球若干，在左右視圖和上視圖中，調整各小球的位置，讓它們形成平面的密置層結構，命名為A層。復制該層兩次，分別命名為B、C層。在前視圖中向上調整B、C層與A層小球的位置關系，讓上層每一小球剛好與下層兩球相切；然后在左或右視圖中，將B、C層小球向同一方向平移。最后將A層小球復制放在C層之上，特別要注意的是要讓兩個A層對齊。這時可以將所得空間密層結構向左或右旋轉90度，很容易在視圖中觀察到五個原子所圍成的面心，去掉一個面心結構中不屬于它的原子，繼續旋轉此模型，用相同的方法可以得到整個面心晶胞的結構。從實際得到的結構中可以看到其實A層只要一個小球，B、C層只要6個小球，B、C層6小球圍成等邊三角形，中心重疊，所延伸方向剛好相反，配位數12。3ds max制作該結構的優勢在于，可以用模擬攝像機記錄該晶胞的形成過程，再通過播放的方式給學生觀看，可以加深學生對原子間的位置關系的理解。在面心結構中，面對角線長為半徑的4倍。通過3ds max也可以讓學生親手制作面心最密堆積晶胞模型，在制作時不能按教材所述進行，按A層只要一個小球，B、C層只要6個小球，B、C層6小球圍成等邊三角形，中心重疊所延伸方向剛好相反的方式可以輕松得到面心結構，實物模型可以讓難以想像和理解的微觀結構真實地展現在學生的面前，有利于學生加深對相關知識的掌握。

3 3ds max輔助教學的優勢

計算機的模擬功能，可使抽象內容形象化，靜止內容動感化，為學生創造生動、活潑、直觀、有趣的教學條件，可以將比較難以解決的問題用計算機模擬模型創造一個虛擬實驗的空間以加深學生知識的理解。在3ds max的環境中，學生可親自操作制作的模型，可以旋轉模型從不同的角度觀察各原子或分子在空間中的位置關系。而在其它的計算機輔助教學的方法中，制作的動畫往往是平面形式，無法滿足空間要求。在物質結構的知識中，研究的對象是微觀微粒，對學生而言要求抽象思維，學生對看不見摸不著的晶胞難想象到各原子、分子或離子在空間中的排列情況。學生對晶胞中各頂點、面心、棱上原子及體內原子的利用情況認識較快，但涉及到原子與原子在空間中等距問題就很困難，他們考慮問題往往是在一個平面內來思考原子間的關系，難以向空間中延伸，如能將微觀的結構轉換成宏觀可見的模型將有利于學生建立晶胞的空間位置關系，再利用自己所學的數學知識可解決晶胞的邊長、體積、密度、化學式、摩爾質量等有關問題。

當然3ds max也不足之處，就是掌握該軟件較難，不如其它的輔助方式簡潔易懂，成品的修改也費時。

在《物質結構》的實際教學過程中，只要老師能多以直觀的方式給學生給學生講解或指導學生新手制作相應的模型，就可以幫助學生更好地理解相關的知識。

參考文獻

[1]宋心琦.化學 選修三.物質結構與性質.人民教育出版社,2009:73.