化學軟件在高中化學教學中的應用現狀及實踐探析

廖軍清

【摘要】新課程改革之后，高中化學教材也出現了新的改變，增加了更多分子模型圖、實驗儀器圖以及原子離子結構示意圖等，形象的插圖增加了教材的趣味性，同時也激發了學生的學習興趣。新教材的改變充分體現了新課程的思想，而專業化學軟件在新教材的開展中發揮著重要的作用。專業化學軟件在化學教學中的應用可以使平面教學更加立體化、形象化，有助于提升學生的學習興趣，培養學生的化學思維。本文主要分析了化學軟件在高中化學教學中的實踐應用，希望可以給當前的高中化學教學提供參考。

【關鍵詞】化學軟件 高中化學教學 應用現狀

【中圖分類號】G633.8 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）30-0124-02

化學教學過程中，很多知識無法用語言進行詳細的描述，需要學生通過實驗觀察的方式來進行學習，但是很多化學元素無法通過肉眼觀察出來，比如原子、分子的微觀結構，也無法運用宏觀的模型來形象的描述化學反應的過程，由于學習過程比較抽象，因此學生的學習過程比較枯燥。適當的運用一些化學軟件可以幫助學生有效的掌握化學知識，使枯燥的化學知識更加直觀化、形象化，進而激發學生的學習興趣，提高學生的學習效率。

一、化學軟件在化學教學中的應用概述

考核教師專業素質的一種重要方法就是考察教師對教材的熟練程度和教學設計的有效程度。教學設計，或稱教學系統設計是一種實施教學系統方法的具體可操作的程序。它綜合了教學過程中的教學目標、教學內容、教學對象、教學策略、教學媒體、教學評價等基本要素，將運用系統方法的設計過程加以模式化。它的具體還表現為：教學系統的具體分析和可操作性設計，依照的理論依據和方法，等等。其中對于可操作性方面，不同的教師在教學的過程中有著不同的認知方式，曹晶偉[1]等對模擬化學實驗軟件并對上科版《化學》教材中“化學反應速率”為例進行模擬實驗的設計。黎新[2]用具體例子討論幾種常用化學軟件Gaussian、Gaussview、Hyperchem和Chemoffice在無機化學、有機化學、儀器分析、結構化學以及生物化學等課程教學中的應用。王靈等[3]針對中學化學教師在編排試題、試卷資料以及制作課件等過程中對有機物分子和立體結構的繪制、方程式、電子式的書寫展示存在困難，將Chemwindow6.0、Hy—perChem7.0等化學軟件和HyperSnap4.5、Camtasia3.0等捕捉軟件的使用做了介紹。馮霞[4]借助化學軟件等工具繪制出的化學分子結構圖形和動畫能生動形象地表現化學微觀世界，將它們應用到化學課件中，可以有效提高這部分知識的教學效果。以上，他們介紹了各種軟件的功用，但對化學教師的教學技能與新課程理念下有效教學設計沒有結合在一起。化學軟件在化學有效教學設計中的應用還有待進一步研究，以提高教學的有效性，進而取得最佳的教學效果。

二、化學教學中常用的計算化學軟件

計算化學軟件作為化學化工領域中最常用的工具，無論在科研或者教學中都擔負著重要的作用。化學教學中通常應用到下列軟件：

1. ChemDrawChemDraw軟件美國CambridgeSoft公司推出的一款優秀的商業化化學軟件ChemOffice 中的模塊之一。ChemDraw 中存貯了大量的分子結構圖形、原子軌道、分子軌道和電子云圖的圖形，在化學教學中主要用于繪制有機分子結構式及反應方程式等，ChemDraw 中的實驗裝置繪制模版則是繪制反應流程及實驗儀器裝置圖的重要工具。

2. GaussianGaussian 程序是目前國際上最為流行的量子化學計算軟件之一，GaussView 是 Gaussian 的圖形用戶界面，其主要功能是可以很方便而精確地作出各種原子、分子及過渡態的空間結構。和一般化學作圖軟件相比，它更加專業和精確，可以直接讓學生觀察了解各種物質的鍵長、鍵角、電子云分布等微觀結構以及分子內部的各種振動。

3. Materials StudioMaterials Studio 軟件包是 Accelrys 公司開發的，是常用的分子設計和模擬軟件，可進行量子力學、分子力學、分子動力學計算。Materials Studio 軟件包功能非常強大，主要由這樣幾個模塊組成：構造分子；優化分子結構；研究分子反應；觀察軌道和電子圖譜；研究分子動力學。Materials Studio 可以快速準確地獲得分子的構型與結構參數，通過對分子的結構進行分析，運用所得的結果來解釋或預測化學反應的性質。除此之外，也可以計算出分子的靜態性質，通過這些數據我們可以預測化學反應的位置、說明化學反應的途徑和機制、解釋分子的動力學行為等，在教學中可以達到事半功倍的效果。

（1）Materials Studio 在電荷密度教學中的應用

在講授極性分子和非極性分子過程中，常常提到原子電荷分布情況及對物質化學性質的影響。Materials Studio 中原子電荷顯示功能，使電荷分布一目了然。以Si來作為示范，在Volumetic Selection中，選擇顯示 total e-lectron density，會將場給顯現出來。這個場是電子在空間中的分布，Isosur-face則是顯示出等位面。這里將電位以顏色來區別其高低，在等電位密度中做出電位高低的圖，可以讓學生清楚地了解極性。

（2）Materials Studio 在晶體結構教學中的應用

在化學中，晶體的結構和對稱性是學生不易掌握的內容，主要原因是該部分涉及三維空間變換，單純板書式教學對學生的理解作用不大。利用Materials Studio 的建模功能，可以方便地建立各種晶體的三維模型，直觀化地展示其結構和對稱性等特點。圖1是面心立方 NaCl 在不同視角下的晶體結構圖，我們可以直接得到NaCl的晶體結構，同時可以看到NaCl是立方密排晶格（ABCABC）。此外，點擊菜單build中的symmetry還可以得NaCl晶格的原胞。同時，Materials Studio還允許自由的創建晶體結構，只要已知空間群類型、晶體結構參數和元素類型，我們就可以任意的創建晶體。如果按下 Find Sym-metry 選項，便可看到已找到的NaCl晶體的對稱性為FM-3M，在教學中展示這種效果，能使學生容易理解晶體的對稱性的類型。

（3）原子軌道顯示在化學教學中的應用

Materials Studio可以輕松地對各種原子軌道能量進行計算并獲得其空間圖像。利用Element可以調出一個元素表，可以直接選擇元素，例如乙烷，在工具列中，選取CASTEP的計算套件計算原子軌道，在Task中選擇Energy，它在計算基態能量之后，就可以分析原子軌道了。

三、結語

將化學軟件應用在教學中，有效提升了教學過程的趣味性，激發了學生的學習興趣。通過采用計算機輔助教學動畫，將抽象的微觀化學知識變得更加形象化、具體化，促進了學生對化學知識的理解和掌握，可以有效提高課堂教學的效果。

參考文獻：

[1]卞希慧，代昭，趙世懷，紀妍妍. 化學軟件基礎課程教學[J].科教導刊（上旬刊），2015，05：136-137.

[2]黎新. 化學軟件在化學教學中的應用[J]. 重慶文理學院學報（自然科學版），2008，05：90-92.

[3]堵錫華，李靖，史小琴，朱捷. 計算化學軟件在分析化學數據處理中的應用[J]. 廣東化工，2014，19：233-234.

[4]馮霞. 化學軟件和捕捉軟件在化學多媒體課件制作中的應用[J]. 重慶教育學院學報，2003，03：45-47.