3D分子模型軟件在中職化學教學中的應用

蔣超意

（桂林市衛生學校，廣西 桂林 541002）

中職生因為化學基礎相對薄弱，在學習立體化學時，尤其是課程中涉及的立體化學選擇性反應時較困難[1]，這使得學生在學習過程中產生抵觸心理，也使化學課程考試的通過率不理想[2]。本研究的目的是尋找一種易于學生接受的，能夠直觀表現知識點的新穎的教學手段，幫助學生克服對立體化學的恐懼。

立體化學課程要求學生在學習過程中想象分子的空間構象[3]。然而，很多學生難以將書本上的平面圖像和分子的空間三維結構加以聯系，例如，對立體化學選擇性反應時分子的過渡狀態或構象結構難以理解或描繪[4]。學生雖然能夠背誦相應的化學概念，但對立體化學反應的應用卻無法真正掌握。

3D分子模型作為可視化教學的一種手段，已被廣泛應用于各學科教學中[5，6]。利用3D分子模型編輯軟件能夠充分表現化學分子的空間構象[7]。同時，該軟件還具有編輯功能，學生可以對化學分子的價鍵、原子、旋轉等情況進行研究，邊動手、邊思考立體化學選擇性反應情況，從而激發學習興趣。

1 研究背景與方法

1.1 研究背景

本研究選取奎尼丁堿還原生成奎寧堿的反應（見圖1）。奎尼丁堿在酸的作用下發生異構，且在得到的產物中還可以分離出具有環醚結構的立體產物，提示該反應有立體選擇性[8]。因此，理解中間產物的產生過程和終產物構型的變化是學習立體反應選擇性的重點與難點。

圖1 奎尼丁堿還原生成奎寧堿的反應

通過這個例子可以看出，學生對于立體結構的認識還存在一些困難，主要表現在：（1）雖然有些學生能夠想象化學分子過渡狀態的三維表征，但是很難描繪出它的平面構圖；（2）學生頭腦中無法形成分子構象旋轉的立體結構，尤其是難以想象分子連接價鍵的立體位置；（3）學生難以理解分子的過渡狀態如何通過水平或垂直的手段翻轉成最終產物。因此，對這些涉及分子構象的問題利用分子模型進行可視化教學是十分必要的。

1.2 研究方法

教學中使用真實模型和3D分子模型。真實模型便于操作，學生可以直觀看到分子的三維模型結構[9]；3D分子模型軟件的一個優點就是學生可以隨意修改鍵的長度、鍵角和電價等。此外，由于3D分子模型軟件具有共享功能，因此，學生可以互相交換自己的看法。

本研究利用Chem Bio Office軟件包中的Chem Bio 3D功能對奎尼丁堿、奎寧堿及其反應中間物質進行三維分子模型構建[10]。該軟件允許學生從零開始構建化學物質的分子模型，任意設定原子的位置、設置原子間的鍵長和鍵角。同時，利用該軟件還可以構建任何特定構象的分子結構，并利用內置的能量最小化程序，使構造的分子模型達到實際情況下的能量狀態與形狀。該軟件允許原子價健之間圍繞二面角進行旋轉，學生可以自行構造立體化學反應時中間態物質的形成過程，觀察中間態物質的立體結構。此外，利用該軟件還可以對分子中各元素的大小和顏色進行修改，便于學生理解立體選擇性反應的發生進程。構造結束后利用軟件的二維恢復功能，學生可以對各個狀態下分子的平面圖進行標注，幫助理解書本的平面圖像和分子的空間三維結構之間的關系。具體工作流程見圖2。

圖2 分子模型構建的具體工作流程

教學結束后對學生的學習情況進行問卷調查和測驗，了解學生對立體化學反應知識的掌握情況，評價3D分子模型軟件對中職化學教學的作用。

2 結果與討論

為了解3D分子模型軟件在中職化學教學中的應用情況，本研究隨機抽取80名藥劑專業學生進行問卷調查，其中，40人參與了分子模型構建的過程學習（實驗組），40人只學習了書本上的相關內容（對照組）。調查問卷內容包括聽課與學習效率，對立體化學反應性的理解，分子二維結構與三維結構的辨認情況，分子構建模型的理解情況，主動學習其他立體化學反應的意愿。問題選項包括較好、一般、較差、很差。統計發現，實驗組學生立體化學知識掌握情況明顯好于對照組（見表1），實驗組有一半以上的學生能夠掌握相關知識，且學習熱情高漲。多數學生認為構建分子模型的過程，可以幫助自己了解立體化學反應，掌握相關知識。

表1 兩組學生立體化學知識掌握情況（n）

為了解3D分子模型軟件對學生化學實驗操作技能的影響，我們對80名藥劑專業學生進行了還原真實模型的測試。給學生一個化學分子的平面結構，要求其在10分鐘內構建該分子的三維模型。結果發現（見圖3），實驗組學生均能在10分鐘內完成任務，且正確率在92%以上，而對照組中只有2名學生完成了任務，但是用時12分鐘，超過了預定時間。說明3D分子模型軟件對于學生在立體化學分子的空間想象方面有非常大的幫助，能夠有效提高學習效率，解決教學中抽象內容可視化的問題[11]。

圖3 兩組學生還原真實模型測試結果

3 結論

從研究結果來看，3D分子模型軟件的應用對提升學生學習效率有較大幫助，尤其是對缺乏空間想象力的學生而言，3D分子模型軟件能夠幫助其理解抽象的反應物和生成物的結構。同時，該分子模型軟件的應用還能夠提升學生學習能力，學生在軟件上對立體化學反應的中間狀態進行模擬，并且快速地對分子的價健、角度、元素構成進行調換，舉一反三，在理解一類反應的同時，深入研究其他相關反應進程[12]。

利用3D分子模型軟件學習，有助于學生形成較強的空間想象力和團隊配合能力，完成相關化學實驗，例如：化學產物的預判斷、化學分析結果的預測等，提升就業競爭力。同時，該教學手段還激發了學生的學習熱情、提升了學習積極性，發揮了學生的主體作用，對啟發學生思維、提高教學質量產生極大的促進作用。

[1]林元疇.培養中職學生化學學習興趣的課堂教學策略[J].中國科教創新導刊，2010（6）：52.

[2]周小芳.中職生化學學習方法思考[J].衛生職業教育，2007，25（23）：72-73.

[3]劉闖.高中化學立體空間教學嘗試[J].中外交流，2016（19）：44-46.

[4]韓洪聰.三維立體課堂——化學課堂中的集體學習與個體學習的轉換[J].東西南北·教育觀察，2011（11）：77-79.

[5]盧天.使用Acrobat 3D與VMD制作三維化學課件[J].化學教育，2008，29（9）：57-58.

[6]屠婕紅.ACD/ChemSketch用于化學課堂教學[J].藥學教育，2001，17（2）：45-46.

[7]張小紅，張興國，余小春，等.基于Java的有機化學三維模型庫構建[J].山東工業技術，2016（10）：46-47.

[8]劉楝，周淑晶.辛可寧類生物堿催化劑的合成[J].精細化工中間體，2016，46（1）：50-52.

[9]牟志剛，徐培蒼.自制分子模型在結構化學教學中的應用[J].景德鎮高專學報，2011，26（4）：37-38.

[10]王靈，胡喬生.Chem Bio Office 2010在化學教學中的應用[J].軟件導刊，2010，9（8）：87-89.

[11]笪良國.可視化專業軟件在基礎理論化學教學中的應用[J].淮南師范學院學報，2011，13（5）：94-96.

[12]范鋒浩.如何加深學生對化學概念的理解[J].河南教育：職成教版，2015（11）：32-33.