利用免費分子繪制軟件實現線上線下的互動教學

王濤

摘要：簡單介紹了KingDraw、InDraw和MolView 3個免費繪制分子結構的軟件界面，其中結合“感受化學鍵”一課的教學設計，重點介紹了利用KingDraw繪制和查看常見分子球棍模型的操作和方法。其中主要設計幾個環節：（1）查看幾種常見簡單氫化物HF、HCl、H2O、H2S、NH3、CH4的球棍模型，繪制結構式，進而討論同主族氫化物結構相似性和主族非金屬的常見化學鍵數目規律；（2）繪制幾種常見簡單有機物C2H6、C2H4、C2H2分子球棍模型，繪制結構式，進而討論原子均盡可能將化學鍵全部利用，同時不僅可以形成單鍵，還有雙鍵、三鍵；（3）嘗試繪制較復雜的幾種分子N2、CO2、H2O2、HClO的結構式，與球棍模型兩相印照，在鞏固前面知識的同時，得出多原子分子中心原子的判斷方法。

關鍵詞：分子結構；免費軟件；化學鍵；在線教學

文章編號：1008-0546（2021）11-0032-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.008

*本文系2021年度河南省基礎教學研究項目（編號：JCJYC212600016和JCJYB210700014）階段性研究成果。

一、問題提出

在2020年3月這個特殊時期，筆者和很多老師一樣，開展了直播教學。隨著時間的延續，筆者逐漸適應了直播教學的節奏，也就開始有了新的想法，如何在直播課堂上開展學生活動，提高在線教學的時效性。

例如原來講授人教版必修2“化學鍵”時，筆者設計了“感受化學鍵”的1節課，學生結合任務單自主拼裝常見分子的微型球棍模型，從中得出“常見非金屬原子可以形成的共價鍵數目”，感受常見分子的球棍模型，繪制常見分子的結構式，為后續學習共價鍵、書寫電子式奠定良好的基礎。

現在的教學環境下，能否實現以上的學生活動呢？是否有免費軟件供學生自己繪制常見分子結構，觀察其球棍模型，同時有沒有可能進行旋轉等交互體驗呢？

二、軟件簡介

1.KingDraw

KingDraw是由青島清原精準農業科技有限公司開發的，一款橫跨Android、iOS、Windows多平臺的永久免費有機分子繪制中文軟件，支持多端同步，文件可以輕松保存為cdx、mol、SMILES等多種常用化學繪圖軟件的文件格式。（沒錯！是的，可以和有機繪圖大神Chemoffice共享互通。）

登錄官網，或至手機應用商店搜索下載安裝即可，Android畫板功能界面，見圖1。

KingDraw畫板集成了KingDraw結構式繪制的全部功能。畫板分為上下左右4個功能區，上部功能區主要包括繪圖時的常用功能，見圖1。其中點選“···”，就可以調出3D轉換功能鍵，將繪制的常見分子實時3D建模，觀察立體結構。

下方繪制選擇區主要包括多種結構式繪制元素，左右滑動即可調出所有圖標，見圖2。點選后單擊畫布即可得到對應的結構式，如若要連接兩個基團，單擊時需準確點擊在連接原子位置。

左側元素選擇區，點擊左下角“···”，可以調出元素周期表，點選更多元素原子符號；右側功能區包括結構式美化工具、常見有機基團繪制工具和移動縮放工具，見圖1。

2.InDraw

InDraw是一款由鷹谷公司開發的具有自主知識產權的，同時支持網頁端和Windows端的免費有機分子繪制中文軟件，其文件可實現直接復制粘貼到Word，并在Word中雙擊結構式直接在InDraw中修改；同時，也支持導出cdx格式文件，通過Ctrl C + Ctrl V實現InDraw、Office、ChemOffice三者互通。

登錄官方下載安裝或網頁端打開，注冊登錄，即可進行操作，其網頁端界面，見圖3，其功能區與King？ Draw多有相似，不再贅述。

3.MolView

MolView是網頁端在線繪制分子及3D轉換的工具，百度搜索http：//molview.org打開即可使用，見圖4，畫板功能鍵也與前面相似，點擊“2D to 3D”即可在線查看球棍模型。

筆者選擇了KingDraw開展“感受化學鍵”課時的在線教學，其中KingDraw的3D結構可以提供球棍模型、比例模型、鍵線式三種選擇。

三、教學使用簡介

1.準備工作

為了讓學生更熟悉KingDraw軟件的使用，筆者制作了介紹使用的簡單視頻，并提前一周安排軟件安裝和觀看視頻等活動，預告本次課堂教學內容。

2.教學流程

（1）引入主題

【多媒體】視頻“水是什么樣子的？”

【設疑激趣】

大自然用2個H原子、1個O原子搭建起1個H2O分子。試著想象一下水分子是一個怎樣精巧的建筑，是什么“膠”使這些原子黏合在一起，保持水分子不分解成兩個H原子和一個O原子呢？

（2）提供背景資料。

【多媒體】

鍵，安在車軸兩端，管住車輪不脫離軸的鐵棍，“題無四寸之鍵，則車不行。”

bond，結合力；聯結，聯系；粘接，粘著劑。

Chemical Bond，物質中使離子相結合或原子相結合的作用力通稱為化學鍵。

【教師】如何表示看不見的作用力——化學鍵呢？

【多媒體】

在許多工作領域中，模型是非常重要的工具。化學家們利用分子模型來幫助他們理解和預測分子是如何運作的。

常見的分子模型或表達方式有球棍模型、比例模型、結構式，見圖5。

其中，球棍模型中，用顏色、大小不同的小球代表不同原子，通過短棍連接，其中短棍，即化學鍵；比例模型，按照原子實際大小關系和外層電子運動區域重疊一部分，搭建出的結構模型；結構式，在元素符號之間繪制短線來表示化學鍵，可以上下左右4個方向。

（3）線下活動1：查看常見氫化物的球棍模型，書寫其結構式

【教師】今天，我們就利用KingDraw來熟悉常見分子的球棍模型，并嘗試繪制出它們的結構式。

【線下活動】參考下列步驟，查看HF、HCl、H2O、H2S、NH3、CH4的球棍模型，并嘗試書寫結構式。

①打開KingDraw界面，點選右上角“+”，即可新建畫板；

②點擊左側“O”原子符號，在畫板上點擊，即可得到水的化學式；

③點擊右上方“···”，打開后，再點擊“3D”，即可觀察球棍模型；

④此時，左上角依次表示的模型為比例模型、鍵線式、球棍模型，點擊可切換；

⑤點擊右上角“×”，即可退出當前界面；

⑥點擊左下角“···”，打開元素周期表，點擊“S”，回到畫板，點擊可得“H2S”。

【成果交流】學生將書寫的結構式拍照，發送到班級群，見圖6。

【教師】大家做的非常棒！同學們不妨再思考2個問題：

①同主族氫化物的球棍模型、結構式是否有相似之處？

②C、N、O、F可以形成的連接線數目（化學鍵）有什么規律可循？

【學生】思考（稍等片刻，有學生已經在群中回復留言）

【投影】歸納整理，見圖7。

（4）線下活動2：搭建常見有機分子模型，嘗試書寫其結構式

【教師】非金屬原子在形成分子時，常見的化學鍵數目等于其達到相對穩定結構所需的電子數目，而且在形成分子時，通常每一根化學鍵都要利用到。

【線下活動】參考以下步驟，查看乙烷、乙烯、乙炔的球棍模型，并嘗試整理其化學式、結構式。

①點擊左下角“＼”，僅點擊一下；查看其球棍模型，請嘗試在演草紙上書寫該有機物的化學式、結構式；

②點擊左下角“＼＼”，僅點擊一下；查看其球棍模型，請嘗試在演草紙上書寫該有機物的化學式、結構式；

③點擊左下角“＼＼＼”，僅點擊一下；查看其球棍模型，請嘗試在演草紙上書寫該有機物的化學式、結構式。

【成果交流】學生將書寫的結構式、化學式拍照，發送到班級群。

【投影】歸納整理，見圖8。

【教師】我們發現，非金屬元素形成物質時，原子間的化學鍵不僅可以形成單鍵，也有雙鍵、三鍵的形式。而且，其中每個原子的化學鍵都被完全利用。

（5）線下活動3：嘗試分析更復雜的分子結構，N2、CO2、H2O2、HClO。

【線下活動】學以致用：請嘗試推斷N2、CO2、H2O2、HClO的結構式。

【成果交流】學生將書寫的結構式、化學式拍照，發送到班級群。

【教師】結合同學們提交的結構，有幾個問題需要提醒注意：第一，多原子分子中，如何判斷分子中的中心原子？第二，結構式繪制能否表示出分子的空間結構？

【學生】思考

【視頻連線】化學鍵數目多的原子作中心，結構式不太好表示分子的空間結構。

【教師】對，能夠形成更多化學鍵的原子一般作為多原子分子的中心，例如HClO，化學式看上去是Cl作中心，其實是O連接H、Cl；同時，一般建議同學們將結構式寫的橫平豎直就行，不用考慮分子的空間結構。

【投影】教師展示4種分子的繪制過程和球棍模型

【投影】歸納整理，見圖9。

（6）反思與追問1

【教師】分子結構模型和真實的分子，完全相同嗎？

【學生】思考反饋

【教師】三種結構表示方法，哪一個表示是正確的呢？哪一個是真正的分子呢？嗯，它們都是，又都不是。嚴格地說，它們都只是模型而已，對某些場合適用的圖像，而對另外一些場合就不恰當了。

化學式HClO無法告訴我們各個原子間的連接情況，因此產生了結構式，那么次氯酸分子的真正結構就是這個樣子嗎？既是，又不是，在有些層面上看是，而在另一些層面上看則不是。化學家們希望看到三維圖像，看到原子之間的“真實”的距離，也就是按照正確比例畫出的分子。利用X射線衍射的技術就能得詳圖，于是就有了球棍模型，或許這是20世紀人們最熟悉的一種分子圖示。對原子實際占有的體積更加“逼真”的描繪是比例模型。[1]

（7）反思與追問2

【教師】化學鍵真的存在嗎？

【學生】思考反饋

【教師】科學家們借助一些事實間接證明了原子之間存在著“膠”——化學鍵。在通常情況下，無論是冰、水還是水蒸氣，水分子永遠都是H2O，不可能輕易分解成1個O和2個H，怎樣才能實現這個變化？需要通電或者加熱，輸入能量的方法才能打破它們之間的連接作用力，就如同粘在一起的巴基球，你想把它分開，需要付出力氣一樣。

為什么Mg、C燃燒都需要加熱或點燃的操作，這也是要通過提供能量的方法破壞其中化學鍵作用力，將它們拆成一個一個原子參加反應。

化學鍵真的廣泛存在于幾乎所有的物質之中，無論單質還是化合物，當然不能像球棍模型那么真實可觸。

【投影】科學家們已經拍攝到了！見圖10。

【教師】這就是我們這節課的主要內容，下節課將在結構式的基礎上學習化學鍵中的“共價鍵”。請大家完成課下作業和預習。

四、幾點想法

1.改善課堂參與度與互動性，提升學生學習熱情

這幾款軟件永久免費，支持多平臺，具有較低準入度和較高易用度，不僅適用于常見分子結構、球棍模型的搭建任務，更擅長有機分子結構繪制、命名、結構中原子共面性AR交互操作，涵蓋高中有機化學基礎教學的諸多要點。

在實際使用過程中，KingDraw軟件在很大程度上彌補了沒有球棍模型的缺憾，能夠幫助學生更直觀地感受化學鍵和球棍模型，AR交互不錯；相比其他直播課程，學生的參與度和互動性有了很大改善，大部分表示軟件很有趣；同時，還可以提高學生學習熱情的持久度，課下學生仍與教師溝通分子結構搭建和繪制操作，見圖11。

2.分享交流教學心得，研討提升教學水平

筆者在備課過程中，恰巧遇到幾個微信群組中有教師探討有機分子共面的疑難問題，通過分享軟件、模擬和研討講解方法，很快就解決了問題。同時，在開封市高中化學教研群中分享制作的使用視頻，與同行共同探討軟件的使用問題，共同提升教學水平，見圖12。

同時，本節教學模式對網絡授課中分子結構、有機化學有關內容的教學具有較高的參考價值。其中，設計引導學生使用繪制軟件的操作步驟，在完成操作講解的同時，又完成了分組活動任務，優化了課堂教學節奏和設計簡潔度。

利用班級群組拍照上傳、在線分享交流任務成果，加強師生和生生互動評價等環節，提升了參與度與互動性，互動設計依托直播平臺，操作簡單，可復制性強，易于推廣。

參考資料

[1]（美）霍夫曼（Hoffmann，R.），（美）托倫斯（Torrence，V.）著，金麗莉，吳思，花季紅譯.想象中的化學：對科學的反思[M].上海：上海科技教育出版社，2003：9-11