淺析信息技術(shù)在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用路徑及影響

劉現(xiàn)林

化學(xué)是一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，也是社會(huì)進(jìn)步和科技發(fā)展的基石，現(xiàn)在國(guó)家正需要高質(zhì)量的化學(xué)人才。而當(dāng)前，高中化學(xué)教育和教學(xué)面臨著改革和創(chuàng)新的挑戰(zhàn)，亟須改革教學(xué)手段和教學(xué)方法。利用計(jì)算機(jī)輔助工具，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)習(xí)質(zhì)量和效率，為國(guó)家培養(yǎng)新一代化學(xué)專業(yè)人才奠定基礎(chǔ)。

一、 課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信息技術(shù)的要求

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱《新課標(biāo)》)指出“要重視信息技術(shù)的應(yīng)用”。信息技術(shù)與化學(xué)在很多方面存在交叉融合，作為中心學(xué)科的化學(xué)，在材料、能源、醫(yī)療健康、環(huán)境保護(hù)等科技發(fā)展中發(fā)揮著無(wú)可取代的作用。高中化學(xué)教師要積極探索在高中化學(xué)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中恰當(dāng)使用信息技術(shù)，特別是利用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)和微觀過(guò)程，把一些實(shí)驗(yàn)無(wú)法呈現(xiàn)的現(xiàn)象和微觀過(guò)程直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，成為高中化學(xué)教學(xué)的有益補(bǔ)充。

信息技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中的恰當(dāng)使用，有利于提高教師的教學(xué)效率，有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的深度理解。教研組要重視化學(xué)教材信息資源平臺(tái)的建設(shè)，為各種潛力的學(xué)生和教師提供多樣的學(xué)習(xí)資源，助力中國(guó)化學(xué)教育的發(fā)展。

二、 信息技術(shù)的重要組成部分——計(jì)算化學(xué)

信息技術(shù)(information technology，縮寫(xiě)IT)，是主要用于管理和處理信息所采用的各種技術(shù)的總稱，尤其涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)。當(dāng)今計(jì)算化學(xué)已經(jīng)是信息技術(shù)在化學(xué)中應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

在化學(xué)發(fā)展的早期，化學(xué)家通過(guò)對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的歸納形成了樸素的化學(xué)理論，以至于在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)化學(xué)被認(rèn)為是“純粹實(shí)驗(yàn)的科學(xué)”。20世紀(jì)初，物理學(xué)家創(chuàng)立了量子力學(xué)。量子力學(xué)的創(chuàng)立，使得“化學(xué)變化可以通過(guò)計(jì)算定量地說(shuō)明和預(yù)測(cè)”有了理論基礎(chǔ)。化學(xué)家逐步認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)和理論可以協(xié)同探索分子的性質(zhì)并處理復(fù)雜的化學(xué)問(wèn)題。理論計(jì)算不僅能說(shuō)明已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并提供實(shí)驗(yàn)難以得到的化學(xué)變化過(guò)程的細(xì)節(jié)和微觀結(jié)構(gòu)信息，還能預(yù)測(cè)新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)前，理論化學(xué)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，力求計(jì)算真實(shí)的化學(xué)體系，力求與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果接近。

理論計(jì)算化學(xué)致力于更好地為發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)提供依據(jù)，化學(xué)已經(jīng)逐步發(fā)展為依靠“實(shí)驗(yàn)、理論和計(jì)算”三根支柱發(fā)展的學(xué)科。隨著現(xiàn)代物理學(xué)和數(shù)學(xué)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力日益強(qiáng)大，研究化學(xué)過(guò)程的理論體系迅速發(fā)展，計(jì)算化學(xué)學(xué)科體系就逐步形成了。計(jì)算化學(xué)(computational chemistry)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與化學(xué)的交叉學(xué)科，它的主要目的是利用計(jì)算機(jī)程序計(jì)算分子的性質(zhì)，例如總能量、偶極矩、反應(yīng)活性等，解釋具體的化學(xué)問(wèn)題。計(jì)算化學(xué)與材料、生命、信息科學(xué)等領(lǐng)域的融合交叉，使其在化學(xué)及相關(guān)學(xué)科中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

三、 計(jì)算化學(xué)對(duì)高中化學(xué)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的影響

采用計(jì)算化學(xué)模擬及可視化軟件分析，可以將化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)與過(guò)程更形象地展現(xiàn)在學(xué)生眼前，并且使抽象概念具體化，有助于學(xué)生理解反應(yīng)的機(jī)理和現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)微觀過(guò)程的興趣。

在高中化學(xué)課堂上利用符合高中學(xué)生認(rèn)知的、與計(jì)算化學(xué)相關(guān)的多媒體技術(shù)，動(dòng)態(tài)地展示抽象的概念和相對(duì)復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)理，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，有利于突破教學(xué)重點(diǎn)并解決教學(xué)難點(diǎn)。信息技術(shù)也因其高效、形象化和易于理解等特點(diǎn)，使得教學(xué)手段多樣化、靈活化。

(一)計(jì)算化學(xué)對(duì)化學(xué)反應(yīng)原理的意義

在化學(xué)反應(yīng)原理中，計(jì)算化學(xué)從基本的量子化學(xué)理論出發(fā)，利用大量的數(shù)值運(yùn)算方式去探究一個(gè)系統(tǒng)的化學(xué)性質(zhì)。最常見(jiàn)的是，用計(jì)算化學(xué)解釋各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，幫助化學(xué)工作者了解、分析觀察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外，計(jì)算化學(xué)對(duì)未知或觀測(cè)困難的化學(xué)系統(tǒng)可以進(jìn)行預(yù)測(cè)。當(dāng)前，化學(xué)理論還在不斷地發(fā)展和完善。計(jì)算化學(xué)用于驗(yàn)證、測(cè)試、修正或發(fā)展高層次的化學(xué)理論，時(shí)有發(fā)生。這些對(duì)化學(xué)人才的培養(yǎng)非常重要，對(duì)高中學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)，特別是理解化學(xué)本質(zhì)同樣重要。高中化學(xué)教學(xué)要讓學(xué)生掌握化學(xué)反應(yīng)的基本規(guī)律，建立物質(zhì)變化的正確思維模型，了解化學(xué)能與熱能、電能等能量轉(zhuǎn)化的基本原理，能對(duì)生產(chǎn)、生活和自然界中有關(guān)的化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行合理的解釋。

例如，針對(duì)酸堿滴定、酸堿平衡的過(guò)程，先利用儀器測(cè)出溶液的pH值，再利用軟件模擬實(shí)測(cè)曲線，學(xué)生饒有興趣地通過(guò)推理判斷滴定終點(diǎn)、溶液呈中性的點(diǎn)，利于學(xué)生自主完成知識(shí)的構(gòu)建。針對(duì)催化反應(yīng)機(jī)理，可以通過(guò)計(jì)算得出反應(yīng)物、過(guò)渡態(tài)、生成物的能量，以及不同的催化劑下此反應(yīng)路徑的反應(yīng)熱、反應(yīng)的能壘、活化能等。借助計(jì)算結(jié)果挑選合適的催化劑，同時(shí)為設(shè)計(jì)更好的催化劑提供理論依據(jù)。

[教學(xué)實(shí)例1]研究發(fā)現(xiàn)霧霾中的炭黑顆粒物可以使O2活化并產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有不良影響的活化氧，用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算這一活化過(guò)程的能量變化如圖1所示。反應(yīng)過(guò)程中存在多步反應(yīng)的活化能，根據(jù)能量變化圖分析，可以得到如下結(jié)論：O2的活化是O—O鍵的斷裂與C—O鍵的形成過(guò)程，每一個(gè)O2活化放出0.29eV的能量；沒(méi)有水加入的反應(yīng)活化能為E=0.75eV，有水加入的反應(yīng)的活化能為E=0.57eV，所以水可使O2活化反應(yīng)的活化能降低0.75eV-0.57eV=0.18eV；炭黑顆粒可以活化O2產(chǎn)生活化氧，而活化氧可以把SO2快速氧化成SO3，炭黑顆粒就是這個(gè)過(guò)程的催化劑。教師在帶領(lǐng)學(xué)生識(shí)圖和發(fā)掘圖像信息的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的微觀探析核心素養(yǎng)。

圖1 活化過(guò)程的能量變化模擬計(jì)算結(jié)果

(二)計(jì)算化學(xué)對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)的意義

在物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)中，常用的計(jì)算機(jī)軟件有Matlab、ChemOffice、Chemcraft、Gamess、diamond、Orbital Viewer、Materal Studio、Gaussian和GaussView等。只要在Gaussian09軟件中導(dǎo)入分子結(jié)構(gòu)文件，設(shè)置凈電荷、自旋多重度和選擇溶劑模型等參數(shù)，進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算后，能提供實(shí)驗(yàn)觀察不到的有關(guān)分子的信息并形象具體地進(jìn)行展現(xiàn)，如幾何優(yōu)化、NMR、化合物的原子、分子電子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵性質(zhì)、分子間相互作用力、分子軌道和電子密度等，增加學(xué)生對(duì)理論課堂的興趣。

例如，二元化合物的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以用作化合物分類(lèi)的依據(jù)，并且可用于預(yù)測(cè)化合物的理化性質(zhì)，并根據(jù)物質(zhì)性質(zhì)的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)新的功能材料。

[教學(xué)實(shí)例2]磷及其化合物在電池、催化等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。黑磷與石墨類(lèi)似，也具有層狀結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。為大幅度提高鋰電池的充電速率，科學(xué)家最近研發(fā)了黑磷-石墨復(fù)合負(fù)極材料，其單層結(jié)構(gòu)俯視圖如圖3所示。貴金屬磷化物Rh2P(化學(xué)式量為237)的立方晶胞如圖4所示。

圖2 黑磷

圖3 黑磷-石墨

圖4 貴金屬磷化物Rh2P

(三)計(jì)算化學(xué)對(duì)有機(jī)化學(xué)的意義

在有機(jī)化學(xué)中，常用的計(jì)算機(jī)軟件有InDraw、KingDraw、ChemSketch、MestReNova、ChemOffice、Materal Studio、Gaussian等。除了利用計(jì)算機(jī)軟件獲得有機(jī)物分子的直觀信息之外，有機(jī)分析的重要手段之一就是檢索圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)，但有機(jī)分析的商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)一般年費(fèi)用較高，不適合高中教學(xué)。為滿足高中教學(xué)的需要，高中老師可以建立簡(jiǎn)單實(shí)用的數(shù)據(jù)庫(kù)，將搜集到的常數(shù)譜圖、操作規(guī)則、有機(jī)合成路線、應(yīng)用程序等信息存貯在其中，以備需要時(shí)檢索之用。

例如，網(wǎng)上有一些免費(fèi)譜圖網(wǎng)站，我們可以根據(jù)需要選擇符合高中教學(xué)需要的圖譜(IR、MS、Gas、NMR、UV、Ion Clustering Data...)，建立高中標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫(kù)；學(xué)生參考這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)分子量、官能團(tuán)和化學(xué)鍵等結(jié)構(gòu)信息就可以判斷物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)。有機(jī)分子的立體幾何構(gòu)型是高中有機(jī)化學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)，也是重點(diǎn)。結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，有機(jī)分子的化學(xué)行為更多取決于分子的三維幾何構(gòu)型。如何根據(jù)結(jié)構(gòu)式，在頭腦中構(gòu)建出分子的正確立體構(gòu)型，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，而通過(guò)計(jì)算模擬可以輕松解決這個(gè)問(wèn)題。比如環(huán)己烷的兩種構(gòu)象如圖5、圖6所示，采用Chemoffice軟件不僅可以快速模擬出分子的立體構(gòu)型，而且還可以對(duì)立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，查看構(gòu)型時(shí)，可以通過(guò)鼠標(biāo)隨意地對(duì)分子進(jìn)行平移和反轉(zhuǎn)。

圖5 船式構(gòu)象

圖6 椅式構(gòu)象

[教學(xué)實(shí)例3]在人教版(2019版)有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)第二章第三節(jié)芳香烴中，教材從苯的結(jié)構(gòu)著手研究苯。根據(jù)苯的分子式C6H6，與飽和烴相比，少了8個(gè)H，不飽和程度很大，理論上苯應(yīng)該與乙烯等不飽和烴具有相似的化學(xué)性質(zhì)。但是，實(shí)驗(yàn)表明苯不能使酸性KMnO4溶液和溴水褪色，不具有碳碳雙鍵的結(jié)構(gòu)，這給學(xué)生造成了認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生探究苯的結(jié)構(gòu)的興趣。然后在chem3D軟件中模擬展示苯的立體構(gòu)型，呈平面正六邊形，由此啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生用雜化理論解釋苯的結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步運(yùn)用Gaussian軟件優(yōu)化乙烷、乙烯和苯中的碳碳鍵長(zhǎng)分別為153pm、133pm和139pm，說(shuō)明苯中碳碳鍵介于單、雙鍵之間。結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，苯的特殊結(jié)構(gòu)也就決定了苯兼有飽和烴與不飽和烴的性質(zhì)，這樣完善和升華了烴的知識(shí)。在chemdraw軟件中還可以快速預(yù)測(cè)各種有機(jī)化合物的1H-NMR譜圖，很好地滿足了高中化學(xué)教學(xué)的要求。如苯的1H-NMR模擬譜圖如圖7所示，H原子的化學(xué)位移為7.34，說(shuō)明苯中所有H原子等價(jià)。直觀的數(shù)據(jù)使學(xué)生從微觀角度對(duì)苯結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)更加清晰，有利于培養(yǎng)學(xué)生觀察能力和邏輯思維能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識(shí)和微觀探析的核心素養(yǎng)。

圖7 苯的1H-NMR模擬譜圖

(四)計(jì)算化學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)化學(xué)的意義

在實(shí)驗(yàn)化學(xué)中，化學(xué)反應(yīng)在微觀層面進(jìn)行且比較抽象，僅依靠實(shí)物模型和比喻等傳統(tǒng)的教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)抽象原理的深入理解往往存在困難。通過(guò)計(jì)算化學(xué)的模擬，不僅能從分子及原子水平解釋問(wèn)題，還可以從理論高度總結(jié)物質(zhì)在實(shí)驗(yàn)中所表現(xiàn)的性質(zhì)或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象的特定規(guī)律，這些規(guī)律又可以指導(dǎo)新的實(shí)驗(yàn)并預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從某種程度上說(shuō)，化學(xué)問(wèn)題上升到了哲學(xué)高度。

圖8 NO2和SO2反應(yīng)的微觀示意圖

四、 反思

信息技術(shù)使傳統(tǒng)的高中化學(xué)教學(xué)發(fā)生了深刻的變革。數(shù)據(jù)處理、結(jié)構(gòu)解析、分子設(shè)計(jì)、信號(hào)分析、有機(jī)合成、模擬實(shí)驗(yàn)等諸多方面的應(yīng)用，使得高中教師和學(xué)生已經(jīng)成為信息技術(shù)的受益者。在高中教學(xué)中，無(wú)論是晦澀難懂的理論講解還是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，信息技術(shù)的應(yīng)用都取得了事半功倍的教學(xué)效果，加深了學(xué)生對(duì)抽象知識(shí)的理解，提升了學(xué)生的核心素養(yǎng)。教師在基礎(chǔ)課程的講解過(guò)程中，將計(jì)算化學(xué)與基礎(chǔ)化學(xué)學(xué)科教學(xué)相結(jié)合，發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，必將促進(jìn)課堂教學(xué)有效性的進(jìn)一步提高。