基于可視化軟件eChem的分子立體構型學習

蘆瑞 劉英濤

摘要：化學是基于原子、分子水平上研究物質的一門基礎學科。在高中化學中涉及了大量的分子立體構型，然而，高中學生尚處于具象思維向抽象思維過渡階段，缺乏對微觀粒子構型的空間想象能力，因此，將分子構型可視化顯得尤為重要。為學生正確理解分子構型提供幫助，將eChem軟件應用于高中化學學習中，通過軟件將微觀粒子可視化幫助學生樹立微粒觀，進而建立微觀與符號之間的聯系。

關鍵詞：eChem;立體構型;可視化

文章編號：1008-0546（2019）02-0007-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科，其特征是從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創造物質[1]。化學將學生的視角從宏觀物體帶向微觀粒子領域，體現物質的宏觀性質和微觀結構的雙重表征，幫助學生理解微觀粒子結構與化學符號之間的聯系。然而，處于高中學習階段的學生思維雖已超越了對具體的可感知事物的依賴，但僅能初步從多維度對抽象的性質進行思維[2]，這就限制了學生對分子立體構型的空間想象能力，導致其在學習分子立體構型知識過程中遇到困難，這在某種程度上也促進了一些教學輔助軟件的發展。同時，2017年版《普通高中化學課程標準》已明確指出信息技術與課程整合的必要性。因此，將軟件技術融入教育教學中已成為教學改革的一大趨勢。在化學教學中，教師要示范性地指導學生運用化學軟件學習化學，讓化學軟件成為學生學習化學的輔助性工具，進而提升學習化學的興趣。

一、分子立體構型學習的得力助手——eChem

眾多化學軟件如Diamond、GaussView5.0、Authorware、Chem3D等都可繪制分子模型進行分子立體構型的學習，但由于這些軟件界面復雜，教師在研讀使用說明和制作分子模型上會耗費大量時間，學生學習化學軟件時也會產生困難。在新課標中，學業要求表明學生要學會分析簡單的分子空間構型，人教版選修3《物質結構與性質》一書分子立體構型的章節中就有利用計算機軟件制作分子立體模型的實踐活動，因此，尋找一款簡便、易操作、實用性強的軟件是必要的。本文倡導的eChem是一款國外開發的界面簡潔、操作簡單并可有效地將信息技術融入化學課程中的軟件。借助計算機軟件模擬的直觀手段，可充分發揮學生自己動手搭建分子結構活動的作用，降低教學內容的抽象性，促進學生對分子立體構型相關內容的理解和認識，發展學生“宏觀辨識與微觀探析”的化學學科核心素養[3]。

二、eChem軟件在分子立體構型學習中的應用

eChem是一個化學軟件包，是由密歇根大學教育學院研制和開發的[4]，該軟件可以創建虛擬的三維分子模型，同時可以實現在一個界面內將多個分子形象化，包含分子的模型構造和分子的性質比較。如圖1所示，eChem主要包括三個工具：Construct（構造分子模型）Visualize（形象化比較分子）和Analyze（分析分子性質）。eChem軟件有兩個版本，即網絡版本和應用程序版本，安裝時任何一種版本都適用于Windows或Mac操作系統。使用說明詳見網址：http：//www.hi-ce.org/echem/index.html。

1.輔助無機分子立體構型學習

學習無機分子立體構型時，教師可示范性地應用eChem軟件進行教學，指導學生軟件的使用方法。學生根據價層電子對互斥理論計算出中心原子孤對電子數和價層電子對數推測出VSEPR模型，進而得知分子的立體構型。要驗證某分子的立體構型正確與否，可依據中心原子的雜化軌道類型并在eChem軟件中繪制分子的立體構型進行判斷。

以中學化學中常見的H₂O分子和NH₃分子為例，學生在初步學習分子立體構型知識時通常會產生這樣的困惑：H₂O分子和NH₃分子的中心原子的軌道雜化類型都是sp³且VSEPR模型都是四面體，但為何H₂O分子的實際立體構型是V型，而NH₃分子的實際立體構型卻是三角錐型？通過分析可知，H₂O分子中存在兩對孤對電子，而NH₃分子中存在一對孤對電子，導致分子立體構型不同。對此，學生無法將抽象的理論與具象的立體結構聯系在一起，從而導致學習分子立體構型遇到困難，其實我們完全可以借助eChem軟件進行輔助學習。在H₂O分子中，中心原子氧原子的雜化軌道類型為sp³，學生可在eChem軟件中找到中心氧原子雜化方式為sp³的氧原子，點擊選擇，在construct界面單擊便繪制出了中心原子氧原子，然后選擇氫原子，此時便繪制出了H₂O分子的空間構型，即為V型。繪制NH₃分子時，中心原子為氮原子，氮原子的雜化軌道類型為sp³，在eChem軟件中找到雜化方式為sp³的氮原子，點擊雜化方式為sp³的氮原子，在construct界面進行繪制，把氫原子補全，即可得到NH₃分子的空間立體構型。學生可將繪制好的H₂O分子和NH₃分子的立體構型置于同一界面中進行比較學習，推測孤對電子所在位置，如圖2（a）所示，同時，也可以將分子模型轉動（如圖2（b）所示），更加直觀地感受微觀分子構型與宏觀物質之間的聯系。除此之外，該軟件還可以繪制BallandStick（球棍模型）、Wireframe（線狀模型）、SpaceFill（比例模型），對需要的分子模型進行原子數目、沸點、碳原子個數、偶極矩、相對分子質量等數值的分析，也可以將有可比性的分子構型置于兩界面、四界面進行對比學習，方便了學生的學習。

2.輔助有機分子立體構型學習

eChem軟件不僅可以繪制無機分子立體構型，也可以繪制鏈狀、環狀的有機分子立體結構模型，對學生學習空間立體構型產生了積極的促進作用。如問有機分子4-丁烯基-2-乙炔基甲苯（結構式如圖3（a）所示）中共平面的碳原子最多有幾個，學生也許會很難做出判斷，這時可以借助eChem軟件繪制分子模型。由于該軟件中共價鍵不能旋轉，所以繪制兩個片段進行判斷，如圖3（b）、（c）所示，可以看出該分子最多有13個碳原子共平面。

利用eChem軟件，學生可將繪制好的分子立體構型直接在電腦上旋轉觀看，借助計算機軟件模擬的直觀手段，降低立體構型的抽象性，充分發揮自己動手搭建分子結構的能力，促進對分子立體構型相關內容的理解，幫助建構微觀結構與化學符號間的聯系。

三、總結

利用eChem軟件可將傳統的圖片式學習轉換為3D立體式學習，借助計算機的力量來幫助學習者積極地解決問題，建立概念上的理解，為化學教育提供便捷。eChem軟件以其簡潔、干凈、小巧的界面及特有的構建分子模型的功能，不僅方便了教師在分子立體構型中的教學，也有利于提高學生動手能力，充分調動學生的視覺及空間想象能力，使抽象問題具體化，增加學生的學習興趣，幫助學生建立映象表征和符號表征之間的聯系，實現宏觀映象、抽象符號、微觀粒子間的相互轉換。但是，該軟件在搭建分子模型時也具有一定的局限性。并不是所有的分子都可以建模，可以看到該軟件只是包含了少數元素，因此可構建的分子模型較少，例如繪制SO₃分子模型，其中中心原子硫原子屬于sp²雜化，但該軟件sp²雜化方式卻是硫雙鍵，因此無法繪制出SO₃立體分子模型。另外，分子模型中的共價鍵不能旋轉，這就為分子模型的建立帶來了一定的局限性。利用eChem軟件可建立大多數有機化合物和部分無機化合物分子模型，該軟件是一款很好的計算機模擬軟件，性能穩定，為響應《普通高中化學課程標準（2017年版）》要求，可將該軟件推廣于中學及大學低年級全體師生使用。

參考文獻

[1][3]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：1，41-42，84

[2]陳琦，劉孺德.當代教育心理學（第2版）[M].北京：北京師范大學出版社，2007：31-34

[4]沈理明，章建東，田軍.eChem——分子結構教與學的輔助工具[J].化學教學，2005（10）：42-44