淺談MaterialsStudio在物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)學習中的應用

摘 要：物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)是高中化學學習的重點和難點之一。本文結(jié)合物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊中分子構(gòu)型、堆積模型、晶體結(jié)構(gòu)等教學內(nèi)容，利用Materials Studio的Visualizer等插件，可視化、多維度演示原子、分子、晶體等模型，強化學生對化學微觀結(jié)構(gòu)的認知，提升學生的宏觀辨識與微觀探析學科素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：Materials Studio;物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì);可視化;教學

一、問題的提出

化學是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化及其應用的一門基礎學科[1]。在高中化學課程體系中，物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)作為選擇性必修是在必修模塊物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎內(nèi)容的基礎上建立起宏觀與微觀之間更加深入的聯(lián)結(jié)的模塊。在必修模塊主題的學習中，已經(jīng)學習了原子結(jié)構(gòu)與元素周期律、化學鍵等必修模塊知識，然而通過進一步學習，從原子、分子水平上認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的組成與構(gòu)成規(guī)律，讓學生形成觀念性的認識仍具有一定的認知難度。

在當今信息時代，多媒體技術(shù)、教學輔助軟件等現(xiàn)代教育技術(shù)開始逐漸成為改革的推動力，2017年版課程標準中也建議要重視信息技術(shù)的應用，提出“強化信息技術(shù)與化學教學的深度融合，促進教師教學方式和學生學習方式的改變”[2]。聚焦于物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊的學習，物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)所涉及的概念與知識具有抽象性與復雜性，那么應如何幫助學生在已有元素周期律、原子結(jié)構(gòu)和化學鍵相關(guān)概念和知識的基礎上，學習物質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的奧秘？采用怎樣的演示教學才能幫助學生更加容易的理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相關(guān)概念？因此，將化學專業(yè)軟件融入物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)學習中，能作為學生學習化學的輔助性工具提升學生的學習興趣，發(fā)展學生“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養(yǎng)。

二、物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)教學的得力助手——Materials Studio

許多化學專業(yè)軟件如Diamond、CrystalMaker、GaussView、ChemBioOffice、Materials Studio，都能為化學教學提供一定幫助，其中Materials Studio軟件是由美國BIOVIA（前身為Accelrys）公司開發(fā)的一款全功能的建模和仿真環(huán)境軟件。Materials Studio軟件的功能極為強大，可以繪制與優(yōu)化分子的立體模型，計算分子內(nèi)的鍵長、鍵角，還可以用多視角三維觀察晶體的立體結(jié)構(gòu)，觀測晶體參數(shù)和晶體類型。此外Materials Studio軟件還可以對反應過程、表面化學反應進行計算與模擬[3]。

在2017版新課標中，要求學生能夠分析常見簡單分子的空間結(jié)構(gòu)，能夠用模型說明晶體中的微粒及其微粒間的相互作用，借助Materials Studio軟件模擬的直觀手段，可充分降低學習內(nèi)容的枯燥抽象程度，降低空間思維能力和想象力的要求，促進學生對物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊中分子構(gòu)型、堆積模型、晶體結(jié)構(gòu)等教學內(nèi)容相關(guān)內(nèi)容的理解和認識，發(fā)展學生“宏觀辨識與微觀探析”的化學學科核心素養(yǎng)。

三、Materials Studio軟件在物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)學習中的應用

Materials Studio軟件是一個多功能的化學專業(yè)軟件包，主要包括Analytical and Crystallization（分析和結(jié)晶化）、Quantum and Catalysis（量子和催化）、Polymers and Classical Simulation（高分子和經(jīng)典模擬）、Materials Visualizer（材料可視化工具）四大組件。在物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的學習中，主要涉及到是Materials Visualizer（材料可視化工具）組件，使用其可以創(chuàng)建分子的三維立體模型，也可以把復雜的堆積模型和晶體結(jié)構(gòu)用以可視化的、容易理解的球棍模型表示出來，能讓學生直觀的、多角度的觀察復雜晶體結(jié)構(gòu)。

（1）輔助分子立體構(gòu)型學習

在分子的立體構(gòu)型章節(jié)的學習中，要求掌握共價分子的特定構(gòu)型，并能根據(jù)價層電子對互斥理論（VSEPR）計算出中心原子孤對電子數(shù)和價層電子對數(shù)，根據(jù)相關(guān)結(jié)果預測分子的立體構(gòu)型。以化學中常見的CH4分子和CH3Cl分子的學習為例，在此章節(jié)的學習中，可以在Sketch Toolbar（繪制工具欄）上單擊Sketch Atom按鈕，在下拉選項中選擇碳，繪制一個碳原子，之后單擊Auto Hydrogen按鈕，添加適當數(shù)目的氫原子。在3D ViewerToolbar（繪制工具欄）上單擊Selection Mode按鈕，選中CH4分子，并在View菜單欄下選擇Display Style，在Display Style對話框的Atom選項頁中可以分別選擇CPK（球堆砌模型）和Ball and Stick（球棍模型），得到CH4分子的不同模型（圖1），并可以將該分子模型轉(zhuǎn)動與移動，更加直觀地感受分子的微觀構(gòu)型。

在初步學習VSEPR理論時可能會產(chǎn)生這樣的困惑，雖然CH3Cl也是四面體，但與CH4的正四面體構(gòu)型能有多大區(qū)別呢？Cl取代H之后到底會對鍵長和鍵角產(chǎn)生多大影響？傳統(tǒng)的教學方式難以直觀的判斷CH3Cl與CH4的差異，我們可以利用Sketch Toolbar（繪制工具欄）上Measure/Change工具，對鍵長和鍵角進行測量。繪制好CH3Cl與CH4的模型后，點擊Clean按鈕，使所繪制結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，點擊Measure/Change按鈕，在下拉選項中選擇Distance，依次點擊所測量鍵長的相鄰兩個原子，軟件便能測量兩原子之間距離（綠色字體顯示）;在下拉選項中選擇Angle，依次點擊所測量鍵角的端點、定點、端點，軟件便能測量兩化學鍵的鍵角（黃色字體顯示）。對于CH4分子，其中4個C-H的鍵長為1.140 ?，6個H-C-H的鍵角為109.471o。對于CH3Cl分子，其中C-Cl的鍵長均為1.760 ?，3個C-H的鍵長為1.140?，3個Cl-C-H的鍵角為109.468 o，3個H-C-H的鍵角為109.473 o。通過軟件可以直觀的、精確的、測量出CH4與CH3Cl的各項參數(shù)，可以更加深刻的認識到因為Cl原子的半徑相對較大，取代H原子之后，C-Cl鍵長變長，并且由于空間位阻的變大，使得H-C-H的鍵角略微變大，空間構(gòu)型也因此發(fā)生了變化。

除此之外，Materials Studio軟件還提供了Study Table（研究列表）功能，還可以將上述繪制的CH4分子和CH3Cl分子導入列表中，就快速的對分子的分子量、原子個數(shù)、原子種類、原子個數(shù)比例、偶極矩、電荷分布等進行統(tǒng)計、分析和對比。

（2）輔助堆積模型、晶體結(jié)構(gòu)學習

在必修模塊的主題學習大多是從宏觀角度對物質(zhì)的性質(zhì)進行探究與學習，而對微觀層面物質(zhì)的聚集狀態(tài)、構(gòu)成物質(zhì)的微粒以及微粒的空間排布等方面內(nèi)容學習較少。在晶體和聚集狀態(tài)中涉及許多抽象的概念和內(nèi)容如共價晶體、離子晶體等模型的結(jié)構(gòu)特點，這些內(nèi)容要求學生具備比較強的空間想象能力和思維能力，傳統(tǒng)的“黑板+粉筆”的學習方式較難建立起相應的模型，學習效果并不理想。

通過Materials Studio軟件自帶的多種晶體模型，能將傳統(tǒng)平面教學轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^形象的立體模型，用可視化的球棍模型展現(xiàn)出來，促進對復雜晶體結(jié)構(gòu)概念和知識的學習。以金剛石共價晶體的學習和分析為例，從File菜單欄下選擇Import命令，打開“Examples＼Documents＼3D Model”路徑下文件“C.msi”，便可以得到金剛石晶胞的線狀模型。在View菜單欄下選擇Display Style，在Display Style對話框的Atom選項頁中可以分別選擇Ball and Stick（球棍模型），得到金剛石晶胞的球棍模型（圖2左），3D Viewer Toolbar（繪制工具欄）上單擊Rotation Mode按鈕，能夠多角度觀察晶體構(gòu)型。此外，在軟件中也能重復繪制多個晶胞，在View菜單欄下選擇Display Style，在Display Style對話框的Lattice選項頁中可以通過Range設置X、Y和Z軸方向晶胞重復數(shù)量，觀察晶胞的重復后的情況（圖2右）。

通過自帶的晶體建模功能，Materials Studio軟件可以建立各種晶體的立體模型。如以中學化學常見的NaCl離子晶體為例，在Build菜單欄下選擇Crystal下級菜單打開BuildCrystal對話框，在SpaceGroup選項頁選擇空間群FM-3M，在Lattice Parameter輸入晶格變長參數(shù)為5.644?，之后在Build菜單欄下打開Add Atom對話框，輸入Na的晶胞坐標參數(shù)（0，0，0）和（0.5，0.5，0），以及Cl的晶胞坐標參數(shù)（0.5，0.5，0.5）和（0.5，0，0），便能夠得到NaCl離子晶體的晶胞模型（圖3）。

除此之外，Materials Studio軟件的Analytical and Crystallization組件也提供了晶體粉末衍射譜圖計算與模擬的功能。在2017版的化學課程標準中增加了對晶體結(jié)構(gòu)測定技術(shù)（如：粉末X射線晶體衍射XRD）的介紹，介紹現(xiàn)代分析技術(shù)在結(jié)構(gòu)研究的應用，結(jié)合Materials Studio軟件，能開展此部分的學習與研究。以NaCl離子晶體為例，在繪制完成NaCl晶胞后，在Modules菜單欄下選擇Reflex下級菜單打開PowderDiffraction對話框，設置2-Theta角為5-80 o，之后點擊Calculate，即可等到NaCl離子晶體的模擬XRD衍射圖譜。

Materials Studio軟件既能創(chuàng)建分子的三維立體模型，用容易理解的球棍模型表示出來;也可以把復雜的晶體結(jié)構(gòu)可視化，使學生直觀地理解復雜與抽象的晶體結(jié)構(gòu);還能幫助學生認識現(xiàn)代化學學科研究材料結(jié)構(gòu)的表征方法，使學生認識到微觀的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)可以借助分析儀器進行研究，更加容易建立起微觀結(jié)構(gòu)與宏觀現(xiàn)象的聯(lián)結(jié)。

四、結(jié)語

信息技術(shù)的發(fā)展正深刻影響教學的方式方法，如何將化學專業(yè)軟件應用于化學教育，使二者深度融合是值得研究的問題。物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的概念存在抽象性與復雜性的特點，也是學習的重點和難點，在傳統(tǒng)的“黑板+粉筆”教學的基礎上，以培育學生的學科核心素養(yǎng)為落點，適切的利用化學軟件，能將略顯枯燥無趣的抽象概念轉(zhuǎn)變成直觀形象的觀察學習過程，加深學生對化學概念的理解，激發(fā)學生的學習興趣，使物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的教學更加事半功倍。

參考文獻

[1] 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.

[2]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： 87.

[3] 楊華哲.Materials Studio軟件在材料物理教學與科研中的應用[J].物理與工程，2017，27（03）：52-55+62.

作者簡介：盧雨辰（1989年），男，河北省秦皇島人，博士，單位：天津市教育招生考試院，郵編300387