以Orbital Viewer為輔助實施原子軌道和共價鍵類型的互動性課堂

余凡，韓靜華，胡冰倩，李堂明，梁昊，李艾華，王亮，李寶

1江漢大學化學與環境工程學院，光電化學材料與器件教育部重點實驗室，武漢 430056

2華中科技大學化學與化工學院，武漢 430074

無機化學課程作為高等院校相關專業學生進入大學后所接觸的第一門基礎課，，在整個化學知識體系構建中處于非常重要的地位。但是，由于高考改革導致的高中階段化學知識儲備、高中與大學階段學習方法的巨大差異、授課內容信息量大與可自主支配時間有限等因素，導致許多本科生感覺跟不上無機化學的學習進度，甚至喪失對相關專業的學習熱情[1-3]。其中較難的部分為物質結構，尤其是原子結構、分子結構章節知識點的學習，需要學生在極短的時間內充分發揮空間想象力從微觀角度去認知一個全新的量子世界，這使很多學生力不從心、甚至直接放棄相關知識點的學習。如果能在微觀結構教學中引入互動性教學模式，讓學生親自動手將不同理論模型呈現在眼前，將會有效提升學生的學習積極性。

為此，可以利用Orbital Viewer為輔助，在微觀結構教學過程中引入互動性教學。Orbital Viewer(OV)是一款簡便的化學結構學習軟件，它能根據輸入的不同參數繪制相應的三維原子軌道、分子軌道及成鍵類型示意圖，能根據個人愛好調節顯示效果，將結果輸出為VRML格式以方便瀏覽。該軟件可以通過輸入各個量子數、原子的坐標參數等，繪制原子軌道和鍵合形式。總之，該軟件操作非常便捷、占用資源較小，非常適合在課堂教學過程中，或者學生在課后體會學習等使用。免費下載網址為http://www.orbitals.com/[4]。

“百聞不如一見，百見不如一行”，因此，以OV為輔助在微觀結構的教學過程中實施互動性課堂，將立體的結構特征呈現在學生面前，讓學生親自去繪制原子軌道、共價鍵形式等，使教學回歸互動和實踐，能有效提高學生的學習熱情和積極性，在潛移默化中培養學生的科學素養[5-7]。

1 課程實施教學條件

本文介紹的互動性課堂實施主要針對材料化學專業學生，適合在30人以下的課堂實施，以保證課堂的實施效果。學生需要自帶筆記本電腦以方便操作。原子軌道的知識點構建包括：教師講解不同原子軌道的薛定諤方程的解，電子云的角度、徑向函數分布，師生間互動討論等內容，約占2學時；共價鍵的知識點包含共價鍵的成鍵本質，不同類型σ鍵、π鍵的成鍵，師生間互動討論，約占2學時。

2 依托Orbital Viewer為輔助實施原子軌道知識點的互動式課堂

【教學實施方案】在講解原子結構的基礎認知部分之后，學生已經對原子結構有了初步的認知，但絕大部分學生對原子結構的直觀認知應該還是停留在“行星模型”，對原子結構的真實模型無法進行構建。因此，需要利用專業軟件將具體形象化的原子結構呈現在學生面前。但傳統方法是教師在多媒體上直接給出原子軌道平面照片，介紹每一條原子軌道的概率密度、概率的分布。此教學方法收效因人而異，有的學生能夠迅速了解原子軌道的真實分布情況，但絕大部分學生仍很難建立有效的結構模型。為此，在原子軌道學習過程中依托OV為輔助的互動性課堂實施過程如下：

(1)詳細流程示意圖如圖1所示。首先回顧知識點引入新課，讓學生回顧各知識點含義，理解每一個參數的意義。

圖1 ns原子軌道互動性課堂教學流程圖

(2)以最簡單波函數Ψ100即1s的薛定諤方程解為例，講解包括角度函數、徑向函數的意義。最后提出問題，“那氫原子真實的1s軌道應該是什么樣子的呢？”接下來，引導學生利用Orbital Viewer來認知1s原子軌道的模型。教師具體介紹軟件的操作界面、參數設置的意義，引導學生構建1s的軌道模型，并描述其結構特征，師生共同討論完成1s軌道模型的建立，并進一步討論探究圖形的含義及特點。

(3)在教師問題引導下，學生修改參數去構建2s、3s、4s等軌道模型，認真觀察所建模型并比較、歸納1s-4s的軌道模型的特征和規律，通過師生互動討論得出“節面與峰值出現的規律為n-l個峰和n-l-1個節面”，建立立體原子軌道模型的正確認知。

(4)教師再通過問題引導學生自己去構建2p軌道的立體構型，觀察結構特征，并繼續去構建3p、4p的模型，師生互動討論歸納節面和節點的規律。

(5)最后教師進行課堂總結，闡述原子軌道的真實模型、節面和節點的規律性等。

【教學實施重點】此教學環節實施的重點在于如何引導學生自己去創建原子軌道模型，教師要介紹OV軟件的使用方法，從Display-orbital界面進入參數輸入界面。在Display-orbital對話框里選擇atom1，然后輸入相應n、l、m和x、y、z等，便可生成相應輪廓，其中的Factor可以調整正負取值；在Polygon-Psi^2 probability設置參數，調整輪廓圖中|Ψ|2的胖瘦；所畫輪廓圖可以另存為VRML 1.0文件以供后期查看。其中atom為所建原子，n、l、m為三個量子數，x、y、z為原子坐標。調整核外電子出現的次數點擊Display-point options。在明白這些基本參數之后，學生可自行構建不同的原子軌道，并進行歸納、總結。

【教師提出的引導性問題】實施互動性課堂時，教師可以提出的引導性問題有：在構建1s軌道時，可以提問，“1s原子軌道輸入的參數應該如何？1s軌道的圖形是什么樣子？”在構建1s軌道后，教師提問，“圖形中的小圓點代表什么？其密集的區域說明什么？”繼續推進其他s軌道時，提問，“2s、3s、4s軌道建立的參數如何設置？它們和1s一起有什么規律嗎？”

【學生的學習活動】學生在整體教學活動中會保持較高的參與感，積極思索相關問題、模型構建的方法，并建立如圖2所示原子軌道模型。但在歸納、總結2s、3s軌道時，對逐漸增加的層數理解不夠徹底，此時需要教師去詳細說明，指出概率分布的不同，有效實施互動性討論。整體而言，學生普遍反映通過互動式教學模式實施能激發學生的學習興趣，使用OV軟件建立原子軌道還能在呆板的知識點體系中引入可視化元素，建立有效的科學模型。

圖2 利用軟件構建的不同原子軌道示意圖

3 依托Orbital Viewer為輔助實施共價鍵知識點的互動式課堂

【教學實施方案】通過原子結構互動性課堂實施，學生已建立了正確的原子軌道模型，理解共價鍵的形成、電子云的重疊時就會有一定的理論基礎。但由于高中階段的學習基礎，即對共價鍵的理解僅限于八隅律規則，學生一般很難理解相鄰兩個原子間共用一對自旋方向相反的電子、電子云發生重疊這一成鍵本質。而如何建立合理的共價鍵模型，對于學生理解后續的雜化軌道、價層電子對互斥理論、分子軌道理論等就顯得尤為重要。為此，可嘗試以OV為輔助實施互動式教學模式，具體實施如下：

(1)首先以H2為例，講解共價鍵的本質，闡述兩個自旋方向相反的電子和兩個自旋方向相同的電子導致的異同，強調電子云或軌道的重疊，講解σ鍵1s-1s的成鍵形式。引導學生去建立兩個氫原子及其之間的σ鍵相互作用。引導學生觀察兩個電子云重疊的理論模型。

(2)教師講解1s-1s之間排斥態的形式，即兩個電子自旋方向相同時會導致兩個原子核間電子云重疊情況的差別，并引導學生利用OV去建立相應排斥態模型，比較重疊和排斥兩種狀態的差異。

(3)繼續引導學生構建1s-2p、2p-2p的σ鍵成鍵模型，同樣比較重疊、排斥兩種不同狀態的差別，歸納總結相關規律。

(4)教師進行三種σ鍵成鍵形式總結，如圖3，并依照此方式進行p-p、p-d等π鍵的學習及模型建立，如圖4所示。

圖3 s–s，s–p和p–p原子軌道形成σ鍵示意圖

圖4 p–p和p–d原子軌道形成π鍵示意圖

【教學實施重點】此部分實施的難點在如何有效建立兩個相互作用的原子。一般學生會在Display-orbital界面直接點擊add按鈕添加新原子，但最終結果會導致兩個氫原子重疊。少數同學會知道需要輸入新的氫原子坐標，將兩個氫原子分隔開來。因此，教師在學生建立模型失敗后，要引導提示學生建立坐標的概念，設置第二個原子xyz參數為(1,0,0)，會出現兩個獨立的1s軌道，并沒有發生相互重疊；再觀察(1/2,0,0)、(1/3,0,0)形式，再思索出現這些差異的原因是什么，最終建立如圖3所示正確成鍵形式。

為了說明排斥態的模型，告訴學生在atom2欄中的factor代表的意義為同號疊加，異號排斥。因此將輸入值改為-1，得到新的排斥模型，如圖5所示，引導學生比較其與重疊態的不同。

圖5 s–s和p–p原子軌道形成σ＊，π＊鍵分子軌道示意圖

【教師提出的引導性問題】在構建兩個氫原子重疊模型時，提問“氫氣分子中，每一個氫原子具有什么原子軌道？有幾個電子？如何在OV里建立兩個獨立的氫原子？”在成功建立氫氣分子模型后，再提問“既然已經清楚了1s-1s軌道的不同重疊形式，那是否有其他形式的σ鍵呢？比如1s-2p？2p-2p？下面請同學們自己建立相關模型，看看是否可以形成σ鍵？”

【學生的學習活動】共價鍵的理論模型的構筑相比原子軌道知識點的學習，難度更大。因此，很多同學面對兩個原子的構建成鍵理解上有一定的難度，很多同學不能理解參數factor的意義，不知如何區分重疊態和排斥態。因此，教師要根據實際情況注意講解波的疊加和相消等干涉內容，引導學生建立相關模型。另外，學生在構建p-pπ鍵時，對磁量子數1,0,-1區分上認識不足，也需要教師重點講解。學生普遍反映通過使用OV軟件，能夠清晰認知兩種共價鍵成鍵形式及相關模型，尤其是理解了重疊態和排斥態對于穩定體系的差異，也為后續學習雜化軌道理論、分子軌道理論等奠定了基礎。

4 依托Orbital Viewer為輔助實施分子軌道知識點的互動式課堂

分子軌道理論是共價鍵理論當中非常重要的知識點，亦是學習上的難點。從知識儲備層面上看，學生已經掌握了多電子原子核外電子排布規則、現代價鍵理論等，通過OV已經建立了一定的原子、分子內微觀結構理論模型，均為本節課打好了學習基礎。但從知識體系構建、科學能力層面來看，由于學生剛剛學習了微觀物質結構，尤其是全新的分子軌道理論，會導致該部分知識點學習理解上的困境。此部分知識點教學同樣可嘗試以OV為輔助實施互動性課堂。教師同樣可以在課堂上提出問題，讓學生自己去建立相關模型(如圖5所示)，觀察兩個原子間的成鍵軌道、反鍵軌道對共價鍵成鍵的貢獻，進而充分發揮學生的主觀能動性，培養善于思考、嚴謹求實的科學素養。

5 依托Orbital Viewer為輔助講解δ鍵的互動式課堂

圖6 5d–5d原子軌道形成δ鍵示意圖

6 互動性課堂實施教學反饋

針對原子結構、分子結構教學過程中傳統教學模式的弊端，導致教學過程封閉、內容乏味、收效較低、科學性較差，尤其是學生的主觀能動性無法得到充分調動，嚴重影響了相關專業學生核心素養的培養。因此，在原子結構、分子結構章節中實施互動式教學，是改善相關教學現狀、提高教學質量的有效措施。利用OV實施的互動式教學，能從學生的認知特點和思維模式出發，增強學生的體驗感，使化學學習回歸實踐，尤其是能有效提高學生的學習積極性和主動能動性。此互動式教學模式針對材料化學專業學生已經實施了幾屆，學生普遍反映能有效提高學生對微觀結構認知的直覺性，并且對化學知識點的學習產生了濃厚的興趣，極大增強了學生的主觀意識，提高了學生的學習積極性和學習效率。因此，互動式教學模式是符合當前大學生學習習慣的一種有效模式，這也要求任課教師開發更多的互動式教學模式以適應當前教學模式的需求。