摘要：為解決目前普通中學化學教學“物質(zhì)結(jié)構與性質(zhì)”中存在的空間結(jié)構抽象、教學效率不高等問題，教師利用互動式的三維虛擬技術構建中學常見晶體與分子結(jié)構模型，開展數(shù)字建模賦能“物質(zhì)結(jié)構與性質(zhì)”的教學研究與實踐。以“金剛石”“苯及其同系物”等教學內(nèi)容為例，教師利用三維虛擬技術及其互動功能助力學生探究“物質(zhì)結(jié)構與性質(zhì)”的關系，拓展物質(zhì)結(jié)構教學的廣度與深度，提升了學生的空間想象能力，發(fā)展了學生宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知的化學學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞：數(shù)字建模；三維虛擬技術；物質(zhì)結(jié)構與性質(zhì)；空間想象能力

“物質(zhì)結(jié)構與性質(zhì)”是普通高中化學教學內(nèi)容的重要組成部分。宏微結(jié)合、見微知著、睹著思微、證據(jù)推理與模型認知是學生學習《普通高中教科書 化學 選擇性必修2 物質(zhì)結(jié)構和性質(zhì)》必備的科學思想方法?！拔镔|(zhì)結(jié)構決定物質(zhì)性質(zhì)”大概念在中學化學教學發(fā)揮統(tǒng)攝作用，教師應高度重視物質(zhì)結(jié)構教學。根據(jù)《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）的要求，學生應“形成有關物質(zhì)結(jié)構的基本觀念，能運用科學思維分析物質(zhì)結(jié)構和性質(zhì)的關系，建立起模型認知的研究視角，審視有關化學現(xiàn)象和事實，并能根據(jù)物質(zhì)結(jié)構預測物質(zhì)性質(zhì)的證據(jù)推理能力”[1]。傳統(tǒng)教學模式下，學生對于“物質(zhì)結(jié)構與性質(zhì)”的學習存在困難，原因在于教師或依據(jù)教材中立體感不強的平面二維圖來講解物質(zhì)微觀結(jié)構，或用有限的實物模型來呈現(xiàn)物質(zhì)結(jié)構，等等。物質(zhì)微觀結(jié)構教學內(nèi)容抽象與教學資源匱乏存在矛盾，導致“物質(zhì)結(jié)構與性質(zhì)”教學效果不盡如人意。如何依據(jù)教學內(nèi)容和課標要求改進教學，以突破難點？如何運用數(shù)字建模技術提高“物質(zhì)結(jié)構與性質(zhì)”教學效率？筆者以發(fā)展學生核心素養(yǎng)為宗旨，在化學課堂教學中探索技術賦能教與學的可行之道。

一、以思促新：數(shù)字建模助力“物質(zhì)結(jié)構和性質(zhì)”教學的構想

數(shù)字建模指基于信息系統(tǒng)、傳感器、機器視覺等通信技術，借助電腦模擬、數(shù)據(jù)分析和可視化工具將復雜信息轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗卸M制代碼，引入計算機內(nèi)部，形成可識別、存儲的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立相關模型。在此過程中，科學思維形成于對認識對象、認識素材進行加工處理的方法或途徑，包含“基于事實進行證據(jù)推理、建構模型并推測物質(zhì)及其變化[2]”等思維方法的有機整合。微觀層面，有機化合物均由分子構成，分子一般具有確定的結(jié)構和組成。教師在教學中往往直接用實物模型講解物質(zhì)的分子結(jié)構特點，缺少對物質(zhì)結(jié)構循序漸進地分解、解析和構建過程。單方面植入造成部分學生不理解核心知識，死記硬背，強記結(jié)論，這顯然不利于空間思維能力的培養(yǎng)，也不利于學生認識物質(zhì)的微觀結(jié)構與其性質(zhì)的關系。由此影響學生進一步預測物質(zhì)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)具有預期性質(zhì)的新物質(zhì)，阻礙科學思維的培養(yǎng)和模型認知素養(yǎng)的發(fā)展。學生進行空間思維需要全方位思考問題，也就是“立起來思考”。教師利用三維虛擬技術能將物質(zhì)結(jié)構及其成因比較直觀、動態(tài)地構建出來，有效降低學生認知難度，有利于他們了解人類探索物質(zhì)結(jié)構的價值，認識在分子層次研究物質(zhì)的意義。對于數(shù)字建模賦能物質(zhì)結(jié)構教學，筆者提出如下研究思路。

第一，在問卷調(diào)查的基礎上，從中學化學“物質(zhì)結(jié)構和性質(zhì)”教學現(xiàn)狀入手對教學難點進行分析，了解學生學習情況，探尋學生學習困難的根源，剖析教學過程中“結(jié)構決定性質(zhì)”大概念的形成機制和影響學生科學思維發(fā)展的因素。

第二，依據(jù)高中化學“物質(zhì)結(jié)構與性質(zhì)”教學要求與模型認知素養(yǎng)發(fā)展的關系，遵循理論與實踐相結(jié)合的方法和邏輯路線，提出基于數(shù)字化技術提升學生空間想象能力、助力物質(zhì)結(jié)構學習的相關策略，分析物質(zhì)結(jié)構與數(shù)字化技術的關系，探索在化學教學中培養(yǎng)學生科學思維和模型認知能力的路徑。

第三，以培養(yǎng)學生的科學思維、模型認知能力為宗旨，開發(fā)數(shù)字資源輔助教學，設計問題驅(qū)動型的“物質(zhì)結(jié)構和性質(zhì)”教學案例，讓學生認同“物質(zhì)結(jié)構的探索是無止境的”觀點。完善物質(zhì)結(jié)構教學建模及實施方案，提高學生的空間想象能力，引導他們深刻理解物質(zhì)微觀結(jié)構和物質(zhì)性質(zhì)的關聯(lián)，開闊認知視野，豐富思維方式，掌握融合運用化學知識和數(shù)字技術解決問題的思路與方法，進而提高認知水平，以及科學思維、模型認知能力。

二、以器賦能：活用數(shù)字技術，激發(fā)物質(zhì)結(jié)構教學生機

化學學科核心素養(yǎng)中的模型認知指“知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象和本質(zhì)特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象本質(zhì)和規(guī)律”[3]?；瘜W知識模型是認知的對象，即從化學視角認識并描述物質(zhì)結(jié)構與性質(zhì)、概念與原理?；瘜W認識模型是認知工具，即怎樣獲取知識、理解知識內(nèi)涵與外延、構建知識體系的認知思維方式。

調(diào)研結(jié)果表明，部分教師已運用專業(yè)的三維結(jié)構軟件，如Material Studio、Diamond、Mercury、Gauss View、Unity 3D、Chem3D等專業(yè)數(shù)字三維軟件輔助教學[4]。在實踐中筆者發(fā)現(xiàn)這些軟件自帶的模板與參數(shù)及功能適合用于科研，其互動功能偏弱，但不適于高中化學物質(zhì)結(jié)構教學。筆者將以構型能力見長的軟件如3Ds Max、Maya等與具有強大交互能力的軟件如Cult3D、Virtools、Viewpoint等結(jié)合，取長補短，構建適合教學的三維虛擬模型，有力突破了教學難點，對發(fā)展學生宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知的化學學科核心素養(yǎng)大有裨益。目前有多種軟件可支撐三維虛擬，筆者僅以“3Ds Max+Cult3D”為例加以介紹，其中3Ds Max有很強的構型能力，但互動性較弱，Cult3D沒有構型能力，卻有極強的互動性，“3Ds Max+Cult3D”珠聯(lián)璧合，取長補短，相得益彰。操作時，對于較復雜的晶體或分子結(jié)構模型，筆者首先借助Diamond等軟件將晶體的CIF文件導入3Ds Max，修飾后再導出，以簡化構型過程，然后將3Ds Max導出的文件導入Cult3D程序設置“互動”，最后由Cult3D導出的文件插入PPT、Word或IE等常見程序，直接打開使用，其設計流程[5]如下（如圖1）。

筆者借助三維虛擬技術制作了微觀結(jié)構模型，在相關插件支持下，用鼠標即可對結(jié)構模型進行平移、滾動、縮放、旋轉(zhuǎn)、變形、增添或刪除原子（團）、鏡像、切割、材質(zhì)透明化、添加音效及觸動預先設置的動畫等操作。筆者利用模型強大的交互功能，可以引導學生對微觀結(jié)構模型進行外科手術般“解剖”分析。下面結(jié)合兩個案例剖析物質(zhì)結(jié)構的教學。

（一）金剛石空間利用率的推導

傳統(tǒng)教學模式下，金剛石空間利用率的推導難點在于不清楚金剛石的碳原子在立方晶胞（如圖2a）中的何處能接觸。教師講解時，等比例放大球體，晶胞棱邊兩個球體不接觸，面對角線三個球體不接觸（如圖2b），體對角線三個球體只有兩個接觸（如圖2c），學生依然難以理解晶胞參數(shù)與碳原子半徑的關系。如何利用數(shù)字模型解決這個問題？筆者采用類似幾何分析中的作輔助線方式，插入兩個輔助碳原子C、D（圖2d中紅色半透明的球體）。若原子A的分數(shù)坐標為（0，0，0），則C、D的位置分別為（ ， ， ）、（ ， ， ）（當然真實情形是這兩個碳原子不存在）。此時，沿對角面切開（如圖2e），對角截面清晰顯示，若晶胞參數(shù)為α，碳原子半徑為r，則體對角線 α=8r。由此，得出金剛石堆積率（空間利用率）為：

100%=34.01%。

通常的三維軟件一般分別顯示填充模型與球棍模型，筆者借助三維虛擬模型，對球體等比例逐漸縮小與放大，將模型在填充與球棍之間反復切換，并對球體切割獲得截面。這種切換與切割有利于學生觀察在微粒間形成的幾何圖形中球體密接觸情況，便于找出微粒的配位數(shù)，分析晶體結(jié)構中空隙的形狀與大小和解析晶體的空間利用率等問題。

（二）“苯及其同系物”的教學創(chuàng)新

課標明確了“苯及其同系物”的教學要求：能運用宏觀和微觀相結(jié)合的方法推測苯的結(jié)構，能描述苯的分子結(jié)構特征與性質(zhì)的關系，能通過實驗探究認識苯及其同系物的化學性質(zhì)，能舉例說明有機物中基團之間的相互作用對有機性質(zhì)的影響，能舉例說明反應條件對有機反應產(chǎn)物的影響與意義，認識芳香烴對人類生活和現(xiàn)代社會發(fā)展的影響。

“苯及其同系物”的教學重、難點：苯的分子結(jié)構是怎樣的，苯分子是什么空間構型，為什么苯分子結(jié)構特別穩(wěn)定，為什么苯既能發(fā)生取代反應又能發(fā)生加成反應？為何容易發(fā)生取代、難以加成？甲苯分子結(jié)構中一定有多少個原子位于同一平面？最多有多少個原子在同一平面？這需要用雜化軌道理論解釋苯的分子結(jié)構特點。但這部分內(nèi)容較抽象，對學生的空間想象能力要求較高。教師宜采用直觀教學法教學，以往一般以展示分子結(jié)構模型、使用多媒體軟件、書寫示范等直觀手段讓學生知道苯及其同系物結(jié)構特點，但這些直觀手段往往只能靜態(tài)顯示三維模型，缺少循序漸進的演變過程，教學效果不佳。筆者利用三維虛擬技術制作相關微觀結(jié)構模型，模擬碳原子的sp2雜化過程：每個碳原子用兩個sp2雜化軌道彼此通過“頭碰頭”的σ鍵連接成平面六元環(huán)，碳原子剩余的一個sp2雜化與氫原子s軌道“頭碰頭”形成σ鍵，6個碳原子剩余的6個垂直于平面六元環(huán)的p軌道“肩并肩”形成離域π鍵。筆者用三維虛擬技術將整個過程進行動態(tài)呈現(xiàn)，使學生認識三維虛擬模型在探索物質(zhì)結(jié)構與性質(zhì)中的強有力作用，有效培養(yǎng)空間想象思維能力。

1. 觀察苯的微觀模型結(jié)構，理解物質(zhì)結(jié)構和性質(zhì)的關系

筆者指導學生用三維虛擬模型探究苯的分子結(jié)構形成過程：苯分子中6個C原子均采用sp2雜化，3個sp2雜化軌道位于同一平面（如圖3a）；每個C原子各用兩個sp2雜化軌道彼此重疊形成C—C σ鍵（如圖3b）；每個C原子剩余的一個sp2雜化軌道和一個H原子1s軌道形成C—H σ鍵（如圖3c）；12個σ鍵處在同一平面上，苯分子為平面型結(jié)構（如圖3d）；6個C原子與6個H原子均在同一平面，6個C原子組成一個正六邊形，碳碳鍵長均相等，所有的鍵角均為120°。每個C原子各剩下一個p軌道，這6個p軌道垂直于σ鍵所在的平面，且相互平行，因此這6個p軌道可以通過側(cè)面重疊形成一個離域π鍵π66（如圖3e、圖3f）。

離域π鍵π66的形成使苯環(huán)獲得特殊的穩(wěn)定性，碳碳鍵的鍵長介于碳碳單鍵與碳碳雙鍵之間?；瘜W性質(zhì)兼?zhèn)渫闊N與烯烴的性質(zhì)，故苯分子既能發(fā)生取代反應又能發(fā)生加成反應。但是，不破壞苯環(huán)結(jié)構的取代反應較易發(fā)生，而破壞苯環(huán)結(jié)構的加成反應相對更困難。依此，筆者運用3Ds Max三維虛擬技術很好地建立了苯的結(jié)構與性質(zhì)的認識思路，使教學化難為易。學生在后續(xù)的學習過程中易于理解苯“易取代、難加成”的化學性質(zhì)。

2. 探索苯的同系物的空間結(jié)構，培養(yǎng)科學思維

筆者用甲基取代苯分子中的H原子得到甲苯（如圖4a）。甲苯分子的15個原子中，一定有12個原子在同一平面，通過甲基與苯環(huán)連接的碳碳單鍵的旋轉(zhuǎn)，最多有13個原子在同一平面（如圖4b）。筆者接著用甲基取代甲苯甲基上的一個H原子得到乙苯，分子式為C8H10，問學生“乙苯分子中最多有幾個原子在同一平面”。師生先通過亞甲基與苯環(huán)連接的碳碳單鍵的旋轉(zhuǎn)，確保乙苯分子中甲基中的C原子落在苯環(huán)所在平面（如圖4c），再通過亞甲基與甲基連接的碳碳單鍵的旋轉(zhuǎn)，確保甲基中的一個氫原子落在苯環(huán)所在平面（如圖4d），則乙苯分子的18個原子中，一定有12個原子在同一平面，最多有14個原子在同一平面。

教師用常規(guī)的教學手段難以做到在C—C σ鍵繞對稱軸自由旋轉(zhuǎn)的同時依然可以多角度觀察分子結(jié)構的形態(tài)。教師借助3Ds Max構建分子結(jié)構模型，并設置繞σ鍵旋轉(zhuǎn)的三維動畫，導入Cult3D Designer設置三維動畫的啟動與停止，在Cult3D Player插件的支持下，調(diào)整好觀察角度，輔助觀察分子中各原子空間位置的半透明平面（或直線）在教學中還能根據(jù)需要插入或刪除。人機高效互動對于學生觀察苯分子及其衍生物空間構型，判斷分子中各原子是否處于同一平面或直線，提供了極佳的可視化三維圖像，大幅提高了效率。

近年，筆者用三維虛擬技術構建了常見晶體與分子結(jié)構的三維虛擬模型庫。與常規(guī)模型相比，基于3Ds Max+Cult3d的三維虛擬技術在3Ds Max強大構型能力的基礎上，整合Cult3d靈活多變的互動功能及獨有的渲染技術呈現(xiàn)出的高清晰度的三維圖形，使微觀結(jié)構的教學效果與質(zhì)量更上一層樓。數(shù)字模型具有強大的交互功能：微觀結(jié)構模型可推倒重建，觀察角度可調(diào)整，構建歷程可控，重建過程可逆。化繁為簡能有效提高學生的空間想象能力。

三、以變求新：涵養(yǎng)學科智慧，改進傳統(tǒng)教學模式

（一）更新觀念，理解科學本質(zhì)

美國心理學家加德納認為空間想象能力是人應有的8種智力之一。筆者認為改進中學化學物質(zhì)結(jié)構教學，關鍵在于提高學生的空間想象能力，幫助學生理解科學本質(zhì)。長期以來不少中學化學教師在教學觀念上存在誤區(qū)，無法意識到“立體”知識對學生智力發(fā)展的長遠影響，只是一味追求所謂“高分”，偏離科學教育本質(zhì)。對中學化學“物質(zhì)的結(jié)構和性質(zhì)”教學而言，教師需要向?qū)W生清晰講解復雜、抽象的物質(zhì)結(jié)構。筆者借助三維虛擬技術建模解析晶體結(jié)構，并以動畫形式記錄下來，在多種終端電子設備中脫離軟件平臺播放。這對虛擬技術應用于物質(zhì)結(jié)構教學的普及意義重大。筆者充分利用目前網(wǎng)絡短視頻的優(yōu)勢，開發(fā)了基于三維虛擬技術的結(jié)構分析短視頻并上傳網(wǎng)絡，使資源能更好地服務教學。

（二）數(shù)字技術助攻，改變傳統(tǒng)教學模式

以往物質(zhì)結(jié)構教學模式一般為：二維圖形—三維模型—二維圖形，教師依靠教科書、教輔等材料中的大量二維圖形讓學生想象他們知之甚少的三維世界。先入為主的訓練可能導致學生觀察三維世界怎么看都是二維的，這會對學生空間想象能力培養(yǎng)造成消極影響。三維虛擬技術支撐下的物質(zhì)結(jié)構教學模式為：三維模型—二維圖形—三維世界，即先從三維模型中獲得空間感受能力，再在觀察二維圖形時將模型立體化，這一切最終是為了探索未知的微觀三維世界。當然，三維虛擬技術的應用也有一個度的問題。是不是一切結(jié)構問題都需要使用三維模型解析？答案是否定的。對于物質(zhì)結(jié)構教學，教師既要讓學生有從“三維模型—二維圖形”空間感受的量的積累，又要有從“二維圖形—三維世界”這一不可缺少的訓練環(huán)節(jié)，看到平面二維圖形也能將其立體化。這個度的把握因人而異、因內(nèi)容而異，教師需要認真研判。

（三）數(shù)字賦能，教學培訓與時俱進

三維虛擬技術在中學化學“物質(zhì)結(jié)構和性質(zhì)”教學上的創(chuàng)新應用，使常規(guī)教學手段的不可能變?yōu)榭赡?，拓展了中學化學教學的廣度與深度。教育部早在2019年就發(fā)布《關于實施全國中小學教師信息技術應用能力提升工程2.0的意見》。但綜觀各地信息技術與學科教學融合創(chuàng)新培訓內(nèi)容，許多項目依然停留在1.0時代，具有化學學科特點的專業(yè)信息技術培訓非常少。應用三維技術輔助物質(zhì)結(jié)構的教學，是信息技術在化學教學中最成功的應用之一。國外開發(fā)出許多專業(yè)結(jié)構分析軟件如Material Studio、Diamond、Mercury、Chem3D等，這些軟件能讀取晶體結(jié)構數(shù)據(jù)庫的cif文件，從中獲取構建晶體結(jié)構模型需要的重要數(shù)據(jù)。以此，大幅提高三維虛擬技術構建模型的效率，確保模型的科學性。但目前在國內(nèi)，這些專業(yè)軟件一般僅在大學或研究所使用，中學教師很少觸及。筆者建議各地教育主管部門實施化學教師信息技術應用能力提升工程2.0項目，增加專業(yè)結(jié)構分析軟件的使用培訓等課程。此外，三維虛擬技術構建晶體結(jié)構模型的全過程涉及化學、數(shù)學、信息技術、物理等多學科知識的應用。循序漸進，三維虛擬技術輔助教學提升工程也將提上議程。

參考文獻

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[2] 中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準：2022年版[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[4] 張師曼，李存璞.“發(fā)現(xiàn)”密堆積：基于3Ds Max軟件的金屬晶體教學設計[J]．化學教育（中英文），2019（19）：72-79.

[5] 黃劍芳．利用三維虛擬技術突破物質(zhì)結(jié)構教學：從演示型工具到探索型工具的轉(zhuǎn)變[J]．化學教育（中英文），2022（3）：105-115.

（作者黃劍芳系福建省福州第一中學高級教師；黃丹青系福建省普通教育教學研究室正高級教師，教育部首屆基礎教育教學指導委員會化學專業(yè)委員會委員，中國教育學會化學教育教學專業(yè)委員會副秘書長）

責任編輯：祝元志