活用化学软件辅助教学 构建高中化学高效课堂

杨涛

摘  要 高中化学作为一门重要课程，在高考中具有重要地位。高中化学中很多教学重點具有比较抽象、难理解的特点，这一问题困扰着很多高中化学教师。借助化学软件辅助教学，可以大大提高课堂教学质量，提升学生的动手能力、思维能力等，同时使教师的信息化教学水平得到很大提高。

关键词 化学软件;高中化学;核心素养;ChemDraw;Chem3D;Materials Studio;Gaussian;GaussView;化学仿真实验软件

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）17-0126-03

0  前言

高中化学新课程标准对学生学习的精神价值层面、理性认识层面和实践认识层面均提出不同的要求，重视高中学生核心素养的培养。高中化学核心素养是高中学生综合素质的体现，学生通过对微观知识的探析，了解物质的宏观变化;通过构建化学分子模型，认知化学反应的内涵;通过科学实验探究，创新科学意识;通过培养绿色环保意识，明确自己的社会责任。传统的化学教学方式显然难以满足新课标要求。在传统的高中化学教学中，教师注重理论知识的传授，忽视了学生核心素养培养;教师在教学中将60%的课堂时间用于讲解，让学生用40%的课堂时间进行相关习题的练习和巩固;在传统的化学实验中，对于一些危险系数比较高的实验，或者实验中涉及毒性比较大的实验药品时，教师会采用讲实验、学生记住实验步骤和实验原理的方式。

伴随着信息化教学的普及，可以借助常用的化学软件辅助高中化学教学[1]，教师组织学生主动地思考、操作和实践，优化课堂时间分配，少讲多练，使学生的实际操作能力、创新能力以及合作能力等都有了很大的提高。同时，教师的信息化教学水平也会有很大提高。本文主要分析了几款常用化学软件在高中化学教学中的具体应用，希望可以为同行提供教学参考。

1  ChemDraw和Chem3D软件在高中化学教学中的应用

1.1  ChemDraw和Chem3D软件功能介绍

ChemDraw作为一种常用的化学结构绘制工具，具有容易安装、操作简单、输出快捷等特点。教师讲解分子的结构简式，学生了解了物质的结构简式之后，需要画出分子的结构图，同时可以想象出来分子的三维立体结构图。对于一些比较简单的分子，如二氧化碳、氮气、氧气等这样的小分子，学生学习起来比较容易;而对于有机化学部分中的有机大分子，如氨基酸、多肽等，学生就很难直接画出结构图和三维立体结构图，这时候师生可以利用ChemDraw绘制。

Chem3D是一个三维立体软件，学生在使用过程中可以把ChemDraw中画的图形转化到Chem3D中，直观形象地展示分子的三维立体结构[2]。

1.2  ChemDraw和Chem3D在高中化学教学中的应用案例

在高中化学有机部分中有关糖类物质的结构和性质一直是教学中的重点与难点。糖类这一章节中讲到葡萄糖的结构和性质，葡萄糖又叫己醛糖，是一种白色的晶体，结构式C6H12O6，很容易溶于水。葡萄糖在人们运动时提供必要的能量，也是身体必需的一种物质。在高中化学教材中的化学性质部分讲到葡萄糖、果糖、蔗糖以及麦芽糖等因为都含有醛基，都可以发生银镜反应。同时，学生已经学习了葡萄糖分子的结构简式CH2OHCHOHCHOHCHOHCHOHCHO，可以在ChemDraw画板中画出葡萄糖分子的结构简式，然后复制到Chem3D中，实现平面结构向三维立体结构的转换，具体如图1、图2所示。

2  Materials Studio软件在高中化学教学中的应用

2.1  Materials Studio软件功能介绍

Materials Studio简称MS，这款软件主要应用于高分子材料方面的相关计算。Materials Studio的主要服务对象是大学化学中的基础研究，具有比较高的可视化操作界面，而且操作比较简单，学生很容易学。Materials Studio软件可以安装在个人计算机或者教师多媒体黑板中，操作命令也比较简单。鉴于Materials Studio软件功能的诸多优点，在高中化学教学中可以方便、灵活地运用[3-4]。

2.2  Materials Studio软件在高中化学教学中的应用案例

晶体结构分析作为高考中的一个考点，主要考查离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体的构成微粒、构成微粒之间的作用力、晶体中含有什么样的化学键、四种晶体结构在熔化时需要克服哪些力以及它们的导电性和熔沸点比较等，这些问题在每年的高考试题中都会有所涉及。在传统化学教学中，教师一般从三个方面引导学生进行晶体类型的分辨：组成、性质和相互作用力。但是这三个方面都是物质的微观量，学生对于晶体中晶胞概念始终比较模糊，很难想象面心结构（NaCl）、4个体心填充结构（ZnO）、

2个体心填充结构（MgCl2）等。教师在教学中借助Materials

Studio软件进行晶体结构的立体演示，学生顿时豁然开朗，如图3所示。

3  Gaussian软件在高中化学教学中的应用

3.1  Gaussian软件功能介绍

Gaussian是量子化学中应用比较广泛的软件，与其配套使用的是可视化程度比较高的GaussView软件。Gaussian软件的功能特别强大，如分子结构和能量的计算、化学反应路径的推测、分子的前线轨道计算等，初学者学习起来比较困难。但是Gaussian软件具有容易安装，对于小分子计算比较快等优点，所以在高中化学教学中也可以应用，可以和GaussView软件一起应用[5]。

3.2  Gaussian和GaussView软件在高中化学教学中的应用案例

高中化学有机物中介绍了两种比较重要的物质——苯和苯酚。苯的物理性质：无色，有特殊的气味，有毒，易溶于有机溶剂，但不溶于水。结构式：C6H6。苯发生的化学反应一般是苯环氢原子的取代反应、苯环上碳碳双键的加成反应以及碳碳键断裂。学生始终不理解为什么苯的一元取代物只有一种，同时邻二甲苯没有同分异构体？学习苯酚时，学生会提出苯酚发生化学反应，为什么有时候是羟基中的H，有时候是苯环中的H？教师可以借助Gaussian和GaussView软件首先对苯和苯酚分子结构进行计算，同时进行立体结构的展示，帮助学生解决知识点的疑问。计算出苯结构中所有碳碳键长都相等，均属于C=C结构，所以苯的一元取代物在苯环中的六个碳原子上都是一样的。对于为什么邻二甲苯没有同分异构体的问题，学生通过观看立体结构图可以看到碳原子电荷密度一样，所以左边还是右边取代都是一样的结构。

通过计算苯酚的分子结构电荷密度，如图4所示，苯酚中羟基上H原子电荷密度是0.388，苯环中与羟基相连的C为一位C，邻位C相连的H电荷密度是0.255，间位C相连的H电荷密度是0.244，对位C相连的H电荷密度是0.239。通过对H原子电荷密度的计算，可以很容易地解释苯酚与金属钠发生化学反应时，因为羟基中H显示酸性，所以很容易生成苯酚钠，同时生成氢气;苯酚和溴水发生取代反应时生成2，4，6-三溴苯酚。

4  化学仿真实验软件在高中化学教学中的应用

4.1  化学仿真实验软件功能介绍

目前化学仿真实验软件有很多版本，但是大体功能都差不多，教师在教学中可以结合实际情况进行应用。笔者在应用中下载了好几款不同的化学仿真实验软件，基本都包括仪器器件库、药品库、实验药品的配置、实验数据的记录等功能。学生也可以在自己的电脑上安装进行实验操作，教师可以在智慧黑板上进行动态的实验演示，学生的动手能力、思维能力等都会有很大提高。在化学仿真实验过程中，教师也要引导学生养成良好的绿色环保意识，严格按照实验需要的试剂量进行药品的配置，同时注意对实验过程中产生的有毒气体或者液体等进行回收利用。

4.2  化学仿真实验软件在高中化学实验教学中的具体应用

高中化学教学离不开实验，化学实验作为这门课程的重要组成部分，可以培养学生的创新意识、绿色环保意识等。但是高中化学中很多实验不适合学生进行实际的操作，例如：涉及硝基苯、苯酚、汞水等有毒类物质的化学实验;涉及强硫酸、浓溴水、氟化氢等有腐蚀性物质的化学实验;涉及高锰酸钾、过氧化氢、重铬酸钾等强氧化性物质的化学实验。这些实验比较适合采用化学仿真实验软件进行。苯酚和溴水的化学反应中，因为溴水有腐蚀性，苯酚有毒，所以完全可以采用仿真实验，学生也可以观察到把溴水滴入苯酚中，振荡试管，生成了白色沉淀，有了新物质生成，经过验证，生成了2，4，6-三溴苯酚。这样便于学生对知识点的记忆，也节约了实验成本，符合绿色环保的教学理念。

5  结语

教师在具体的应用过程中可以结合学生的学情、知识内容的特点等进行软件的选择。虽然这些软件的功能比较强大，应用起来可以为课堂教学添彩，但是只能辅助教学，而不能完全取代传统的课堂教学。在信息化教学不断普及的教学背景下，希望越来越多的化学软件可以在高中化学教学中得到应用。

参考文献

[1]李凯娜.传统教学与计算机辅助教学效果比较研究：以小学一年级国际象棋课为例[D].北京：首都体育学院，2018.

[2]劉莉.Chem Draw在有机化学课件制作中的应用[J].科教文汇，2010（21）：43，45.

[3]曹晶伟，沈甸.化学软件Crocodile Chemistry在“化学反应速率”实验教学中的应用[J].化学教学，2012（11）：20-22，26.

[4]吴健.Materials Studio在结构化学教学中的一些应用[J].高校实验室工作研究，2007（3）：47-48.

[5]刘芬芬.三种工具软件在化学教学中的应用探究[D].西安：陕西师范大学，2013.