化学编辑器软件在高中有机化学实验辅助教学中的应用

姚心宇 王琳 高志标

摘 要：化学编辑器软件具有物质结构及反应流程绘制、三维建模等实用功能，在中学化学课堂教学中起到了良好的辅助作用。国产代表性软件KingDraw具有多平台支持、使用成本低等显著优势，在未来的中学化学教学中，特别是实验教学领域，具有广阔的应用前景。

关键词：KingDraw软件;有机化学;辅助教学

有机化学是中学化学知识体系中的一个重要组成部分，涉及的相关物质种类繁多，结构较为复杂，在教学中涉及对分子空间结构的认识和探索，对学生逻辑思维能力和空间思维能力的要求较高[1]。化学实验在有机化学的教学中占据了重要地位，不仅承担着使学生认识基础仪器、掌握基本操作的职能，还起到了培养学生基本思维方法和思想方法的作用。但在现有的中学化学传统课堂教学模式中，受到场地、仪器、课时等现实条件的限制，有机化学的相关实验在课堂中的开设率并不高。教师往往采用板演、课件展示或模型解说等方法进行辅助教学，效果难以令人满意[2]。

随着我国信息技术的不断发展，面向教育的课堂辅助软件正被大量开发与完善。化学编辑器软件因其功能多样、使用简便等优势，已在高校教学与科研过程中得到广泛应用，目前正向基础教育领域渗透。代表性产品之一KingDraw是一款国产化学编辑器软件，具有分子结构绘制与图像输出、3D可视化模型建构、化合物数据信息检索等功能以及跨平台、无费用、中文操作界面等优点，能够在中学有机化学教学中起到良好的辅助作用。

1    中学有机化学实验的特征

中学化学实验关注化学反应的基础操作、基本原理和典型现象，主要分为训练性實验、原理（验证）性实验及探究性实验。其中，训练性实验以使学生正确、快速、准确地掌握化学实验基本操作为主要目的;原理性实验聚焦中学化学学习过程中的基本化学事实和化学原理，以获得具有代表性的现象并加以验证为主要目的，同时在实验中对学生的基本实验操作技能予以练习和巩固;探究性实验是在前两类实验的基础上设置新的目标导向或问题导向，学生通过自主设计、自主实施、自主总结，得到新的结论或解决原有问题的过程，着重培养学生的科学探究能力。

中学有机化学学习过程中的训练性实验涉及有机化学相关仪器的使用技能训练，学生必须在实验室中实际操作、掌握要领，才能达成预设的教学目标。原理性实验和探究性实验因实验装置较为复杂、操作过程较为烦琐，所需时间较长，使用相关软件进行实验与教学辅助可以有效简化实验过程、缩减操作耗时，聚焦实验教与学的关键原理、关键过程、关键现象和关键结论，实现课堂效率的提升。化学编辑器软件作为功能设置较为完备、集成化水平较高的一类专业化软件，在高中有机化学实验教学中起到了良好的辅助作用。

2    化学编辑器软件的主要功能—以KingDraw为例

2.1  分子结构及反应流程、机理的绘制

绘制有机物分子结构式是以KingDraw为代表的化学绘图编辑软件的基本功能[3]。在KingDraw软件中内置了单、双建、苯环、环戊二烯等常见有机化合物结构片段，使用者可通过简单的选择与单击绘制有机物的碳结构骨架。此外，通过选择元素周期表内的元素，再点击有机物结构中的关键部位，可以根据原子所处化学环境，自动生成符合有机物结构规则的取代基。同时，KingDraw亦内置了部分取代基的简写表达式，可以使绘图过程更加快捷、结构表达更加美观。利用KingDraw软件内置的箭头、电荷、括号等相关工具，可以准确、美观地绘制化学反应式及相关机理的示意图。

2.2  物质基本化学属性与三维结构的呈现

通过KingDraw软件集成的化学属性和3D建模功能，可以轻松获得所绘制分子的部分化学属性和三维结构信息。在软件内将化合物的分子结构绘制完毕后，点击“化学属性”按钮，即可获取该化合物的分子式、分子量、元素质量占比、荷质比等基本化学属性信息;点击“3D”按钮，软件可即刻对该分子进行3D建模，以显示该分子的三维空间结构，用户可根据需要选择比例模型、棍状骨架模型和球棍模型，所有模型均可自由翻转，便于观察与图像输出。

2.3  化合物百科数据库

KingDraw软件集成了一个简单易用的化合物百科数据库，收录了大量物质的基础数据。当输入分子式或通过网页集成的化学结构编辑器搜索指定的化合物信息时，数据库可以快速匹配并显示化合物的相关性质，主要包括结构、名称及标识符（同义词、化学名称与俗名等）、物理和化学性质及光谱信息（包含该物质的质谱、核磁共振谱、紫外-可见-红外光谱信息等），同时附有部分图表。通过该化合物百科数据库，可以轻松了解物质的结构与性质信息。

3    KingDraw软件在中学化学教学中的应用

3.1  辅助教师进行课堂教学

在现代中学化学教学中，使用专业软件进行教学辅助，可以有效提升教学效果和质量，KingDraw的各项功能可以为教师的教学设计与实施提供有效帮助。中学教师在进行有机化学教学时，演示材料中所需要的物质分子结构、空间结构模型、反应过程等示例图片，均可通过KingDraw进行绘制与编排，软件中所绘制的图像可以导出多种图片格式，以适应不同软件的要求。该软件的工作文件还支持保存为.cdx、.mol等常用化学绘图软件的文件格式，并支持ACS1996等多种绘图标准。此外，KingDraw开发了手机和Pad版客户端，各版本数据互通，可以安装在智慧课堂的教师端和学生端设备中。教师在教学过程中可按需实时调用，实现无纸化的演示、讲解、练习和课堂探究等功能。

3.2  辅助学生进行实验及自我学习

《普通高中化学课程标准》首次以附录的形式规定了18个学生必做实验，对高中化学实验教学提出了更高要求。其中，“搭建球棍模型认识有机化合物分子结构的特点”被指定为所有学生均需操作的必修课程实验。在传统教学过程中，这一实验往往采用为学生提供实物球、棍的方式进行。这一传统模式受到学校实验器材数量和课堂时间的限制，学校购买的实验器材和实验课的课时均有限，学生往往没有足够的时间进行独立设计和深入探索。KingDraw软件所提供的3D实时建模功能，可将学生绘制的分子结构直接转化为3D模型，配合智慧课堂系统，可以实现随堂、即时的实验学习。这一功能的运用使得实验的进行不受实验教具数量与课堂时间的限制，可以观察海量有机物的球棍模型和比例模型，极大地拓展了该实验进行的时间与空间。同时，KingDraw软件使用全中文操作界面并开发了移动客户端，使得该软件也可作为学生平日进行一般性学习和自主探究性学习、创新实践的辅助工具，为学生创新意识和探究意识的强化提供有效支持。

3.3  KingDraw软件的其他优势

KingDraw的一个显著优势是良好的多平台支持，相较于ChemDraw仅支持微软Windows和苹果Mac平台，KingDraw现已针对国内使用最为广泛的PC（Windows）及移动平台（Android和iOS）进行了软件开发，下一步还将支持网页嵌入。良好的多平台支持有效拓展了该应用的使用场景，可以与目前主流的智慧课堂系统兼容，满足了不同场景的创作需求，为教师和学生在不同终端的教学与学习提供了便利。

随着我国法制社会建设的不断推进和对知识产权保护的逐步重视，越来越多的学校和科研单位对日常教学、工作中使用的计算机软件提出了正版化要求。目前，在全国范围内使用最为广泛的化学结构编辑软件是由美国CambridgeSoft公司开发的ChemOffice系列软件[4]，该软件功能强大，但全英文使用界面增加了使用者尤其是中学生使用的难度。同时，ChemOffice软件价格昂贵，数千元一套的价格使得很大一部分中学囿于资金限制无法大批量引进，学生更无法自主购买使用，导致相关软件在基础教育中的普及率较低。KingDraw作為一款国内自主研发的软件，手机版、Pad版和PC版均完全免费，可以在实现教育软件正版化的同时，避免引进外国高价软件给学校和教育主管部门增加经费压力。

4    结语

以KingDraw为代表的化学编辑器软件所具备的结构编辑、信息查找、三维建模等功能，可以提升中学有机化学教学的直观性和便利性，配合智慧课堂系统还可实现课堂中的实时应用。KingDraw相较于国外开发的软件，还具有界面友好、多平台兼容和完全免费等优点，在未来的中学化学教学中具有相当广阔的应用前景。

[参考文献]

[1]王婵.分子模型在高中有机化学学习中的作用探究[J].中学化学教学参考，2016（22）：24-25.

[2]秦才玉.从模型认知到微观探析—例谈球棍模型的“妙”用[J].中学化学教学参考，2018（14）：66.

[3]高一，吴晓凤，陈青，等.ChemDraw在“有机化学”课程学习中的应用[J].江苏科技信息，2020，37（1）：71-74.

[4]文小刘，韩文静，独小祯，等.Chemdraw在高中有机化学课堂中的应用[J].课程教育研究，2020（2）：194-195.

Application of chemistry editor software in the auxiliary teaching of organic chemistry experiment in high school： taking KingDraw as an example

Yao Xinyu， Wang Lin， Gao Zhibiao

（Hefei Normal University， Hefei 230601， China）

Abstract：Chemistry editor software has practical functions such as substance structure and reaction process drawing and three-dimensional modeling， etc.， which can play a very good auxiliary role in high school chemistry classroom teaching. The domestic representative software KingDraw has significant advantages such as multi-platform support and low cost of use. It has broad application prospects in high school chemistry teaching， especially in the field of experimental teaching.

Key words：KingDraw software; organic chemistry; auxiliary teaching

基金项目：合肥师范学院研究生创新基金项目“核心素养背景下中学化学数字化实验教学设计及应用”（2020yjs002）;安徽省高等学校省级质量工程项目“材料科学与工程专业教学质量监控体系建设的研究”（2017jyxm1207）

作者简介：姚心宇（1994— ），男，安徽合肥人，硕士研究生;研究方向：中学化学教学。