中學(xué)化學(xué)教學(xué)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顧和明，楊 涵

（長江師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，重慶 408100）

在化學(xué)課堂教學(xué)中運(yùn)用信息技術(shù)，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，活躍思維，提高學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)求知欲，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和科學(xué)探究能力。運(yùn)用信息技術(shù)還可以降低教育工作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。因此，近十年來編制了不少化學(xué)輔助教學(xué)類軟件，在化學(xué)教學(xué)中發(fā)揮了不小的作用。這些軟件大多數(shù)是由中學(xué)化學(xué)教師編寫的，分析這些軟件，主要存在如下不足：（1）大多數(shù)軟件功能比較單一，少數(shù)軟件雖然集成了多個(gè)功能，但各功能都比較簡單，比如方程式配平程序只能配平簡單的方程式；（2）許多軟件界面不太美觀，交互性不強(qiáng)，可操作性比較差，專業(yè)性不足；（3）軟件設(shè)計(jì)專業(yè)性不足，比如元素周期表功能大多使用了ODBC連接ACCESS數(shù)據(jù)庫的方法，體積過大而且需要手工配置數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)才能使用，這給安裝使用帶來了不便，尤其是計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平不高的中學(xué)生使用起來更加困難，因此在課外學(xué)習(xí)中不能充分發(fā)揮作用。針對軟件存在的上述問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了功能比較全面、易用性強(qiáng)、兼容性好、對系統(tǒng)配置要求不高的化學(xué)教學(xué)輔助軟件系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)思想

該軟件的主要用戶群是中學(xué)化學(xué)教育工作者和中學(xué)生，考慮到此類用戶計(jì)算機(jī)操作水平相對不高，以及此類單位的計(jì)算機(jī)軟硬件配置參差不齊，尤其是經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)電腦配置比較差，針對上述情況要求：（1）軟件不需要安裝，保存在電腦里能直接使用，軟件界面美觀，直觀明了，易學(xué)易用易掌握，在不閱讀軟件幫助文檔的前提下能夠使用軟件的大部分功能；（2）對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置要求不高，普通電腦即便是比較老舊的電腦均能正常運(yùn)行；（3）軟件盡量小，大小控制在 3 MB以內(nèi)，這樣在網(wǎng)絡(luò)上保存和下載均比較方便，同時(shí)應(yīng)考慮到廣大農(nóng)村中學(xué)網(wǎng)絡(luò)普及率比較低，體積小便于使用容量不大的存儲(chǔ)器保存。

鑒于此系統(tǒng)是圖形用戶界面，又需要在配置比較差的電腦上正常運(yùn)行，優(yōu)先選用了VB6.0語言進(jìn)行開發(fā)。沒有選用最新的VB.NET版本，是因?yàn)樾枰惭b.NET框架，框架程序大小為 22.4 MB，體積過大，只有Windows 7及以上版本才帶有VB.NET程序運(yùn)行需要的.NET框架，比較老的版本則沒有，但Win ME以上操作系統(tǒng)均自帶VB6.0運(yùn)行庫，國內(nèi)中學(xué)普通使用的各個(gè)Windows操作系統(tǒng)基本均帶有VB6.0運(yùn)行庫，這就為VB6.0開發(fā)的軟件提供了廣泛的支持。

2 化學(xué)教學(xué)輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分析化學(xué)教學(xué)中重要的知識(shí)點(diǎn)，以及從方便教學(xué)和學(xué)生自學(xué)角度出發(fā)，選取了4個(gè)主要功能：元素周期表、方程式配平、分子量計(jì)算以及3D分子球棍模型編輯器等。以這4個(gè)功能為核心設(shè)計(jì)了4個(gè)子系統(tǒng)：

（1）化學(xué)元素周期表子系統(tǒng)：可以顯示各個(gè)元素的化學(xué)性質(zhì)等信息，并能進(jìn)行修改，突出顯示周期/主族，可以根據(jù)個(gè)人需要單獨(dú)對某個(gè)元素進(jìn)行重新配色，為了寓教于樂，設(shè)計(jì)了周期表元素游戲，教師可以在娛樂中進(jìn)行元素內(nèi)容教學(xué)。

（2）方程式配平子系統(tǒng)：根據(jù)用戶輸入的化學(xué)方程式或離子方程式直接計(jì)算出配平結(jié)果。能夠?qū)τ脩糨斎氲幕瘜W(xué)方程式的非邏輯錯(cuò)誤進(jìn)行自動(dòng)更正，自動(dòng)判別用戶輸入的化學(xué)方程式的類型并調(diào)用不同的計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算，可以配平復(fù)雜化學(xué)方程式。

（3）分子量計(jì)算子系統(tǒng)：根據(jù)用戶輸入的化學(xué)分子式直接計(jì)算出分子量，根據(jù)用戶輸入的數(shù)學(xué)表達(dá)式直接計(jì)算出結(jié)果。

（4）3D分子球棍模型編輯子系統(tǒng)：用戶能夠較方便、直觀地制作、編輯3D分子球棍模型并以文件的方式進(jìn)行保存、讀取。編輯完成的3D分子球棍模型能夠以定向旋轉(zhuǎn)、鼠標(biāo)跟隨、鼠標(biāo)拖拽等三種動(dòng)態(tài)方式進(jìn)行演示。

此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了截取圖像功能，可將其截取圖像保存為BMP或JPG格式的圖像文件。教師備課和學(xué)生學(xué)習(xí)過程中經(jīng)常需要使用此功能，將重要的內(nèi)容截圖保存，便于教學(xué)、學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)。

3 高性能中學(xué)化學(xué)教學(xué)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 元素與化合物相關(guān)信息存儲(chǔ)方式

眾多的元素和化合物以及它們相關(guān)信息的存儲(chǔ)是軟件是否方便使用的關(guān)鍵，同類軟件大多采取內(nèi)置數(shù)據(jù)或使用ODBC連接ACCESS數(shù)據(jù)庫的方法存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。使用內(nèi)置數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)分散，編程不方便，修改困難，查詢困難，尤其不適合數(shù)據(jù)量比較大的情況。使用ACCESS數(shù)據(jù)庫雖然功能強(qiáng)大但需要數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)，安裝軟件后需要進(jìn)行系統(tǒng)配置，這樣不僅會(huì)大大增加軟件體積同時(shí)也降低了軟件的易用性。此外可以采用隨機(jī)文件保存數(shù)據(jù)，但隨機(jī)文件內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)性不強(qiáng)，關(guān)聯(lián)性差，因此不便于數(shù)據(jù)查詢，尤其是復(fù)雜查詢。最終軟件采用了XML格式文件保存數(shù)據(jù)，這種格式數(shù)據(jù)不僅結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，易于讀取，而且可以方便地根據(jù)需要進(jìn)行增加、修改或刪除。

每一個(gè)元素和化合物都作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)元素有二十多項(xiàng)化學(xué)性質(zhì)，均作為它的子節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)化合物的相關(guān)信息也作為它們的子節(jié)點(diǎn)，包括與化合物相關(guān)化學(xué)方程式。當(dāng)查詢某個(gè)元素或化合物時(shí)，可以將其全部信息查詢出來，也可以根據(jù)某個(gè)元素查詢相關(guān)的化合物及其相關(guān)信息。使用XML格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)是不方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化設(shè)置，化合物中元素如果有下標(biāo)，在查詢時(shí)不能直接顯示，需要進(jìn)行格式設(shè)置。

3.2 化學(xué)元素周期表子系統(tǒng)

元素周期表仿照門捷列夫周期表的形式用圖形整體顯示，點(diǎn)擊任一元素，均可馬上查詢到相關(guān)化學(xué)性質(zhì)，包括元素常見的化合物，點(diǎn)擊化合物可以查詢相關(guān)的化學(xué)性質(zhì)。同一周期或主族的元素使用同一種顏色顯示，這樣直觀明了。

3.3 方程式配平子系統(tǒng)

分析現(xiàn)有的配平化學(xué)方程式的程序，第一類是純粹搜索預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)，這種軟件能配平的方程式很有限且軟件體積大；第二類是純粹枚舉各物質(zhì)系數(shù)，但這樣速度太慢；第三類是通過計(jì)算得到。這三類方式均不能配平所有的化學(xué)方程式。分析發(fā)現(xiàn)，不能配平的方程式的特征是：生成物的種數(shù)+反應(yīng)物的種數(shù)-參加反應(yīng)的元素的種數(shù)≥2。

對于生成物的種數(shù)+反應(yīng)物的種數(shù)-參加反應(yīng)的元素的種數(shù)〈2的化學(xué)方程式可以為每種元素列一個(gè)一次方程，將問題轉(zhuǎn)化為多元一次線性方程組，再將此多元一次線性方程求解即可得到各項(xiàng)配平系數(shù)。對于生成物的種數(shù)+反應(yīng)物的種數(shù)-參加反應(yīng)的元素的種數(shù)≥2的化學(xué)方程式的情況，其無法配平的根本原因在于：未知的系數(shù)數(shù)目超過方程所能求出的解的數(shù)目，例如：HClO3O2+Cl2+HClO4+H2O，其中生成物和反應(yīng)物共有五種，而元素只有 H、Cl、O三種，這種情況在有機(jī)化學(xué)中很常見。目前針對該類化學(xué)方程式的人工代數(shù)解法是對部分未知系數(shù)逐一進(jìn)行假設(shè)，然后計(jì)算出其它未知系數(shù)，這樣獲得若干個(gè)解之后再篩選出符合條件的解（實(shí)際上這類化學(xué)反應(yīng)方程式的配平系數(shù)有無窮多，這種情況下必須依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇恰當(dāng)?shù)呐淦较禂?shù)），但此方法人工筆算工作量較大，也難以通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)。為了解決這個(gè)問題，本程序采用的方法是：直接對方程組進(jìn)行假設(shè)而不是假設(shè)未知系數(shù)。具體做法是在原方程組上再加上一條方程，如果不行再加一條，直到滿足：生成物的種數(shù)+反應(yīng)物的種數(shù)-參加反應(yīng)的元素的種數(shù)〈2，就可以用普通方法進(jìn)行計(jì)算了。方程求解如下所示（虛線框內(nèi)為假設(shè)的方程）：

對新添加的方程進(jìn)行枚舉，其中m為枚舉系數(shù)的最小值，n為枚舉系數(shù)的最大值，m和n可由軟件自動(dòng)產(chǎn)生，也可由用戶設(shè)定。枚舉的方程數(shù)量的上限也可由用戶設(shè)定。計(jì)算后再對解進(jìn)行篩選，把出現(xiàn)0和負(fù)數(shù)的解去掉，合并相同的解，將符合條件的解輸出。

3.4 分子量計(jì)算子系統(tǒng)

計(jì)算分子量的問題可以簡化為將分子式轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)表達(dá)式。分子式的關(guān)鍵是正確分離出每一個(gè)元素，為了正確計(jì)算，分子式中的化學(xué)元素第一字母必須大寫，根據(jù)字母大寫和數(shù)字，使用字符串方法分離出每一個(gè)元素和元素的下標(biāo)，分離出的元素和一個(gè)數(shù)組對應(yīng)起來，每一個(gè)元素查詢出它們的原子量存儲(chǔ)在對應(yīng)數(shù)組單元中，然后根據(jù)分子式中元素的位置和下標(biāo)構(gòu)建出一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式，從而計(jì)算出分子量。

輸入分子式時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)查詢內(nèi)部存儲(chǔ)的分子式，當(dāng)輸入錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)會(huì)顯示可能的正確分子式供選擇，這樣大大降低了錯(cuò)誤計(jì)算的可能性，如果輸入的分子式系統(tǒng)內(nèi)部沒有存儲(chǔ)，則不做任何提示。

在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，使用系統(tǒng)函數(shù)Round控制相對原子量小數(shù)位數(shù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些問題。VB6中文版的MSDN上說這個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的是四舍五入，而實(shí)際上這個(gè)函數(shù)采用的四舍六入五留雙，也就是當(dāng)五之前是奇數(shù)時(shí)五入，而是偶數(shù)時(shí)五舍，比如：1.25保留一位小數(shù)，則Round（1.25）=1.2如果是 1.35，則 Round（1.35）=1.4即奇進(jìn)偶不進(jìn)。這樣在大量需要四舍五入的數(shù)相加相減相乘的時(shí)候誤差要更小一點(diǎn)。Round函數(shù)符合國際標(biāo)準(zhǔn)，該函數(shù)是正確的，但不符合國人的習(xí)慣，所以在本程序中采用了自定義的符合國人習(xí)慣的四舍五入函數(shù)。

3.5 3D分子球棍模型子系統(tǒng)

3D分子球棍模型用于直觀顯示分子結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)目標(biāo)是用戶可以用鼠標(biāo)方便增、減表示原子的球和表示原子位置關(guān)系的棍，用戶能夠自如地調(diào)整球和棍的位置，能旋轉(zhuǎn)分子模型以便從不同角度觀察分子結(jié)構(gòu)。此模塊可以使用開源的3D游戲引擎實(shí)現(xiàn)，但由于該3D游戲引擎還不太完善，運(yùn)行時(shí)容易導(dǎo)致死機(jī)。另一種方法是在Flash中使用矩陣變換法實(shí)現(xiàn)模型的制作和編輯，但存在計(jì)算效率過低從而導(dǎo)致速度比較慢等一系列問題。分析Flash實(shí)現(xiàn)3D動(dòng)畫制作和編輯的過程，發(fā)現(xiàn)球棍模型空間運(yùn)動(dòng)相對簡單，使用矩陣變換的方式計(jì)算坐標(biāo)，算法復(fù)雜，計(jì)算量比較大，導(dǎo)致速度較慢。經(jīng)過認(rèn)真研究發(fā)現(xiàn)，可以通過更簡單的公式變換來計(jì)算球和棍轉(zhuǎn)動(dòng)與移動(dòng)坐標(biāo)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)球棍模型時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，可以十分簡單地計(jì)算出各個(gè)球新的坐標(biāo)，這種方式計(jì)算速度明顯加快，動(dòng)畫速度獲得了大幅提高，在此基礎(chǔ)上也實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的各種編輯功能。

出于安全角度考慮，Macromedia公司沒有在Flash中設(shè)計(jì)寫文件的功能，所以要將球棍模型數(shù)據(jù)以文件的形式進(jìn)行保存就必須將數(shù)據(jù)傳遞給其他程序，讓其他程序幫忙進(jìn)行寫文件的操作。具體做法是先在Flash里的“保存數(shù)據(jù)” 按鈕里寫入 “fscommand （"other"，make_data（" "））；”，其中第一個(gè)值為必選參數(shù)，第二個(gè)值為傳遞的數(shù)據(jù) （該值為可選參數(shù)可省略，如 “關(guān)閉”按鈕為“fscommand （“quit”）；”）。 然 后 在 VB 中 先 使 用ShockwaveFlash控件將目標(biāo)Flash嵌入到程序中，再通過ShockwaveFlash控件獲取Flash的FSCommand中第一個(gè)參數(shù)的值來識(shí)別Flash中哪一個(gè)按鈕被按下了，同時(shí)獲得第二個(gè)值的數(shù)據(jù)。采用這種方法可以方便實(shí)現(xiàn)分子球棍模型的保存。

3.6 截圖功能模塊

使用BitBlt函數(shù)可方便地將指定區(qū)域的屏幕圖像復(fù)制到PICTURE控件中。VB的SavePicture方法可將圖形保存為BMP格式文件。BMP格式質(zhì)量很好但體積過大，所以采用壓縮率高的JPEG格式來保存圖形文件的功能是圖形類軟件必不可少的。雖然該功能可以通過第三方控件或GDI+來實(shí)現(xiàn)，但這類控件體積較大，對于不需要批量保存圖形的小型軟件來說是不值得的。如果采用GDI+，其所需要的gdiplus.dll文件只有 Windows XP以上操作系統(tǒng)才自帶，而且gdiplus.dll文件同樣也很大，帶上數(shù)MB的gdiplus.dll文件顯然也是不值得的。本軟件使用的是匯編語言編寫的JPEG圖片壓縮模塊，程序相對比較小，該模塊表現(xiàn)穩(wěn)定，但速度較慢，使用1.1 GHz的CPU的電腦保存1 024×768大小32位色的圖片約需要5 s。VB不適合編寫高速JPEG壓縮程序的主要原因在于JPEG壓縮需要大量的位運(yùn)算，而VB中只能靠乘除來移位，效率太低；其次，在高級(jí)語言中確定一個(gè)整數(shù)占用的位數(shù)需要一大堆if，而在匯編中一條位掃描指令就行了。不過本軟件不需要大批量保存圖形，用數(shù)秒的時(shí)間換取數(shù)MB的空間還是值得的。本文中的程序界面截圖均為本程序制作。

4 軟件實(shí)現(xiàn)與試用

為了更好地滿足用戶需求，本系統(tǒng)先發(fā)行了V1.0和V1.5兩個(gè)版本，將主要功能模塊發(fā)到網(wǎng)上任由用戶下載試用，通過網(wǎng)上留言和投票的方法收集到了大量的用戶需求信息以及系統(tǒng)改進(jìn)建議，并據(jù)此開發(fā)了V2.1版。鑒于篇幅，主要介紹方程式配平工具和分子球棍模型編輯器。

方程式配平工具能夠配平復(fù)雜的方程，目前還沒有發(fā)現(xiàn)不能配平的化學(xué)方程式，這是目前其他同類軟件（包括國外收費(fèi)軟件）均不具備的。舉一個(gè)復(fù)雜方程配平的例子。

這個(gè)方程式配平極其復(fù)雜，用手工來配平工作量很大，而且十分容易出錯(cuò)，用現(xiàn)有的配平軟件也均不能正確配平，使用我們編寫的軟件，只需要把方程式復(fù)制到輸入欄，點(diǎn)擊配平后立刻出現(xiàn)正確的結(jié)果，配平速度極快（圖 1）。

圖1 配平

分子球棍模型能夠較方便、直觀地編輯3D分子球棍模型，并能以文件方式進(jìn)行保存、讀取，3D分子球棍模型能夠定向旋轉(zhuǎn)、鼠標(biāo)跟隨、鼠標(biāo)拖拽三種動(dòng)態(tài)方式進(jìn)行演示，而且速度比較快（圖2）。

圖2 3D球棍模型

本系統(tǒng)具有良好的兼容性、交互性以及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，界面友好，簡單易用，較好地解決了目前此類軟件的不足之處。除了中學(xué)化學(xué)教學(xué)常用的功能之外，軟件加入了一些專業(yè)功能，使其既可作為供教師使用的化學(xué)教學(xué)工具及學(xué)生課后進(jìn)行自主探究式學(xué)習(xí)的工具，同時(shí)也可作為化學(xué)數(shù)據(jù)查詢、計(jì)算工具供化學(xué)類相關(guān)專業(yè)人員使用。

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