化學編輯器軟件在高中有機化學實驗輔助教學中的應用

姚心宇 王琳 高志標

摘 要：化學編輯器軟件具有物質(zhì)結(jié)構(gòu)及反應流程繪制、三維建模等實用功能，在中學化學課堂教學中起到了良好的輔助作用。國產(chǎn)代表性軟件KingDraw具有多平臺支持、使用成本低等顯著優(yōu)勢，在未來的中學化學教學中，特別是實驗教學領域，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：KingDraw軟件;有機化學;輔助教學

有機化學是中學化學知識體系中的一個重要組成部分，涉及的相關物質(zhì)種類繁多，結(jié)構(gòu)較為復雜，在教學中涉及對分子空間結(jié)構(gòu)的認識和探索，對學生邏輯思維能力和空間思維能力的要求較高[1]?；瘜W實驗在有機化學的教學中占據(jù)了重要地位，不僅承擔著使學生認識基礎儀器、掌握基本操作的職能，還起到了培養(yǎng)學生基本思維方法和思想方法的作用。但在現(xiàn)有的中學化學傳統(tǒng)課堂教學模式中，受到場地、儀器、課時等現(xiàn)實條件的限制，有機化學的相關實驗在課堂中的開設率并不高。教師往往采用板演、課件展示或模型解說等方法進行輔助教學，效果難以令人滿意[2]。

隨著我國信息技術(shù)的不斷發(fā)展，面向教育的課堂輔助軟件正被大量開發(fā)與完善?；瘜W編輯器軟件因其功能多樣、使用簡便等優(yōu)勢，已在高校教學與科研過程中得到廣泛應用，目前正向基礎教育領域滲透。代表性產(chǎn)品之一KingDraw是一款國產(chǎn)化學編輯器軟件，具有分子結(jié)構(gòu)繪制與圖像輸出、3D可視化模型建構(gòu)、化合物數(shù)據(jù)信息檢索等功能以及跨平臺、無費用、中文操作界面等優(yōu)點，能夠在中學有機化學教學中起到良好的輔助作用。

1 ? ?中學有機化學實驗的特征

中學化學實驗關注化學反應的基礎操作、基本原理和典型現(xiàn)象，主要分為訓練性實驗、原理（驗證）性實驗及探究性實驗。其中，訓練性實驗以使學生正確、快速、準確地掌握化學實驗基本操作為主要目的;原理性實驗聚焦中學化學學習過程中的基本化學事實和化學原理，以獲得具有代表性的現(xiàn)象并加以驗證為主要目的，同時在實驗中對學生的基本實驗操作技能予以練習和鞏固;探究性實驗是在前兩類實驗的基礎上設置新的目標導向或問題導向，學生通過自主設計、自主實施、自主總結(jié)，得到新的結(jié)論或解決原有問題的過程，著重培養(yǎng)學生的科學探究能力。

中學有機化學學習過程中的訓練性實驗涉及有機化學相關儀器的使用技能訓練，學生必須在實驗室中實際操作、掌握要領，才能達成預設的教學目標。原理性實驗和探究性實驗因?qū)嶒炑b置較為復雜、操作過程較為煩瑣，所需時間較長，使用相關軟件進行實驗與教學輔助可以有效簡化實驗過程、縮減操作耗時，聚焦實驗教與學的關鍵原理、關鍵過程、關鍵現(xiàn)象和關鍵結(jié)論，實現(xiàn)課堂效率的提升?；瘜W編輯器軟件作為功能設置較為完備、集成化水平較高的一類專業(yè)化軟件，在高中有機化學實驗教學中起到了良好的輔助作用。

2 ? ?化學編輯器軟件的主要功能—以KingDraw為例

2.1 ?分子結(jié)構(gòu)及反應流程、機理的繪制

繪制有機物分子結(jié)構(gòu)式是以KingDraw為代表的化學繪圖編輯軟件的基本功能[3]。在KingDraw軟件中內(nèi)置了單、雙建、苯環(huán)、環(huán)戊二烯等常見有機化合物結(jié)構(gòu)片段，使用者可通過簡單的選擇與單擊繪制有機物的碳結(jié)構(gòu)骨架。此外，通過選擇元素周期表內(nèi)的元素，再點擊有機物結(jié)構(gòu)中的關鍵部位，可以根據(jù)原子所處化學環(huán)境，自動生成符合有機物結(jié)構(gòu)規(guī)則的取代基。同時，KingDraw亦內(nèi)置了部分取代基的簡寫表達式，可以使繪圖過程更加快捷、結(jié)構(gòu)表達更加美觀。利用KingDraw軟件內(nèi)置的箭頭、電荷、括號等相關工具，可以準確、美觀地繪制化學反應式及相關機理的示意圖。

2.2 ?物質(zhì)基本化學屬性與三維結(jié)構(gòu)的呈現(xiàn)

通過KingDraw軟件集成的化學屬性和3D建模功能，可以輕松獲得所繪制分子的部分化學屬性和三維結(jié)構(gòu)信息。在軟件內(nèi)將化合物的分子結(jié)構(gòu)繪制完畢后，點擊“化學屬性”按鈕，即可獲取該化合物的分子式、分子量、元素質(zhì)量占比、荷質(zhì)比等基本化學屬性信息;點擊“3D”按鈕，軟件可即刻對該分子進行3D建模，以顯示該分子的三維空間結(jié)構(gòu)，用戶可根據(jù)需要選擇比例模型、棍狀骨架模型和球棍模型，所有模型均可自由翻轉(zhuǎn)，便于觀察與圖像輸出。

2.3 ?化合物百科數(shù)據(jù)庫

KingDraw軟件集成了一個簡單易用的化合物百科數(shù)據(jù)庫，收錄了大量物質(zhì)的基礎數(shù)據(jù)。當輸入分子式或通過網(wǎng)頁集成的化學結(jié)構(gòu)編輯器搜索指定的化合物信息時，數(shù)據(jù)庫可以快速匹配并顯示化合物的相關性質(zhì)，主要包括結(jié)構(gòu)、名稱及標識符（同義詞、化學名稱與俗名等）、物理和化學性質(zhì)及光譜信息（包含該物質(zhì)的質(zhì)譜、核磁共振譜、紫外-可見-紅外光譜信息等），同時附有部分圖表。通過該化合物百科數(shù)據(jù)庫，可以輕松了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)信息。

3 ? ?KingDraw軟件在中學化學教學中的應用

3.1 ?輔助教師進行課堂教學

在現(xiàn)代中學化學教學中，使用專業(yè)軟件進行教學輔助，可以有效提升教學效果和質(zhì)量，KingDraw的各項功能可以為教師的教學設計與實施提供有效幫助。中學教師在進行有機化學教學時，演示材料中所需要的物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)模型、反應過程等示例圖片，均可通過KingDraw進行繪制與編排，軟件中所繪制的圖像可以導出多種圖片格式，以適應不同軟件的要求。該軟件的工作文件還支持保存為.cdx、.mol等常用化學繪圖軟件的文件格式，并支持ACS1996等多種繪圖標準。此外，KingDraw開發(fā)了手機和Pad版客戶端，各版本數(shù)據(jù)互通，可以安裝在智慧課堂的教師端和學生端設備中。教師在教學過程中可按需實時調(diào)用，實現(xiàn)無紙化的演示、講解、練習和課堂探究等功能。

3.2 ?輔助學生進行實驗及自我學習

《普通高中化學課程標準》首次以附錄的形式規(guī)定了18個學生必做實驗，對高中化學實驗教學提出了更高要求。其中，“搭建球棍模型認識有機化合物分子結(jié)構(gòu)的特點”被指定為所有學生均需操作的必修課程實驗。在傳統(tǒng)教學過程中，這一實驗往往采用為學生提供實物球、棍的方式進行。這一傳統(tǒng)模式受到學校實驗器材數(shù)量和課堂時間的限制，學校購買的實驗器材和實驗課的課時均有限，學生往往沒有足夠的時間進行獨立設計和深入探索。KingDraw軟件所提供的3D實時建模功能，可將學生繪制的分子結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)化為3D模型，配合智慧課堂系統(tǒng)，可以實現(xiàn)隨堂、即時的實驗學習。這一功能的運用使得實驗的進行不受實驗教具數(shù)量與課堂時間的限制，可以觀察海量有機物的球棍模型和比例模型，極大地拓展了該實驗進行的時間與空間。同時，KingDraw軟件使用全中文操作界面并開發(fā)了移動客戶端，使得該軟件也可作為學生平日進行一般性學習和自主探究性學習、創(chuàng)新實踐的輔助工具，為學生創(chuàng)新意識和探究意識的強化提供有效支持。

3.3 ?KingDraw軟件的其他優(yōu)勢

KingDraw的一個顯著優(yōu)勢是良好的多平臺支持，相較于ChemDraw僅支持微軟Windows和蘋果Mac平臺，KingDraw現(xiàn)已針對國內(nèi)使用最為廣泛的PC（Windows）及移動平臺（Android和iOS）進行了軟件開發(fā)，下一步還將支持網(wǎng)頁嵌入。良好的多平臺支持有效拓展了該應用的使用場景，可以與目前主流的智慧課堂系統(tǒng)兼容，滿足了不同場景的創(chuàng)作需求，為教師和學生在不同終端的教學與學習提供了便利。

隨著我國法制社會建設的不斷推進和對知識產(chǎn)權(quán)保護的逐步重視，越來越多的學校和科研單位對日常教學、工作中使用的計算機軟件提出了正版化要求。目前，在全國范圍內(nèi)使用最為廣泛的化學結(jié)構(gòu)編輯軟件是由美國CambridgeSoft公司開發(fā)的ChemOffice系列軟件[4]，該軟件功能強大，但全英文使用界面增加了使用者尤其是中學生使用的難度。同時，ChemOffice軟件價格昂貴，數(shù)千元一套的價格使得很大一部分中學囿于資金限制無法大批量引進，學生更無法自主購買使用，導致相關軟件在基礎教育中的普及率較低。KingDraw作為一款國內(nèi)自主研發(fā)的軟件，手機版、Pad版和PC版均完全免費，可以在實現(xiàn)教育軟件正版化的同時，避免引進外國高價軟件給學校和教育主管部門增加經(jīng)費壓力。

4 ? ?結(jié)語

以KingDraw為代表的化學編輯器軟件所具備的結(jié)構(gòu)編輯、信息查找、三維建模等功能，可以提升中學有機化學教學的直觀性和便利性，配合智慧課堂系統(tǒng)還可實現(xiàn)課堂中的實時應用。KingDraw相較于國外開發(fā)的軟件，還具有界面友好、多平臺兼容和完全免費等優(yōu)點，在未來的中學化學教學中具有相當廣闊的應用前景。

[參考文獻]

[1]王嬋.分子模型在高中有機化學學習中的作用探究[J].中學化學教學參考，2016（22）：24-25.

[2]秦才玉.從模型認知到微觀探析—例談球棍模型的“妙”用[J].中學化學教學參考，2018（14）：66.

[3]高一，吳曉鳳，陳青，等.ChemDraw在“有機化學”課程學習中的應用[J].江蘇科技信息，2020，37（1）：71-74.

[4]文小劉，韓文靜，獨小禎，等.Chemdraw在高中有機化學課堂中的應用[J].課程教育研究，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

基金項目：合肥師范學院研究生創(chuàng)新基金項目“核心素養(yǎng)背景下中學化學數(shù)字化實驗教學設計及應用”（2020yjs002）;安徽省高等學校省級質(zhì)量工程項目“材料科學與工程專業(yè)教學質(zhì)量監(jiān)控體系建設的研究”（2017jyxm1207）

作者簡介：姚心宇（1994— ），男，安徽合肥人，碩士研究生;研究方向：中學化學教學。