常见化学物质三维模型制作与应用

崔克宇 姜宇 韩旭 杨淼 姜大雨

摘 要 在化学专业多媒体教学课件、微课视频和在线课程的制作过程中加入所需要物质的三维模型，可以明显增强学生的学习兴趣，提高教师的教学水平。介绍使用ChemBio3D和Diamond

程序创建常见化学物质三维模型的方法和应用这些模型的方法。

关键词 化学物质；三维模型；ChemBio3D；Diamond

中图分类号：G652 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）14-0028-03

Make and Application of Three-dimensional Model of Common Chemical Substances//CUI Keyu， JIANG Yu， HAN Xu， YANG Miao， JIANG Dayu

Abstract If the three dimensional models of the needed substances is

added to the multimedia courseware， microlecture video and online course in Chemistry， the students interest in learning and the level

of teachers teaching will be greatly improved. This article mainly introduces the methods of using ChemBio3D and Diamond programs

to create three dimensional models of common chemical substances and the application of these models.

Key words chemical substances； three-dimensional structure model；

ChemBio3D； Diamond

1 前言

随着信息和网络技术的迅猛发展，以计算机为辅助的教学模式被广泛应用于各个学科教学之中[1]。目前多媒体课件的开发工具主要有PowerPoint、Articulate Storyline、

Flash和Focusky等[2]。

化学作为一门以实验为基础的自然科学，它以物质的组成、结构、性质及变化规律为研究对象。因此，在化学专业的多媒体教学课件、微课视频和在线课程制作过程中，必然会涉及非常多的专业符号、专业图形，尤其是在制作晶体化学和有机化学课件时，由于化学教师不是计算机专业人员，很难掌握3D MAX等专业模型制作软件的使用方法，使得相关物质的三维结构制作成为难题，通常只能上网进行搜索和下载。但是这些模型往往只是视频或动态图片，并且模型的颜色不能修改，最重要的是这些物质模型不能进行放大、缩小、旋转和改变显示方式（线状、棍状、球棍、圆柱键或比例模型）等，使用者的交互性较差，给广大化学教育工作者带来较大的困扰[3]。另外，虽然有少数教师能会制作一些简单的物质模型，但是不能将这些模型应用到PowerPoint等程序中。本文将主要介绍如何采用ChemBio3D

和Diamond两款程序进行常见化学物质三维模型的创建、外观修改和应用。

2 使用ChemBio3D软件创建常见有机化合物的模型

ChemBioOffice是由剑桥软件公司（CambridgeSoft）开发的综合性科学应用软件包，其有三个主要模块：ChemBioDraw、ChemBio 3D和ChemBioFinder。其中ChemBio

3D程序的主要功能有有机分子三维结构的绘制、构型的测量（键长、键角和二面角等信息）和多种分子构型的3D显示方式（线状、棍状、球棍、圆柱键或比例模型）。

有机分子三维模型的创建方法

1）利用Building工具栏中的单、双、叁键按钮来创建分子构型[4]。按下单键工具按钮，按住鼠标从左向右拖动，绘制完一根C-C键后，释放鼠标按钮；然后以其中一个C原子为起点，继续按住鼠标从左向右拖动，即可完成丙烷C3H8分子模型的创建，见图1。

2）利用Building工具中的文本工具按钮来创建分子构型。按下单键工具按钮后在编辑区单击鼠标，在文本区域内键入原子符号及数量（化学式）即可。如输入CH3Cl可以得到一氯甲烷的模型，输入CH3CH（CH3）CH3可以得到异丁烷的模型。需要注意的是，其中的数字正常录入即可，其中括号内的基团表示位于支链。此外还可以利用本方法在原结构上加入或修改取代基：通过文本工具点击任意需要添加取代基位置的原子，在文本区域写上新的基团（缩写或分子式均可）。

3）利用ChemDraw面板来创建复杂有机分子构型。采用上面的两种方法可以创建一些简单的有机分子模型，而创建一些复杂有机分子的模型则较为困难，可以利用软件的ChemDraw面板来解决这个问题。用户可以执行View菜单下的ChemDraw Panel命令调出该面板，然后在ChemDraw面板中单击鼠标右键，执行其中View菜单中的Show Main Toolbar命令，可以调出Main Toolbar工具栏，便可以利用ChemBioDraw程序强大的功能绘制出各种化学物质的结构式，并同时在编辑区能看到该物质的三维模型。使用者可以查阅相关的教程来学习[4]，在此本文不再赘述。

三维模型的应用方法 使用ChemBio3D程序创建好的各种模型，可以采用以下两种方式进行应用。

1）动画AVI方式。此种方法是将ChemBio3D中创建的三维模型保存为视频文件的格式，这样可以非常方便地将这些模型动画应用到PowerPoint、Articulate Storyline、Flash和Focusky等软件中。在ChemBio3D中创建好三维模型以后，执行File/Save As命令，将文件保存为AVI格式。雖然用此方法得到的动画文件在PowerPoint等程序中使用时非常方便，但是在PowerPoint文件演示时不能再任意旋转模型，丧失了交互性。

2）在PPT当中的控件方式[5]。如在ChemBio3D程序中创建好一个乙烷模型以后，存为123.c3xml或123.c3d文件，并将此文件保存在与目标PPT同一个目录当中。打开目标PPT后，点开发工具→控件→其他控件，在调出的对话框中选择“CS Chem3D Control 12.0”控件后点击确定，然后在幻灯片中按住鼠标左键不放，拖放出一个矩形区域。在用鼠标选择的“CS Chem3D Control 12.0”控件的条件下，执行“开发工具”选项卡中“控件”组中的“属性”命令，在弹出的控件属性窗口的“DataURL”栏中输入文件的相对路径和名称“123.c3xml”或“123.c3d”。这样在幻灯片播放到此页幻灯片时，就可以查看乙烷的三维模型，并且能对模型进行放大或缩小、平移、旋转等相关操作，具有较强的交互性，见图2。

可见采用“CS Chem3D Control 12.0”控件的办法具有较强的交互性，但是采用这种方法时，目标计算机中需要安装ChemBio3D程序，才能保证PPT的正常播放。

3 使用Diamond创建模型和应用方法

Diamond是从事晶体合成的化学科研工作者经常使用的一款绘图软件，使用该软件可以绘制出所合成晶体的结构图、多面体图、拓扑图等[5]。

创建方法

1）输入原子坐标参数的方法.像NaCl、CSCL和SiO2等一些简单的无机化合物，可以通过输入该种物质的原子坐标参数的方法来快速创建[5]，相关晶体的晶胞参数和晶体中原子的坐标参数可以在相关资料中获得.由于已有相关文献资料介绍了如何利用晶体的结构参数创建晶体的模型，本文将不再详细介绍。

2）导入cif文件的方法。cif（Crystallographic In-

formation File）类型的文件是晶体结构数据储存和交流最常见文件格式之一，很多结构复杂的物质都采用这种文件来存储晶体结构数据。获取cif文件的方法有很多，使用者可以利用剑桥晶体学数据中心（https：//www.ccdc.cam.

ac.uk/）和晶体学公开数据库（http：//www.crystallogra

phy.net/cod/），查询和下载相关晶体的cif文件。另外，世界各个文献数据库（如ACS Publication和Royal Society

of Chemistry等）旗下的多数期刊，近年来发表的晶体类论文都可以免费下载论文中的cif文件。

Diamond中物质模型的应用方法

1）生成视频文件。使用者可以参照文献的方法制作一个“C60”的多面体模型并打开[5]，打开Move工具栏中的自动按钮和Video Sequence工具栏中的开启视频记录

后，再使用旋转工具即能记录模型自动连续旋转的过程；当演示结束时点击停止视频记录按钮后，会弹出将文件保存为AVI视频文件的对话框。利用这种方法生成的视频或图片就可以应用到PowerPoint、Flash和Focusky等软件中，但是所生成的视频文件或图片文件没有交互功能，这个问题可以通过下面的方法得到解决。

2）利用CS Chem3D Control 12.0控件的方法。使用者可以参照文献的方法制作一个“NaCl.diamdoc”的三维模型并打开，执行File/Save As/Save Document As命令，将文件另存为NaCl.mol，并在弹出的对话框中选择“否”。

上文提到的CS Chem3D Control 12.0控件不仅可以加载扩展名为c3xml和c3d的文件，还可以加载扩展名为mol的文件，使用者可以采用上文的方法在PowerPoint中加载此类型的文件，只需要在CS Chem3D Control 12.0

控件的“属性”对话框中的“DataURL”栏中输入文件的相名称“NaCl.mol”。这样在幻灯片播放到此页幻灯片时，就可以查看NaCl的三维模型，见图3，并且能对模型进行放大或缩小、平移、旋转等相关操作，具有较强的交互性。

使用此方法要注意下面的问题：

1）利用CS Chem3D Control 12.0控件加载的模型与使用Diamond软件制作的模型的颜色会有一定的变化，可以使用ChemBio3D程序打开NaCl.mol文件修改颜色后保存即可；

2）mol格式的文件不包含由Diamond中创建的物质模型的所有信息，如Diamond中创建的物质模型如果有多面体时，使用此方法时模型的多面体将消失，此时只能采用上文的方法将模型保存为AVI格式的文件。

4 结语

在化学专业的多媒体教学课件、微课视频和在线课程的制作过程中，加入所需要物质的三维模型可以明显增强学生的学习兴趣，提高教学效率和质量。本文主要介绍了使用ChemBio3D和Diamond程序创建常见化学物质三维模型的方法、模型外观的修改方法和应用这些模型的方法。在PowerPoint中使用CS Chem3D Control 12.0控件加载c3xml、c3d和mol类型的文件，可以明显提高教学课件的交互性，进而提高学生学习兴趣和教学质量。

参考文献

[1]杨浩，郑旭东，朱莎.技术扩散视角下信息技术与学校教育融合的若干思考[J].中国电化教育，2015（4）：1-6.

[2]宋潇，王润兰，裴红彬，等.浅谈常用工具软件在微课制作中的应用[J].数字教育，2017（3）：66-70.

[3]吴良根.中学化学多媒体课件设计制作的探索[J].中国教育学刊，2005（10）：60-63.

[4]王灵，胡乔生.ChemBioOffice 2010在化学教学中的应用[J].软件导刊：教育技术，2010（8）：87-89.

[5]崔克宇.化學多媒体课件的设计、开发与制作[M].北京：中国纺织出版社，2017：165-168.