浅谈MaterialsStudio在物质结构与性质学习中的应用

摘 要：物质的结构与性质是高中化学学习的重点和难点之一。本文结合物质结构与性质模块中分子构型、堆积模型、晶体结构等教学内容，利用Materials Studio的Visualizer等插件，可视化、多维度演示原子、分子、晶体等模型，强化学生对化学微观结构的认知，提升学生的宏观辨识与微观探析学科素养。

关键词：Materials Studio;物质结构与性质;可视化;教学

一、问题的提出

化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、变化及其应用的一门基础学科[1]。在高中化学课程体系中，物质结构与性质作为选择性必修是在必修模块物质结构基础内容的基础上建立起宏观与微观之间更加深入的联结的模块。在必修模块主题的学习中，已经学习了原子结构与元素周期律、化学键等必修模块知识，然而通过进一步学习，从原子、分子水平上认识物质结构的组成与构成规律，让学生形成观念性的认识仍具有一定的认知难度。

在当今信息时代，多媒体技术、教学辅助软件等现代教育技术开始逐渐成为改革的推动力，2017年版课程标准中也建议要重视信息技术的应用，提出“强化信息技术与化学教学的深度融合，促进教师教学方式和学生学习方式的改变”[2]。聚焦于物质结构与性质模块的学习，物质结构与性质所涉及的概念与知识具有抽象性与复杂性，那么应如何帮助学生在已有元素周期律、原子结构和化学键相关概念和知识的基础上，学习物质结构构成的奥秘？采用怎样的演示教学才能帮助学生更加容易的理解物质结构与性质相关概念？因此，将化学专业软件融入物质结构与性质学习中，能作为学生学习化学的辅助性工具提升学生的学习兴趣，发展学生“宏观辨识与微观探析”的核心素养。

二、物质结构与性质教学的得力助手——Materials Studio

许多化学专业软件如Diamond、CrystalMaker、GaussView、ChemBioOffice、Materials Studio，都能为化学教学提供一定帮助，其中Materials Studio软件是由美国BIOVIA（前身为Accelrys）公司开发的一款全功能的建模和仿真环境软件。Materials Studio软件的功能极为强大，可以绘制与优化分子的立体模型，计算分子内的键长、键角，还可以用多视角三维观察晶体的立体结构，观测晶体参数和晶体类型。此外Materials Studio软件还可以对反应过程、表面化学反应进行计算与模拟[3]。

在2017版新课标中，要求学生能够分析常见简单分子的空间结构，能够用模型说明晶体中的微粒及其微粒间的相互作用，借助Materials Studio軟件模拟的直观手段，可充分降低学习内容的枯燥抽象程度，降低空间思维能力和想象力的要求，促进学生对物质结构与性质模块中分子构型、堆积模型、晶体结构等教学内容相关内容的理解和认识，发展学生“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。

三、Materials Studio软件在物质结构与性质学习中的应用

Materials Studio软件是一个多功能的化学专业软件包，主要包括Analytical and Crystallization（分析和结晶化）、Quantum and Catalysis（量子和催化）、Polymers and Classical Simulation（高分子和经典模拟）、Materials Visualizer（材料可视化工具）四大组件。在物质结构与性质的学习中，主要涉及到是Materials Visualizer（材料可视化工具）组件，使用其可以创建分子的三维立体模型，也可以把复杂的堆积模型和晶体结构用以可视化的、容易理解的球棍模型表示出来，能让学生直观的、多角度的观察复杂晶体结构。

（1）辅助分子立体构型学习

在分子的立体构型章节的学习中，要求掌握共价分子的特定构型，并能根据价层电子对互斥理论（VSEPR）计算出中心原子孤对电子数和价层电子对数，根据相关结果预测分子的立体构型。以化学中常见的CH4分子和CH3Cl分子的学习为例，在此章节的学习中，可以在Sketch Toolbar（绘制工具栏）上单击Sketch Atom按钮，在下拉选项中选择碳，绘制一个碳原子，之后单击Auto Hydrogen按钮，添加适当数目的氢原子。在3D ViewerToolbar（绘制工具栏）上单击Selection Mode按钮，选中CH4分子，并在View菜单栏下选择Display Style，在Display Style对话框的Atom选项页中可以分别选择CPK（球堆砌模型）和Ball and Stick（球棍模型），得到CH4分子的不同模型（图1），并可以将该分子模型转动与移动，更加直观地感受分子的微观构型。

在初步学习VSEPR理论时可能会产生这样的困惑，虽然CH3Cl也是四面体，但与CH4的正四面体构型能有多大区别呢？Cl取代H之后到底会对键长和键角产生多大影响？传统的教学方式难以直观的判断CH3Cl与CH4的差异，我们可以利用Sketch Toolbar（绘制工具栏）上Measure/Change工具，对键长和键角进行测量。绘制好CH3Cl与CH4的模型后，点击Clean按钮，使所绘制结构优化后，点击Measure/Change按钮，在下拉选项中选择Distance，依次点击所测量键长的相邻两个原子，软件便能测量两原子之间距离（绿色字体显示）;在下拉选项中选择Angle，依次点击所测量键角的端点、定点、端点，软件便能测量两化学键的键角（黄色字体显示）。对于CH4分子，其中4个C-H的键长为1.140 Å，6个H-C-H的键角为109.471o。对于CH3Cl分子，其中C-Cl的键长均为1.760 Å，3个C-H的键长为1.140Å，3个Cl-C-H的键角为109.468 o，3个H-C-H的键角为109.473 o。通过软件可以直观的、精确的、测量出CH4与CH3Cl的各项参数，可以更加深刻的认识到因为Cl原子的半径相对较大，取代H原子之后，C-Cl键长变长，并且由于空间位阻的变大，使得H-C-H的键角略微变大，空间构型也因此发生了变化。

除此之外，Materials Studio软件还提供了Study Table（研究列表）功能，还可以将上述绘制的CH4分子和CH3Cl分子导入列表中，就快速的对分子的分子量、原子个数、原子种类、原子个数比例、偶极矩、电荷分布等进行统计、分析和对比。

（2）辅助堆积模型、晶体结构学习

在必修模块的主题学习大多是从宏观角度对物质的性质进行探究与学习，而对微观层面物质的聚集状态、构成物质的微粒以及微粒的空间排布等方面内容学习较少。在晶体和聚集状态中涉及许多抽象的概念和内容如共价晶体、离子晶体等模型的结构特点，这些内容要求学生具备比较强的空间想象能力和思维能力，传统的“黑板+粉笔”的学习方式较难建立起相应的模型，学习效果并不理想。

通过Materials Studio软件自带的多种晶体模型，能将传统平面教学转变为直观形象的立体模型，用可视化的球棍模型展现出来，促进对复杂晶体结构概念和知识的学习。以金刚石共价晶体的学习和分析为例，从File菜单栏下选择Import命令，打开“Examples＼Documents＼3D Model”路径下文件“C.msi”，便可以得到金刚石晶胞的线状模型。在View菜单栏下选择Display Style，在Display Style对话框的Atom选项页中可以分别选择Ball and Stick（球棍模型），得到金刚石晶胞的球棍模型（图2左），3D Viewer Toolbar（绘制工具栏）上单击Rotation Mode按钮，能够多角度观察晶体构型。此外，在软件中也能重复绘制多个晶胞，在View菜单栏下选择Display Style，在Display Style对话框的Lattice选项页中可以通过Range设置X、Y和Z轴方向晶胞重复数量，观察晶胞的重复后的情况（图2右）。

通过自带的晶体建模功能，Materials Studio软件可以建立各种晶体的立体模型。如以中学化学常见的NaCl离子晶体为例，在Build菜单栏下选择Crystal下级菜单打开BuildCrystal對话框，在SpaceGroup选项页选择空间群FM-3M，在Lattice Parameter输入晶格变长参数为5.644Å，之后在Build菜单栏下打开Add Atom对话框，输入Na的晶胞坐标参数（0，0，0）和（0.5，0.5，0），以及Cl的晶胞坐标参数（0.5，0.5，0.5）和（0.5，0，0），便能够得到NaCl离子晶体的晶胞模型（图3）。

除此之外，Materials Studio软件的Analytical and Crystallization组件也提供了晶体粉末衍射谱图计算与模拟的功能。在2017版的化学课程标准中增加了对晶体结构测定技术（如：粉末X射线晶体衍射XRD）的介绍，介绍现代分析技术在结构研究的应用，结合Materials Studio软件，能开展此部分的学习与研究。以NaCl离子晶体为例，在绘制完成NaCl晶胞后，在Modules菜单栏下选择Reflex下级菜单打开PowderDiffraction对话框，设置2-Theta角为5-80 o，之后点击Calculate，即可等到NaCl离子晶体的模拟XRD衍射图谱。

Materials Studio软件既能创建分子的三维立体模型，用容易理解的球棍模型表示出来;也可以把复杂的晶体结构可视化，使学生直观地理解复杂与抽象的晶体结构;还能帮助学生认识现代化学学科研究材料结构的表征方法，使学生认识到微观的物质结构与性质可以借助分析仪器进行研究，更加容易建立起微观结构与宏观现象的联结。

四、结语

信息技术的发展正深刻影响教学的方式方法，如何将化学专业软件应用于化学教育，使二者深度融合是值得研究的问题。物质结构与性质的概念存在抽象性与复杂性的特点，也是学习的重点和难点，在传统的“黑板+粉笔”教学的基础上，以培育学生的学科核心素养为落点，适切的利用化学软件，能将略显枯燥无趣的抽象概念转变成直观形象的观察学习过程，加深学生对化学概念的理解，激发学生的学习兴趣，使物质结构与性质的教学更加事半功倍。

参考文献

[1] 教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版）[M]. 北京： 人民教育出版社，2018： 1.

[2]教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版）[M]. 北京： 人民教育出版社，2018： 87.

[3] 杨华哲.Materials Studio软件在材料物理教学与科研中的应用[J].物理与工程，2017，27（03）：52-55+62.

作者简介：卢雨辰（1989年），男，河北省秦皇岛人，博士，单位：天津市教育招生考试院，邮编300387