利用免费分子绘制软件实现线上线下的互动教学

王涛

摘要：简单介绍了KingDraw、InDraw和MolView 3个免费绘制分子结构的软件界面，其中结合“感受化学键”一课的教学设计，重点介绍了利用KingDraw绘制和查看常见分子球棍模型的操作和方法。其中主要设计几个环节：（1）查看几种常见简单氢化物HF、HCl、H2O、H2S、NH3、CH4的球棍模型，绘制结构式，进而讨论同主族氢化物结构相似性和主族非金属的常见化学键数目规律；（2）绘制几种常见简单有机物C2H6、C2H4、C2H2分子球棍模型，绘制结构式，进而讨论原子均尽可能将化学键全部利用，同时不仅可以形成单键，还有双键、三键；（3）尝试绘制较复杂的几种分子N2、CO2、H2O2、HClO的结构式，与球棍模型两相印照，在巩固前面知识的同时，得出多原子分子中心原子的判断方法。

关键词：分子结构；免费软件；化学键；在线教学

文章编号：1008-0546（2021）11-0032-05中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.008

*本文系2021年度河南省基础教学研究项目（编号：JCJYC212600016和JCJYB210700014）阶段性研究成果。

一、问题提出

在2020年3月这个特殊时期，笔者和很多老师一样，开展了直播教学。随着时间的延续，笔者逐渐适应了直播教学的节奏，也就开始有了新的想法，如何在直播课堂上开展学生活动，提高在线教学的时效性。

例如原来讲授人教版必修2“化学键”时，笔者设计了“感受化学键”的1节课，学生结合任务单自主拼装常见分子的微型球棍模型，从中得出“常见非金属原子可以形成的共价键数目”，感受常见分子的球棍模型，绘制常见分子的结构式，为后续学习共价键、书写电子式奠定良好的基础。

现在的教学环境下，能否实现以上的学生活动呢？是否有免费软件供学生自己绘制常见分子结构，观察其球棍模型，同时有没有可能进行旋转等交互体验呢？

二、软件简介

1.KingDraw

KingDraw是由青岛清原精准农业科技有限公司开发的，一款横跨Android、iOS、Windows多平台的永久免费有机分子绘制中文软件，支持多端同步，文件可以轻松保存为cdx、mol、SMILES等多种常用化学绘图软件的文件格式。（没错！是的，可以和有机绘图大神Chemoffice共享互通。）

登录官网，或至手机应用商店搜索下载安装即可，Android画板功能界面，见图1。

KingDraw画板集成了KingDraw结构式绘制的全部功能。畫板分为上下左右4个功能区，上部功能区主要包括绘图时的常用功能，见图1。其中点选“···”，就可以调出3D转换功能键，将绘制的常见分子实时3D建模，观察立体结构。

下方绘制选择区主要包括多种结构式绘制元素，左右滑动即可调出所有图标，见图2。点选后单击画布即可得到对应的结构式，如若要连接两个基团，单击时需准确点击在连接原子位置。

左侧元素选择区，点击左下角“···”，可以调出元素周期表，点选更多元素原子符号；右侧功能区包括结构式美化工具、常见有机基团绘制工具和移动缩放工具，见图1。

2.InDraw

InDraw是一款由鹰谷公司开发的具有自主知识产权的，同时支持网页端和Windows端的免费有机分子绘制中文软件，其文件可实现直接复制粘贴到Word，并在Word中双击结构式直接在InDraw中修改；同时，也支持导出cdx格式文件，通过Ctrl C + Ctrl V实现InDraw、Office、ChemOffice三者互通。

登录官方下载安装或网页端打开，注册登录，即可进行操作，其网页端界面，见图3，其功能区与King？ Draw多有相似，不再赘述。

3.MolView

MolView是网页端在线绘制分子及3D转换的工具，百度搜索http：//molview.org打开即可使用，见图4，画板功能键也与前面相似，点击“2D to 3D”即可在线查看球棍模型。

笔者选择了KingDraw开展“感受化学键”课时的在线教学，其中KingDraw的3D结构可以提供球棍模型、比例模型、键线式三种选择。

三、教学使用简介

1.准备工作

为了让学生更熟悉KingDraw软件的使用，笔者制作了介绍使用的简单视频，并提前一周安排软件安装和观看视频等活动，预告本次课堂教学内容。

2.教学流程

（1）引入主题

【多媒体】视频“水是什么样子的？”

【设疑激趣】

大自然用2个H原子、1个O原子搭建起1个H2O分子。试着想象一下水分子是一个怎样精巧的建筑，是什么“胶”使这些原子黏合在一起，保持水分子不分解成两个H原子和一个O原子呢？

（2）提供背景资料。

【多媒体】

键，安在车轴两端，管住车轮不脱离轴的铁棍，“题无四寸之键，则车不行。”

bond，结合力；联结，联系；粘接，粘着剂。

Chemical Bond，物质中使离子相结合或原子相结合的作用力通称为化学键。

【教师】如何表示看不见的作用力——化学键呢？

【多媒体】

在许多工作领域中，模型是非常重要的工具。化学家们利用分子模型来帮助他们理解和预测分子是如何运作的。

常见的分子模型或表达方式有球棍模型、比例模型、结构式，见图5。

其中，球棍模型中，用颜色、大小不同的小球代表不同原子，通过短棍连接，其中短棍，即化学键；比例模型，按照原子实际大小关系和外层电子运动区域重叠一部分，搭建出的结构模型；结构式，在元素符号之间绘制短线来表示化学键，可以上下左右4个方向。

（3）线下活动1：查看常见氢化物的球棍模型，书写其结构式

【教师】今天，我们就利用KingDraw来熟悉常见分子的球棍模型，并尝试绘制出它们的结构式。

【线下活动】参考下列步骤，查看HF、HCl、H2O、H2S、NH3、CH4的球棍模型，并尝试书写结构式。

①打开KingDraw界面，点选右上角“+”，即可新建画板；

②点击左侧“O”原子符号，在画板上点击，即可得到水的化学式；

③点击右上方“···”，打开后，再点击“3D”，即可观察球棍模型；

④此时，左上角依次表示的模型为比例模型、键线式、球棍模型，点击可切换；

⑤点击右上角“×”，即可退出当前界面；

⑥点击左下角“···”，打开元素周期表，点击“S”，回到画板，点击可得“H2S”。

【成果交流】学生将书写的结构式拍照，发送到班级群，见图6。

【教师】大家做的非常棒！同学们不妨再思考2个问题：

①同主族氢化物的球棍模型、结构式是否有相似之处？

②C、N、O、F可以形成的连接线数目（化学键）有什么规律可循？

【学生】思考（稍等片刻，有学生已经在群中回复留言）

【投影】归纳整理，见图7。

（4）线下活动2：搭建常见有机分子模型，尝试书写其结构式

【教师】非金属原子在形成分子时，常见的化学键数目等于其达到相对稳定结构所需的电子数目，而且在形成分子时，通常每一根化学键都要利用到。

【线下活动】参考以下步骤，查看乙烷、乙烯、乙炔的球棍模型，并嘗试整理其化学式、结构式。

①点击左下角“＼”，仅点击一下；查看其球棍模型，请尝试在演草纸上书写该有机物的化学式、结构式；

②点击左下角“＼＼”，仅点击一下；查看其球棍模型，请尝试在演草纸上书写该有机物的化学式、结构式；

③点击左下角“＼＼＼”，仅点击一下；查看其球棍模型，请尝试在演草纸上书写该有机物的化学式、结构式。

【成果交流】学生将书写的结构式、化学式拍照，发送到班级群。

【投影】归纳整理，见图8。

【教师】我们发现，非金属元素形成物质时，原子间的化学键不仅可以形成单键，也有双键、三键的形式。而且，其中每个原子的化学键都被完全利用。

（5）线下活动3：尝试分析更复杂的分子结构，N2、CO2、H2O2、HClO。

【线下活动】学以致用：请尝试推断N2、CO2、H2O2、HClO的结构式。

【成果交流】学生将书写的结构式、化学式拍照，发送到班级群。

【教师】结合同学们提交的结构，有几个问题需要提醒注意：第一，多原子分子中，如何判断分子中的中心原子？第二，结构式绘制能否表示出分子的空间结构？

【学生】思考

【视频连线】化学键数目多的原子作中心，结构式不太好表示分子的空间结构。

【教师】对，能够形成更多化学键的原子一般作为多原子分子的中心，例如HClO，化学式看上去是Cl作中心，其实是O连接H、Cl；同时，一般建议同学们将结构式写的横平竖直就行，不用考虑分子的空间结构。

【投影】教师展示4种分子的绘制过程和球棍模型

【投影】归纳整理，见图9。

（6）反思与追问1

【教师】分子结构模型和真实的分子，完全相同吗？

【学生】思考反馈

【教师】三种结构表示方法，哪一个表示是正确的呢？哪一个是真正的分子呢？嗯，它们都是，又都不是。严格地说，它们都只是模型而已，对某些场合适用的图像，而对另外一些场合就不恰当了。

化学式HClO无法告诉我们各个原子间的连接情况，因此产生了结构式，那么次氯酸分子的真正结构就是这个样子吗？既是，又不是，在有些层面上看是，而在另一些层面上看则不是。化学家们希望看到三维图像，看到原子之间的“真实”的距离，也就是按照正确比例画出的分子。利用X射线衍射的技术就能得详图，于是就有了球棍模型，或许这是20世纪人们最熟悉的一种分子图示。对原子实际占有的体积更加“逼真”的描绘是比例模型。[1]

（7）反思与追问2

【教师】化学键真的存在吗？

【学生】思考反馈

【教师】科学家们借助一些事实间接证明了原子之间存在着“胶”——化学键。在通常情况下，无论是冰、水还是水蒸气，水分子永远都是H2O，不可能轻易分解成1个O和2个H，怎样才能实现这个变化？需要通电或者加热，输入能量的方法才能打破它们之间的连接作用力，就如同粘在一起的巴基球，你想把它分开，需要付出力气一样。

为什么Mg、C燃烧都需要加热或点燃的操作，这也是要通过提供能量的方法破坏其中化学键作用力，将它们拆成一个一个原子参加反应。

化学键真的广泛存在于几乎所有的物质之中，无论单质还是化合物，当然不能像球棍模型那么真实可触。

【投影】科学家们已经拍摄到了！见图10。

【教师】这就是我们這节课的主要内容，下节课将在结构式的基础上学习化学键中的“共价键”。请大家完成课下作业和预习。

四、几点想法

1.改善课堂参与度与互动性，提升学生学习热情

这几款软件永久免费，支持多平台，具有较低准入度和较高易用度，不仅适用于常见分子结构、球棍模型的搭建任务，更擅长有机分子结构绘制、命名、结构中原子共面性AR交互操作，涵盖高中有机化学基础教学的诸多要点。

在实际使用过程中，KingDraw软件在很大程度上弥补了没有球棍模型的缺憾，能够帮助学生更直观地感受化学键和球棍模型，AR交互不错；相比其他直播课程，学生的参与度和互动性有了很大改善，大部分表示软件很有趣；同时，还可以提高学生学习热情的持久度，课下学生仍与教师沟通分子结构搭建和绘制操作，见图11。

2.分享交流教学心得，研讨提升教学水平

笔者在备课过程中，恰巧遇到几个微信群组中有教师探讨有机分子共面的疑难问题，通过分享软件、模拟和研讨讲解方法，很快就解决了问题。同时，在开封市高中化学教研群中分享制作的使用视频，与同行共同探讨软件的使用问题，共同提升教学水平，见图12。

同时，本节教学模式对网络授课中分子结构、有机化学有关内容的教学具有较高的参考价值。其中，设计引导学生使用绘制软件的操作步骤，在完成操作讲解的同时，又完成了分组活动任务，优化了课堂教学节奏和设计简洁度。

利用班级群组拍照上传、在线分享交流任务成果，加强师生和生生互动评价等环节，提升了参与度与互动性，互动设计依托直播平台，操作简单，可复制性强，易于推广。

参考资料

[1]（美）霍夫曼（Hoffmann，R.），（美）托伦斯（Torrence，V.）著，金丽莉，吴思，花季红译.想象中的化学：对科学的反思[M].上海：上海科技教育出版社，2003：9-11