“物质结构与性质”是普通高中化学教学内容的重要组成部分。宏微结合、见微知著、睹著思微、证据推理与模型认知是学生学习《普通高中教科书 化学 选择性必修2 物质结构和性质》必备的科学思想方法。“物质结构决定物质性质”大概念在中学化学教学发挥统摄作用，教师应高度重视物质结构教学。根据《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）的要求，学生应“形成有关物质结构的基本观念，能运用科学思维分析物质结构和性质的关系，建立起模型认知的研究视角，审视有关化学现象和事实，并能根据物质结构预测物质性质的证据推理能力” 。传统教学模式下，学生对于“物质结构与性质”的学习存在困难，原因在于教师或依据教材中立体感不强的平面二维图来讲解物质微观结构，或用有限的实物模型来呈现物质结构，等等。物质微观结构教学内容抽象与教学资源匮乏存在矛盾，导致“物质结构与性质”教学效果不尽如人意。如何依据教学内容和课标要求改进教学，以突破难点？如何运用数字建模技术提高“物质结构与性质”教学效率？笔者以发展学生核心素养为宗旨，在化学课堂教学中探索技术赋能教与学的可行之道。
一、以思促新：数字建模助力“物质结构和性质”教学的构想
数字建模指基于信息系统、传感器、机器视觉等通信技术，借助电脑模拟、数据分析和可视化工具将复杂信息转变为一系列二进制代码，引入计算机内部，形成可识别、存储的数据，并根据这些数据建立相关模型。在此过程中，科学思维形成于对认识对象、认识素材进行加工处理的方法或途径，包含“基于事实进行证据推理、建构模型并推测物质及其变化”等思维方法的有机整合。微观层面，有机化合物均由分子构成，分子一般具有确定的结构和组成。教师在教学中往往直接用实物模型讲解物质的分子结构特点，缺少对物质结构循序渐进地分解、解析和构建过程。单方面植入造成部分学生不理解核心知识，死记硬背，强记结论，这显然不利于空间思维能力的培养，也不利于学生认识物质的微观结构与其性质的关系。由此影响学生进一步预测物质性质，发现具有预期性质的新物质，阻碍科学思维的培养和模型认知素养的发展。学生进行空间思维需要全方位思考问题，也就是“立起来思考”。教师利用三维虚拟技术能将物质结构及其成因比较直观、动态地构建出来，有效降低学生认知难度，有利于他们了解人类探索物质结构的价值，认识在分子层次研究物质的意义。对于数字建模赋能物质结构教学，笔者提出如下研究思路。
第一，在问卷调查的基础上，从中学化学“物质结构和性质”教学现状入手对教学难点进行分析，了解学生学习情况，探寻学生学习困难的根源，剖析教学过程中“结构决定性质”大概念的形成机制和影响学生科学思维发展的因素。
第二，依据高中化学“物质结构与性质”教学要求与模型认知素养发展的关系，遵循理论与实践相结合的方法和逻辑路线，提出基于数字化技术提升学生空间想象能力、助力物质结构学习的相关策略，分析物质结构与数字化技术的关系，探索在化学教学中培养学生科学思维和模型认知能力的路径。
第三，以培养学生的科学思维、模型认知能力为宗旨，开发数字资源辅助教学，设计问题驱动型的“物质结构和性质”教学案例，让学生认同“物质结构的探索是无止境的”观点。完善物质结构教学建模及实施方案，提高学生的空间想象能力，引导他们深刻理解物质微观结构和物质性质的关联，开阔认知视野，丰富思维方式，掌握融合运用化学知识和数字技术解决问题的思路与方法，进而提高认知水平，以及科学思维、模型认知能力。
二、以器赋能：活用数字技术，激发物质结构教学生机
化学学科核心素养中的模型认知指“知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象和本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象本质和规律”。化学知识模型是认知的对象，即从化学视角认识并描述物质结构与性质、概念与原理。化学认识模型是认知工具，即怎样获取知识、理解知识内涵与外延、构建知识体系的认知思维方式。
调研结果表明，部分教师已运用专业的三维结构软件，如Material Studio、Diamond、Mercury、Gauss View、Unity 3D、Chem3D等专业数字三维软件辅助教学。在实践中笔者发现这些软件自带的模板与参数及功能适合用于科研，其互动功能偏弱，但不适于高中化学物质结构教学。笔者将以构型能力见长的软件如3Ds Max、Maya等与具有强大交互能力的软件如Cult3D、Virtools、Viewpoint等结合，取长补短，构建适合教学的三维虚拟模型，有力突破了教学难点，对发展学生宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知的化学学科核心素养大有裨益。目前有多种软件可支撑三维虚拟，笔者仅以“3Ds Max+Cult3D”为例加以介绍，其中3Ds Max有很强的构型能力，但互动性较弱，Cult3D没有构型能力，却有极强的互动性，“3Ds Max+Cult3D”珠联璧合，取长补短，相得益彰。操作时，对于较复杂的晶体或分子结构模型，笔者首先借助Diamond等软件将晶体的CIF文件导入3Ds Max，修饰后再导出，以简化构型过程，然后将3Ds Max导出的文件导入Cult3D程序设置“互动”，最后由Cult3D导出的文件插入PPT、Word或IE等常见程序，直接打开使用，其设计流程如下（如图1）。
图1 3Ds Max+Cult3D 三维虚拟模型设计流程
笔者借助三维虚拟技术制作了微观结构模型，在相关插件支持下，用鼠标即可对结构模型进行平移、滚动、缩放、旋转、变形、增添或删除原子（团）、镜像、切割、材质透明化、添加音效及触动预先设置的动画等操作。笔者利用模型强大的交互功能，可以引导学生对微观结构模型进行外科手术般“解剖”分析。下面结合两个案例剖析物质结构的教学。
（一）金刚石空间利用率的推导
传统教学模式下，金刚石空间利用率的推导难点在于不清楚金刚石的碳原子在立方晶胞（如图2a）中的何处能接触。教师讲解时，等比例放大球体，晶胞棱边两个球体不接触，面对角线三个球体不接触（如图2b），体对角线三个球体只有两个接触（如图2c），学生依然难以理解晶胞参数与碳原子半径的关系。如何利用数字模型解决这个问题？笔者采用类似几何分析中的作辅助线方式，插入两个辅助碳原子C、D（图2d中红色半透明的球体）。若原子A的分数坐标为（0，0，0），则C、D的位置分别为
、
（当然真实情形是这两个碳原子不存在）。此时，沿对角面切开（如图2e），对角截面清晰显示，若晶胞参数为α，碳原子半径为r，则体对角线
。由此，得出金刚石堆积率（空间利用率）为：
图2 推导金刚石堆积率模型教学
通常的三维软件一般分别显示填充模型与球棍模型，笔者借助三维虚拟模型，对球体等比例逐渐缩小与放大，将模型在填充与球棍之间反复切换，并对球体切割获得截面。这种切换与切割有利于学生观察在微粒间形成的几何图形中球体密接触情况，便于找出微粒的配位数，分析晶体结构中空隙的形状与大小和解析晶体的空间利用率等问题。
（二）“苯及其同系物”的教学创新
课标明确了“苯及其同系物”的教学要求：能运用宏观和微观相结合的方法推测苯的结构，能描述苯的分子结构特征与性质的关系，能通过实验探究认识苯及其同系物的化学性质，能举例说明有机物中基团之间的相互作用对有机性质的影响，能举例说明反应条件对有机反应产物的影响与意义，认识芳香烃对人类生活和现代社会发展的影响。
“苯及其同系物”的教学重、难点：苯的分子结构是怎样的，苯分子是什么空间构型，为什么苯分子结构特别稳定，为什么苯既能发生取代反应又能发生加成反应？为何容易发生取代、难以加成？甲苯分子结构中一定有多少个原子位于同一平面？最多有多少个原子在同一平面？这需要用杂化轨道理论解释苯的分子结构特点。但这部分内容较抽象，对学生的空间想象能力要求较高。教师宜采用直观教学法教学，以往一般以展示分子结构模型、使用多媒体软件、书写示范等直观手段让学生知道苯及其同系物结构特点，但这些直观手段往往只能静态显示三维模型，缺少循序渐进的演变过程，教学效果不佳。笔者利用三维虚拟技术制作相关微观结构模型，模拟碳原子的
杂化过程：每个碳原子用两个
杂化轨道彼此通过“头碰头”的σ键连接成平面六元环，碳原子剩余的一个
杂化与氢原子s轨道“头碰头”形成σ键，6个碳原子剩余的6个垂直于平面六元环的p轨道“肩并肩”形成离域π键。笔者用三维虚拟技术将整个过程进行动态呈现，使学生认识三维虚拟模型在探索物质结构与性质中的强有力作用，有效培养空间想象思维能力。
1. 观察苯的微观模型结构，理解物质结构和性质的关系
笔者指导学生用三维虚拟模型探究苯的分子结构形成过程：苯分子中6个C原子均采用
杂化，3个
杂化轨道位于同一平面（如图3a）；每个C原子各用两个
杂化轨道彼此重叠形成C—C σ键（如图3b）；每个C原子剩余的一个
杂化轨道和一个H原子1s轨道形成C—H σ键（如图3c）；12个σ键处在同一平面上，苯分子为平面型结构（如图3d）；6个C原子与6个H原子均在同一平面，6个C原子组成一个正六边形，碳碳键长均相等，所有的键角均为120°。每个C原子各剩下一个p轨道，这6个p轨道垂直于σ键所在的平面，且相互平行，因此这6个p轨道可以通过侧面重叠形成一个离域π键
（如图3e、图3f）。
图3 苯分子空间结构的模型教学
离域π键
的形成使苯环获得特殊的稳定性，碳碳键的键长介于碳碳单键与碳碳双键之间。化学性质兼备烷烃与烯烃的性质，故苯分子既能发生取代反应又能发生加成反应。但是，不破坏苯环结构的取代反应较易发生，而破坏苯环结构的加成反应相对更困难。依此，笔者运用3Ds Max三维虚拟技术很好地建立了苯的结构与性质的认识思路，使教学化难为易。学生在后续的学习过程中易于理解苯“易取代、难加成”的化学性质。
2. 探索苯的同系物的空间结构，培养科学思维
笔者用甲基取代苯分子中的H原子得到甲苯（如图4a）。甲苯分子的15个原子中，一定有12个原子在同一平面，通过甲基与苯环连接的碳碳单键的旋转，最多有13个原子在同一平面（如图4b）。笔者接着用甲基取代甲苯甲基上的一个H原子得到乙苯，分子式为
，问学生“乙苯分子中最多有几个原子在同一平面”。师生先通过亚甲基与苯环连接的碳碳单键的旋转，确保乙苯分子中甲基中的C原子落在苯环所在平面（如图4c），再通过亚甲基与甲基连接的碳碳单键的旋转，确保甲基中的一个氢原子落在苯环所在平面（如图4d），则乙苯分子的18个原子中，一定有12个原子在同一平面，最多有14个原子在同一平面。
图4 甲苯、乙苯分子 C—Cσ 键旋转动画模型教学
教师用常规的教学手段难以做到在C—C σ键绕对称轴自由旋转的同时依然可以多角度观察分子结构的形态。教师借助3Ds Max构建分子结构模型，并设置绕σ键旋转的三维动画，导入Cult3D Designer设置三维动画的启动与停止，在Cult3D Player插件的支持下，调整好观察角度，辅助观察分子中各原子空间位置的半透明平面（或直线）在教学中还能根据需要插入或删除。人机高效互动对于学生观察苯分子及其衍生物空间构型，判断分子中各原子是否处于同一平面或直线，提供了极佳的可视化三维图像，大幅提高了效率。
近年，笔者用三维虚拟技术构建了常见晶体与分子结构的三维虚拟模型库。与常规模型相比，基于3Ds Max+Cult3d的三维虚拟技术在3Ds Max强大构型能力的基础上，整合Cult3d灵活多变的互动功能及独有的渲染技术呈现出的高清晰度的三维图形，使微观结构的教学效果与质量更上一层楼。数字模型具有强大的交互功能：微观结构模型可推倒重建，观察角度可调整，构建历程可控，重建过程可逆。化繁为简能有效提高学生的空间想象能力。
三、以变求新：涵养学科智慧，改进传统教学模式
（一）更新观念，理解科学本质
美国心理学家加德纳认为空间想象能力是人应有的8种智力之一。笔者认为改进中学化学物质结构教学，关键在于提高学生的空间想象能力，帮助学生理解科学本质。长期以来不少中学化学教师在教学观念上存在误区，无法意识到“立体”知识对学生智力发展的长远影响，只是一味追求所谓“高分”，偏离科学教育本质。对中学化学“物质的结构和性质”教学而言，教师需要向学生清晰讲解复杂、抽象的物质结构。笔者借助三维虚拟技术建模解析晶体结构，并以动画形式记录下来，在多种终端电子设备中脱离软件平台播放。这对虚拟技术应用于物质结构教学的普及意义重大。笔者充分利用目前网络短视频的优势，开发了基于三维虚拟技术的结构分析短视频并上传网络，使资源能更好地服务教学。
（二）数字技术助攻，改变传统教学模式
以往物质结构教学模式一般为：二维图形—三维模型—二维图形，教师依靠教科书、教辅等材料中的大量二维图形让学生想象他们知之甚少的三维世界。先入为主的训练可能导致学生观察三维世界怎么看都是二维的，这会对学生空间想象能力培养造成消极影响。三维虚拟技术支撑下的物质结构教学模式为：三维模型—二维图形—三维世界，即先从三维模型中获得空间感受能力，再在观察二维图形时将模型立体化，这一切最终是为了探索未知的微观三维世界。当然，三维虚拟技术的应用也有一个度的问题。是不是一切结构问题都需要使用三维模型解析？答案是否定的。对于物质结构教学，教师既要让学生有从“三维模型—二维图形”空间感受的量的积累，又要有从“二维图形—三维世界”这一不可缺少的训练环节，看到平面二维图形也能将其立体化。这个度的把握因人而异、因内容而异，教师需要认真研判。
（三）数字赋能，教学培训与时俱进
三维虚拟技术在中学化学“物质结构和性质”教学上的创新应用，使常规教学手段的不可能变为可能，拓展了中学化学教学的广度与深度。教育部早在2019年就发布《关于实施全国中小学教师信息技术应用能力提升工程2.0的意见》。但综观各地信息技术与学科教学融合创新培训内容，许多项目依然停留在1.0时代，具有化学学科特点的专业信息技术培训非常少。应用三维技术辅助物质结构的教学，是信息技术在化学教学中最成功的应用之一。国外开发出许多专业结构分析软件如Material Studio、Diamond、Mercury、Chem3D等，这些软件能读取晶体结构数据库的cif文件，从中获取构建晶体结构模型需要的重要数据。以此，大幅提高三维虚拟技术构建模型的效率，确保模型的科学性。但目前在国内，这些专业软件一般仅在大学或研究所使用，中学教师很少触及。笔者建议各地教育主管部门实施化学教师信息技术应用能力提升工程2.0项目，增加专业结构分析软件的使用培训等课程。此外，三维虚拟技术构建晶体结构模型的全过程涉及化学、数学、信息技术、物理等多学科知识的应用。循序渐进，三维虚拟技术辅助教学提升工程也将提上议程。
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