开发三维模型化学符号__应...学教学深度融合的研究与实践_余鑫海.pdf

1202023 年第 3 期（总第 167 期）开发三维模型化学符号 应用“宏观-模型-微观”策略信息技术与化学教学深度融合的研究与实践余鑫海1，余捷1，余德润1*，曾莉2（1.江西生物科技职业学院，江西南昌，330200；2.江西省化学工业学校，江西南昌，330012）摘 要：本文旨在运用信息技术与化学教学深度融合，按照“宏观-模型-微观”教学策略，综合运用多种软件，自主开发优质的三维模型及其 VR 软件学习资源，既解决了化学教学中优质资源缺乏的问题，又解决了学生学习化学符号困难的问题。关键词：宏观-模型-微观；三维模型；VR 软件中图分类号：G633.8；G434 文献标志码：A 文章编号：1008-3103（2023）03-0120-05Application of“Macro-Model-Micro”Strategy to Improve Chemistry Discipline LiteracyResearchandPracticeonthedeepintegrationofInformationTechnologyandChemistryTeachingYuXin-hai1，YuJie1，YuDe-run1*，ZengLi2（1.JiangxiBiotechVocationalCollege，NanchangJiangxi330200，China；2.JiangxiChemicalIndustrySchool，NanchangJiangxi330012，China）Abstract：Thispaperaimstousethedeepintegrationofinformationtechnologyandchemistryteaching，accordingtothe“macromodelmicro”teachingstrategy，comprehensivelyuseavarietyofsoftware，andindependentlydevelophigh-qualitythree-dimensionalmodelsandVRsoftwarelearningresources，whichnotonlysolvestheproblemoflackofhigh-qualityresourcesinchemistryteaching，butalsosolvestheproblemofstudents difficultyinlearningchemicalsymbols.Keywords：Macro-Model-Micro；three-dimensionalmodel；VRsoftware基金项目：江西生物科技职业学院科研基金重点项目“烃分子积件库的开发与应用研究”（项目编号：2020YZ03）；江西省教育厅科学技术研究项目“虚拟现实技术在晶体结构设计中的应用研究”（项目编号：GJJ205507）。作者简介：余鑫海（1986），中级职称，主要研究方向为信息技术；余捷（1997），助理实验师，主要研究方向为信息技术；曾莉（1971），教授，主要研究方向为化学。0 引言国外对化学符号的研究起步较早，欧美国家关于应用化学符号培养学生“宏观辨识与微观探析”化学学科素养的研究有可圈可点之处。1982 年，苏格兰格拉斯哥大学科学教育中心的教授 A.H.Johnstone1提出，我们可以在三种水平上看待化学这门学科；1991 年，Johnstone2对最初提出的三种水平的表述和内涵进行了修正和完善，最终将其表述为“宏观-微观-符号”。1999 年，OnnodeJong 和 JanvanDriel3 提出，化学教育的最重要目的之一是帮助学生建立宏观现象、微观粒子和符号表征之间的联系。2005 年，毕华林等4在化学学习中“宏观-微观-符号”三重表征的研究中指出“宏观-微观-符号”三重表征是体现化学学科特征的思维方式，能增进学生对化学知识的理解。2017 年，教育部颁布的DOI:10.14127/ki.jiangxihuagong.2023.03.0131212023 年 6 月开发三维模型化学符号 应用“宏观-模型-微观”策略信息技术与化学教学深度融合的研究与实践新课标中提出了化学学科核心素养，国内关于“宏观辨识与微观探析”学科核心素养的研究逐渐增多。国内外学者对于化学符号的研究成果比较丰富，主要集中于应用符号培养学生化学学科素养的课程体系建构研究、内涵研究、教学策略与评价研究。国外关于化学符号的研究成功之处在于提出了“宏观-微观-符号”教学策略；国内外关于化学符号研究的不足之处在于信息技术与化学教学深度融合不够，运用信息技术自主开发化学理论、晶体结构等三维模型和 VR 软件的研究很少。1 化学符号是联系宏观现象和微观结构的桥梁先界定几个概念，宏观现象指可以被直接看到、被触摸到、闻到或通过实验方法可以检测的物理性质和化学性质；微观结构指原子、离子、分子及晶体等结构；化学符号分为平面符号和模型，模型包括二维模型和三维模型。平面符号指元素符号、分子式、化学式、结构式、电子式、方程式等传统的化学符号，其特点是平面的、静态的，最多可在 PPT 课件中人为设置放大、缩小或移动，主要用于教材、教案、课件和试卷等平面载体。二维模型是指二维的动画、微观结构或实验视频，主要用于电脑、手机或投影等多媒体设备的播放。三维模型是指三维结构模型及其 VR 软件，主要用于手机或 VR 眼镜等设备的播放或运行。图 1 平面符号、二维模型和三维模型是联系宏观与微观的桥梁模型是平面符号的拓展和升级，二维和三维模型是平面符号的具体化和直观化。物质的性质等宏观现象是由其微观结构决定的，而三维空间结构模型又是物质微观结构的具体化、形象化、直观化，宏观现象、微观结构和化学符号三者是从不同的维度阐述表征化学知识。化学符号包括平面符号、二维和三维模型，都是联系宏观现象和微观结构的桥梁，如图 1。2 开发三维模型化学符号，应用“宏观-模型-微观”策略化学是通过宏观现象研究微观世界的自然科学。微观世界中的原子、分子等微粒是看不见的，传统的教学手段难以使之具体化、形象化，学生理解和接受起来有很大困难。物质的晶体结构肉眼也是看不见的，目前还没有仪器能够拍摄到晶体内部结构或化学键的成键过程。学生反映一些化学符号，例如 sp3、sp2、sp等符号表示的杂化轨道看不见、摸不着，神秘莫测，令学生既不清楚杂化轨道的形状，又不明白轨道的伸展方向。因此对学生来说，化学符号是比较抽象和枯燥的，学生学习化学符号有困难。用元素符号来代表一种元素或一个原子还好理解，用分子式来代表一种物质或一个分子也能接受，但用简单的化学符号来代表复杂的三维空间结构，对于学生来说就很难理解。传统的化学教学过分注重知识的传授，而从“宏观-模型-微观”的角度引导学生学习还做得不够。部分学生绝大多数时间都用来死记硬背物理性质和化学性质，而较少能够在“宏观-模型-微观”思维的角度上学习化学，这也是导致学生化学学习困难的一个重要原因。为了解决学生学习的困难，就要开发三维模型化学符号，应用“宏观-模型-微观”策略。当前，笔者团队运用信息技术与化学教学深度融合，把开发模型作为创新点和突破点，运用 3DStudioMax、Unity3D 等多种软件开发优质的三维模型及其 VR软件等学习资源，以解决优质资源缺乏的问题，已开发出化学教学中迫切需要的可视化、微观、动态、多维度操作的沉浸式 VR 软件近 80 个，包括原子结构、化学键、晶体结构、杂化轨道理论等一系列三维模型化学符号，解决了化学教学中学生学习化学符号困难的问题。笔者团队自主开发的 VR 软件获得几十项国家计算机软件著作权。根据 Johnstone 提出的“宏观-微观-符号”教学策略，由于模型比符号更为直观形象，教学策略进一步调整为“宏观-模型-微观”；这种教学设计可帮助学生形成“宏观-模型-微观”的学习思维和策宏观现象：物理性质、化学性质微观结构：轨道、原子、离子、分子三维模型二维模型平面符号1222023 年第 3 期（总第 167 期）略，帮助其理解记忆物质的宏观现象和微观结构，帮助学生形成“结构决定性质，性质决定应用”的观念，提高学生从微观与宏观相结合的角度分析问题、解决问题的能力，提升学生“宏观辨识与微观探析”化学学科素养。3 信息技术与化学教学深度融合的案例1931 年，美国化学家鲍林（PauIing，L.）提出了杂化轨道理论，1954 年鲍林因在化学键方面的贡献获得诺贝尔化学奖。杂化轨道理论是有机化学学习绕不过去的基本理论，全世界的化学教科书都有杂化轨道理论的内容，但杂化轨道理论又是令学生望而生畏的内容之一，学生觉得杂化轨道理论抽象，因此信息技术与化学教学深度融合的案例就以杂化轨道理论为例，将教学研究与实践过程归纳为两方面：第一，开发杂化轨道理论三维模型及其 VR 软件；第二，杂化轨道理论教学要应用“宏观-模型-微观”策略。3.1 杂化轨道理论三维模型及其 VR 软件的开发流程关于信息技术与化学教学深度融合，对化学教师来说，化学知识不是问题，难在用信息技术开发三维模型及其 VR 软件。开发 VR 软件需要化学教师、模型设计人员和程序设计员的精诚合作。现在以 sp3杂化为例，介绍 VR 软件的开发流程，本研究按照“制作脚本创建模型编写代码测试修改发布软件”流程开发。第一步，制作脚本主要是化学教师的任务，脚本的主要内容是化学知识。sp3杂化轨道的脚本就是 sp3杂化的概念；4 个碳氢 键的脚本就是 4 个碳氢 键的形成过程。第二步，创建模型主要是模型设计人员的任务。模型设计人员一般是艺术设计类专业毕业，对化学可能不精通，创建什么样的三维空间结构的模型需要听取化学教师的建议。创建模型主要用 3DStudioMax或Maya 等软件。创建 sp3杂化轨道的三维模型时，注意应用 4 个对称轴直观地解决 4 个 sp3杂化轨道的伸展方向分别指向正四面体的四个顶点和 C-H 键之间保持 109 28 的夹角等痛点问题，如图 2。创建 4 个碳氢 键的三维模型时，注意将碳原子的 4 个 sp3杂化轨道沿对称轴与氢的 s 轨道头碰头重叠，形成对称的 4 个碳氢 键，碳原子处在正四面体的中心，4 个氢原子位于正四面体的四个顶点，直观地表征了甲烷分子为正四面体，如图 3。图 2 sp3杂化轨道 图 34 个碳氢 键有些教学资源的开发就止步于此，利用 3DStudioMax 开发工具也创建了三维模型文件，运用电脑或手机也可以播放这些文件，也有辅助教学的效果。但止步于此的产品只是三维模型，不是 VR 软件，这种产品的交互性不好，学生只能被动地观看模型。第三步，编写代码主要是程序设计员的任务。本研究定位于用虚拟现实技术开发沉浸式 VR 软件，选择 Unity3D 实现 sp3等杂化轨道的多维度操作。多维度操作是指在手机中可对 sp3杂化轨道随手指随意 360旋转、放大、缩小、移动等操作，交互效果好。Unity3D 开发制作 sp3等杂化轨道理论 VR 软件不仅可以实现视觉演播，也可实现实时交互操作。我们仔细分析讨论实现 sp3杂化轨道的多维度操作需求，按多维度操作移动拼接 sp3模型的需要，应用Unity3D 编写代码，sp3杂化轨道的多维度操作代码很长，现摘录几个代码片段如下。江西生物科技职业学院 x1232023 年 6 月开发三维模型化学符号 应用“宏观-模型-微观”策略信息技术与化学教学深度融合的研究与实践碳原子跟氢原子的轨道重叠 产品简介 x甲烷分子中，碳原子的 4 个 sp3杂化轨道沿对称轴与氢的 s 轨道头碰头重叠，形成对称的 4 个碳氢 键。碳原子处在正四面体的中心，4 个氢原子位于正四面体的四个顶点，因此甲烷分子为正四面体。第四步，测试修改的任务有多项，第一，测试多人同时访问 VR 软件，观察运行是否流畅；第二，测试 VR 软件在 HarmonyOS、iOS 和 Android 三种系统中的运行是否正常；第三，测试 sp3杂化轨道三维模型在VR 软件中多维度操作的效果如何等等，软件需要经过反复测试，发现问题要及时修改完善。第五步，发布软件是把完成测试的沉浸式 VR 软件上传发布到虚拟现实服务器平台，并生成二维码（QuickResponse）。因 APP 太多，我们决定用手机扫描二维码，直接运行 VR 软件的便捷方式。3.2 杂化轨道理论应用“宏观-模型-微观”策略的教学设计虽然教学设计包括教学目标、教学重点难点、教学方法、教学步骤与时间分配等多个环节，但由于篇幅有限，我们只介绍“系统化规划、三维化模型、自主化学习”三个问题。103.2.1 教学内容要按照“宏观-模型-微观”策略系统化规划加涅在教学设计原理中提出，教学设计是一个系统化（systematic）规划教学系统的过程，教学系统本身是对资源和程序作出有利于学习的安排5。杂化轨道理论的教学内容首先要按照“宏观-模型-微观”的策略进行系统化规划。甲烷的教学内容按照“宏观现象”“三维模型”和“微观结构”三方面的系统化规划见图 4。甲烷是最简图 4 杂化轨道理论的“宏观-模型-微观”教学设计类型典型实例化学符号分子构型CH4H2C=CH2C2H2或H-CC-HH HC=CH HVR 二维码化学键甲烷是无色无味气体，化学性质稳定正四面体，4 个 C-H键角均为109 284 个C-H 键平面型，C-C-H 键角121.6H-C-H 键角116.7碳双键由1 个键和1 个 键组成碳三键由 1个 键和2 个键组成苯分子有6 个碳键和6 个碳氢键，6 个C 共有1个闭合的大 键平面型，碳键的键角都是120直线型，C-C-H 的键角是180乙烯是无色稍有 气 味 的 气体，化学性质活泼纯乙炔为无色无味的易燃气体，化学性质活泼苯是无色透明甜味可燃有毒液体，苯具有芳香性宏观模型微观sp3杂化sp2杂化sp2杂化sp 杂化C6H6或1242023 年第 3 期（总第 167 期）单的烷烃分子，甲烷中的碳是 sp3杂化，从“宏观现象”来说，通常情况下，甲烷是无色无味气体，性质比较稳定，与高锰酸钾等强氧化剂不反应，与强酸、强碱也不反应；从“微观结构”来说，甲烷性质比较稳定的原因是甲烷分子中的化学键全都是 C-H 键，键比较牢固，甲烷分子构型是一个正四面体结构，4 个 C-H 键角均为109 28；从“化学符号”来说，甲烷的分子式是 CH4。这时候学生的问题就来了，因为符号 CH4是抽象的，所以学生难以在宏观、微观和符号三者之间进行有效转换。从分子式 CH4根本看不出正四面体结构，如果说 CH4中的“4”能说明正四面体结构，那乙烯分子式是 C2H4，既有“2”又有“4”，乙烯是几面体结构？这时候我们把 CH4符号拓展升级为 sp3杂化正四面体结构的三维模型就很有价值和意义。学生用手机扫描图 4 中 VR 二维码，可以运行对应的 sp3杂化轨道 VR软件，可以用自己的手指操作旋转 sp3等三维模型，实现多维度操作，学生可以建立甲烷的宏观现象、三维模型和微观结构之间的联系，从而明白甲烷的结构决定甲烷的性质，甲烷的性质反映了甲烷的结构的道理。乙烯是最简单的烯烃分子，乙烯中的碳是 sp2杂化，乙炔是最简单的炔烃分子，乙炔中的碳是 sp 杂化，苯是最简单的芳香烃分子，苯中的碳是 sp2杂化，乙烯、乙炔、苯的教学设计都可以像甲烷一样，按照“宏观-模型-微观”理念进行系统化规划，如图 4。3.2.2 三维化模型及其 VR 软件是突破教学重点难点的利器三维化模型是指利用信息技术创建 sp3、sp2、sp 的三维模型及其 VR 软件。学生不可能像化学家那样清晰、精准地理解杂化轨道理论，我们可以应用信息技术创建和开发 sp3、sp2、sp 的三维模型及其 VR 软件，把抽象的杂化轨道理论宏观化、可视化、三维化。毋庸置疑，三维空间结构模型比二维模型更加具体形象，三维化模型及其 VR 软件是突破杂化轨道理论教学重点难点的利器。美国学者奥苏贝尔认为，有意义学习指将符号所代表的新知识与学习者认知结构中已有的适当概念建立非人为的、实质性联系的过程。因为三维模型符号建立了关于宏观现象和微观结构之间的非人为的、实质性的联系，所以学生的学习能够发生奥苏贝尔定义的有意义学习而不是机械学习。3.2.3 自主化学习是有利于学习的方式信息技术与化学教学深度融合要实现学生的自主学习。建构主义认为，学习是学习者主动建构知识的过程6，8。化学思维的培养是长期的过程，化学思维的形成不能仅仅依赖教师的讲解，还需要学生在自主学习过程中亲自建构知识，使其逐步内化为自己的思维方式9，11。我们的化学教学实现自主化学习有两个条件：第一，建设了“化学”在线开放课程，在线开放课程入选北京超星泛雅平台，构建了网络学习空间；第二，开发的 VR 软件实现了自主化学习。VR 软件发布生成了二维码，二维码可以发给学生，也可以在编排纸质教材时把二维码印在对应的化学概念或化学理论旁边，学生用手机随时随地扫描运行学习 VR 软件，实现学习的碎片化，方便学生自主化学习，形成学生个性化的受教育方式。参考文献1 A.H.Johnstone.MacroandMicrochemistry.NotesandCorrespondence，1982，12.2 A.H.Johnstone.Whyissciencedifficulttolearn?ThingsareseldomwhattheyseemJ.JournalofComputerAssistedLearning，1991，（7）：701-703.3 OnnodeJong，JanvanDriel.Prospectiveteachers concernsaboutteachingchemistrytopicsatamacro-micro-symbolicinterfaceC.Paperpresentedatthe1999NARSTAnnualMeeting.Boston.USA，1999，3.4 毕华林，黄婕，亓英丽.化学学习中“宏观-微观-符号”三重表征的研究J.化学教育，2005（05）：51-54.5 R M 加涅，W W 韦杰，K C 戈勒斯，J M 凯勒.教学设计原理M.上海：华东师范大学出版社，2007.6 许永慧.基于宏观微观符号三重表征构建初中学生微粒观的实践研究D.呼和浩特：内蒙古师范大学，2019.7 鲁静，罗荣昌.VR 技术在化学三重表征教学中的应用研究以“酸和碱的中和反应”新课为例J.天天爱科学（教育前沿），2020（10）：62-63.8 沈旸.积木思维在“宏观-微观-符号”三重表征中的应用以“质量守恒定律”为例J.中学化学教学参考，2022（02）：8-10.9 王晓月.宏观微观符号三重表征下的初中化学教学实践研究J.教师，2021（35）：49-50.10 余德润.信息技术与化学教学深度融合的研究与实践M.北京：电子工业出版社，2022.11 冯玉平，张伟.基于“宏观微观符号”三重表征的乙醇教学J.中学化学教学参考，2021（08）：42-43.