【符号表征!】信息技术成就化学符号与图像之美!卧龙娱乐
卧龙娱乐卧龙娱乐中,对于化学课程的性质定义为: “化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科,其特征是从微观层次认识物质,以符号形式描述物质,在不同层面创造物质。”由于原子的成键特点及结合方式的多样性,物质的种类繁多且结构复杂,为了准确描述这些物质,高中化学知识体系中包含了一整套别具特色的模型和符号语言。电子式、化学键、空间构型、原子半径等抽象概念一直是高中化学的重难点,对于这些模型和符号语言的学习,学生需要具备良好的空间想象和模型认知能力。对于这些知识点的教授,传统的教学主要采用口头讲解、黑板书写、多媒体演示等方式,这些手段无法及时充分地展示复杂物质的化学键和空间构型,不利于学生直观地认识和理解物质的组成与结构。在人数、教室规模和经费的限制下,即使使用了教具模型,也难以确保每个学生能够充分参与到课堂学习中。因此,探索更有效的教学方法,满足学生自主探究的需求并培养学生的化学核心素养,对于化学教学的发展具有至关重要的意义。
党的十九届四中全会提出了“发挥网络教育和人工智能优势,创新教育和学习方式”的号召。信息技术的快速发展为破解传统课堂弊端提供了新思路,化学学科与信息技术融合形成新的教学模式[3]。在日常教学中,教师需要使用Microsoft Office等计算机软件来书写教案、制作多媒体课件以及命制试卷。大多数化学教师常通过复制、粘贴并编辑在线资源来丰富教学内容,但当绘制复杂的化学模型和符号时,他们往往会遇到困难。经调研发现,目前有少量文献介绍了一些专业绘图软件的应用,但这些软件通常只支持英语PC端或需要付费,并且汉化版和盗版横行,不利于大规模推广和应用,在基础教育中的普及率较低[4]。KingDraw是一款国内自主研发的专业化学绘图软件,具有中文界面、多平台(、iOS、Windows)兼容、完全免费等优点。该软件可以实现化学符号的绘制与模型构建、物质性质的检索与模拟,满足教学需求的同时能够推动教学软件正版化,避免引进国外高价软件给学校增加经费压力。
将信息技术与化学教学相融合信息技术,借助KingDraw软件的实时绘制与多平台兼容等功能,有助于消除传统教学在时间和空间上的限制,为学生构建随时、随地、多途径的个性化学习环境,从而实现以学为主的教学方式。此外,融合式教学解决了传统教学方式的弊端,KingDraw 的主要功能简单明了易于掌握,学生通过短时间学习就可以使用软件自主探究复杂物质的结构与组成,真正地实现了教师主导、学生主体的教学课堂。本文以2023年普通高等学校招生全国统一考试(全国甲卷)为例,介绍KingDraw PC端的基本功能及使用方法,并探讨其在高中化学教学中的应用价值。
首先,用户登录KingDraw官网()下载和安装软件。该软件提供移动端(app)和电脑端(PC)两种版本,本文以PC教育版4.0为例,介绍其主要功能。
成功安装软件后,绘图界面主要包括五个部分(图1)。上部菜单栏中涵盖了该软件大部分功能,用户可以点击不同的按钮来创建和保存画布、编辑画布中图像格式,其中的常用功能以快捷方式显示在菜单栏右侧;左侧部分是绘图工具栏,包括化学键、碳骨架、电荷工具、流程图工具以及常用官能团模板等按钮,可以满足日常绘图需求;右侧部分是元素选择区,其中包括周期表和常用元素;中间的白域为编辑区,用户可以通过点击上述功能区的按钮在此区域绘制需要的化学符号;除此之外,绘图界面顶部还有一个“工作站”按钮,用户可以在此查询物质属性。
KingDraw PC软件提供了丰富的绘图工具,用户可以使用左侧工具栏中的按钮来绘制所需的化学符号,接着通过菜单栏中的格式按钮进行格式调整。例如,全国甲卷中出现了大量的化学符号,其中第8题提到了藿香蓟的功能与结构信息技术,要求考生利用所学知识描述其主要结构和性质。以藿香蓟的键线式结构为例,用户可以分别点击左侧工具栏中的“苯环”、“单键”、“双键”以及右侧元素选择区的氧元素完成该分子结构的绘制,效果如图2a所示。对于复杂分子结构式的绘制,依次点击按钮难免费时费力,KingDraw PC软件内置了符号模块库(图2b),提供了大量结构素材,用户可以一键绘制所需的分子结构,也可以自主添加素材生成自己的模板库。例如,第35题考察酞菁和钴酞菁的结构信息,用户可以直接点击“模板”、“芳香环”、“文本”按钮,一键绘制酞菁的结构(图2c)。此外,KingDraw PC还具有图像识别功能,导入图片可自动识别图片上的结构式,将其转化到的画板上,这可以大大节约绘制大环分子、聚合物等复杂物质的时间。
除了结构式的绘制卧龙娱乐,KingDraw PC还可以绘制常见物质的分子式、电子式、结构简式和键线D转换功能即刻获得分子的三维空间立体结构(图3)。
在高中化学教学过程中,工业流程图、合成路线及反应机理是重难点。KingDraw PC软件内置了箭头、流程图和文本等工具按钮,帮助用户快速准确地绘制出所需的图像。以高考卷中的第26题为例,介绍KingDraw PC在绘制工业流程图方面的应用。首先,点击流程图工具中的“方形”按钮和文本工具绘制出“焙烧”步骤图,然后选择复制工具将该图复制粘贴到画板新位置,并修改方框中文字信息,依次得到7个步骤图;接着,用户可以使用箭头工具画出所需的箭头符号,再次使用文本工具在图像中添加文字信息,并调整字体和字号;最后,用户可以框选需要对齐的内容,点击格式按钮获得美化的工业流程图(图4)。通过相似的操作,用户也可以轻松地绘制所需的合成路线 绘制图像
在教学课件制作和试卷命制中,经常需要涉及到图像的绘制工作,KingDraw PC完全可以胜任这个工作。以高考卷中第13题中的pM-pH关系图和第35题中的AlCl3
3晶胞为例,介绍KingDraw PC在绘制图像方面的应用。首先选取流程图工具栏中的直线按钮,依次绘制出表格的框线,然后利用文本工具进行内容填充,最后通过格式工具进行对齐调整,即可完成图5的绘制。
3晶胞的绘制,首先点击流程图工具中的“球形”按钮,依次绘制8颗球体;接着通过格式调整按钮调整格式与色彩,按照要求进行排列即可得到AlCl3分子结构图6a;选取流程图工具中的“直线”和“虚线”按钮,依次绘制出长方体的结构,然后点击轨道圆工具中的“球形”按钮,绘制出晶胞中的原子卧龙娱乐,最后通过格式调整得到AlF3晶胞图6b。
KingDraw PC软件集成了丰富的物质百科数据库(图7),包含诸多物质的基础数据。用户在画板上绘制出目标分子后,点击“化学属性”按钮获取该物质的基本化学信息。此外,软件内置了检索引擎,通过化学式或结构式的输入,数据库可以快速匹配并显示物质的相关性质,主要包括物理和化学性质及光谱信息(包含该物质的质谱、核磁共振谱、红外和紫外吸收光谱等)。
在高中化学备课过程中,教师需要绘制和制作多种化学符号与模型,例如反应方程式、分子结构、空间模型等。这些符号和模型是化学概念的可视化表达,手工绘制和制作费时费力容易出错,因此快速准确地绘制这些图像和模型对于化学教学至关重要。KingDraw PC软件是一款专业的化学绘图软件,它可以帮助教师以极佳的质量和速度完成各种化学符号的绘制和排版。同时,该软件支持多种格式导出以适应不同软件的要求,这使得教师可以更加灵活地运用这些图像丰富自己的化学教学内容。
高中化学教学的重难点之一是物质的结构及其空间构型。人教版(2019年版)高中化学必修2第七章第一节认识有机化合物的资料卡片明确指出:随着现代信息技术的发展,除了实物模型,还可以通过计算机对物质的结构进行模拟和计算。教材仅通过结构式对物质进行了简单描述,而缺乏其空间结构的展示。例如,基本营养物质这一章节中[5]
,教材详细地阐述了糖类、蛋白质和脂肪的性质与用途,要求学生掌握其所具有的特征官能团及特征反应,能够写出代表性物质的结构简式。然而,教材并未涉及这些分子的空间结构,教具模型又不适用于复杂分子的构建,学生运用想象力难以构建正确的空间模型。将 KingDraw PC软件引入课堂教学中,学生可以快速地利用软件绘制出葡萄糖分子的结构简式并转换成三维立体结构,通过空间结构的观察更好地从微观层次理解葡萄糖的性质,加深微粒观思维的培养。
此外, KingDraw PC还可以应用于实验课程,实现“无纸化”的教学。例如,《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》[1]
中规定了高中学生18个必做实验,其中之一是“搭建球棍模型认识有机化合物分子结构的特点”。传统实验教学是通过在课堂上提供实物球和棍等材料,学生分组进行模型制作,但由于教具种类和数量不足等因素的影响,不利于学生针对物质结构进行实验学习和探究。KingDraw PC软件的实时建模功能对实验教学的直观性和便利性产生了积极的影响,这种“无纸化”的方式打破了实验教具种类和数量不足的限制。学生在学习过程中可按需调用分子的三维空间模型,快速地获得海量的球棍模型和比例模型,并通过智慧课堂系统实现随堂即时的实验探究学习,思考并解决关于分子结构的多种难题。
KingDraw PC软件对于课堂教学的帮助远不止于此,结构编辑、信息查找、三维建模等功能不仅帮助师生更方便地理解电子式、化学键及空间结构[6]
[7]等抽象概念,也可以帮助师生及时调取分子的物理性质和谱图信息,从而方便有机物性质规律与氢种类的探究(表1)。
课后学习不仅是对课堂学习的必要补充,也是锻炼学生自主学习能力的有效途径。信息技术与化学学科的融合为学生提供了便捷的平台,学生可以利用智能设备随时随地的学习。KingDraw PC软件支持全中文操作界面,经过教师讲解和演示后,学生可以在较短时间掌握其主要功能并进行各种化学符号和模型的绘制。在周末、假期等课余时间,学生可以利用该软件进行课程的自主复习与预习,与同学或教师在线实时沟通交流,答疑解惑。KingDraw PC软件突破了传统的课堂界限,打破了“教师”、“教室”与“教材”的限制,为学生创新意识和探究意识的培养提供了有效支持。
信息技术与化学学科的深度融合可以创造信息化的教学环境,改进传统教学的不足,发挥教师的主导作用,体现学生的主体地位,从而充分调动学生学习的主动性与积极性。KingDraw软件对化学教学的直观性和便利性产生积极的影响,学生通过该软件将抽象概念转化为可视化符号,可以更清晰直观地认识物质与反应的微观本质,建立微观结构、宏观物质、化学符号之间的联系,有助于培养学生“宏观辨识与微观探析”、“证据推理与模型认知”等化学学科核心素养。此外,为了更好地服务学生,教师也应该不断更新知识与技能,并做好学科融合教学的准备。因此,在未来的高中化学教学中,KingDraw软件具有相当广泛的应用前景。
[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订).北京:人民教育出版社,2020:57-59
[3]刘婷婷.多元信息技术融合的化学论证式教学实践——活泼的金属单质钠[J].化学教育(中英文),2023,44(11):44-49
[4]杨涛.活用化学软件辅助教学 构建高中化学高效课堂[J].中国教育技术装备,2021(17):126-127+130
[5]王晶,郑长龙.普通高中教科书:化学第二册(必修).北京:人民教育出版社,2019:61
[6]王涛.利用免费分子绘制软件实现线上线下的互动教学——以“感受化学键”为例[J].化学教与学,2021(21):32-36
[7]陈静. KingDraw在高中有机化学教学中的实践初探[D].重庆:西南大学硕士学位论文,2021.
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