畢晟

摘要材料結(jié)構(gòu)（PEP出版的高中化學(xué)學(xué)生選修課本第三版）中，金屬晶體中原子的積累方式只有一些想象，但沒(méi)有可視化的模型，這使得學(xué)生很難理解。甚至是不可能讓學(xué)生計(jì)算每個(gè)原子的利用率積累方式，尤其是在面心立方緊密堆積的利用率。本文介紹了如何使用可視化模型教學(xué)，旨在解決上述問(wèn)題。

關(guān)鍵詞金屬晶體原子堆積3ds max

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在現(xiàn)行中學(xué)化學(xué)人教版選修三《物質(zhì)結(jié)構(gòu)》中，對(duì)晶體的相關(guān)知識(shí)要求較深，而學(xué)生才學(xué)立體幾何不久，對(duì)空間結(jié)構(gòu)想象不夠，空間中點(diǎn)、線、面之間的關(guān)系難以確定，所以對(duì)微觀晶胞結(jié)構(gòu)的理解就更困難，在金屬晶體的教學(xué)中，學(xué)生的這種情況表現(xiàn)更為突出，學(xué)生對(duì)幾種晶胞的形成、晶胞中原子間的位置關(guān)系、每一晶胞所占用的原子的個(gè)數(shù)、晶胞的體積、原子的空間利用率的計(jì)算等知識(shí)很難把握。這時(shí)我們可以利用3ds max來(lái)模擬微觀的場(chǎng)景，直觀地展示給學(xué)生，加深學(xué)生對(duì)金屬晶體的理解。

1 現(xiàn)有教材的不足之處

在高中新教材選修三《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》人教2009版中，第三章第三節(jié)金屬晶體的內(nèi)容中，對(duì)金屬原子的堆積的方式有如下的描述：金屬原子在二維平面堆積中有兩種方式，配位數(shù)分別為4和6的非密置層和密置層。對(duì)這種平面的堆積方式學(xué)生很容理解兩種方式的特征及區(qū)別。在非密置的空間堆積方式中又可得簡(jiǎn)單立方與體心立方，在簡(jiǎn)單立方中，學(xué)生能準(zhǔn)確理解晶胞中原子間的位置關(guān)系和晶胞的邊長(zhǎng)，方便于學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)求晶胞的相關(guān)參數(shù)。但在體心立方中，學(xué)生對(duì)晶胞的邊長(zhǎng)與原子半徑的關(guān)系不太明確，求晶胞的參數(shù)更困難。

在密置層的空間堆積中所得的六方最密堆積和面心最密堆積立方中，學(xué)生對(duì)如何得到這兩種晶胞以及兩種晶胞中各原子間的位置關(guān)系理解困難，更難以求晶胞的參數(shù)和原子的空間利用率。特別是在六方最密堆積晶胞中，學(xué)生容易根據(jù)教材圖例認(rèn)為中間原子在四棱柱的面上或在四棱柱的棱上，而它的底面為正方形，而實(shí)際上中間原子與其相切的三原子同處于一正四面體的頂點(diǎn)，底面的另一原子與其不接觸，底面為菱形。

2 改進(jìn)方法

為了給學(xué)生以直觀的感受，可以先用flash制作各晶胞的模型，然后指導(dǎo)學(xué)生用乒乓球代替金屬原子按照教材敘述用膠水粘貼成簡(jiǎn)單立方、體心立方和六方最密堆積，通過(guò)學(xué)生動(dòng)手加深學(xué)生對(duì)各晶胞的認(rèn)識(shí)，消除內(nèi)心的錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)。在簡(jiǎn)單立方中，晶胞邊長(zhǎng)與原子半徑間關(guān)系非常明確，邊長(zhǎng)為半徑的2倍，配位數(shù)為4。而體心立方中，晶胞的體對(duì)角線長(zhǎng)為原子半徑的4倍，配位數(shù)為8。在這兩種晶胞中，學(xué)生可通過(guò)模型，利用所學(xué)的數(shù)學(xué)立體幾何知識(shí)能清楚掌握到原子間的位置關(guān)系和快速計(jì)算出原子的配位數(shù)以及原子的空間利用率。在六方最密堆積中，原子間的位置關(guān)系較復(fù)雜。以乒乓球粘成的實(shí)際模型為例，取晶胞的1/3，A層原子為四原子形成的菱形底面，B層原子放在其中A層3原子圍成的空隙中，且只能放一個(gè)原子，該原子不完全屬于A層3原子球心所圍成的空間，但從flash動(dòng)畫(huà)透視圖可見(jiàn)，中間原子與其接觸的原子圍成以球心為頂點(diǎn)的正四面體，底面的另一原子不能與接觸相切。通過(guò)上下底的球心作連線所形成的四棱柱剛好將中間小球球心圍在其中，A層球心連線將B層球切除部分，但同時(shí)將不屬于此四棱柱的小球切入到此四棱柱中，剛好切出與切進(jìn)的體積相等，即一四棱柱完整擁有一中間小球，而中間小球的球心不在面或邊線上。原子利用率的計(jì)算中，晶胞底面為菱形，高為正四體高的兩倍，配位數(shù)為12。

但對(duì)于面心最密堆積以ABC的方式學(xué)生不可能觀察到面心結(jié)構(gòu)，flash動(dòng)畫(huà)方式也不能讓學(xué)生從該方式中抽出面心結(jié)構(gòu)，flash為平面動(dòng)畫(huà)，只能讓學(xué)生看到前視圖或透視效果，不能從多角度觀察晶胞。這時(shí)可以改用3ds max軟件模擬面心最密堆積，它可以從不同角度觀察原子在空間堆積所形成的效果。具體方法為：打開(kāi)3ds max在其前視圖中，建立一小球，然后用復(fù)制的方法得相同大小的小球若干，在左右視圖和上視圖中，調(diào)整各小球的位置，讓它們形成平面的密置層結(jié)構(gòu)，命名為A層。復(fù)制該層兩次，分別命名為B、C層。在前視圖中向上調(diào)整B、C層與A層小球的位置關(guān)系，讓上層每一小球剛好與下層兩球相切；然后在左或右視圖中，將B、C層小球向同一方向平移。最后將A層小球復(fù)制放在C層之上，特別要注意的是要讓兩個(gè)A層對(duì)齊。這時(shí)可以將所得空間密層結(jié)構(gòu)向左或右旋轉(zhuǎn)90度，很容易在視圖中觀察到五個(gè)原子所圍成的面心，去掉一個(gè)面心結(jié)構(gòu)中不屬于它的原子，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)此模型，用相同的方法可以得到整個(gè)面心晶胞的結(jié)構(gòu)。從實(shí)際得到的結(jié)構(gòu)中可以看到其實(shí)A層只要一個(gè)小球，B、C層只要6個(gè)小球，B、C層6小球圍成等邊三角形，中心重疊，所延伸方向剛好相反，配位數(shù)12。3ds max制作該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于，可以用模擬攝像機(jī)記錄該晶胞的形成過(guò)程，再通過(guò)播放的方式給學(xué)生觀看，可以加深學(xué)生對(duì)原子間的位置關(guān)系的理解。在面心結(jié)構(gòu)中，面對(duì)角線長(zhǎng)為半徑的4倍。通過(guò)3ds max也可以讓學(xué)生親手制作面心最密堆積晶胞模型，在制作時(shí)不能按教材所述進(jìn)行，按A層只要一個(gè)小球，B、C層只要6個(gè)小球，B、C層6小球圍成等邊三角形，中心重疊所延伸方向剛好相反的方式可以輕松得到面心結(jié)構(gòu)，實(shí)物模型可以讓難以想像和理解的微觀結(jié)構(gòu)真實(shí)地展現(xiàn)在學(xué)生的面前，有利于學(xué)生加深對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握。

3 3ds max輔助教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

計(jì)算機(jī)的模擬功能，可使抽象內(nèi)容形象化，靜止內(nèi)容動(dòng)感化，為學(xué)生創(chuàng)造生動(dòng)、活潑、直觀、有趣的教學(xué)條件，可以將比較難以解決的問(wèn)題用計(jì)算機(jī)模擬模型創(chuàng)造一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)的空間以加深學(xué)生知識(shí)的理解。在3ds max的環(huán)境中，學(xué)生可親自操作制作的模型，可以旋轉(zhuǎn)模型從不同的角度觀察各原子或分子在空間中的位置關(guān)系。而在其它的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的方法中，制作的動(dòng)畫(huà)往往是平面形式，無(wú)法滿足空間要求。在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)中，研究的對(duì)象是微觀微粒，對(duì)學(xué)生而言要求抽象思維，學(xué)生對(duì)看不見(jiàn)摸不著的晶胞難想象到各原子、分子或離子在空間中的排列情況。學(xué)生對(duì)晶胞中各頂點(diǎn)、面心、棱上原子及體內(nèi)原子的利用情況認(rèn)識(shí)較快，但涉及到原子與原子在空間中等距問(wèn)題就很困難，他們考慮問(wèn)題往往是在一個(gè)平面內(nèi)來(lái)思考原子間的關(guān)系，難以向空間中延伸，如能將微觀的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成宏觀可見(jiàn)的模型將有利于學(xué)生建立晶胞的空間位置關(guān)系，再利用自己所學(xué)的數(shù)學(xué)知識(shí)可解決晶胞的邊長(zhǎng)、體積、密度、化學(xué)式、摩爾質(zhì)量等有關(guān)問(wèn)題。

當(dāng)然3ds max也不足之處，就是掌握該軟件較難，不如其它的輔助方式簡(jiǎn)潔易懂，成品的修改也費(fèi)時(shí)。

在《物質(zhì)結(jié)構(gòu)》的實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，只要老師能多以直觀的方式給學(xué)生給學(xué)生講解或指導(dǎo)學(xué)生新手制作相應(yīng)的模型，就可以幫助學(xué)生更好地理解相關(guān)的知識(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1]宋心琦.化學(xué) 選修三.物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì).人民教育出版社,2009:73.