浅析信息技术在高中化学教学中的应用路径及影响

刘现林

化学是一门基础学科，也是社会进步和科技发展的基石，现在国家正需要高质量的化学人才。而当前，高中化学教育和教学面临着改革和创新的挑战，亟须改革教学手段和教学方法。利用计算机辅助工具，增强学生的学习兴趣，提升学习质量和效率，为国家培养新一代化学专业人才奠定基础。

一、 课程标准对信息技术的要求

《普通高中化学课程标准》(以下简称《新课标》)指出“要重视信息技术的应用”。信息技术与化学在很多方面存在交叉融合，作为中心学科的化学，在材料、能源、医疗健康、环境保护等科技发展中发挥着无可取代的作用。高中化学教师要积极探索在高中化学教学与实验中恰当使用信息技术，特别是利用计算机模拟实验和微观过程，把一些实验无法呈现的现象和微观过程直观地呈现给学生，成为高中化学教学的有益补充。

信息技术在化学教学中的恰当使用，有利于提高教师的教学效率，有利于促进学生对化学知识的深度理解。教研组要重视化学教材信息资源平台的建设，为各种潜力的学生和教师提供多样的学习资源，助力中国化学教育的发展。

二、 信息技术的重要组成部分——计算化学

信息技术(information technology，缩写IT)，是主要用于管理和处理信息所采用的各种技术的总称，尤其涉及计算机技术。当今计算化学已经是信息技术在化学中应用的一个重要环节。

在化学发展的早期，化学家通过对化学实验的归纳形成了朴素的化学理论，以至于在很长一段时间内化学被认为是“纯粹实验的科学”。20世纪初，物理学家创立了量子力学。量子力学的创立，使得“化学变化可以通过计算定量地说明和预测”有了理论基础。化学家逐步认识到实验和理论可以协同探索分子的性质并处理复杂的化学问题。理论计算不仅能说明已有的实验结果，并提供实验难以得到的化学变化过程的细节和微观结构信息，还能预测新的实验结果。当前，理论化学计算与实验紧密结合，力求计算真实的化学体系，力求与真实实验的结果接近。

理论计算化学致力于更好地为发现新物质提供依据，化学已经逐步发展为依靠“实验、理论和计算”三根支柱发展的学科。随着现代物理学和数学的迅速发展，计算机的计算能力日益强大，研究化学过程的理论体系迅速发展，计算化学学科体系就逐步形成了。计算化学(computational chemistry)是计算机科学与化学的交叉学科，它的主要目的是利用计算机程序计算分子的性质，例如总能量、偶极矩、反应活性等，解释具体的化学问题。计算化学与材料、生命、信息科学等领域的融合交叉，使其在化学及相关学科中的应用越来越广泛。

三、 计算化学对高中化学教学内容和教学方式的影响

采用计算化学模拟及可视化软件分析，可以将化学反应的本质与过程更形象地展现在学生眼前，并且使抽象概念具体化，有助于学生理解反应的机理和现象，激发学生对化学微观过程的兴趣。

在高中化学课堂上利用符合高中学生认知的、与计算化学相关的多媒体技术，动态地展示抽象的概念和相对复杂的反应机理，增加学生的感性认识，有利于突破教学重点并解决教学难点。信息技术也因其高效、形象化和易于理解等特点，使得教学手段多样化、灵活化。

(一)计算化学对化学反应原理的意义

在化学反应原理中，计算化学从基本的量子化学理论出发，利用大量的数值运算方式去探究一个系统的化学性质。最常见的是，用计算化学解释各种化学实验现象，帮助化学工作者了解、分析观察到的实验结果。此外，计算化学对未知或观测困难的化学系统可以进行预测。当前，化学理论还在不断地发展和完善。计算化学用于验证、测试、修正或发展高层次的化学理论，时有发生。这些对化学人才的培养非常重要，对高中学生学习化学，特别是理解化学本质同样重要。高中化学教学要让学生掌握化学反应的基本规律，建立物质变化的正确思维模型，了解化学能与热能、电能等能量转化的基本原理，能对生产、生活和自然界中有关的化学现象进行合理的解释。

例如，针对酸碱滴定、酸碱平衡的过程，先利用仪器测出溶液的pH值，再利用软件模拟实测曲线，学生饶有兴趣地通过推理判断滴定终点、溶液呈中性的点，利于学生自主完成知识的构建。针对催化反应机理，可以通过计算得出反应物、过渡态、生成物的能量，以及不同的催化剂下此反应路径的反应热、反应的能垒、活化能等。借助计算结果挑选合适的催化剂，同时为设计更好的催化剂提供理论依据。

[教学实例1]研究发现雾霾中的炭黑颗粒物可以使O2活化并产生对环境有不良影响的活化氧，用计算机模拟计算这一活化过程的能量变化如图1所示。反应过程中存在多步反应的活化能，根据能量变化图分析，可以得到如下结论：O2的活化是O—O键的断裂与C—O键的形成过程，每一个O2活化放出0.29eV的能量；没有水加入的反应活化能为E=0.75eV，有水加入的反应的活化能为E=0.57eV，所以水可使O2活化反应的活化能降低0.75eV-0.57eV=0.18eV；炭黑颗粒可以活化O2产生活化氧，而活化氧可以把SO2快速氧化成SO3，炭黑颗粒就是这个过程的催化剂。教师在带领学生识图和发掘图像信息的过程中培养学生的微观探析核心素养。

图1 活化过程的能量变化模拟计算结果

(二)计算化学对结构化学的意义

在物质结构与性质中，常用的计算机软件有Matlab、ChemOffice、Chemcraft、Gamess、diamond、Orbital Viewer、Materal Studio、Gaussian和GaussView等。只要在Gaussian09软件中导入分子结构文件，设置净电荷、自旋多重度和选择溶剂模型等参数，进行简单计算后，能提供实验观察不到的有关分子的信息并形象具体地进行展现，如几何优化、NMR、化合物的原子、分子电子结构、化学键性质、分子间相互作用力、分子轨道和电子密度等，增加学生对理论课堂的兴趣。

例如，二元化合物的结构参数可以用作化合物分类的依据，并且可用于预测化合物的理化性质，并根据物质性质的数据设计新的功能材料。

[教学实例2]磷及其化合物在电池、催化等领域有重要应用。黑磷与石墨类似，也具有层状结构，见图2。为大幅度提高锂电池的充电速率，科学家最近研发了黑磷-石墨复合负极材料，其单层结构俯视图如图3所示。贵金属磷化物Rh2P(化学式量为237)的立方晶胞如图4所示。

图2 黑磷

图3 黑磷-石墨

图4 贵金属磷化物Rh2P

(三)计算化学对有机化学的意义

在有机化学中，常用的计算机软件有InDraw、KingDraw、ChemSketch、MestReNova、ChemOffice、Materal Studio、Gaussian等。除了利用计算机软件获得有机物分子的直观信息之外，有机分析的重要手段之一就是检索图谱数据库，但有机分析的商业数据库一般年费用较高，不适合高中教学。为满足高中教学的需要，高中老师可以建立简单实用的数据库，将搜集到的常数谱图、操作规则、有机合成路线、应用程序等信息存贮在其中，以备需要时检索之用。

例如，网上有一些免费谱图网站，我们可以根据需要选择符合高中教学需要的图谱(IR、MS、Gas、NMR、UV、Ion Clustering Data...)，建立高中标准谱图库；学生参考这个数据库根据分子量、官能团和化学键等结构信息就可以判断物质的组成和结构。有机分子的立体几何构型是高中有机化学教学的难点，也是重点。结构决定性质，有机分子的化学行为更多取决于分子的三维几何构型。如何根据结构式，在头脑中构建出分子的正确立体构型，对学生来说是一个巨大的挑战，而通过计算模拟可以轻松解决这个问题。比如环己烷的两种构象如图5、图6所示，采用Chemoffice软件不仅可以快速模拟出分子的立体构型，而且还可以对立体结构进行优化，查看构型时，可以通过鼠标随意地对分子进行平移和反转。

图5 船式构象

图6 椅式构象

[教学实例3]在人教版(2019版)有机化学基础第二章第三节芳香烃中，教材从苯的结构着手研究苯。根据苯的分子式C6H6，与饱和烃相比，少了8个H，不饱和程度很大，理论上苯应该与乙烯等不饱和烃具有相似的化学性质。但是，实验表明苯不能使酸性KMnO4溶液和溴水褪色，不具有碳碳双键的结构，这给学生造成了认知冲突，激发学生探究苯的结构的兴趣。然后在chem3D软件中模拟展示苯的立体构型，呈平面正六边形，由此启发、引导学生用杂化理论解释苯的结构。进一步运用Gaussian软件优化乙烷、乙烯和苯中的碳碳键长分别为153pm、133pm和139pm，说明苯中碳碳键介于单、双键之间。结构决定性质，苯的特殊结构也就决定了苯兼有饱和烃与不饱和烃的性质，这样完善和升华了烃的知识。在chemdraw软件中还可以快速预测各种有机化合物的1H-NMR谱图，很好地满足了高中化学教学的要求。如苯的1H-NMR模拟谱图如图7所示，H原子的化学位移为7.34，说明苯中所有H原子等价。直观的数据使学生从微观角度对苯结构的认识更加清晰，有利于培养学生观察能力和逻辑思维能力，有利于培养学生宏观辨识和微观探析的核心素养。

图7 苯的1H-NMR模拟谱图

(四)计算化学对实验化学的意义

在实验化学中，化学反应在微观层面进行且比较抽象，仅依靠实物模型和比喻等传统的教学方法进行教学，学生对化学知识抽象原理的深入理解往往存在困难。通过计算化学的模拟，不仅能从分子及原子水平解释问题，还可以从理论高度总结物质在实验中所表现的性质或实验现象的特定规律，这些规律又可以指导新的实验并预测实验结果。从某种程度上说，化学问题上升到了哲学高度。

图8 NO2和SO2反应的微观示意图

四、 反思

信息技术使传统的高中化学教学发生了深刻的变革。数据处理、结构解析、分子设计、信号分析、有机合成、模拟实验等诸多方面的应用，使得高中教师和学生已经成为信息技术的受益者。在高中教学中，无论是晦涩难懂的理论讲解还是实验教学，信息技术的应用都取得了事半功倍的教学效果，加深了学生对抽象知识的理解，提升了学生的核心素养。教师在基础课程的讲解过程中，将计算化学与基础化学学科教学相结合，发挥信息技术的优势，必将促进课堂教学有效性的进一步提高。