动画在有机化学教学中的应用效果探索如下文

1 前言

有机化学是研究有机化合物的组成、结构、性质、相互转化规律的一门学科,是高校化工类、近化工类学生的重要专业基础课。在教学中运用多媒体教学手段,可以使很多化学现象变静态为动态、变小为大、变抽象为形象,能够引导学生充分运用创造性思维和想像力理解事物的本来面目。有机化学中的化合物分子结构复杂,空间立体构象多样,很多立体反应如分子重排、聚合、缩合等都涉及空间反应过程。在化学教学过程中,仅用图片及文字来表达这些内容,不利于学生直观准确地学习。如果把化学中的一些微观现象放大,采用三维动画技术,多角度、全方位地模拟分子结构及空间反应过程,不仅可以营造一个愉悦的学习环境,还可以使许多抽象和难以理解的内容变得生动有趣,有效地调动学生的学习兴趣,提高学习效率。国外一些公司推出了能绘制分子结构的软件,如CS ChemOffice和ChemSketch 4.0。尽管这些软件可以方便地绘制多种分子结构式并能立体地观察这些分子,但其结构是平面透视,仍不能逼真体现分子的三维结构及成键电子云变化等状况。我们在有机化学多媒体教学过程中,尝试用3DS MAX软件制作了一些分子模型动画,碳原子三种成键状态SP3、SP2、SP形成过程的动画及多种分子形成电子云变化动画等。本文仅以制作甲烷三维球棍模型及其模拟动画为例,简要地介绍如何利用软件3DS MAX 4.0制作有机化合物分子模拟动画。

2 动画设计甲烷分子是由一个碳原子和四个氢原子以共价键结合而成的正四面体结构。四个C—H键的键长均为0.110nm,氢碳氢键角均为109°28′。动画设计过程大致为:首先确定甲烷三维球棍模型中各个组成部分在3DS MAX软件平台下的相关数据(根据甲烷三维球棍模型实际尺寸转化),然后在3DS MAX软件平台下制作甲烷三维球棍模型,最后制作动画。为便于观察,我们将碳、氢原子渲染为不同的颜色。

2.1 数据转化3D MAX是一个可视化工具软件,能正确显示模型各部分的比例,可以使模型看起来合理且易理解。因此,在建模前需了解各原子的半径及各化学键的键长。有关数据如表1所示。

在表1数据的基础上将所有原始数值均扩大250倍,以便于在3D MAX软件中处理。相关数据如表2所示。

2.2 甲烷的三维球棍模型制作在3DS MAX中制作三维动画的基础是三维结构的建模。建模方法很多,如对象建模、放样建模、布尔建模等,以下采用的是对象建模。

(1)创建碳原子的球体模型。选取命令面板最左边的Create(建立)命令,单击几何体。在ObjectType(物体类型)栏,单击Sphere(球),然后将鼠标沿创建面板往下移动,当鼠标的形状变为手型时,按下鼠标左键并且同时往上移动,看见keyboard En-try(键盘输入)项时,停止拖动。单击keyboard En-try(键盘输入)项,打开参数项卷展栏(其中参数X、Y、Z分别为三维空间的坐标系,Radius为几何球体的半径),输入参数见图1。输入参数完毕,单击创建按钮Create,即完成碳原子的建模。

(2)创建碳氢(C-H)键及氢原子模型。在Ob-ject Type栏,单击Cylinder(圆柱体)按钮,选透视图为当前视图创建C-H键。具体参数见图2。选前视图为当前视图,再创建一几何球体,作为H原子接在C-H键的一端。具体参数见图3。输入参数完毕,单击Create(创建)按钮即可看到一个C-H, 如图4。

(3)创建另外3个碳氢(C-H)键及其氢原子模型。单击工具栏中的(Select by name)按钮,在弹出的对话框(见图5)中按住Ctrl键同时用鼠标单击Cylinder01和Sphere02,最后按Select按钮,则选中前面所创建的圆柱和较小的几何球体。并在菜单栏Group (组)中选择Group使它们合并成组Group01。选前视图为当前视图,选择工具栏中(useTransform Coorinate Center)按钮以将坐标系切换为以X、Y、Z坐标系中心为中心,并保证Group01处于选中状态。单击工具栏中Arry阵列快捷按钮,在弹出的对话框中输入Z轴旋转数值109.45°(甲烷的键角),其他参数见图6,单击OK,得到-H。重复操作:单击阵列快捷按钮,出现图7,输入Y值旋转数值120°,1D项中输入个数3,单击OK。在透视图即可以得到如图8所示的甲烷结构。

以上甲烷结构模型的颜色均采用系统默认的色 彩。如需自己定义色彩,则需使用工具栏上的赋色按钮进行设置。

2.3 甲烷的三维球棍模型动画的制作

(1)动画制作。单击工具栏中的(Select byname)按钮,在弹出的对话框中按先All键,后按Select按钮,则选中所有创建的几何体。并在菜单栏Group (组)中选择Group使它们合并成组Group05。选透视图为当前视图,并选中Group05即甲烷的三维球棍模型。单击主软件界面左下方的Animate按钮,以打开动画记录钮。拨动时间滑条滑动到最后一帧,单击工具栏上(Select and Rotate)按钮,然后将鼠标放在该按钮上单击鼠标右键,在弹出的对话框中设置如图9参数。由于参数的改变,这些立刻就会记录成动画。正如图所表明那样,我们选择了使甲烷的三维球棍模型绕Z轴旋转360度,将此动作记录成动画,其结果相当于学生从宏观的角度理解微观的结构特点。

(2)动画生成。动画制作完成后,还需将其渲染成AVI的文件格式存储,以使将该动画插入到利用PowerPoint或Authorware所制作的课件中去。选透视图为当前视图,单击菜单Rendering

Render命令,在弹出的对话框中设置参数如图10所示,单击Render按钮,即可渲染生成动画文件1.avi。为实现更好的视觉效果,在动画渲染中可将环境光选为黑色,课件背景也选为黑色。这样插入的动画不会在课件中显示出动画边界,而仅显示为分子模型,使课件与动画的融合效果最好。在教学中只须用鼠标左键单击该分子模型即可播放该动画,再次点击可暂停动画播放,以方便详细讲解。

3 结语

运用上述方法可以比较轻松地创建烷烃系列化合物结构,也可以比较方便地创建金刚石(把甲烷结构中的氢原子都改成碳原子,然后叠加成金刚石)、晶体硅(与金刚石的模型相同)、金刚砂(把甲烷结构模型叠加)、石英(在金刚石结构的基础上,每个C-C键中间增加一个氧原子)等晶体结构[1]。

上文是动画在有机化学教学中的应用效果探索

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