1、基于控件集成技术的分子结构可视化教学文章编号：10056629(2007)03004503 中图分类号：G633.67 文献标识码：B1 不同类型的分子结构模拟技术1.1 通用分子模拟技术近年来，不少书籍刊物介绍了各种化学分子结构模拟方式，对有效表征分子结构、提高课堂教学质量和学生学习兴趣等话题做出了有益的探讨。总的来说，化学教学中常用的分子结构模拟方式主要包括通用技术和化学专业技术两大类。通用技术包括利用二维图片（Photoshop 或其它绘图软件制作）、Shockwave 交互动画（for Director 或者 forFlash）、3DS Max 视频动画和各种编程技术实现分子模拟的方式
2、，而化学专业技术则是专门针对利用化学专业建模软件和教学软件的分子模拟方式而言的。通过对多种通用技术进行比较，可以发现1：（1）二维静态图片表现信息量有限，难以让学生形成有效的空间立体观念；（2）Flash 3D 动画模拟能力较强，但是却缺乏真实立体感，不能表达真正的化学结构信息；（3）3DS Max 制作质量效果较好，却制作复杂而且生成文件太大和欠缺科学性；（4）Shockwave 动画和 VRML 所涉及的编程难度较大，并非是一般化学教师能接受的。另外，各种动画文件虽然在分子模拟过程中实现了多种显示功能，并且能够被动画使用者控制动画演播进程，但是这都是基于动画制作者的编程设计而实现的。从根本
3、意义上说，使用者并没有脱离制作者的预设意图，动画也没有实现真正的交互效果。1.2 专业分子模拟技术一般来说，化学专业分子模拟可以简单归纳为以下三种方式2：（1）采用分子结构模拟软件，具体软件有 Accelrys Viewer、Rasmol 等；（2）采用分子结构模拟插（控）件，具体插件有 Chime 和 Chem3D 等，控件有 Accelrys Viewer ActiveX Control；（3）采用分子结构建模技术，Javamol 编程语言是该类最具代表性的技术之一。在这三种方式中，使用者都可以一定程度地自主控制、转换分子模拟结构的外观形式，以及显示各种复杂的分子内部结构细节特征，从而有助
4、于从多个侧面观察和感受分子结构本质。对于初接触分子结构模拟，或者只是把微观可视化应用于教育方面的人士而言，前两种模拟方法较为适合他们的需求。大多数软件、插（控）件都有自己的功能选项菜单，它们对使用者的技术要求不高。当使用者结合自身教学需要显示不同的分子外观结构，可以在相关设置中进行适当的设定、调节。对于插（控）件技术，如果能够结合适当的的脚本编程，则可以有效地增强分子的渲染效果。1.3 分子结构模拟插(控)件分子结构模拟插（控）件主要是利用各种集成技术来实现分子模拟的。其工作原理可以概括为：当浏览器读取网页中特定的代码段，或者控件窗体读取对象数据代码时，相应的插（控）件会自动启动，在显示窗口内
5、调用和显示外部化学绘图文件，按照预先设定的各种标记、选项、参数和命令语句对分子结构进行模拟。由此我们可以认为，插（控）件是解读分子结构信息的解释器；但是它们不是独立存在的，而是需要依靠运行集成软件来实现数据解释，并且显示最终模拟效果的。ISIS Draw 或 ChemSketch 等专业化学绘图软件生成的绘图文件，具有制作标准规范，存储化学信息量多，可读性和学科科学性强等特点，因而插（控）件模拟得到的是精确的分子模型。Chime 等网络插件3适合呈现网页中集成的绘图文件。Chime4-5凭借高效分子结构可视化和交互效果，得到国外化学教育界的极大重视。控件 Accelrys Viewer Act
6、iveXControl（以下简称 Viewer Control）则适合集成在支持组件对象成分的任何软件内，例如集成在教师最常使用的课件制作软 PowerPoint（以下简称 PPT）中，这意味着 ViewerControl 将有助于广大化学教师在自己的教学课件中配合各种文本解释，有针对性地呈现分子结构，丰富学生对分子微观本质的多重感知。徐成宇6对 VB6 软件状态下的 ViewerControl 集成方法做出介绍，本文将针对该插件的基本情况、在 PPT 中集成及相关应用问题做出补充讨论。2 用 Viewer Control 实现分子结构模拟2.1Viewer Control 简述加拿大 Acc
7、elrys（原 MSI）公司开发了显示化学分子信息的 Weblab Viewer 软件7，该软件支持 OLE 和 ActiveX Control，其控件拓展程序即是 Viewer Control。控件安装包下载地址为：/downloads/ViewerActiveX50.exe。与其他分子模拟插件一样，Viewer Control 支持多种化学绘图文件格式，也允许使用者设置多样化的分子结构图像效果。2.2 在 PPT 中集成 Viewer Control在 PPT 中集成 Viewer Control，其方法与集成 Flash 动画类似，具体操作如下：1进入需要集成分子模型的 PPT 文件页面
8、，显示控件工具箱，并且点击“其它控件”。在弹出的控件列表中，选择“Accelrys ViewerControl50”控件，光标随即变成十字状。2用十字光标在 PPT 页面相关位置上拖曳划出一个区域，该区域即是化学结构图形的显示窗口。显示窗口默认底色为黑色，其大小可以通过鼠标拉动来实现改变。3在显示窗口中点击鼠标右键，弹出功能菜单。在菜单中选取“属性”选项，可以得到“属性”选项卡。在该卡中进行调节，可以设定集成化学绘图文件的各种显示特征。常用的功能属性如表 1 所示。4 在属性选项中，Source 选项是必要的，因为它决定了化学结构文件的来源。源文件地址可采用绝对或相对路径，如果采用了绝对路径，
9、其逻辑位置不能发生改变；如果采用的是相对路径，则应保证 PPT 与绘图文件的相对位置是有效的。在播放 PPT 页面期间（图 1），使用者可以通过右键点击显示窗口弹出操作菜单，随时设置分子结构呈现模式与鼠标控制方法。基本的分子结构模拟功能，在操作菜单中都可以找得到，如图 2 示。Viewer Control 允许通过编程方式，实现更加复杂的分子结构模拟以及按键交互。例如通过编程实现分子模型旋转，可以采用这两种方法：（1）直接在分子模型的代码编辑器中输入“ViewerControl401.Spin=1”；（2）添加命令按钮后在其代码中输入“ViewerControl401.Spin=True”。如
10、果读者想对控件的各种模拟功能有更深刻的了解，可以仔细阅读控件安装文件夹下的 ViewerActive X.chm 文件，该帮助文件对控件的各种功能选项（Properties）、编程句法（Methods）有较详细介绍。3 教学过程中学习者“深度浸入”的重要性各种分子结构模拟技术凭借其高效的信息表征能力，已经成为分子结构教学的基本手段。动态性、可操控性的分子模型不仅有助于学习者深入了解物质微观表征，也有助于形成各种空间-视觉表征能力。合理利用分子模拟技术，应能极大地提升化学课程教学效果。但是从以往的实践来看，许多教育者应用分子模拟技术进行教学时过于简单化，这主要体现为教师在呈现分子模型时通常只让学
11、生成为被动的观察者。学生在课堂上直接观察教师演示，无疑会对分子微观结构留下一定印象。可以肯定的是，学生心理上的变化是教师教学行为刺激的初步反映，但是这种心理体验仍是肤浅的、表面的。如果教师长期让学生观看不同类型的分子模型，这未必就能让学生真正加深对微观粒子的认识。这是因为，学生对各种分子模型已经丧失了新颖性感觉，而是抱着一种淡漠的观察态度。他们没有耐心认真细看，并且思考每幅图像是否具有其独特之处；图像观察的次数越多，所形成的“图像疲倦”感觉越是严重。因此，学生漫不经心的观察并不足以形成对化学结构本质的把握。解决这问题最适宜的方法，只有教师引导学生对图像“深度浸入”。从部分教师的教学设计可知，他
12、们已经进行初步实践探索。尽管图像具有直观明显的特点，但是当观察者缺乏必要的知识储备，将很难理解图像中的蕴含信息。学习者也未必能自发地、一如既往地对每幅图像都给以充分的关注，因而教师的作用，就在于让学生从被动的观察者转变为主动的建构者，并且解读出具有个人意义的图像信息。所谓的“深度浸入”是指学习者联结以往认知经验，通过更多地参与对图像解读而达到深入理解图像的各种特征。教师采取的引导方法可以包括：（1）通过学生解决与分子模型图像特征相关的问题来实现；（2）通过学生口头或者文字陈述对分子模型图像的理解来实现；（3）通过学生尝试绘制自身理解中的分子模型图像来实现；（4）通过学生操控分子结构模拟软件中的
13、分子模型来实现；（5）通过学生利用化学专业模拟软件绘制分子结构模型来实现。以上五种策略都是为了超越教师简单呈现图像的事实而提出的，其目的是促进学生进一步与分子结构图像进行对话。在对话期间，师生间的图像解读是基于解读者的先拥知识和认知经验的，这往往带有明显的个性化色彩。对于学生而言，只要陈述言之有理，不违背科学性原理，都是值得师生接纳、尊重的。根据新的课程资源观，学生解读内容的差异本身就是一份富含价值的教学资源，而且许多内容也许是教师未曾意识到的。这将有助于师生共同提高对教学内容的认识，和教师更好地理解学生的思维方式以便改善教学设计。综上所述，Viewer Control 能够很好地实现分子结构
14、模拟；但是作为一种动态图像呈现，教师应该尽量避免信息的简单化处理，而是引导学生“深度浸入”，教导学生各种观察理解的角度和科学的思维方式。这也是分子结构模拟插（控）件应用教学的适宜策略。参考文献：1肖信,袁中直.三维分子结构的制作、显示和格式转换J.计算机与应用化学,2005,22(8):691-695.2袁中直,肖信.化学多媒体素材制作和应用M.北京:化学工业出版社,2004.3陈明旦,刘建文,焦毓才等.Web 上的三维分子结构模拟J.厦门大学学报(自然科学版),2003,42(2):175-178.4 麦裕华,肖信.网络环境下的化学信息显示利器Chime 插件及其应用J.化学教学,2006,(9):45-47.5Liz Dorland.News from Online:Whats New with Chime?J.Journal ofChemical Education,2002,79:778,780,782.6徐成宇.用 VB 整合 Accelrys 分子模拟软件和控件设计中学化学 CAI 课件J.中小学教学研究,2005,(11):61-62.7夏保云,王训启,潘忠孝.WebLab Viewer 用于显示分子三维空间结构的教学尝试J.化学教育,2000,21(5):16-17.
