多媒体技术在《结构化学》课程中的应用

Nankai UniversityNankai UniversityNankai UniversityNankai University

多媒体技术在《结构化学》课程多媒体技术在《结构化学》课程中的应用中的应用孙宏伟孙宏伟

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南开大学化学学院南开大学化学学院


• Part 1Part 1 《结构化学》多媒体的使用《结构化学》多媒体的使用• Part 2Part 2 《结构化学》多媒体的制作《结构化学》多媒体的制作• Part 3Part 3 《结构化学》多媒体素材制作《结构化学》多媒体素材制作


Part 1Part 1 《结构化学》课程中《结构化学》课程中多媒体的使用多媒体的使用


§1§1 《结构化学》讲授难点《结构化学》讲授难点• 基本概念多，涉及课程基础多基本概念多，涉及课程基础多• 电子结构部分有大量相对比较抽象的理论电子结构部分有大量相对比较抽象的理论

概念和问题，同学们不易理解概念和问题，同学们不易理解• 空间结构部分要在有限的课时中使同学们空间结构部分要在有限的课时中使同学们

熟悉大量分子和晶体的三维结构，不易建熟悉大量分子和晶体的三维结构，不易建立空间概念，不易掌握立空间概念，不易掌握

• 课时与内容的矛盾课时与内容的矛盾


§2§2 《结构》课堂使用多媒体优点《结构》课堂使用多媒体优点• 图示和背景知识→抽象概念的理解图示和背景知识→抽象概念的理解• 标准函数图和标准函数图和 3D3D 插件→波函数性质插件→波函数性质• 动画、交互插件→分子、晶体结构动画、交互插件→分子、晶体结构• 减少板书，增加讲解时间→课时少减少板书，增加讲解时间→课时少


§3 §3 南开多媒体使用的历程南开多媒体使用的历程20012001 年前，全部板书，空间部分带模型年前，全部板书，空间部分带模型


20022002 年，开始使用多媒体教学年，开始使用多媒体教学• 氢原子波函数电子云图（图片，氢原子波函数电子云图（图片， Origin, SurferOrigin, Surfer ））• 分子对称性分子对称性 (Symapps)(Symapps)

• 晶体结构晶体结构 (WebLabViewer)(WebLabViewer)


20032003 年，部分使用多媒体教学年，部分使用多媒体教学Orbital Viewer

SymappsSymapps WebLabViewerWebLabViewer


20042004 年多媒体年多媒体 2/3 2/3

PovRay


20052005 年多媒体年多媒体 90% 90%

PovRayCorelDraw


20062006 年全部采用多媒体，规范格式增加动画年全部采用多媒体，规范格式增加动画


20072007 年年 ~~ 现在逐年修改，更改为现在逐年修改，更改为 99 章章

VRML


§4 §4 演示空间结构的两个利器演示空间结构的两个利器• Symapps 6.0Symapps 6.0

• Discovery Studio ViewerLite 5.0Discovery Studio ViewerLite 5.0


Symapps 6.0Symapps 6.0

• 集成在集成在 ChemWindows 6.0ChemWindows 6.0 中中安装文件：安装文件： 17M17M

• 显示分子显示分子 3D3D 结构结构 (( 效果并不好效果并不好 ))

• 内置内置 MM2MM2 力场，可将力场，可将 2D2D 结构转为结构转为 3D3D 模型模型• 计算分子点群，显示对称元素计算分子点群，显示对称元素• 支持链接文件类型直接打开支持链接文件类型直接打开



支持输入文件格式支持输入文件格式• .hin HyperChem.hin HyperChem

• .ent .pdb PDB .ent .pdb PDB

• .mol MDL.mol MDL

• .mop .mpc Mopac.mop .mpc Mopac

• .sma Symapps.sma Symapps

支持输出文件格式支持输出文件格式• .xyz.xyz

• .pdb.pdb

• .sma.sma



简单应用示例简单应用示例• 在在 ChemWindows ChemWindows 绘制环己烷绘制环己烷• 选择工具选择环己烷选择工具选择环己烷• OtherOther 菜单选择菜单选择 SymappsSymapps



• 单击计算单击计算 3D3D 结构按钮结构按钮得到优化后的环己烷得到优化后的环己烷

• 选择球棍模型按钮选择球棍模型按钮显示球棍模型显示球棍模型

• 单击计算点群按钮单击计算点群按钮出现参数对话框，选出现参数对话框，选 OKOK ，，给出计算点群结果给出计算点群结果

• 双击点群，显示对称元素双击点群，显示对称元素



• 鼠标在鼠标在 3D3D 工具栏拖动，工具栏拖动，可将分子进行旋转、平移、可将分子进行旋转、平移、放大或缩小放大或缩小

• 选择对称元素按钮，可选选择对称元素按钮，可选择性地选择显示某种对称择性地选择显示某种对称元素元素

• 保存为保存为 .sma.sma 格式格式



• Symapps 6.0Symapps 6.0 提供了提供了 4444 个个 SampleSample 文件涉及文件涉及以下点群：以下点群：CC22 CC22hh CC22vv CC33v v CC44vv CCii CCss

DD22dd DD22hh DD33 DD33d d DD33hh DD44hh DD55hh DD55d d DD66hh

SS44 TTdd OOhh IIhh

C:\Program Files (x86)\Bio-Rad Laboratories\C:\Program Files (x86)\Bio-Rad Laboratories\SymApps\SamplesSymApps\Samples


CoN

N

N

N

N

N

扭曲烷扭曲烷 (twistane) (twistane) 三乙二胺合钴离子

SymappsSymapps 课件应用实例课件应用实例使用超链接打开 Symapps 可观察 Dn 群中 C2 轴位置


SymappsSymapps 课件应用实例课件应用实例TTdd 群群正四面体构型的分子正四面体构型的分子全部对称元素：全部对称元素： 44CC33, 3, 3SS44, 6, 6


SymappsSymapps 新版本新版本 KnowItAllKnowItAll

优点：优点：• 显示改进显示改进• 输出视频动画输出视频动画 (( 对称对称

操作操作 ))

缺点：缺点：• 无法使用链接无法使用链接 KnowItAll 8.3 KnowItAll 8.3 安装文件：安装文件： 93M93M

Academic Edition FREE Academic Edition FREE 注册激活注册激活 http://www.knowitall.com/academic/default.asphttp://www.knowitall.com/academic/default.asp


ViewerLite 5.0ViewerLite 5.0

• 安装文件小安装文件小 5.7M5.7M

• 高水准分子显示功能高水准分子显示功能• 对晶体、蛋白质核酸有特殊显示功能对晶体、蛋白质核酸有特殊显示功能• 支持输入文件格式多支持输入文件格式多• 可直接输出较高水平的图片可直接输出较高水平的图片• 支持输出专业支持输出专业 3D3D 渲染软件渲染软件 POVRAYPOVRAY

• 支持链接文件类型直接打开支持链接文件类型直接打开



支持输入文件格式支持输入文件格式• .msv (Viewer binary file format .msv (Viewer binary file format • .pdb .ent (Brookhaven Protein .pdb .ent (Brookhaven Protein

Data Bank)Data Bank)• .mol .sdf .sd .mdl (Molecular .mol .sdf .sd .mdl (Molecular

Design, Ltd. [MDL])Design, Ltd. [MDL])• .car (Accelrys, Insight II).car (Accelrys, Insight II)• .csd .fdat .dat (Cambridge .csd .fdat .dat (Cambridge

Structural Database Structural Database Crystallographic files)Crystallographic files)

• .mol2 (Tripos).mol2 (Tripos)• ,msf (Accelrys, QUANTA),msf (Accelrys, QUANTA)

• .msi (Accelrys, Cerius2).msi (Accelrys, Cerius2)• .cpd (Accelrys, Catalyst).cpd (Accelrys, Catalyst)• .chm (Accelrys, Catalyst .chm (Accelrys, Catalyst

Query)Query)• .cif (Crystallographic .cif (Crystallographic

Information File)Information File)• .xyz (generic) .xyz (generic) • .skc (MDL, ISIS).skc (MDL, ISIS)• .grd (Accelrys, Insight II Grid .grd (Accelrys, Insight II Grid

File)File)• .wvc (Viewer Command File).wvc (Viewer Command File)







简单应用示例简单应用示例 1 1 分子结构显示分子结构显示• 打开打开 SymAppsSymApps 构建的环己烷构建的环己烷• 另存为另存为 XYZXYZ 格式：格式： cyclohexane.xyzcyclohexane.xyz

• ViewerliteViewerlite 打开打开 cyclohexane.xyzcyclohexane.xyz

• 单击显示样式按钮单击显示样式按钮可选择分子模型的样式可选择分子模型的样式

• 左工具栏调整模型角度、大小和位置左工具栏调整模型角度、大小和位置选按选按 ShiftShift 键可绕垂直屏幕的轴旋转键可绕垂直屏幕的轴旋转



• View—OptionView—Option 可调整整个显可调整整个显示的参数，如可将显示质量示的参数，如可将显示质量设为设为 UltrahighUltrahigh ，调整光源，调整光源位置等等位置等等

• 保存文件为保存文件为 msvmsv 格式，各种格式，各种显示参数，包括观察角度均显示参数，包括观察角度均保留。保留。

• 也可保存图片，可设图片大也可保存图片，可设图片大小，得到质量较好的图片小，得到质量较好的图片(( 建议建议 bmpbmp 格式格式 ))



View—OptionView—Option

• 可调整背景颜色可调整背景颜色• 可设置可设置 depth cue depth cue 用雾状效果分清原子前后位置用雾状效果分清原子前后位置• 可设置透视效果可设置透视效果ToolsTools

• Hydrogen Hydrogen 可隐藏可隐藏 // 显示增加显示增加 // 移除移除 HH 原子原子• Monitor Monitor 可标记原子间距离、键角、二面角，氢键等可标记原子间距离、键角、二面角，氢键等• SurfaceSurface 可绘制分子表面可绘制分子表面



简单应用示例简单应用示例 2 2 晶体结构显示晶体结构显示立方立方 ZnSZnS注：注： pdbpdb 格式的晶体数据文件可从网上获得，也可自己编辑格式的晶体数据文件可从网上获得，也可自己编辑• 打开打开 ZnS(c).pdbZnS(c).pdb

• 打开打开 Display StyleDisplay Style

AtomAtom 选择选择 Ball and StickBall and Stick ，，CellCell 选择选择 line (line ( 红色红色 ))

• 调整角度，设置效果光源等调整角度，设置效果光源等• 保存为保存为 .msv.msv 格式格式



简单应用示例简单应用示例 3 3 晶体结构显示晶体结构显示 TiOTiO22

• 打开打开 TiOTiO22.pdb.pdb

• Display Style—AtomDisplay Style—Atom 选择选择 Scaled Ball and StickScaled Ball and Stick• 存在存在 22 个问题：个问题：其一，顶点其一，顶点 Ti-TiTi-Ti 间显示有键，可选择该键，按间显示有键，可选择该键，按 DelDel 删除删除其二，离子半径显示不合理其二，离子半径显示不合理 TiTi4+4+(0.603Å)(0.603Å) ，， OO2-2-(1.38Å)(1.38Å)Edit—SelectEdit—Select ，元素选择，元素选择 OO ，显示样式调整球比例为，显示样式调整球比例为 0.50.5同样选择同样选择 TiTi ，调整球比例为，调整球比例为 0.250.25 ，两离子比例相当，两离子比例相当

• 保存为保存为 .msv.msv 格式格式



应用示例应用示例 4 4 多晶胞显示等多晶胞显示等 TiOTiO22

• Tools—Crystal Cell—PreferenceTools—Crystal Cell—Preference

选择选择 a b ca b c 两方向均为两方向均为 22 个单位，得到个单位，得到 88 晶胞晶胞• 选择选择 OO ，设，设 CPKCPK 模式，显示模式，显示 OO堆积堆积• 重新改为单晶胞重新改为单晶胞• 设显示模式设显示模式 PolydronPolydron

可显示可显示 TiTi 的配位多面体，显示的配位多面体，显示八面体空隙位置八面体空隙位置


ViewerLite 5.0ViewerLite 5.0 课件应用实例课件应用实例

晶胞体对角线方向，依次显示各层密置层晶胞体对角线方向，依次显示各层密置层 (Del(Del删除选择的一删除选择的一层，层， ^z^z恢复撤消操作恢复撤消操作 ))

如何从如何从 ABCABCABCABC 堆积取出立方面心堆积取出立方面心


ViewerLite 5.0ViewerLite 5.0 课件应用实例课件应用实例如何演示如何演示 CaFCaF22阴离子堆积阴离子堆积

8 晶胞选择 Ca 原子

不显示 Ca 原子


§5 VRML§5 VRML 应用应用Virtual Reality Modeling Language Virtual Reality Modeling Language

描述三维造型与交互环境的简单的文本语言描述三维造型与交互环境的简单的文本语言优点：优点：• 体积小，简单的仅几体积小，简单的仅几 KK ，网络传输迅速，网络传输迅速• 支持交互、可从多角度观察支持交互、可从多角度观察• 可以制作动画可以制作动画• 可方便找到可方便找到 FreeFree 制作软件制作软件• 插件插件 Cortona3D Cortona3D

http://www.parallelgraphics.com/products/cortona/http://www.parallelgraphics.com/products/cortona/


VRMLVRML 课堂应用实例课堂应用实例• 3D3D 函数图显示函数图显示


4dz2 4dx2-y2

4dxy 4dxz 4dyz


　　成键轨道上，电子在两核间出现几率多　　成键轨道上，电子在两核间出现几率多 (( 比单独两比单独两个氢原子时个氢原子时 )) ，电子与两核吸引增加，电子吸引着两核。，电子与两核吸引增加，电子吸引着两核。电子屏蔽了两核之间的排斥力，使排斥位能减小，这就电子屏蔽了两核之间的排斥力，使排斥位能减小，这就是原子间存在较强的相互作用的原因。是原子间存在较强的相互作用的原因。

12(A

2+B2)/2


1

2 3

4 5

6


DD33hh 群分子多呈平面正三角形、正三棱柱或三角双锥结构群分子多呈平面正三角形、正三棱柱或三角双锥结构

N

N

三乙烯二胺三乙烯二胺冰烷冰烷 (iceane)(iceane)

• 分子结构显示分子结构显示


• 晶体外型实例晶体外型实例OOhh mm

234

立方晶系立方晶系

例：例： CaFCaF22(( 萤石萤石 ))


正四面体空隙：正四面体空隙：

正八面体空隙正八面体空隙 ::

44 个个

22 个个 43,

32,

31;

41,

32,

31

87,

31,

32;

81,

31,

32;

85,0,0;

83,0,0

• 动画实例动画实例


§6 §6 制作、使用多媒体课件的体会制作、使用多媒体课件的体会一、页面设计一、页面设计• 同级标题字号、字体大小一致同级标题字号、字体大小一致• 每页标题位置固定每页标题位置固定• 多个平行图形大小一致，位置对齐多个平行图形大小一致，位置对齐• 模板选择适合上课场合模板选择适合上课场合• 页面布局合理，各种符号、公式规范页面布局合理，各种符号、公式规范


N 宋体楷体黑体仿宋B 宋体楷体黑体仿宋B/SB/S 宋体宋体楷体楷体黑体黑体仿宋仿宋18 磅字体 24 磅字体 28 磅字体 32 磅字体 36 磅字体 40 磅字体44 磅字体 48 磅字体

建议选用楷建议选用楷体黑体体黑体 ,, 字字号在号在 24-4024-40磅间磅间

二、字体二、字体 //字号字号


建议对比明显，课堂尽可能选用浅色背景，深色字

各种颜色背景各种颜色背景各种颜色背景各种颜色背景各种颜色背景

各种颜色背景各种颜色背景各种颜色背景各种颜色背景各种颜色背景

各种颜色背景各种颜色背景

各种颜色背景各种颜色背景各种颜色背景各种颜色背景各种颜色背景各种颜色背景

三、背景三、背景 //颜色搭配颜色搭配


德布罗意在 1923 年 9-10 月一连写了 3 篇短文，并于 1924 年向巴黎大学理学院提交了题为《量子理论的研究》的博士论文。在这些论文中，他提出了所有的物质粒子都具有波粒二象性这个具有深远意义的假设。1929 年获得 Nobel 物理奖

模型→现有理论无法解释→假设→新理论的诞生德布罗意 (Prince Victor de Broglie) 出生在法国一个显赫的贵族家庭，中学毕业后进入巴黎大学攻读历史。18 岁大学毕业 (1910) ，在哥哥影响下对物理发生兴趣。一战后师从朗之万 (Paul Langevin) ，其博士论文中想象之大胆，使朗之万也认为想象过分，“这个博士生的想法近似荒诞，但是其中物理思想展现的很是完美动人。” 论文副本寄给爱因斯坦，爱因斯坦看出德布罗意的理论揭示了光子和物质粒子之间的对称性，立即意识到该思想的深远意义，他热情地复信给朗之万，称赞德布罗意“已揭开了巨大帷幕的一角”。 1929年凭此论文获得诺贝尔奖。

实物粒子的波粒二象性


德布罗意在德布罗意在 19231923 年年 9-109-10 月一连写了月一连写了 33 篇短篇短文，并于文，并于 19241924 年向巴黎大学理学院提交了题为年向巴黎大学理学院提交了题为《量子理论的研究》的博士论文。在这些论文中，《量子理论的研究》的博士论文。在这些论文中，他提出了所有的物质粒子都具有波粒二象性这个具他提出了所有的物质粒子都具有波粒二象性这个具有深远意义的假设。有深远意义的假设。19291929 年获得年获得 NobelNobel 物理奖物理奖

模型→现有理论无法解释→假设→新理论的诞生模型→现有理论无法解释→假设→新理论的诞生

实物粒子的波粒二象性实物粒子的波粒二象性

德布罗意 (Prince Victor de Broglie) 出生在法国一个显赫的贵族家庭，中学毕业后进入巴黎大学攻读历史。18 岁大学毕业 (1910) ，在哥哥影响下对物理发生兴趣。一战后师从朗之万 (Paul Langevin) ，其博士论文中想象之大胆，使朗之万也认为想象过分，“这个博士生的想法近似荒诞，但是其中物理思想展现的很是完美动人。” 论文副本寄给爱因斯坦，爱因斯坦看出德布罗意的理论揭示了光子和物质粒子之间的对称性，立即意识到该思想的深远意义，他热情地复信给朗之万，称赞德布罗意“已揭开了巨大帷幕的一角”。 1929年凭此论文获得诺贝尔奖。


四、动作按钮四、动作按钮

使用动作按钮可以快速在幻灯片间切换


建议只应用必要动画，并尽可能避免设置慢速。幻灯片切换不建议使用动画，文字逐行 / 逐字出现慎用

+

+-

-

O

a

b

五、动画应用五、动画应用 //幻灯片切换幻灯片切换


CaFCaF22 型型 • 所属晶系：所属晶系： • 等同离子套数：等同离子套数： • 空间点阵型式：空间点阵型式：• 结构基元内容：结构基元内容：

立方立方

3(23(2 套套 FF--, 1, 1 套套 CaCa++++))

立方立方 FF

22 个个 FF--, 1, 1 个个 CaCa++++


CaFCaF22 型型一个晶胞中的一个晶胞中的结构基元数：结构基元数：离子数和分数坐标：离子数和分数坐标：

44 个个 CaCa++++: :

88 个个 FF--: :

44

21,

21,0;

21,0,

21;0,

21,

21;0,0,0

41,

41,

43;

41,

43,

41;

43,

41,

41;

43,

43,

43

43,

43,

41;

43,

41,

43;

41,

43,

43;

41,

41,

41


CaFCaF22 型型

负离子堆积方式：负离子堆积方式：正负离子配位数比：正负离子配位数比：

立方简单立方简单8:48:4


正离子所占空隙正离子所占空隙类类

型型

分分数数

空隙位置空隙位置、数目及、数目及占有位置占有位置

立方体立方体4/8=1/24/8=1/2

共共 88 个个中心中心 11 个个 (( 空空 ))顶点顶点 11 个个 (8(81/8)1/8)(( 占占 ))棱心棱心 33 个个 (12(121/4) 1/4) (( 空空 ))面心面心 33 个个 (6(61/2) 1/2) (( 占占 ))


判断过程：判断过程：1.1.有无高次轴：有无高次轴：2.2.有无多个高次轴有无多个高次轴 ::3.3.有无有无 CC22CC33 ：：4.4.有无有无 h h ::5.5.有无有无 d d ::

CC33

CC22

dd

有有 CC33 无无无无有有 DD33dd

有有属二属二面体群面体群

椅式环己烷椅式环己烷


六、需要注意的问题六、需要注意的问题• 尽可能使用通用字体尽可能使用通用字体• 尽量使用通用尽量使用通用 OfficeOffice版本版本 ((如如 2003)2003)

• 如果使用公式编辑器，机器上必须有如果使用公式编辑器，机器上必须有 Symbol/MT Symbol/MT ExtraExtra 两种字体，否则易出现乱码两种字体，否则易出现乱码

• 不要使用动画声音不要使用动画声音 ((如连接音箱如连接音箱 ))

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多媒体技术在 《 结构化学 》 课程中的应用

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