淺談VR技術(shù)在化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)教學(xué)中的應(yīng)用

盧雨辰

[摘 要] VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）技術(shù)目前已經(jīng)成為廣受關(guān)注的一種新興教學(xué)技術(shù)，對教學(xué)效果的提升發(fā)揮著重要的促進作用。化學(xué)教學(xué)中物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的知識內(nèi)容抽象而深奧，所以，在當(dāng)前相關(guān)知識的教學(xué)中對VR技術(shù)進行充分挖掘和利用，可以優(yōu)化課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍課堂教學(xué)氛圍，顯著提升教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān) 鍵 詞] 化學(xué)教育；物質(zhì)結(jié)構(gòu)；VR；信息技術(shù)

[中圖分類號] G633.8 [文獻標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2019）02-0102-02

化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及其應(yīng)用的一門基礎(chǔ)學(xué)科[1]。物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊是從原子、分子和離子的水平上進一步研究物質(zhì)構(gòu)成的規(guī)律和性質(zhì)，在本輪課程改革中，物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊被確定為選擇性必修，成為選考化學(xué)科目的必修模塊，在學(xué)科教學(xué)中的地位變得更加重要，能為今后有意向從事基礎(chǔ)科學(xué)研究和化學(xué)化工行業(yè)工作的學(xué)生奠定基礎(chǔ)和提供幫助。傳統(tǒng)的“粉筆+黑板”式的教學(xué)形式很難直觀地講解微粒之間的作用力和性質(zhì)，讓學(xué)生覺得枯燥乏味和難以理解，在化學(xué)教學(xué)中利用手機VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）應(yīng)用，有望為這一問題提供解決途徑，吸引學(xué)生并激發(fā)學(xué)生進一步的學(xué)習(xí)欲望。

一、物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的教學(xué)難點

隨著新一輪課程改革的深入，更多的省市啟動新高考改革，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對課程內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)均做出了大幅調(diào)整，物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊在課程教學(xué)中的定位也發(fā)生了改變，從學(xué)生完成相應(yīng)的必修課程后，作為化學(xué)選修課程的一種選擇變成了選考化學(xué)學(xué)科的選擇性必修課程，突出了其在化學(xué)學(xué)科中的地位。但是，由于該模塊一直作為選修模塊，于教師而言，相對教學(xué)經(jīng)驗少，對教材和教學(xué)尺度難以把握；于學(xué)生而言，知識點較為抽象和復(fù)雜，理解起來相對困難，對知識的應(yīng)用較少。物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊在教學(xué)存在著許多難點：一是概念抽象、理論復(fù)雜。教材語言相對生硬和枯燥，用化學(xué)符號表示各種粒子及其形態(tài)，如電子云理論、核外電子排布規(guī)律，對理解能力較差的學(xué)生來講較難掌握這些基礎(chǔ)理論。二是知識缺乏直觀的展示途徑。原子結(jié)構(gòu)的各種原理缺少視頻、實驗等直觀展示，無法通過實驗手段去解釋說明，加上學(xué)生的知識水平與理解能力的不足，同時缺少空間想象能力與抽象能力，較難在微觀層面理解微觀世界的各類變化。三是難以有效地開展自主學(xué)習(xí)和自主探索。由于缺乏適合教材教學(xué)的教具，學(xué)生在自主學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)的過程中，無法有效地將復(fù)雜的理論和具體例子相互聯(lián)系，基礎(chǔ)較差的學(xué)生常常無法跟上教材進度。四是學(xué)生不知道在何種情況下應(yīng)用這些理論。該模塊知識點跨度大，在化學(xué)各領(lǐng)域都有所應(yīng)用，如合理聯(lián)系有機化學(xué)模塊，應(yīng)用雜化軌道理論解釋有機化合物的鍵角及共平面問題。

二、VR技術(shù)及其特點

VR技術(shù)是通過與計算機的交互實現(xiàn)在模擬環(huán)境中讓用戶感覺仿佛身歷其境，提供多種感官的模擬，包括聽覺、視覺、觸覺以及其他類型的感官反饋，具有沉浸性、交互性、想象性的特點[2]。VR技術(shù)帶來的具有沉浸性的特點環(huán)境可以與現(xiàn)實世界類似，也可以是虛擬的，但都能提供現(xiàn)實中無法實現(xiàn)的體驗。利用傳感器VR技術(shù)可以追蹤使用者的全身動作，并對動作進行識別，進而通過智能手機或平板設(shè)備進行反饋，生成逼真的圖像和聲音，在虛擬環(huán)境中模擬各種實體，實現(xiàn)人能夠“環(huán)顧”人造世界，在其中進行交互。在與VR的深度交互中，可以充分發(fā)揮自己想象，用聯(lián)想、邏輯推斷等思維對虛擬環(huán)境進行想象與創(chuàng)造，創(chuàng)建的虛擬環(huán)境既可能是真實現(xiàn)象的重現(xiàn)，也可以是想象的結(jié)果，具有無限的拓展。

現(xiàn)階段VR技術(shù)已經(jīng)開始被應(yīng)用于多個領(lǐng)域中，如教育、科技研究、虛擬實訓(xùn)、虛擬仿真，展現(xiàn)出了良好的發(fā)展前景。

三、VR技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中的具體應(yīng)用

科學(xué)合理地在教學(xué)中使用VR技術(shù)，可以為解決物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的教學(xué)難點提供一種解決途徑。所有分子都是3D物體，因此非常適合VR，通過使用簡單的Google Cardboard或者功能更為強大的HTC VIVE、PS VR、Occulus Rift等VR設(shè)備，教師既可以利用信息化設(shè)備開展教學(xué)，也可以讓學(xué)生自行探索。

（一）VR技術(shù)在電子云和原子軌道教學(xué)中的應(yīng)用

對原子結(jié)構(gòu)的合理認(rèn)識是理解元素周期律和元素周期性的重要理論基礎(chǔ)，關(guān)于原子軌道理論，不同學(xué)者提出不同的模型，玻爾提出了原子的“行星模型”，認(rèn)為核外電子如同行星一樣圍繞著電子核運動，該模型對于學(xué)生而言簡單、直觀、易懂但存在局限性。隨著量子力學(xué)的發(fā)展，眾多事實否定了這一假說，微觀粒子的運動狀態(tài)描述與宏觀物體具有巨大差異，電子在原子核外的運動不確定，只能用出現(xiàn)的幾率去描述，這對高中階段的學(xué)生而言一時難以消化吸收，學(xué)習(xí)效果不理想，然而，VR技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一教學(xué)難題提供了較為完美的教學(xué)方法。

以MEL Chemistry VR軟件為例，其提供了電子云模型、核外電子排布規(guī)律等課程。例如，教師在講授電子云模型、軌道能級和形狀時可通過MEL Chemistry VR軟件輔助形象生動地完成教學(xué)過程，在電子云模型課程中打開VR，學(xué)生能夠看到電子出現(xiàn)在各個位置的概率統(tǒng)計，模擬虛擬的高速攝像機看到電子每一刻出現(xiàn)的位置，并通過對出現(xiàn)的概率進行累積，形象直觀地展示了電子云模型的由來。在原子軌道的教學(xué)中使用VR，學(xué)生能夠從多個視覺角度去詳細(xì)觀察電子軌道的形狀，比較1s、2s和2p的相似和差異，它允許使用者以“動態(tài)”的視角觀察原子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運動，更為全面的顯示電子的動態(tài)運動行為，顯示電子的不確定性，進而理解電子云模型，使學(xué)生看到并理解原子的外觀。學(xué)生利用VR軟件學(xué)習(xí)電子云和原子軌道后，從微觀和宏觀角度認(rèn)識物質(zhì)的組成。

（二）VR技術(shù)在微粒間相互作用教學(xué)中的應(yīng)用

宏觀的物質(zhì)是由微觀的粒子組成的，包括原子、粒子、分子等微粒，這些微觀粒子之間存在復(fù)雜的相互作用，作用力或大或小、或遠(yuǎn)或近，其作用的原理差異較大。今天化學(xué)的教學(xué)方式通常是“粉筆+黑板”，部分教具充足的學(xué)校才有可能使用原子或分子的球棍模型、原子的堆積模型開展教學(xué)，于實際而言，教具仍是相當(dāng)有限的，并且在使用的過程中可能很繁瑣。此外，教具模型雖然被一直用于描繪分子的直觀教具輔助教學(xué)，展示分子之間的相互作用，需要指出的是，這些模型不能較為完美地顯示分子之間動態(tài)運動過程，更無法顯示分子的運動或靈活性，這使學(xué)生不得不想象它們的相互作用。所有分子都是具有三維立體結(jié)構(gòu)的微粒，從其本身具有的內(nèi)在屬性來說，非常適合用VR開展教學(xué)。

以VR應(yīng)用Nano Simbox iMD為例，其專門為分子之間的相互作用設(shè)計了多個課程，包括C60富勒烯分子之間的相互作用、甲烷分子在碳納米管的運動、分子內(nèi)螺烯的扭曲構(gòu)象和蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)模型。使用HTC Vive VR等商業(yè)化的VR設(shè)備，多位用戶可以在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中共同開展互動學(xué)習(xí)，它能讓學(xué)生以原子級精度可視化和操作“動態(tài)”復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運動。以C60富勒烯分子之間的相互作用課程為例，兩位學(xué)生可以分別操作一個C60富勒烯分子，共同操作實現(xiàn)兩個球形分子在不規(guī)則運動過程中的碰撞等行為（如下圖），在微觀層面理解范德華力。在碳納米管與甲烷分子的相互作用課程中，能讓甲烷分子巧妙的通過碳納米管的管道空腔，讓學(xué)生能夠“感受”模擬原子和分子所經(jīng)歷的動態(tài)過程。在分子內(nèi)螺烯的扭曲構(gòu)象課程中，操縱有機螺旋分子以改變其旋轉(zhuǎn)。在蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)課程中，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的氫鍵等分子內(nèi)相互作用，進而理解蛋白質(zhì)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。

類似的VR化學(xué)教育軟件還有EduChem VR等，都能為電子云模型、分子的空間結(jié)構(gòu)、晶體的聚集狀態(tài)提供教學(xué)幫助，這些VR軟件不僅能增強學(xué)生對化學(xué)學(xué)科的熱愛，還能提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。展望未來，VR技術(shù)將為化學(xué)教育提供多種可能性，在交互式的模擬環(huán)境中完成復(fù)雜分子的構(gòu)建，并通過分子模擬的計算的輔助實時優(yōu)化分子構(gòu)型構(gòu)象。VR在化學(xué)領(lǐng)域能夠便于對抽象的原子、分子的理解，更廣泛地說，能夠推動化學(xué)學(xué)科的在微納米設(shè)計、藥物開發(fā)、催化劑設(shè)計和合成生物學(xué)的發(fā)展，跨越教育和研究的界限。

四、VR技術(shù)對化學(xué)教學(xué)的啟示

化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)教學(xué)，具有十分重要的承上啟下的地位，為高等院校階段的化學(xué)學(xué)習(xí)與研究奠定基礎(chǔ)。因此，科學(xué)合理的教學(xué)策略和教學(xué)方法，重視新的技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，利用直觀VR技術(shù)對提升物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)教學(xué)效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率具有重要意義。筆者認(rèn)為，教師在日?；瘜W(xué)教學(xué)中應(yīng)注意以下幾個方面。

（一）聚焦教材，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識化學(xué)學(xué)科本質(zhì)

課程標(biāo)準(zhǔn)是教學(xué)的課程的核心，而教科書是課程標(biāo)準(zhǔn)的具體體現(xiàn)，是教師教學(xué)最核心的依據(jù)，新課標(biāo)突出了物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊的定位，強化了物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系，要通過該模塊的教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識與微觀辨析的素養(yǎng)，更要在學(xué)習(xí)理論的過程中培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知的能力。

（二）依靠技術(shù)，促使學(xué)生全面認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)理論

作為教學(xué)活動的主體，教師應(yīng)該提高自己對新興技術(shù)的應(yīng)用能力，注重技術(shù)在教學(xué)中的合理應(yīng)用，解決教學(xué)中難點。使用VR技術(shù)能使抽象枯燥的知識形象化、具體化，將難懂的知識變得通俗易懂。不應(yīng)讓復(fù)雜的理論變?yōu)閷W(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，而是要讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的美感，愿意主動去學(xué)協(xié)和探究，實現(xiàn)喜歡學(xué)、主動學(xué)、自主學(xué)。

總之，VR技術(shù)能把肉眼無法看到的現(xiàn)象形象化、視覺化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。尤其是在化學(xué)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)教學(xué)中將VR技術(shù)與教學(xué)的融合并非只是簡單的技術(shù)運用，更是將一種全新的教育理念融入化學(xué)教學(xué)中。未來，VR技術(shù)的應(yīng)用勢必將會越來越廣泛，教師要不斷摸索，要學(xué)會把握教學(xué)尺度和站在學(xué)生角度在教學(xué)中合理運用VR技術(shù)，促進化學(xué)課程改革的不斷深入和發(fā)展。

參考文獻：

[1]教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[S].2017年版.北京：人民教育出版社，2018.

[2]劉德建，劉曉琳，張琰，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)教育應(yīng)用的潛力、進展與挑戰(zhàn)[J].開放教育研究，2016，22（4）：25-31.

[3]李嘉.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在化學(xué)分子結(jié)構(gòu)教學(xué)上的應(yīng)用簡介[J].化學(xué)教育（中英文），2018，39（3）：49-54.

[4]Oconnor M，Deeks H M，Dawn E，et al. Sampling molecular conformations and dynamics in a multiuser virtual reality framework[J]. Science Advances，2018，4（6）： 2731.

編輯 陳鮮艷