淺談VR技術在化學物質結構與性質教學中的應用

盧雨辰

[摘 要] VR（Virtual Reality，虛擬現實）技術目前已經成為廣受關注的一種新興教學技術，對教學效果的提升發揮著重要的促進作用。化學教學中物質結構與性質的知識內容抽象而深奧，所以，在當前相關知識的教學中對VR技術進行充分挖掘和利用，可以優化課堂教學，激發學生的學習興趣，活躍課堂教學氛圍，顯著提升教學質量。

[關 鍵 詞] 化學教育；物質結構；VR；信息技術

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

化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科[1]。物質結構與性質模塊是從原子、分子和離子的水平上進一步研究物質構成的規律和性質，在本輪課程改革中，物質結構與性質模塊被確定為選擇性必修，成為選考化學科目的必修模塊，在學科教學中的地位變得更加重要，能為今后有意向從事基礎科學研究和化學化工行業工作的學生奠定基礎和提供幫助。傳統的“粉筆+黑板”式的教學形式很難直觀地講解微粒之間的作用力和性質，讓學生覺得枯燥乏味和難以理解，在化學教學中利用手機VR（Virtual Reality，虛擬現實）應用，有望為這一問題提供解決途徑，吸引學生并激發學生進一步的學習欲望。

一、物質結構與性質的教學難點

隨著新一輪課程改革的深入，更多的省市啟動新高考改革，《普通高中化學課程標準（2017年版）》對課程內容與教學目標均做出了大幅調整，物質結構與性質模塊在課程教學中的定位也發生了改變，從學生完成相應的必修課程后，作為化學選修課程的一種選擇變成了選考化學學科的選擇性必修課程，突出了其在化學學科中的地位。但是，由于該模塊一直作為選修模塊，于教師而言，相對教學經驗少，對教材和教學尺度難以把握；于學生而言，知識點較為抽象和復雜，理解起來相對困難，對知識的應用較少。物質結構與性質模塊在教學存在著許多難點：一是概念抽象、理論復雜。教材語言相對生硬和枯燥，用化學符號表示各種粒子及其形態，如電子云理論、核外電子排布規律，對理解能力較差的學生來講較難掌握這些基礎理論。二是知識缺乏直觀的展示途徑。原子結構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習和自主探索。由于缺乏適合教材教學的教具，學生在自主學習和復習的過程中，無法有效地將復雜的理論和具體例子相互聯系，基礎較差的學生常常無法跟上教材進度。四是學生不知道在何種情況下應用這些理論。該模塊知識點跨度大，在化學各領域都有所應用，如合理聯系有機化學模塊，應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技術及其特點

VR技術是通過與計算機的交互實現在模擬環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技術帶來的具有沉浸性的特點環境可以與現實世界類似，也可以是虛擬的，但都能提供現實中無法實現的體驗。利用傳感器VR技術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備進行反饋，生成逼真的圖像和聲音，在虛擬環境中模擬各種實體，實現人能夠“環顧”人造世界，在其中進行交互。在與VR的深度交互中，可以充分發揮自己想象，用聯想、邏輯推斷等思維對虛擬環境進行想象與創造，創建的虛擬環境既可能是真實現象的重現，也可以是想象的結果，具有無限的拓展。

現階段VR技術已經開始被應用于多個領域中，如教育、科技研究、虛擬實訓、虛擬仿真，展現出了良好的發展前景。

三、VR技術在化學教學中的具體應用

科學合理地在教學中使用VR技術，可以為解決物質結構與性質的教學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設備，教師既可以利用信息化設備開展教學，也可以讓學生自行探索。

（一）VR技術在電子云和原子軌道教學中的應用

對原子結構的合理認識是理解元素周期律和元素周期性的重要理論基礎，關于原子軌道理論，不同學者提出不同的模型，玻爾提出了原子的“行星模型”，認為核外電子如同行星一樣圍繞著電子核運動，該模型對于學生而言簡單、直觀、易懂但存在局限性。隨著量子力學的發展，眾多事實否定了這一假說，微觀粒子的運動狀態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，只能用出現的幾率去描述，這對高中階段的學生而言一時難以消化吸收，學習效果不理想，然而，VR技術的出現為解決這一教學難題提供了較為完美的教學方法。

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過程，在電子云模型課程中打開VR，學生能夠看到電子出現在各個位置的概率統計，模擬虛擬的高速攝像機看到電子每一刻出現的位置，并通過對出現的概率進行累積，形象直觀地展示了電子云模型的由來。在原子軌道的教學中使用VR，學生能夠從多個視覺角度去詳細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”的視角觀察原子結構的結構和運動，更為全面的顯示電子的動態運動行為，顯示電子的不確定性，進而理解電子云模型，使學生看到并理解原子的外觀。學生利用VR軟件學習電子云和原子軌道后，從微觀和宏觀角度認識物質的組成。

（二）VR技術在微粒間相互作用教學中的應用

宏觀的物質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雜的相互作用，作用力或大或小、或遠或近，其作用的原理差異較大。今天化學的教學方式通常是“粉筆+黑板”，部分教具充足的學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，于實際而言，教具仍是相當有限的，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，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運動過程，更無法顯示分子的運動或靈活性，這使學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構的微粒，從其本身具有的內在屬性來說，非常適合用VR開展教學。

以VR應用Nano Simbox iMD為例，其專門為分子之間的相互作用設計了多個課程，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、分子內螺烯的扭曲構象和蛋白質的空間結構模型。使用HTC Vive VR等商業化的VR設備，多位用戶可以在虛擬現實環境中共同開展互動學習，它能讓學生以原子級精度可視化和操作“動態”復雜分子結構的結構和運動。以C60富勒烯分子之間的相互作用課程為例，兩位學生可以分別操作一個C60富勒烯分子，共同操作實現兩個球形分子在不規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，讓學生能夠“感受”模擬原子和分子所經歷的動態過程。在分子內螺烯的扭曲構象課程中，操縱有機螺旋分子以改變其旋轉。在蛋白質空間結構課程中，發現蛋白質結構中的氫鍵等分子內相互作用，進而理解蛋白質復雜的空間結構。

類似的VR化學教育軟件還有EduChem VR等，都能為電子云模型、分子的空間結構、晶體的聚集狀態提供教學幫助，這些VR軟件不僅能增強學生對化學學科的熱愛，還能提高學生的自主學習能力、提升化學學科核心素養。展望未來，VR技術將為化學教育提供多種可能性，在交互式的模擬環境中完成復雜分子的構建，并通過分子模擬的計算的輔助實時優化分子構型構象。VR在化學領域能夠便于對抽象的原子、分子的理解，更廣泛地說，能夠推動化學學科的在微納米設計、藥物開發、催化劑設計和合成生物學的發展，跨越教育和研究的界限。

四、VR技術對化學教學的啟示

化學物質結構與性質教學，具有十分重要的承上啟下的地位，為高等院校階段的化學學習與研究奠定基礎。因此，科學合理的教學策略和教學方法，重視新的技術在教學中的應用，利用直觀VR技術對提升物質結構與性質教學效果，提高學生的學習效率具有重要意義。筆者認為，教師在日常化學教學中應注意以下幾個方面。

（一）聚焦教材，引導學生認識化學學科本質

課程標準是教學的課程的核心，而教科書是課程標準的具體體現，是教師教學最核心的依據，新課標突出了物質結構與性質模塊的定位，強化了物質結構與性質之間的關系，要通過該模塊的教學培養學生宏觀辨識與微觀辨析的素養，更要在學習理論的過程中培養學生證據推理與模型認知的能力。

（二）依靠技術，促使學生全面認識物質結構相關理論

作為教學活動的主體，教師應該提高自己對新興技術的應用能力，注重技術在教學中的合理應用，解決教學中難點。使用VR技術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。不應讓復雜的理論變為學生的學習負擔，而是要讓學生發現物質結構的美感，愿意主動去學協和探究，實現喜歡學、主動學、自主學。

總之，VR技術能把肉眼無法看到的現象形象化、視覺化，激發學生的學習興趣。尤其是在化學的物質結構與性質教學中將VR技術與教學的融合并非只是簡單的技術運用，更是將一種全新的教育理念融入化學教學中。未來，VR技術的應用勢必將會越來越廣泛，教師要不斷摸索，要學會把握教學尺度和站在學生角度在教學中合理運用VR技術，促進化學課程改革的不斷深入和發展。

參考文獻：

[1]教育部.普通高中化學課程標準[S].2017年版.北京：人民教育出版社，2018.

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

[3]李嘉.虛擬現實技術在化學分子結構教學上的應用簡介[J].化學教育（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