“AI 教師小晶”
——晶體智能演示儀

◆河北省沙河市第二中學 孟小強 李春筍

語音識別與合成技術逐漸成為人機交互的關鍵技術，是人工智能時代的重要技術之一。高中化學人教版選修3 第三章《晶體結構與性質》，通過介紹微觀、抽象、深奧的分子、原子、金屬和離子晶體等相關知識，揭示物質微觀結構的奧秘，使學生了解、體會豐富多彩的物質世界。

在教學過程中，教師普遍認為該章節內容抽象，大部分學生表示晶體與晶胞的關系、均攤法、晶體的配位數和晶體密度等相關知識較難理解，難以構建抽象的三維立體模型。

圖1 晶體智能演示儀工作原理圖

一、設計原理

我們設計制作了一款名為“AI 教師小晶”的晶體智能演示儀，它能把抽象的原子或分子等微粒在三維空間的分布情況具體化、可視化，創新性地通過3D 演示，彌補學生在空間想象力上的不足，突破教學重難點，創新性地將語音交互技術與晶體知識完美融合，增加學習趣味性。

圖2 實物圖

二、制作步驟

（一）依據項目的構思和制作原理改進教具的組成和形狀。

（二）制作3D 光立方。

（三）制作語音交互模塊。

（四）設計程序。

三、工作過程

通過自定義語音喚醒“AI 教師小晶”，并逐一向其提出問題，小晶通過語音識別模塊匹配對應問題并作出回答，同時控制對應的3D 光矩陣的開關，進行解說展示。

語音喚醒：小晶老師

小晶：在，想了解晶體的哪些知識？

問：小晶老師，你能教學什么知識？

小晶：我可以回答關于晶體知識的各種問題，在此基礎上以金屬晶體鈉為例作為展示，將抽象、難以理解的知識進行具體化、可視化處理，幫助你理解。

問題1：小晶老師，什么是晶體？

小晶：晶體是指物體的質點在三維空間做規律的、周期性重復排列形成的物質，物質的質點分為原子、分子和離子。例如，金屬晶體鈉以鈉原子周期性重復排列形成（展示金屬晶體鈉部分結構，8 個立方體依次亮燈），同時展示由8 個晶胞組成的金屬鈉的部分結構。

問題2：小晶老師，什么是晶胞？

小晶：晶胞是描述晶體結構的基本單元（此時1 個立方體亮起），表示金屬鈉晶體的1 個晶胞。其中1 個鈉原子位于體心，另8 個鈉原子處于立方體頂點。

問題3：小晶老師，晶胞和晶體是什么關系？

小晶：晶體可以看作數量巨大的晶胞無隙并置而成。無隙是指相鄰晶胞間無任何間隙，并置是指所有晶胞都為平行排列，取向相同（同時開始展示8 個晶胞無隙并置，每個立方體依次亮起并閃爍3 次）。

問題4：小晶老師，如何理解均攤法？

小晶：以晶體鈉為例，處于頂點鈉原子被8 個晶胞平分（8 個立方體交點燈閃爍，每個晶胞依次亮起），頂點原子占1/8，體心鈉原子（閃爍）完全屬于晶胞，故1 個鈉晶胞中含2 個鈉原子，面心原子被2 個晶胞平分，棱上原子被4 個晶胞平分。

問題5：小晶老師，晶體配位數的定義是什么？

小晶：配位數是指直接同中心離子或原子配位的離子數目，或者距中心離子或原子最近且等距的同原子或離子數目。以晶胞體心鈉原子（1 個體心鈉原子亮起）為例，距離體心鈉原子最近且等距的鈉原子有8 個頂點（8個燈依次亮起），簡單立方堆積配位數為6，體心立方堆積配位數為8，面心立方最密堆積配位數為12，六方最密堆積配位數為12。

問題6：小晶老師，如何計算晶體密度？

小晶：（此時1 個立方體亮起）晶胞體積等于邊長的三次方，利用均攤法計算一個晶胞的質量，再用質量除以體積即可得出晶體的密度。

圖3 學生使用“AI 教師小晶”

此教具將語音交互技術與晶體相關知識完美融合，晶體智能演示儀利用語音交互模塊，通過控制3D 光立方的LED 燈，由微觀到宏觀，展示原子在三維空間的分布，并呈現不同的立體效果，使實驗現象一目了然。