浅谈VR技术在化学物质结构与性质教学中的应用

卢雨辰

[摘 要] VR（Virtual Reality，虚拟现实）技术目前已经成为广受关注的一种新兴教学技术，对教学效果的提升发挥着重要的促进作用。化学教学中物质结构与性质的知识内容抽象而深奥，所以，在当前相关知识的教学中对VR技术进行充分挖掘和利用，可以优化课堂教学，激发学生的学习兴趣，活跃课堂教学氛围，显著提升教学质量。

[关 键 词] 化学教育；物质结构；VR；信息技术

[中图分类号] G633.8 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2019）02-0102-02

化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科[1]。物质结构与性质模块是从原子、分子和离子的水平上进一步研究物质构成的规律和性质，在本轮课程改革中，物质结构与性质模块被确定为选择性必修，成为选考化学科目的必修模块，在学科教学中的地位变得更加重要，能为今后有意向从事基础科学研究和化学化工行业工作的学生奠定基础和提供帮助。传统的“粉笔+黑板”式的教学形式很难直观地讲解微粒之间的作用力和性质，让学生觉得枯燥乏味和难以理解，在化学教学中利用手机VR（Virtual Reality，虚拟现实）应用，有望为这一问题提供解决途径，吸引学生并激发学生进一步的学习欲望。

一、物质结构与性质的教学难点

随着新一轮课程改革的深入，更多的省市启动新高考改革，《普通高中化学课程标准（2017年版）》对课程内容与教学目标均做出了大幅调整，物质结构与性质模块在课程教学中的定位也发生了改变，从学生完成相应的必修课程后，作为化学选修课程的一种选择变成了选考化学学科的选择性必修课程，突出了其在化学学科中的地位。但是，由于该模块一直作为选修模块，于教师而言，相对教学经验少，对教材和教学尺度难以把握；于学生而言，知识点较为抽象和复杂，理解起来相对困难，对知识的应用较少。物质结构与性质模块在教学存在着许多难点：一是概念抽象、理论复杂。教材语言相对生硬和枯燥，用化学符号表示各种粒子及其形态，如电子云理论、核外电子排布规律，对理解能力较差的学生来讲较难掌握这些基础理论。二是知识缺乏直观的展示途径。原子结构的各种原理缺少视频、实验等直观展示，无法通过实验手段去解释说明，加上学生的知识水平与理解能力的不足，同时缺少空间想象能力与抽象能力，较难在微观层面理解微观世界的各类变化。三是难以有效地开展自主学习和自主探索。由于缺乏适合教材教学的教具，学生在自主学习和复习的过程中，无法有效地将复杂的理论和具体例子相互联系，基础较差的学生常常无法跟上教材进度。四是学生不知道在何种情况下应用这些理论。该模块知识点跨度大，在化学各领域都有所应用，如合理联系有机化学模块，应用杂化轨道理论解释有机化合物的键角及共平面问题。

二、VR技术及其特点

VR技术是通过与计算机的交互实现在模拟环境中让用户感觉仿佛身历其境，提供多种感官的模拟，包括听觉、视觉、触觉以及其他类型的感官反馈，具有沉浸性、交互性、想象性的特点[2]。VR技术带来的具有沉浸性的特点环境可以与现实世界类似，也可以是虚拟的，但都能提供现实中无法实现的体验。利用传感器VR技术可以追踪使用者的全身动作，并对动作进行识别，进而通过智能手机或平板设备进行反馈，生成逼真的图像和声音，在虚拟环境中模拟各种实体，实现人能够“环顾”人造世界，在其中进行交互。在与VR的深度交互中，可以充分发挥自己想象，用联想、逻辑推断等思维对虚拟环境进行想象与创造，创建的虚拟环境既可能是真实现象的重现，也可以是想象的结果，具有无限的拓展。

现阶段VR技术已经开始被应用于多个领域中，如教育、科技研究、虚拟实训、虚拟仿真，展现出了良好的发展前景。

三、VR技术在化学教学中的具体应用

科学合理地在教学中使用VR技术，可以为解决物质结构与性质的教学难点提供一种解决途径。所有分子都是3D物体，因此非常适合VR，通过使用简单的Google Cardboard或者功能更为强大的HTC VIVE、PS VR、Occulus Rift等VR设备，教师既可以利用信息化设备开展教学，也可以让学生自行探索。

（一）VR技术在电子云和原子轨道教学中的应用

对原子结构的合理认识是理解元素周期律和元素周期性的重要理论基础，关于原子轨道理论，不同学者提出不同的模型，玻尔提出了原子的“行星模型”，认为核外电子如同行星一样围绕着电子核运动，该模型对于学生而言简单、直观、易懂但存在局限性。随着量子力学的发展，众多事实否定了这一假说，微观粒子的运动状态描述与宏观物体具有巨大差异，电子在原子核外的运动不确定，只能用出现的几率去描述，这对高中阶段的学生而言一时难以消化吸收，学习效果不理想，然而，VR技术的出现为解决这一教学难题提供了较为完美的教学方法。

以MEL Chemistry VR软件为例，其提供了电子云模型、核外电子排布规律等课程。例如，教师在讲授电子云模型、轨道能级和形状时可通过MEL Chemistry VR软件辅助形象生动地完成教学过程，在电子云模型课程中打开VR，学生能够看到电子出现在各个位置的概率统计，模拟虚拟的高速摄像机看到电子每一刻出现的位置，并通过对出现的概率进行累积，形象直观地展示了电子云模型的由来。在原子轨道的教学中使用VR，學生能够从多个视觉角度去详细观察电子轨道的形状，比较1s、2s和2p的相似和差异，它允许使用者以“动态”的视角观察原子结构的结构和运动，更为全面的显示电子的动态运动行为，显示电子的不确定性，进而理解电子云模型，使学生看到并理解原子的外观。学生利用VR软件学习电子云和原子轨道后，从微观和宏观角度认识物质的组成。

（二）VR技术在微粒间相互作用教学中的应用

宏观的物质是由微观的粒子组成的，包括原子、粒子、分子等微粒，这些微观粒子之间存在复杂的相互作用，作用力或大或小、或远或近，其作用的原理差异较大。今天化学的教学方式通常是“粉笔+黑板”，部分教具充足的学校才有可能使用原子或分子的球棍模型、原子的堆积模型开展教学，于实际而言，教具仍是相当有限的，并且在使用的过程中可能很繁琐。此外，教具模型虽然被一直用于描绘分子的直观教具辅助教学，展示分子之间的相互作用，需要指出的是，这些模型不能较为完美地显示分子之间动态运动过程，更无法显示分子的运动或灵活性，这使学生不得不想象它们的相互作用。所有分子都是具有三维立体结构的微粒，从其本身具有的内在属性来说，非常适合用VR开展教学。

以VR应用Nano Simbox iMD为例，其专门为分子之间的相互作用设计了多个课程，包括C60富勒烯分子之间的相互作用、甲烷分子在碳纳米管的运动、分子内螺烯的扭曲构象和蛋白质的空间结构模型。使用HTC Vive VR等商业化的VR设备，多位用户可以在虚拟现实环境中共同开展互动学习，它能让学生以原子级精度可视化和操作“动态”复杂分子结构的结构和运动。以C60富勒烯分子之间的相互作用课程为例，两位学生可以分别操作一个C60富勒烯分子，共同操作实现两个球形分子在不规则运动过程中的碰撞等行为（如下图），在微观层面理解范德华力。在碳纳米管与甲烷分子的相互作用课程中，能让甲烷分子巧妙的通过碳纳米管的管道空腔，让学生能够“感受”模拟原子和分子所经历的动态过程。在分子内螺烯的扭曲构象课程中，操纵有机螺旋分子以改变其旋转。在蛋白质空间结构课程中，发现蛋白质结构中的氢键等分子内相互作用，进而理解蛋白质复杂的空间结构。

类似的VR化学教育软件还有EduChem VR等，都能为电子云模型、分子的空间结构、晶体的聚集状态提供教学帮助，这些VR软件不仅能增强学生对化学学科的热爱，还能提高学生的自主学习能力、提升化学学科核心素养。展望未来，VR技术将为化学教育提供多种可能性，在交互式的模拟环境中完成复杂分子的构建，并通过分子模拟的计算的辅助实时优化分子构型构象。VR在化学领域能够便于对抽象的原子、分子的理解，更广泛地说，能够推动化学学科的在微纳米设计、药物开发、催化剂设计和合成生物学的发展，跨越教育和研究的界限。

四、VR技术对化学教学的启示

化学物质结构与性质教学，具有十分重要的承上启下的地位，为高等院校阶段的化学学习与研究奠定基础。因此，科学合理的教学策略和教学方法，重视新的技术在教学中的应用，利用直观VR技术对提升物质结构与性质教学效果，提高学生的学习效率具有重要意义。笔者认为，教师在日常化学教学中应注意以下几个方面。

（一）聚焦教材，引导学生认识化学学科本质

课程标准是教学的课程的核心，而教科书是课程标准的具体体现，是教师教学最核心的依据，新课标突出了物质结构与性质模块的定位，强化了物质结构与性质之间的关系，要通过该模块的教学培养学生宏观辨识与微观辨析的素养，更要在学习理论的过程中培养学生证据推理与模型认知的能力。

（二）依靠技术，促使学生全面认识物质结构相关理论

作为教学活动的主体，教师应该提高自己对新兴技术的应用能力，注重技术在教学中的合理应用，解决教学中难点。使用VR技术能使抽象枯燥的知识形象化、具体化，将难懂的知识变得通俗易懂。不应让复杂的理论变为学生的学习负担，而是要让學生发现物质结构的美感，愿意主动去学协和探究，实现喜欢学、主动学、自主学。

总之，VR技术能把肉眼无法看到的现象形象化、视觉化，激发学生的学习兴趣。尤其是在化学的物质结构与性质教学中将VR技术与教学的融合并非只是简单的技术运用，更是将一种全新的教育理念融入化学教学中。未来，VR技术的应用势必将会越来越广泛，教师要不断摸索，要学会把握教学尺度和站在学生角度在教学中合理运用VR技术，促进化学课程改革的不断深入和发展。

参考文献：

[1]教育部.普通高中化学课程标准[S].2017年版.北京：人民教育出版社，2018.

[2]刘德建，刘晓琳，张琰，等.虚拟现实技术教育应用的潜力、进展与挑战[J].开放教育研究，2016，22（4）：25-31.

[3]李嘉.虚拟现实技术在化学分子结构教学上的应用简介[J].化学教育（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.

编辑 陈鲜艳