浅谈信息技术在化学物质结构建模教学中的应用

杨佳祎，孙可平

摘要： 化学研究的重要對象之一是复杂抽象的微观世界，抽象的微观事物常难以用语言表述。现代信息技术的发展提供了更深入理解复杂概念、复杂思维过程的可能性，有助于提高学生模型认知与建构水平。基于近10年Journal of Chemical Education中相关文献的分析，探讨了3D打印技术、VR技术以及AR技术在中学化学物质结构建模教学中的运用。研究显示，这些技术方法适用于复杂概念的理解、模型要素与关系的动态表征、物质结构的三维空间可视化等模型的认知过程，以及思考探索过程与思维结果的表征、指导物质性质与结构关系的探究、提炼蕴含动态特征的观念等模型的建构过程。它们作为认知工具、交流工具和探究工具，在我国的化学教学中具有较广阔的应用前景。

关键词： 信息技术； 模型建构； 物质结构教学

文章编号： 1005-6629（2023）02-0026-07    中图分类号： G633.8    文献标识码： B

化学教学过程中，如何让学生在掌握学科核心知识的同时建立起解决问题的思维框架，离不开模型建构这一重要方法。模型作为一种认识手段和思维方式，是将复杂原型进行抽象、简化，并反映其本质特征的一种表征方式。“模型认知”是化学学科核心素养中强调科学思维的焦点之一，为科学地描述、解释和预测物质内部结构的核心要素及其相互作用提供思想方法。信息技术的兴起与进步为学生发展模型认知素养创造了条件。3D打印、虚拟现实、增强现实等技术的诞生，使“模型”得以呈现出真实的三维对象和操作体验，可以作为重要的表征工具，表示出原子分子间的复杂关系。但信息技术在学生模型认知与建构的过程中发挥了怎样的作用，究竟如何支持思考过程和思维结果的可视化与可操作化呢？因此，关注与研究信息技术视角下化学物质结构模型的教育功能便成为值得我们深入思考的问题。

1  基于信息技术的模型建构方法

当下，模型及建模是信息化进程中教育技术发展研究的一个重要方向。“模型认知”打破了机械、被动的传统学习方式和以识记、领会为主要目标的传统思维模式，进而获得对概念中本质特征与彼此联系的深刻理解。考虑到思维方法的渗透亦是科学概念教学的必备环节，因此在探讨现代信息技术功能时，将从观念模型的认知和建构过程两个方面来考察涉及物质结构的信息化教学。从模型认知来看，信息技术能搭建微观结构与宏观世界的认知桥梁，体现出事物及事物之间关系的本质；从模型建构来看，在模型要素识别和生成的基础上，信息技术有助于表征学习者对事物及事物之间关系的思考探索过程。

为了解国外信息技术在物质结构模型建构教学的实施情况，本研究聚焦于美国化学会杂志Journal of Chemical Education（以下简称JCE），以“结构模型”“信息技术”和“教育”（structure model， information technology and education）为关键词，时间范围设为“2012—2022”，共检索到文献537篇，剔除与物质结构无关或是偏向科研等知识难度过大的文献，筛选出适合中学化学教学的文献32篇。其中16篇为运用3D打印技术制作模型、5篇为运用虚拟现实VR技术感知和变动模型、11篇为运用增强现实AR技术观察和操作模型。

2  凸显复杂概念的模型理解和表征——3D打印技术

2.1  3D打印技术与化学粒子的微观模型

3D打印是通过逐层添加材料来构建3D物体的技术。以扫描实物获取3D数据后生成的或计算机辅助软件设计的或开放数据库中可直接调用的数字化模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，由3D打印机将耗材逐层喷涂或熔结至三维空间中，从而获得实物模型。3D打印实现了“设计即生产”的创想，具有快速成型的优点，在解决实物模型复杂性和多样性的同时，支持更有创意的设计与生成。

从物质结构类型上看，3D打印技术可用于制作原子结构、分子结构、粒子间作用力及晶体结构的模型。基于此，笔者对JCE中有关文献进行整理归类，得到常见的3D打印模型见表1。这类模型既可以一体成型，也可以由打印的零件组装而成，如泡克斯特利斯（Paukstelis）［1］开发MolPrint3D插件，用于将分子分裂成片段，并在片段间添加销和孔以进行组装。

2.2  应用于理解复杂概念的3D打印模型

化学概念是将化学事实经过分析与概括后得到的理论知识，属于一种抽象的高级思维形式。“物质结构与性质”模块强调微观和抽象的概念知识的认识过程，其大多学习内容无法用肉眼直接获取感性知识，也难以从宏观现象判断出其内在的本质特性。作为一种可视化工具，3D打印模型能帮助学生抓住概念中的构成要素及各种关系，将肉眼无法看到的微粒构成、空间结构、相互作用等视觉化地表现出来，促进了学生对模型的认知。

借助3D打印模型认识玻尔原子结构，将从微观层面完善对原子核与核外电子的认识，从宏观层面明晰要素的符号表征方式，丰富概念的内涵和外延。斯米尔（Karen Smiar）等人打印了由红色原子核、白色轨道与蓝色电子三部分组成的原子结构模型［17］，让学生直观感受到概念中各要素与结构的关联，如圆圈代表原子核，弧线代表电子层等。教师也能通过学生的作品或作业评判其模型认知的程度，识别易犯的错误并及时根据学生的操作状况调整教学内容。

对键极性及其对电子密度的影响的学习是一个极为抽象的过程。电负性的存在使原子显示出不同的半径，为了说明这种效应，斯米尔（Karen Smiar）制作了图1所示的分子模型［18］。由于两种原子大小相差不大，打印时尺寸几乎相同，但由于3D打印能通过参数设定，进而改变材料密度，学生很容易识别出重量的差异，丰富了视觉与触觉等多种感官知觉体验。

使用3D打印模型来表示原子分子间的复杂关系，突破化学表征与认知障碍，促进抽象的化学概念的感知与理解。通过操作模型，学生在掌握相关理论知识的基础上，充分调动设计思维与创新意识，对理解微观世界中微粒之间的关系大有裨益。

2.3  应用于表征思考过程的3D打印模型

化学是建立在微观抽象的原子、分子水平上的一门中心学科，只有从分子原子层面去理解化学，才能深入理解物质结构的本质，体会微粒间的复杂关系，但将模型作为结果直接呈现，容易忽视科学发展过程中蕴含的思维过程和思想方法，同样不利于深入理解概念的特性及其相互关系。而3D打印技术离不开参数设计，输入的参数又来源于模型的本质特征，可见这一技术强调对于模型核心要素及相互关系的把握，并通过打印的手段将思考过程表征出来。

为了在化学课堂中实现思考过程的表征，研究者们进行了广泛的探索，从学生思维活动和师生相互作用两方面为落实建模教学提供了抓手与参考。下面以“杂化轨道（HO）理论”与“价层电子对互斥（VSEPR）理论”为例阐述基于3D打印技术的建模教学。

杂化轨道理论的学习对于理解分子的立体空间结构至关重要，但教材图片或传统模型未进行充分描述。斯米尔（Karen Smiar）引导学生从丙烯模型出发，识别其成键方式和碳原子的杂化类型，鼓励学生用传统模型和显示杂化的新套件制作对应结构［19］，这一过程涉及演绎与类比等思维活动，有利于快速认识理论要点，允许学生将想法进行“试误”。但此时学生的模型认知素养发展更倾向于课标的前两个水平。狄恩（Dean）提出的基于3D打印笔的VSEPR理论教学方法（图2）［20］，学生据此设计并组装VSEPR模型，从而识别模型中孤对与成键电子数目、分子类型、电子对构型、分子构型等要素，这一过程涉及归纳与概括等思维活动，任务具有挑战性。模型不单为讲解而设计，更是帮助学生形成分子空间构型判断的一般思路和方法，借此体验化学抽象内容的“模型化”建构过程。

可以看出，3D打印在带来科学可视化的同时，也使思考过程“可视化”，呈现出解决问题的思维路径。教师有意识地使用模型，引导学生经历科学家们的思考过程，在认识模型中所蕴含的本质特性及相互作用的基础上，尝试建立模型来解决问题。

3  增强沉浸感与动态理解力——VR技术

3.1  虚拟现实技术与物质结构模型

虚拟现实（Virtual Reality， VR）也称人工环境，是借助计算机系统及显示器、传感器等手段模拟虚拟环境，给人以近乎真实情境的感受。常见VR系统可分为头戴式及洞穴式两类［21］。以触觉输入为核心，使用者通过头盔、手柄等实现与虚拟世界中物体的交互，同时结合多通道视景同步技术和立体显示技术，使学生获得多感官的直观且真实的感知，在丰富学习方式的同时，满足个性化的学习偏好。从VR系统的适用范围角度看，学者的相关研究不仅限于构建和操作分子原子的结构模型［22］，还可用于模拟原子电子云的形成［23］、微粒间的相互作用［24］、化学反应［25］等基于交互式分子动力学的动态过程。

3.2  VR模型体现要素与关系的动态变化

物质结构往往缺少直观的展示途径，静态的图片、板书等无法展示物质的空间立体构型，也难以借助实验手段说明反应过程，加上学生的知识水平与空间想象能力的不足，难以理解微观世界的各种变化。沉浸式VR技术可为解决上述教学难点提供突破途径：其一是支持逼真的动态反馈功能，呈现模型要素与关系的动态变化；其二是将原子结构与化学语言表征联系起来，明晰特定的表达形式与要素的关系。

涉及“原子核外电子运动状态”内容的化学课堂中，传统教学采用剖面示意图介绍电子云形状，学生容易误认为小黑点即为核外电子；又可能在概念学习后，仍无法正确书写元素原子的核外电子排布式和轨道表示式，这是因为还未形成电子的能量和轨道与运动状态之間的关系。

因此，识别并表述模型要素及要素间的关系显得尤为重要。MEL Chemistry VR系统提供了构建原子结构模型的机会［26］，以氧原子为例（图3），学生依次组装原子核、添加电子数，并观察电子出现的空间。与此同时，

屏幕右侧将同步显示电子所处轨道与自旋方向，有助于学生认识轨道的不同大小、形状和能量。

具体而言，学生模拟和观察要素变化时，同步显示对应的结构变化与电子轨道，VR模型起到了解释和预测的作用。我国学者李嘉［27］设计了VR动画帮助学生沉浸式探索NH3分子与CH4分子中键角差异的原因。VR系统又展现出分子原子水平的强大交互性，支持学生探索微观结构，进而拓展他们的微观认知。

3.3  VR模型有助于提炼观念模型

何为建模，科学教育领域普遍认同建模是产生科学模型的一个动态过程［28］，旨在培养科学、系统的思维方法。构建物质结构的观念模型要贯穿“变”和“动”的思想，体现变化规律和动态特征。VR系统将学生置于真实与沉浸的学习环境中，清晰地表征出动态的化学反应体系，将微粒的变化过程或元素存在形式的转化过程进行可视化呈现［29］，便于深入理解化学抽象概念与反应的微观实质。

复杂抽象知识的学习要注重提炼观念模型。虚拟现实情境提供微观表征等证据素材，支持学生形成依据证据信息建构模型的能力，建立解决复杂化学问题的思维框架。软件Manta［30］中嵌入的MD模拟器（molecular dynamics）允许学生通过手柄探索原子级别的化学反应，为燃烧反应提供更好的动力学感知和学习体验，包括探究温度如何影响化学反应速率（图4）、分子间碰撞与新键形成的关系（图5），等等。前者说明了化学键的断裂与化学反应的关系，后者从空间因素与能量因素对分子间的有效碰撞作了很好的解释。再者，如何在新情境下分析“碰撞”的发生是教学难点，而VR系统有助于提炼出有效分析此类问题的认知模型。最后，模型建构的过程中强调手脑结合。VR用户使用手柄与虚拟环境进行交互，肢体运动会激发大脑的内在反应［31］，也进一步增强了学习者的动态理解力。

4  用于空间结构的表征与探究——AR技术

4.1  增强现实AR技术与物质空间结构的三维表征

增强现实（Augmented Reality， AR）是一种将虚拟信息用科学技术手段投射到真实场景中，以达到虚实结合甚至超越现实感受目的的一项技术。与VR虽名称相近，但虚拟现实强调虚拟世界的创建与现实中人的投射，而增强现实是把计算机生成的虚拟3D对象集成并无缝叠加到真实环境中，虚与实相互补充、有机融合。AR的工作原理包含“设计—关联—识别—叠加”四个步骤［32］，以虚拟3D对象与现实图像标记的关联为核心，实现虚拟3D对象在移动设备上的显示。

国外研究者们基于模型建构软件，开发出许多AR应用程序，梳理JCE中的相关研究发现，利用AR技术构建的物质结构模型，既可以呈现物质的空间结构，如原子结构模型［33］、杂化轨道模型［34］、键长模型（图6a）［35］、晶体结构模型［36］，也可以呈现逐个原子的变化过程，如质子的传递过程（图6b）［37］、钴晶胞的逐步构建［38］等。同时，AR技术无需特殊设备，不受使用时间、场合和规模的限制，更能走出课堂帮助学生认识食品和家具中的化学成分［39］，“接触”并探索元素合成物质的可能性［40］。

4.2  AR技术促进空间结构与分子概念的可视化

化学概念的学习离不开对空间结构的理解。化学存在各种复杂的空间关系，尤其如键长与键角、共线与共面等关系都与空间认知能力联系紧密［41］。在实际化学教学中，仅借助二维平面表征物质的空间结构，学习者难以把握分子的特征结构与特定行为，导致空间关系的认知困难，不利于提高三维认知能力。

借助AR技术所呈现的物质结构模型可交互可操作，学习者在观察中获得视觉线索，加深对三维空间关系的感知。在交互中充分发挥空间想象，促进抽象分子概念的理解。交互方式包括改变设备朝向，实现分子的平移、旋转、缩放［42］；也可以操作标记，进而丰富分子结构与化学反应的观察视角；又或者操作软件界面，如使用NuPOV系统［43］时，用手指“发射”亲核试剂模拟对分子的亲核攻击。学习过程中学生获得感性材料，降低了思维难度，大大提高了教学效益。

科学学习的意义在于将科学概念与自身体验建立联系。AR模型特有的虚实结合情境与现实有更强的联结，有力引发学生在泛在情境下获得全方位的操作体验。现有AR软件主要以两种方式联系现实，分别是基于标记（Marker）的识别和无标记的识别。前者使用预定义的2D图像或二维码作为“标记”来识别虚拟对象的位置，如台湾学者邱美虹［44］等开发了含特定标识的AR扑克牌，用以辅助观察有机分子的结构特征，深入认识3D物质与2D表征的相互转化。而无标记的识别程序将虚拟对象锚定于真实世界中，消除了用户提前打印标记的需要，学生甚至可以在模型周围走动以全方位查看分子结构［45］，更具真实感。

4.3  AR技术指导性质与结构关系的探究

有效的信息技术应注重与理论模型的有机整合，帮助学习者从方法论角度建构理解、描述和表示核心概念的认识思路。AR技术能将结构中的隐性数据直观化，将微观模型与宏观行为联系起来，教师利用这一特性，引导学生分析物质结构与性质之间的关系。如晶体的学习可以由物理性质入手，再借助AR程序［46］探索不同晶体的堆积方式、堆积过程、配位数、空间利用率等问题，实现宏微表征的有机融合。我国李新义等人［47］也在有机化学教学中，运用AR技术帮助学生辨别乙烯与甲烷、乙烷的立体结构，促进理解和解释化学实验现象。这些AR技术的使用不仅利于学生结构知识的内化，提升对概念及其要素的理解程度，而且对学习者建立“结构决定性质”的化学观念也大有裨益。

当下的化学教学關注学生思维过程的外显。不难发现，AR模型是一种很好的交流与探究工具，也成为了学生开展与传达思维活动的基本单位。黄嘉丽（Carrie H.S. Wong）等人设计的有机物AR卡［48］是表达观点的有效方法，卡中可嵌入的信息不仅仅限于IUPAC名称、官能团、实例、结构动画等。由于学生要确定有机物的官能团或建构指定化学式的结构，在交流学习的机会中包括向同伴阐述自己的想法、阐述难以用言语表达的想法或拓展观点想法等等，皆与“主动探索”的育人目标相契合。

5  总结与展望

信息技术与物质结构模型的融合为化学教学未来的发展方向开辟了新的思路，将一种新型教育理念融入化学教学中，契合指向“模型认知”核心素养的化学教学实践，有效促进模型认知与模型建构过程。

对于学生而言，学会从复杂概念中把握特性及相互关系至关重要。信息技术增强型的学习环境提供了模型要素识别与理解的脚手架，满足学生自主学习、协作学习的需要，在这一模式中教师既是“引导者”和“顾问”，也是学生情感的“激发者”和“保持者”。在教师的引导下，技术将作为教学工具，在帮助学生深入理解概念本质的同时渗透思维方法的培养，实时反映学生在模型建构与应用中的思维过程，帮助他们动态把握要素与关系的变化，学会在学习过程中不断建立并应用思考模型解决问题，在结构与性质相关联的探究活动中进一步深化物质的结构观。

目前这些技术的普及率不是很高，且需要一定的设备支持，在没有先决知识的情况下，学术界开发的技术工具不适合直接作为教育工具。但随着《中国教育现代化2035》等文件的颁布，加快落实信息化教育变革、实现“信息技术+教育”模式已成为战略任务之一，国内研究者们也开始更多地重视技术与教学的整合［49］，强调显性信息技术下潜隐的技术思想。不可否认，这些信息技术手段具有广阔的应用前景和发展趋势，凭借其独特的优势将为化学教育提供多种可能性，不仅促进学生模型建构能力的培养、学科核心素养的提升，还将在促进概念理解、思维可视化、增强动态理解、促进三维认知等方面发挥积极作用。

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