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三维虚拟化学分子实验室的设计与实现 教育技术专业 作者荣星指导教师杨春 摘要：分子结构在高中化学教学中是必不可少的一个内容，对于学生认识分子 结构，从而进一步了解分子化学式、化学反应方程式和化学现象有着极其重要 的作用。目前在分子教学中，教师多采用展示图片或者模型的方式。在本系统 中设计了展示分子模型、分子合成与分解动画演示、搭建分子模型、典型分子 实验模拟、选择化学实验仪器、化学方程式动画演示模拟等几个部分，使学习 者通过自己控制分子模型、选择化学实验仪器和化学实验药品、观察化学反应 变化现象、分子合成分解的动画演示，使学习者能在虚拟的环境下从宏观的化 学反应现象和化学分子式的动画演示与微观的化学分子合成与分解相联系，节 约了化学反应过程的时间，避免了学生在实验操作的危险，同时，将宏观与微 观相联系，使学生对所学内容有更深刻的认识。 本文实现了一种基于3 d 和v i r t o o l s 的化学分子实验室的设计模型和 实现方式。该系统基于v i r t o o l s 平台，通过建模技术实现了虚拟化学分子结构 展示功能；利用动画技术实现了虚拟化学分子动态合成与分解功能；并且与中 学化学教材紧密结合，由学生自主选择实验仪器和实验药品，模拟实验过程， 并用三维生动展示了整个实验过程和实验现象，保证了系统的功能性和易用 性。系统模拟的宏观分子世界为用户提供了更加完善的学习平台，弥补了分子 教学和实验不易操作的不足。其中详细地介绍了该系统的架构设计、功能设计、 模块设计的方法。实践证明，采用该技术开发的三维虚拟化学分子实验室具有 仿真性强、开发周期短、交互性强等特点。 本文在该系统开发过程中，主要作了下面几个方面的工作：实现了基于 3 d m a x 建模，v i r t o o l s 建立交互的三维虚拟分子实验室体系结构，详细阐述 了其中的功能模块和途径实现了对多个场景进行管理的方法实现了构建 阵列对系统所涉及的三维模型、存储路径等信息的数据处理方法。 关键词：v i r t o o l s ；虚拟化学分子；三维虚拟；分子搭建 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h r e ed i m e n s i o n a lc h e m i s t r ym o l e c u l e l a bb a s e do nv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y a b s t r a c t ：t h em o l e c u l a rs t r u c t u r ei nt h eh i g hs c h o o lc h e m i s t r yt e a c h i n gi sa l l e s s e n t i a lc o n t e n t ，k n o w st h em o l e c u l a rs t r u c t u r er e g a r d i n gt h es t u d e n t ，t h u sf u r t h e r u n d e r s t o o dt h a tm o l e c u l a rt h ee l e c t r o n i cf o r m u l a ，t h ec h e m i c a lf o r m u l a ，t h e nt h e u n d e r s t a n d i n gc h e m i c a lr e a c t i o ne q u a t i o nh a st h ee x t r e m e l yv i t a lr o l e a tp r e s e n ti n t h em o l e c u l a rt e a c h i n g ，t h et e a c h e ru s e st h ed e m o n s t r a t i o np i c t u r eo rt h em o d e l w a y h a sd e s i g n e dt h ed e m o n s t r a t i o nm e m b e rm o d e l ，t h em o l e c u l a rs y n t h e s i sa n d t h e d e c o m p o s i t i o na n i m a t i o nd e m o n s t r a t i o n ，t h e b u i l dm e m b e rm o d e l ，t h e s i m u l a t i o nc h e m i c a lr e a c t i o n c h a n g e p h e n o m e n o n ，t y p i c a l m o l e c u l a r d e m o n s t r a t i o n ，t h ec h e m i c a le q u a t i o na n i m a t i o nd e m o n s t r a t i o ni nt h i ss y s t e ma n ds o o ns e v e r a lp a r t s ，c a u s e st h el e a r n e rt oc o n t r o lt h ea n i m a t i o nd e m o n s t r a t i o nw h i c h t h r o u g ho n e s e l ft h em o l e c u l a rm o d e l ，c h o i c ec h e m i c a le x p e r i m e n ti n s t r u m e n ta n d c h e m i c a le x p e r i m e n td r u g s ，t h eo b s e r v a t i o nc h e m i c a lr e a c t i o nc h a n g ep h e n o m e n o n ，t h e m o l e c u l a rs y n t h e s i sd e c o m p o s e ，e n a b l e dt h el e a r n e rr e l a t e su n d e rt h eh y p o t h e s i z e d e n v i r o n m e n tf r o mt h em a c r o s c o p i cc h e m i c a lr e a c t i o np h e n o m e n o na n dc h e m i s t r y m o l e c u l a rf o r m u l aa n i m a t i o nd e m o n s t r a t i o na n dt h em i c r o s c o p i cc h e m i s t r y m e m b e rs y n t h e s i sa n dt h ed e c o m p o s i t i o n ，s a v e dt h ec h e m i c a lr e a c t i o np r o c e s st i m e ， h a sa v o i d e dt h es t u d e n tt h e d a n g e r w h i c ho p e r a t e da tt h e e x p e r i m e n t ， s i m u l t a n e o u s l y , m a c r o s c o p i ca n dm i c r o s c o p i cw i l lr e l a t e ，c a u s e st h es t u d e n tt o s t u d yt h ec o n t e n th a sam o r ep r o f o u n du n d e r s t a n d i n g a d e s i g n i n gm o d e la n di m p l e m e n t i n gm e t h o do fc h e m i s t r ym o l e c u l el a bb a s e do n v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yi sr e a l i z a t e d , w h i c hu s e dv i r t o o l sp l a t f o r m t h es 仃u c t u r e d i s p l a yo fv i r t u a lc h e m i s t r ym o l e c u l e ( v c m ) i si m p l e m e n t e db yu s i n gm o d e l i n g t e c h n o l o g y t h ed y n a m i cs y n t h e s i sa n dd e c o m p o s i t i o no fv c m i sp r o v i d e di nt h e s y s t e m ，w h i c ha d o p t e da n i m a t i o nt e c h n o l o g y a n du n i f i e sc l o s e l yw i t ht h em i d d l e i i s c h o o lc h e m i s t r yt e a c h i n gm a t e r i a l ，b yt h es t u d e n ti n d e p e n d e n tc h o i c ee x p e r i m e n t i n s t r u m e n ta n dt h ee x p e r i m e n td r u g s ， d i m e n s i o n a lh a sv i v i d l yd e m o n s t r a t e d t h em o d e l l i n gp r o c e s s ，a n dw i t ht h r e e t h ee n t i r ee x p e r i m e n tp r o c e s sa n dt h e e x p e r i m e n tp h e n o m e n o n ，e x p e r ts y s t e md e s i g nm e t h o d sa n dv s ls c r i p tl a n g u a g e t e c h n o l o g yi su s e dt o s o l v et h ep r o b l e mo fv c ma s s e m b l ya n di n t e l l i g e n t e v a l u a t i o n ，w h i c hm a k e st h es y s t e mf u n c t i o n a la n du s a b l e t h es y s t e mf o ru s e r si s m o r ep o w e r f u lb yi m p l e m e n t i n gt h es i m u l a t i n gc h e m i s t r ym o l e c u l et h a th a sn o t b e e np r o v i d e db yf o r m e rw o r k , a n do v e r c o m e st h ep r o b l e m so fm o l e c u l et e a c h i n g a n de x p e r i m e n t t h i sa r t i c l ei nt h i ss y s t e mp e r f o r m a n c eh i s t o r y , h a sm a i n l yd o n et h ef o l l o w i n g s e v e r a l a s p e c tw o r k ：r e a l i z a t e d 0 1 1t h e3 d m a xa n dv i r t o o l st h r e ed i m e n s i o n a l h y p o t h e s i z e dm o l e c u l a rl a b o r a t o r ya r c h i t e c t u r e ，e l a b o r a t e df i m e t i o n a lm o d u l ea n dt h ew a yi n d e t a i l r e a l i z a t e dc a r r i e so nt h em a n a g e m e n tt om a n ys c e n e st h em e t h o d r e a l i z a t e dt h ec o n s t r u c t i o na r r a yi n f o r m a t i o na n ds oo nt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l w h i c h ，s t o r ep a t hi n v o l v e st ot h es y s t e md a t ap r o c e s s i n gm e t h o d s k e yw o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y ；v i r t o o l st e c h n o l o g y ；t h r e ed i m e n s i o n a lo f v i r t u a l r e a l i t yt e c h n o l o g y ；m o l e c u l a rb u i l d i 四川师范大学学位论文独创性及 使用授权声明 本人声明：所呈交学位论文，是本人在导师：至逸指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人承诺：已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致。如因不符而 引起的学术声誉上的损失由本人自负。 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定： 学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥 有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交印 刷版和电子版学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索；2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位 论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 l1 o bl 夕 7 口。 论文作者签 甲f 1 ) 年6 月 日 第一章绪论 1 1 研究背景及问题的提出 随着计算机和多媒体技术的普及，实验教学也受到了冲击。首先是教学对 象是一批批越来越习惯于多媒体环境的学习者。不管教师是否接受，教学环境 的改变已经成为事实。经过研究表明习惯使用电脑的人倾向于使用电脑学习。 而且传统的实验教学方式有着一些弊端用传统的方式无法克服。面向中学的衍 生物化学虚拟实验是以实验的实验为依托，将实验过程信息化的过程。这样的 虚拟化学实验，可以节省广大中学对昂贵化学实验设备和药品的投入；提高实 验教学质量；丰富实验教学手段；减少实验风险；优化课堂教学与实验教学的 组织。化学是一门以实验为基础，与实际生产和生活相适应的学科。随着科技 的进步与发展，各种现代化的教学设备应用于课堂教学已成为可能，同时也是 当今科技发展的必然趋势。新形势下的化学教学必须改革传统的教学思路，教 师应从思想上提高认识从行动上赶上教育发展的步伐，这就要求我们能转变观 念、拓宽思路、改变方法，以全新的思路，全新的方法投入到化学新课程改革 中，使化学课程成为学生喜闻乐见、增长适应才干的一门课程。衍生物化学虚 拟实验与高中化学教材相结合，将化学实验理论知识和实验动手操作能力结合 在一起使教学内容连贯、丰富，也使各个学生能用此软件感受化学实验的效果。 该软件从化学分子结构的特点出发以丰富多彩的形式展现化学分子结构，使学 生能系统有效地学习衍生物的分子结构，认识这一类分子的共性和各分子的特 点，并且模拟两种物质相互反应的化学过程，使学生能实际操作，再以微观现 象以分子结构模拟分子在化学反应中的变化，另一方面，结合化学式动画演示 化学分子的变化过程，最后展现化学方程式，使学生能够深刻理解。利用信息 技术，可以将知识的表达多媒体化。计算机多媒体可以实时地综合各种声音、 文字、图形、图像等多种信息，不仅有静态信息的形式；而且还有动态信息的 属性，它可以化抽象为具体，化复杂为简单，完成传统教育所不易或不能完成 的教学任务，特别是利用计算机多媒体动画进行模拟实验，为化学实验教学开 辟了新的天地，创造了新的模式。 1 2 虚拟实验在国内外研究现状 上世纪八十年代末，虚拟实验就开始在在国外有了比较大的发展。国外一 些研究机构试图以计算机为工具，模拟一些复杂系统的运作，并对其加以控制： 1 9 8 8 年麻省理工学院( m i t ) 开发并投入使用了w e b l a b 在线实验型 ，使用者 不仅能在本地选择实验仪器，即使是在异地，学生也可以通过互联网就获得来 自m i t 实验室的实验数据，从而学生可以在虚拟环境下操作虚拟仪器，并能 获得模拟的实验结果。卡耐基梅隆大学开发的虚拟实验型2 1 ，可以链接到工 程测试设备上的计算机类似于示波器和函数发生器，当学生通过互联网链接到 这些设备时，他们能控制计算机和设备，使用视频器可以看到物质世界中所发 生的一切。上世纪九十年以来，国内一些高校开始致力于计算机仿真实验的开 发与研制，已取得了可喜成绩：9 6 年中国科技大学在国际上首创开发出第一套 物理教学仿真实验教学软件【3 】；9 8 年升级为w i n d o w s 版本，在规模和虚拟技 术水平上得到进一步提高和完善，近年来又推出了刘老师化学虚拟实验室 的i n t e r n e t 网远程教学系统，该平台运用了多种技术，用户可以观察分子的结 构、进行虚拟实验，观察虚拟实验现象【4 】。南京金华科软件有限公司开发了金 华科仿真化学分子实验室网，用户可以自己组装实验仪器，配置药品等，从 而实现了学生对虚拟实验的操作，对于化学分子结构教学有极大的促进作用。 美国华盛顿州开发了一种虚拟化学反应的装置，学生只要戴上头盔，手握操纵 杆，眼前就会出现一幅幅栩栩如生的景象障1 。学生可以通过电脑将采集到的一 个氧原子和二个氢原子结合在一起，眼前就会出现一个网状的水球，这就是学 生们自己创造的水分子。但是，刘老师化学虚拟实验室和金华科的一系列教育 软件都是基于2 d 的，二维虚拟实验缺乏真实性，沉浸性。本系统采用v i r t o o l s 作交互，3 d m a x 建立分子模型和实验仪器模型，从而使基于v i r t o o l s 的三维 仿真实验，除了具有沉浸性，想象性，交互性外，还具有简单和易实现等特点。 总之，上述虚拟实验室的特点可归纳为：友好的用户操作界面模拟分 2 子结构口1 有些可将分子模型应用于网络的传输和显示聃1 有些可观察分子随 参数动态变化的情况嘲。但上述虚拟实验室都只是简单地以二维或三维形式展 示分子结构，并没有为用户创造一个实验探究的虚拟场景，也没有设计实验解 释和结论的教学环节，从而不能充分引发学习者反思和探究，达到预期的学习 效果1 引。 1 3 本文的研究内容及意义 虚拟化学分子实验室包括分子结构展示、虚拟化学分子动态合成与分解、 虚拟化学分子组装、典型分子模拟的化学分子微观变化、宏观变化模拟、帮助、 界面设置几大模块。分子结构展示模块演示出常用极性分子和非极性分子的微 观3 d 构型，学习者可以在虚拟环境中从多维度观察肉眼无法看到的分子结构， 使抽象的知识直观化、形象化，从而能清楚认识分子结构的特点；虚拟化学分 子动态合成与分解模块宏观模拟了分子合成与分解的微观动态过程，使学习者 在观摩过程中思考分子合成与分解的规律和特点，达到培养学习者分析解决问 题的能力。虚拟化学分子搭建模块提供虚拟环境供用户组装分子，并对用户组 装的分子结构进行智能评价，及时反馈信息，让学习者在动手构建分子模型的 过程中自主了解分子结构的基本特点。虚拟化学分子合成与分解模块以宏观状 态模拟了分子在微观状态下合成与分解的过程，并紧密结合相应的化学方程式 和化学式，使用户在观看反应的过程中能够与对应的知识相联系，达到进一步 的深化知识的目的。 虚拟化学分子实验室将微观世界创造成一个可进入、可参与的宏观世界， 运用声音、三维立体结构、文字等多种媒体手段，表现生动、逼真的三维立体 构型以及清晰、直观的合成分解过程，并将使用者作为参与的主体，由用户选 择分子组装方案，设计分子组装模型，并实时反馈给用户评价结果，引导学习 者探索分子世界，充分体现学习者是学习的主体，学习的探索者。利用虚拟化 学分子实验室使学习者对分子结构以及分子合成与分解的规律和特点有清晰 准确的认识，对分子结构的教学和实验操作都有较大的应用价值。 3 1 4 本文的创新点 ( 1 ) 通过研究本课题，更进一步地体现化学虚拟分子实验室构建的重要 性和必要性，将化学虚拟分子实验室应用于中学的化学教学中，方面可以方 便教师进行教学，另一方面可以给学生在课后提供一个自己进行模拟练习的平 台。从而实现虚拟分子教学的一个突破口。 ( 2 ) 有效利用现代教育技术的方法、理论、策略合理解决中学化学虚拟 分子教学和学生自主学习中的问题【8 】，构建教师利用三维化学虚拟分子实验室 进行教学演示，以缩短实验演示的时间，学生利用该平台自己搭建、观察、思 考学习相关知识的混合学习模式【9 1 。 ( 3 ) 综合使用了开发工具3 d m a x 、v i r t o o l s 的学习平台、平面软件 p h o t o s h o p 进行设计开发了一个三维虚拟化学分子实验室。 1 5 论文组织结构 第一章，绪论。分析了本文的研究背景、意义和国内外研究现状，探讨了 三维化学虚拟分子实验室平台建设的必要性，介绍了本人的主要研究内容、目 标和创新之处。指出了三维化学虚拟分子实验室平台应用以提高学习者兴趣， 促进教学的积极作用。 第二章，三维化学虚拟分子实验室基本理论研究。阐述了当前具有代表性 的建构主义学习理论、认知主义理论、行为主义以及情景学习理论对本设计的 指导作用。分析了当前国内外虚拟实验室的特征，根据这些特征和存在的问题， 提出了三维化学虚拟实验室的有效学习模式。提出了三维化学虚拟实验室的系 统组成及教育体系构建方案【1 1 1 。 ， 第三章，三维化学虚拟分子实验室的开发设计。本章阐述虚拟分子实验室 的设计原则【1 2 1 。对虚拟分子实验室主要功能模块进行了设计，并给出了其动 画技术、建模技术、阵列设计，应用了v i r t o o l s 4 0 的特有技术，指出了阵列结 构与各功能模块的关系。同时，也介绍了开发过程中用到的关键技术，3 d m a x 技术、v i r t o o l s 技术。 4 第四章，三维化学虚拟分子实验室的实现。本章是三维化学虚拟分子实验 室的具体开发应用。介绍了系统采用的体系结构及使用的开发工具。详细介绍 了三维化学虚拟分子实验室中主要功能模块的实现方法。并将开发过程中出现 的问题进行了总结归纳，为以后的开发应用提供了参考。 第五章，三维化学虚拟分子实验室的测试与功能界面。本章阐述了三维化 学虚拟分子实验室的测试方案，及应用效果，并详细介绍了三维化学虚拟分子 实验室中的功能界面。 第六章，总结与展望，对整个设计开发工作进行了总结，并对进一步工作 提出了展望。 5 第二章三维化学虚拟分子实验室在教育中的应用 2 1 理论基础 2 1 1 行为主义理论 行为主义在2 0 世纪前半叶学习理论的发展中占主导地位，其基本主张是 对人心理的科学研究限定在可观察的行为和能加以控制的刺激条件上。该理论 把学习定义为在剌激和反应之间建立联结的过程。认为推动学习的动力主要来 源于学习者的内部驱动力和外部力量，认为学习中得到“强化的反应将会重 复出现。 行为主义学习理论为学习环境的设计提出了一些基本原则，促进了2 0 世 纪教学设计的发展，有些原则在现在的职业教育实践中仍发挥着作用，行为主 义的教学设计原则包括：做中学的原则，分类系统原则，学习条件原则，重视 学习结果的原则，一致性原则，任务分解原则，先决条件原则，小的成功的原 则，对反应具有敏感性反馈的原则，教学科学性原则，工作支持原则，直接教 学原则，前测、诊断、布置原则和迁移原则。 行为主义学习理论强调环境对学习的影响【1 3 1 ，认为学习者对外部刺激作 出适当的反应时，学习就发生了。在这个过程中，学习者被看做是对环境中的 各种刺激条件作出反应的人。行为主义重视的是学习者的各种外显行为反应， 而忽视了学习者的内在知识结构及其心理加工过程。 2 1 2 认知主义学习理论 2 0 世纪5 0 年代后期，学习理论从强调外显、可观察的行为转变为对个体 的内部认知过程( 如思维、问题解决、概念形成和信息加工等) 的关注，形成 了认知主义学习理论。 认知主义者中有一部分信息加工理论家，在认识上基本延续了行为主义 的客观主义传统。他们认为世界是由客观实体及其特征和客观事物之间的关系 6 构成的。在教学中，认知主义也认为教学的目标在于帮助学习者习得这些事物 及其特征，使得外界客观事物知识及其结构内化为其内部的认知结构。但他们 与行为主义的不同之外在于其强调知识获得和内部心理结构，把学习者看成是 积极的信息加工者。认知主义学习理论，特别是认知信息加工理论，为学习环 境设计提出了相关的设计原则：信息加工阶段的原则、人物建模原则、注意原 则、选择性知觉原则、记忆负载原则、知识种类的原则、技能编辑原则、有意 义编码原则、分块原则、精致化原则、元认知原则、动机原则、专家与新手原 则、人的发展的原则、概念变化原则。 2 1 3 建构主义学习理论 行为主义和认知主义哲学观都是基于客观主义的，而2 0 世纪8 0 年代末兴 起的有着渊远哲学根源的建构主义学习理论却对客观主义表示质疑。建构主义 认为实在是人们的心中之物，是学习者自己构造了实在或至少是按照他的经验 解释实在，每一个人的世界都是由他自己的思维构造的，不存在谁比谁的世界 更真实的问题。 学习是获取知识的过程，是学习者在一定情境即社会文化背景下，借助他 人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得的。情境、协作、 会话和意义建构是学习环境的四大支柱。 情境要求学习环境中的四大要素不仅要丰富，而且要有利于学习者对所学 内容的意义建构。情境创设是教学设计最重要的内容。 协作发生在学习过程的始终，协作对学习资料的收集与分析、假设的提出 与验证、学习成果的评价直至意义的最终建构均有重要作用。 会话是协作过程中不可缺少的环节。学习小组成员之间必须通过会话商讨 如何完成规定的学习任务的计划，会话与协商也是学习者意义建构的必要途 径。协作学习过程也是会话与协商的过程。意义建构是整个学习过程的最终目 标与追求，情境、协作与会话都是围绕意义建构而发生、发展的。 建构主义学习理论为教学设计提出了若干设计原则，如强调以学习者为中 心的原则，强调情境对意义建构的重要作用原则，强调协作学习对意义建构的 关键作用原则，强调对学习环境设计的原则，强调利用各种信息资源来支持 7 “学 的原则，强调学习过程的最终目的是完成意义建构的原则u 4 1 。 2 1 4 情境学习理论 情境认知和学习理论认为，“学习是需要意志的、有意图的、积极的、自 觉的、建构的实践，该实践包括互动的意图一行动一反思活动 。在学习过程 中，学习者有能力清晰地表述自己的意图，然后策划付诸实现的行动。行动是 与感知和自觉的思考整合在一起的。这些感知和有意识行动的反思对于意义建 构是必需的。 情境学习的特征是： ( 1 ) 提供能反映知识实际运用方式的真实情境； ( 2 ) 提供真实的活动 ( 3 ) 提供接近专家作业和过程模式化的通路 ( 4 ) 提供多样化的角色和前景 ( 5 ) 支持知识的合作建构 ( 6 ) 在临界时刻提供指导和支撑 ( 7 ) 促进反思，以便有可能形成抽象 ( 8 ) 促进清晰表述，以便使默会知识成为清晰的知识 与学习环境相关的情境认知原则，涉及方面包括在学习环境设计的规定 上注意语言、个体和群体的活动、文化的意义和差异、工具以及这些因素的互 动。具体原则包括：情境脉络中的学习原则，实践共同体原则，作为积极参与 的学习原则，行动中的知识原则，人工制品的中介原则，作为文化资源库的工 具和制品原则、规则、规范和信念原则，历史原则，范围层次原则，互动主义 原则，身份自我建构原则等【l5 1 。 2 2 三维虚拟化学分子实验室的教育体系构建与要素组成 随着计算机技术、虚拟现实技术和网络技术的飞速发展，教育教学与计算 机技术的结合更加紧密，虚拟实验室在教师教学和学生自主学习中都得到了一 定程度的应用。从2 0 世纪8 0 年代中期，我国就开始了教育信息化建设，在推 8 进教育信息化建设方面投入了大量的资金，如开发了基础教育资源库、职业教 育资源建设基地、高等教育精品课程资源库、国家职业教育资源库等各级各类 教育资源，形成了一批优秀资源共享系统( 如中国大学数字图书馆、数字博物 馆、高校精品课程等) 【l6 1 。但是在化学分子结构这一方面还做得不是很好， 主要存在着如下特征或称之为不足： 1 、当前化学教育中在分子结构这一部分多采用演示三维模型及图片等展 示的教学方法，对于分子的键长、键角和键能等具体特征认识比较模糊。 2 、在部分地区和学校还没有认识到虚拟实验室对于教学的促进作用，仍 然满足于以传统方式进行教学。 3 、某些设计比较好的虚拟实验室的销售价格偏高，导致一些学校无法承 受，降低了虚拟实验室的普及性。 4 、某些虚拟实验室并没有为用户创造一个实验探究的虚拟场景，也没有 设计实验解释和结论的教学环节，从而不能充分引发学习者反思和探究，达到 预期的学习效果。 5 、虚拟实验室存在标准化低，整合与共享难等问题。 6 、虚拟实验室的网络化程度以及多人协作的应用和研究方面还比较少。 7 、虚拟实验室的建设存在分布不均的情况，比如城乡存在差异、重点学 校和普通学校存在差异。 8 、目前还有不少人没有认识到建设三维化学虚拟分子实验室的重要性。 9 、虚拟实验室的形式单一，缺乏生动性、多样性和趣味性。 而随着信息技术的发展，现代教育技术在学科教育应用中取得的成效也给 分子结构教育带来了无限曙光。针对国内这些分子结构教育存在的问题特征， 文章结合以人为本的科学发展观，以建构主义学习理论、行为主义学习教育理 论和情境学习理论、认知主义学习理论等为指导，提出了分子教学混合学习模 式即既可以应用于教师课堂教学，又可以应用于学生自主学习的学习模式，利 用多媒体技术、虚拟现实技术等现代信息技术手段，设计开发一个三维虚拟化 学分子实验室的教育平台，运用现代教育思想、现代教育技术促进分子结构教 学的发展，解决三维虚拟化学分子实验室教育资源分布不均、质量不高、数量 不多等现实问题【l9 1 。 9 针对前面分析的虚拟实验室的现状及不足，以及当前虚拟实验室应用于教 育的特征，文章以建构主义学习指导，结合行为主义学习理论、认知主义学习 理论、情境学习理论，通过计算机技术、多媒体技术等现代教育技术手段为支 撑，构建了以分子模型展示、分子模型搭建、分子动态合成与分解、烃章的 分子结构演示、反应过程演示、自主选择化学实验仪器、分子化学式动态变化 等为主要功能的三维虚拟化学分子实验室，整个系统采用以3 d m a x 建模， 导入到v i r t o o l s 中，提高了平台的安全性和可维护性。在该系统中，自主学习 模块主要以文字、图片、声音、视频、三维动画、三维模式等多种方式来实现 教师演示实验、学生自主学习等学习功能和学习模式。另外，典型分子模拟实 验学习模块以甲烷、乙烯、乙炔、苯以主要对象，分别展示了这几种分子的三 维模型，并将其中所涉及到的主要实验进行了模拟，另外将化学反应方程式进 行了动态模拟的效果，帮助学习者理解相关知识。在各个场景之间的切换，采 用场景管理技术，充分利用v i r t o o l s 提供的阶层消去法、入口系统和阻挡物消 去法，并将各场景导入到建立的a r r a y 中，使各个场景能很好地响应。在烃一 章中，以其中具有代表性的甲烷、乙炔、乙烯、苯，分别构建其中分子的不同 模型，并演示甲烷的取代反应、乙炔的加成反应、消去反应、乙烯的氧化和取 代反应，以及苯的取代反应，以及他们所对应的化学反应方程式的演变过程， 寓娱乐于学习过程之中。本平台的开发主要是针对当前化学分子教学中存在的 不足，依据教师教学演示和学生自主学习的混合学习模式，结合行为主义理论， 认知主义学习理论，建构主义学习理论和情境学习理论等，将虚拟现实技术与 化学教学有机结合起来，采用多种媒体手段，提高教学质量，激发学生学习兴 趣。 1 0 第三章三维虚拟化学分子实验室的设计 3 1 探究性实验设计的原则 化学分子结构演示实验是由教师进行示范操作化学分子结构的展示，包括 分子结构的空间充满模型、球棍模型、线性模型和棍形模型，通过展示这四种 模型，从而指导学生进行观察和思考分子结构，从而深入地认识分子的物理性 质和化学性质的实验。这种演示模式使它在化学教学中得到广泛的应用、并且 也能通过这种教学模式使学生由理性认识提升到感性认识，从而获得“生动的 直观。因此，利用分子结构演示实验使学生认识分子物质的相关性质有利于 教师对于分子性质基础知识的讲授，并由学生实际操作组装分子结构，锻炼和 培养学生操作技能，达到激发学生学习化学的兴趣都有重要的作用。在现有条 件下，演示实验仍是目前中学化学实验教学中一种有效形式。 ( 一) 理论知识和实验方法论一致性 在虚拟实验设计化学分子结构学习的过程中，应该严格遵行演示实验的反 应原理、操作程序和方法等，达到化学理论知识和实验方法论一致性【1 6 】。 ( 二) 目的性原则 在设计演示实验的过程中，设计者必须做到对于实验设计的目的、实验步 骤、实验现象、实验步骤有清楚的认测1 7 】。设计者通过提出实验问题、解决 实验问题、展示实验现象、示范实验操作、明确实验仪器和实验药品，循序渐 进地采用启发式的教学方式诱导学生积极思考得出实验结论等。并且能够结合 教学目标所要求知识技能要求，学习的重点、难点知识的教学设计演示实验。 ( 三) 启发性原则 教师所设计的演示实验时应采，用多种方式诱导学生积极思考，把本章、 本节、综合的进行考虑，使多种教学内容进行有机地结合，一方面要直观地展 示教学内容，另一方面还要提高学生自己发现问题、自己解决问题的能力，从 而充分地体现实验的智力价值1 1 州。 ( 四) 优化性原则 由于虚拟实验的优点是简化化学实验的操作，将实验的装置和方法尽可能 简化，缩短观察到化学实验现象的时间，因此，在设计虚拟化学实验的过程中 应尽量减少实验的时间，简化实验步骤和药品，优化实验方法，使学生在较短 的时间内能观察到明显的现象。 ( 五) 趣味性和知识性结合 在设计虚拟演示实验的过程中，不仅考虑到知识传递的效果，并且要设计 带有趣味性的教学环节，将知识性和艺术性、趣味性结合起来，激发学生学习 化学的学习兴趣，使他们把对学习化学的趣味性和知识性进行有机地结合【1 9 】。 ( 六) 安全性原则 在设计演示实验的过程中，因为避免了使用有毒药品和进行具有一定危险 性的实验操作。但是教师在进行虚拟实验时，要着重强调设计的演示实验必须 避免有不安全因素( 如易爆、易燃、剧毒、有刺激性气体及有毒气体等) 【2 0 】。另 外，要了解可采取哪些措施消除不安全因素。第三，还必须注意实验操作要规 范。这样可以使学生在实际操作的过程中，按照规范的实验操作步骤和操作方 法、有意识地避免不安全因素，积极采取消除不安全因素的措施进行处理。 3 2 平台主要模块设计 虚拟实验软件按照其用途可分为两类，即用于帮助学生理解化学理论、了 解实验装置原理等内容的和专门用于展示实验现象的【碉。这两类软件有明显 不同的特征：以展示实验现象为目的的软件总是要求画面接近于真实，越接近 于真实效果越好，为此有时还会插入实验录像片断；而用于化学理论和原理等 抽象内容的教学软件通常只要求做到“神似即可，画面大多与实际情况相差 甚远。此外，目前几乎所有的教学软件都是为了某一个特定的课题而设计、制 作的，因此只适用于特定内容的教掣z 3 1 。该系统模块主要包括分子模型展示、 分子模型搭建、分子合成与分解动态演示、典型分子化学反应模拟演示，在目 前的绝大多数虚拟实验室绝大多数教学软件在教学内容上的这种单一性实际 上限制了学生在学习过程中的自主探究活动和教师在教学过程中的灵活处置 1 2 能力，即学生无法使用某一个软件按照自己的意愿去探索与教学软件中原先所 设定的情况略有不同的某种反应或某种操作的结果，教师也无法在教学过程中 临时改变教学内容以适应学生的实际需要。使帮助学生理解化学原理的虚拟 实验更逼真、使一个软件能适应多个不同的课题、使教学软件具有一定程度的 开放性以便能够用于学生的自主探究活动，这就对教学软件的设计、制作提出 了更高的要求。三维虚拟化学分子虚拟实验室适用范围较广、能在一定程度上 满足学生自主探究活动需要的软件【2 4 】。该系统因其与使用者之间互动的设计， 使得这类教学软件的适应性很强，无论是学生的自主探究过程还是课堂上的集 体教学活动都可以选用，因而是大有发展前途的一类教学软件。系统总体功能 模块结构框架如图3 1 所示。 3 2 1 分子模型展示模块设计 图3 - 1 系统总体功能图 分子结构展示是虚拟化学分子实验室基本功能之一。根据建构主义学习 理论，媒体不再是帮助教师传授知识的手段、方法，而是用于创设情境、进行 协作学习和会话交流，即作为学习者主动学习、协作式探索的认识工具【2 5 】。 创设各种理想的学习情境，更能促进学习者对知识的意义建构。通过展示分子 立体结构可使分子结构形象化、动态化、具体化，从而大大强化了认识的深刻 性。分子模型展示模块中，用户可以实现自主、自助等多种学习方式，从而增 加用户对分子结构的理性认识和感性认识，该模块的结构参看图3 2 所示。同 时，深入研究网络平台与音频、视频、三维动画的融合技术，充分利用v i r t o o l s 、 3 d s m a x 等技术开发适用、易用、多样化的学习资源，分子结构展示模块的 设计难点是既要为用户提供友好的操作界面，方便用户观察分子结构，同时又 要考虑分子载入载出的过程中不要导致系统负载过大，而影响系统运行速度。 本模块所设计的展示效果是：学习者可以通过工具栏提供的下拉菜单方便地切 换分子的四种模型包括球棍模型、空间充满模型、线性模型、棍形模型，便于 用户从四种模型的角度认识分子结构，既便于用户区分同一种分子的四种模 型，又便于比较不同分子的同一模型。用户可以框选或用按下c t r l 键配合鼠标 左键的方式同时选中多个分子模型，再选中的分子模型进行统一的操作。当鼠 标悬停在分子模型上时，显示分子对应的中文名称，确保用户能将分子结构和 分子名称一一对应。用户选中分子模型，点击功能面板中的旋转按钮，则可以 实现该分子模型在x y z 的旋转，以便于用户多维度的观看分子模型，帮助用 户从不同角度认识分子模型，从而对分子的键长和键角有进一步的认识，由于 本系统提供的分子模型较多，如果分子陈列得没有条理，则不便于用户的观察， 系统在功能面板中提供了删除按钮，用户选中分子模型，再点击功能面板中的 删除按钮，则可将选中的分子模型删除。系统配置有分子结构讲解和背景音乐， 使学习者在优美的音乐和精炼的讲解中不知不觉接受知识内涵，以其丰富的感 染力激发学习者兴趣 还可以查看该分子模型所对应的物理性质和化学性质的相关介绍，以改 变过去那种呆板的文字灌输式教学模式。分子结构展示是三维虚拟化学分子实 验室基本功能之一。根据建构主义学习理论，媒体不再是帮助教师传授知识的 手段、方法，而是用于创设情境、进行协作学习和会话交流，即作为学习者主 动学习、协作式探索的认识工具【2 6 j 。创设各种理想的学习情境，更能促进学 习者对知识的意义建构。通过展示分子立体结构可使分子结构形象化、动态化、 具体化，从而大大强化了认识的深刻性。 1 4 图3 - 2 分子模型展示模块功能结构图 3 2 2 分子模型搭建模块设计 化学分子组装功能根据创新性学习理论设计，为学习者提供生动、逼真 的学习环境，学习者能够成为虚拟环境的一名参与者，在虚拟环境中扮演一个 角色，在学习过程中提出的各种分子结构假设，并通过虚拟系统直观地观察到 这一假设所产生的结果或效果【z 7 】。采用这种方式进行探索学习，有利于激发 学生的创造性思维，培养学生的创新能力，使用户对分子结构有深刻理解和规 律性的认识。实验组装前有实验指导，动画演示整个实验操作过程的同时并有 实验原理、实验目的以及实验步骤和注意事项的解说。这样，用户在聆听教师 讲解实验介绍的同时观看实验操作过程，达到与传统的实验演示环节相似的实 验效果。 分子模型搭建模块中，用户可以实现自主学习模式，从而增加了学习中的 趣味性，并使用户在自己组装分子结构的过程中，对分子任意选择功能面板中 提供的原子或基团，用户选择后即可在界面中出现对应的原子和基团的模型， 使用户有一个即时的认识，同时出现原子和基团相应的化学键，如果可以继续 进行组装的部分则以红色标注出来，如果不能继续进行组装的部分则不标注， 接下来用户可以选择功能面板上的查看分子式的按钮，连接在对应的化学键 上，组装完成后，则立即实时出现相应的分子模型，用户通过这种方式，可以 实时查看自己组装分子模型所对应的分子式，点击分子介绍的按钮，可以实时 查看自己组装分子模型对应的物理性质和化学性质，以达到加深印象的目的。 该系统根据v i r t o o l s 提供的阵列功能，实现该模块的功能。 图3 - 3 分子模型搭建模块功能结构图 3 2 3 分子动态合成与分解模块设计 虚拟化学分子动态合成与分解是虚拟化学分子实验