三维虚拟技术在物质结构教学中应用初探.doc

三维虚拟技术在物质结构教学中的应用初探黄剑芳（福建省福州第一中学化学组，福建福州，350001）摘要：本文针对目前中学物质结构教学水平比较薄弱、手段缺乏的现状，强调了物质结构教学对培养学生空间想象能力的重要性，简要介绍了三维虚拟（VRML）技术的特点与实现，通过对甲烷分子空间结构片段教学案例的分析，倡导将VRML技术这一强大有力的手段应用于物质结构教学的实践，最后从教材的角度、教与学的角度、社会发展对人才需求的角度以及虚拟技术发展前景的角度分析了VRML技术应用于学科教学的必要性。关键词：三维虚拟（VRML）技术 物质结构教学 空间想象能力 三维虚拟模型大多数中学化学教师都有这样的体会：许多学生看不懂化学教科书中的晶体或分子模型的结构示意图，因此有关物质结构知识的教学始终是块难啃的骨头，据统计，在历年高考化学或化学竞赛的试题中，涉及物质微观结构的试题得分普遍偏低，不少应试者缺乏此类试题的解题能力，这也是为何许多学过高中的成年人看不懂房屋结构的平面投影图的原因缺乏空间想象能力！中学化学研究物质结构，本质上是提高学生的空间想象能力。据美国心理学家加德纳的说法，人的智力可分成音乐智力、言语智力、数理逻辑智力、身体运动智力、空间想象智力、人际交流智力、个人内在智力七种，即空间想象能力是人应有的7种智力之一，它包括从简单的找寻回家的路到解决复杂航行问题的能力；它也是摄影家、画家等视觉艺术家、建筑学家具有的才能；围棋大师对布局、棋形、定式的直觉无不与空间想象能力有关；数学上解几何学问题，除了逻辑推理，也需要有空间想象能力。长期以来，中学化学教学一直忽视对学生空间想象能力的培养。其原因之一，可能是缺乏认识，认识不到立体知识对学生智力发展的长远影响；其另一原因，则可能是缺乏手段。事实上培养学生的空间想象能力跟培养逻辑能力、言语能力、交流能力等等一样，是需要通过操作训练的，为此，我们就需要有手段来实现，笔者认为，三维虚拟技术可能是一种值得重视和推荐的手段。1 三维虚拟技术与物质结构的教学1.1 三维虚拟技术特点何谓三维虚拟技术？三维虚拟技术即虚拟现实建模语言，英文称为Virtual Reality Modeling Language（简称VRML），虚拟现实技术是一项近十几年悄然兴起的涉及众多学科门类的高新实用技术。它利用计算机及虚拟现实造型语言（VRML）或其他多种技术生成一个逼真的视、听、触觉一体化的三维虚拟环境，使参与者获得与现实一样的感觉。在虚拟现实世界中，我们用鼠标即可对结构模型进行随心所欲的平移、滚动、旋转、缩放、变形、增添或删除原子及触动预先设置的动画等操作（图1），把所有的动作都交给鼠标，实时调控，主动权完全掌握在使用者而不是设计者手中VRML这种强大的交互功能正是目前利用FLASH或3ds max 等主流教学软件制作成的微观结构模型动画难以实现却是物质结构教学最需要的，它兼有FLASH、3ds max等软件开发出的产品最大优点：文件尺寸极小但立体质感极强，又独具强大的3D交互性，因而常使不少第一次使用该类技术软件的教师惊讶、叹服！图1 三维虚拟浏览器中富勒烯分子结构模型1.2 三维虚拟技术的实现目前有多种软件可实现三维虚拟技术，如Cult3D、ShockWave 3D、Viewpoint等，本文仅以具有强大交互功能的Cult3D为例简要说明其工作流程（图2）：3ds max或Maya建模Cult3D Exporter插件*.c3d导出导入用Cult3D Designer导入3D建模的模型，加入交互功能与控制模块导出*.coCult3D Player插件Internet上发布Adobe Acrobat上发布PowerPoint上发布Director上发布发布*.c3p保存图2 Cult3D工作流程其中建模后导出为*.c3d格式文件需要的Cult3D Exporter插件、浏览*.co格式文件需要的Cult3D Player插件及设计需要的Cult3D Designer软件均可从Cult3D官方网站/下载（插件免费）。考虑到微观结构的建模与交互设计需较专业的知识与大量时间精力，故对一般教师而言，只要会使用Cult3D导出的可执行的*.co格式文件即可：在你机器上安装一次Cult3D Player插件，用IE浏览器或PowerPoint等均可打开运行这种格式的文件，笔者设计的虚拟模型常用操作提示如下（表1）：表1 三维虚拟模型常用操作操作功能操作功能鼠标左键旋转鼠标右键缩放同时按住鼠标左右键平移字母键R复位1.3 教学案例甲烷分子空间结构的片断教学设计【教学软件】甲烷及氯代甲烷分子结构三维虚拟模型。软件功能：可演示甲烷分子球棍、比例模型与一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷及四氯甲烷分子的球棍模型。操作帮助：（1）常用操作提示见表1。（2）在比例模型中单击碳原子，“球”动态变形减小，“球”与“球”之间出现连接的“球棍”，由此得到甲烷的球棍模型；在球棍模型中单击碳原子，可将模型中的“棍”删除，“球”动态变形增大，球棍模型动态转化为比例模型。（3）单击任意一个碳氢键可用氯原子取代对应的氢原子；单击任意一个碳氯键上的氯原子可用氢原子取代对应的氯原子。【教学设计流程】1、登录互联网，打开甲烷及氯代甲烷分子结构模型2、观察甲烷分子比例模型（图4）3、切换为球棍模型，观察甲烷分子球棍模型（图5）4、通过操作帮助构建并观察一氯甲烷分子球棍模型（图6）5、按图7显示的二氯甲烷二维结构式构建并观察其三维结构，注意分辨图7显示的两种结构在三维空间是否等效（图8）6、经讨论归纳出甲烷分子主要结构特点图3 甲烷分子空间结构教学设计流程【教学设计意图】表2 甲烷分子空间结构教学设计意图流程编号相关图片设计意图1三维虚拟模型基于网络环境运行，最适合设计为网络环境下教师引导，学生自主、探究、合作的学习模式。2图4相对球棍模型，比例模型更接近分子真实的微观形态，软件运行先显示比例模型主要让学生有“先入为主”的印象。3图5切换为球棍模型，便于观察甲烷分子的空间构型及共价键性质（如键角等）。4图6观察氯原子是沿碳氢键原有方向取代氢原子的，故氯代甲烷分子中的键角与甲烷分子中键角均为10928。流程45的设计目的是利用技术长处将甲烷化学性质与结构教学有机融为一体。5图7在通过对三维虚拟模型的观察和感受、使学生建立正确规范的空间想像能力后，再让学生将二氯甲烷二维结构式转化为三维结构，这样不仅深化对甲烷正四面体空间特点的认识，更重要的是培养学生通过对二维结构图像的观察获取三维信息的能力，提高空间想象能力。图86培养学生通过网络相互合作、交流表达及科学探究等的能力。【教学体会】甲烷分子的空间结构不仅是烷烃分子空间结构的基础，甚至影响到整个有机分子空间结构的教学，因此掌握甲烷分子的空间结构对有机化学的学习是很重要的，现实情况如何？不容乐观！例如教学中常发现不少学生对图7中的二氯甲烷判断为二种不同结构，什么原因呢？可能是学生根本没见过甲烷分子三维结构模型，见到的只是课本中“平面化”模型；也可能他见过甲烷分子三维结构模型，但只有一次，而且只是远远见老师在操纵，自己没机会“亲密”接触，所以印象不够深刻；还有可能他知道甲烷分子三维结构模型，但不明白氯原子是沿碳氢键原有方向取代氢原子（这一过程用传统模型不易演示）等一些原因造成的。笔者以为物质结构教学合理的顺序应为：三维模型二维图形三维世界，即从三维模型中提炼空间感受能力，这样在观察二维图形时也能将模型立体化，而这一切最终是为了探索未知的微观三维世界；但课本立体感不强的二维图形强悍的影响及传统模型使用、管理上的局限性等原因导致物质结构教学的顺序被迫改为：二维图形三维模型二维图形，即客观原因造成初学者必须先依靠课本等材料中的大量二维图形去想象他们知之甚少的三维世界，这种先入为主的训练结果可能导致学生三维世界怎么看都是二维的，这对培养学生的空间想象力、探索未知微观三维世界产生的消极影响是显而易见的。在电脑日益普及的今天，有一个大小仅为25K的甲烷及氯代甲烷分子三维虚拟模型，就能快速得到二氯甲烷的分子结构（图8），通过鼠标调整从各个角度观察，所谓图7的“二种结构”根本就是同一种物质，从而加深对甲烷呈正四面体空间结构特点的理解。鉴于篇幅，其它案例不再一一分析，笔者教学实践证明，利用VRML技术构建互动性的晶体与分子三维结构模型，通过删除或插入原子演示相关分子（或晶体）之间的转化，设计变形动画揭密微观反应机理，结合网络技术开发自主学习课程等措施使物质结构教学面貌焕然一新，取得事半功倍的良好教学效果。2 三维虚拟技术教学应用的意义2.1 从教材的角度来看，目前国内大多数教材（包括各版本的新教材）中的物质微观结构模型仍采用立体感并不强的二维图形表示，与二维图形相比，三维虚拟图形能更逼真反映出微观晶体与分子的结构形态，激发学生的学习兴趣和想象力，规范学生对微观世界的认识，提高学生的空间感受能力。图9是人民教育出版社出版的经全国中小学教材审定委员会2002年审定通过的全日制普通高级中学化学教科书（必修加选修）第三册第2页中的CsCl晶体结构模型，图1012是利用计算机三维虚拟技术制作的CsCl晶体结构模型，通过对比不难发现虚拟模型的优点。特别说明一点，少部分传统模型为了能让模型“立”稳，在微粒间没有化学键的部位也用材料固定（实线连接），这常使学生产生误解，虚拟模型完全可以避免这种“尴尬”。 图9 教科书中CsCl的晶体结构模型 图10 CsCl晶格三维虚拟模型 图11 CsCl晶胞三维虚拟模型 图12 CsCl晶胞三维虚拟模型现代高科技手段已经能让人们“看清”分子或晶体的真实面目，如图13是用扫描隧道显微镜获得的苯分子的图像，而图14是作为对比的苯分子的三维虚拟模型，显然，从可比性来看，虚拟模型更接近真实分子形态，而不是教科书上的模型，如果我们一开始就使用教科书上的模型来规范学生对微观世界的认识，会不会有“误导”的倾向呢？信息技术的发展已经完全能够让我们的教科书使用逼真三维虚拟模型，并建立相应的三维虚拟模型库的官方网站，不仅大大方便物质结构的教学特别是学生的自主学习，养成规范的物质结构认知顺序（三维模型二维图形三维世界），提高学生的空间感受能力，也有助于提高教育欠发达地区的教学水平，达到很好的在线教育效果。图13 用扫描隧道显微镜获得的苯分子的图像图14 苯分子的三维虚拟模型2.2 从教与学的角度来看，三维虚拟模型文件尺寸小（每个模块一般只有几个K到几十个K），基于网络运行，因此若将其设计成网络课件或课程，实现在网络环境下以教师为主导、学生为主体的自主学习方式，将大大降低物质结构教学的难度，提高教学的效率。大家知道，在传统的教学中，虽然教师与学生、学生与学生共在一个空间，但在教学中相互之间的交互性却极为有限，并且很难实现尊重和发展学生的个别差异。例如物质结构的传统教学往往是这样开展的：老师小心拿着（怕损坏）一个结构模型在讲台上讲解，几十个学生只能在远处观看（无法细致观察），一般没有自己动手操作的机会（因为没有那么多模型），结果是被动、低效地接受知识；若将三维虚拟模型放在网上，登录互联网后每位学生不仅均有一个可自由控制的模型（如果使用传统方式要达到相同效果，除非给每位学生都发放一个模型，这现实吗？），更重要的是有一个可自主选择相关信息加工并且相互间可以讨论、交流的网络课程学习环境，这样使学生有可能按照他们各自的实际情况来设计和安排学习，使学生真正成为学习的主体。许多实际经验告诉我们，做比听和说能接受更多的信息，使用具有3D交互功能的课件，学生可以在实际的动手操作中得到更多的体会，从而提高学习的效率。2.3 从社会发展对人才需求的角度来看，在知识经济时代，利用信息技术特别是网络技术迅速地筛选和获取信息、准确地鉴别信息的真伪、创造性地加工和处理信息的能力，高效率地阅读多媒体信息以及运用多媒体形式表达信息能力，已成为人才素质的重要内涵。利用三维虚拟技术开展基于网络课程的教学，有利于培养学生的这些新能力。2.4 从三维虚拟技术发展前景的角度来看，真正实现了虚拟现实，那么对整个人类的生活与发展将会发生很大的变革，使用者将获得与现实一样的感觉。我们可以设想这样一幅情景：当你戴上特制的头盔与手套后，你就发现你已置身于一家博物馆中，当你向前行走或者转头时，你所看见的景象也会随之改变，你可穿过大厅，推开前面的大门；而当你看见一件精美的展品时，你甚至可以上上下下、里里外外仔细地观摩这就是虚拟现实技术给你带来的一切近乎完美的真实感觉。如果我们将由X射线衍射或核磁共振等技术观察到的晶体或分子微观结构信息制作成“结构标本”，开设一个虚拟的“物质微观结构标本博物馆”，我们的学生还会害怕或厌烦这样的学习方式吗？虚拟现实技术还很年轻，在技术上仍处于探