【VR+化学】让物质结构与性质教学更简单！

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新教材中抽象的知识呈现

 NO.1 

一、概念抽象、理论复杂。

《物质结构与性质》由于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、微粒间作用力、晶体结构与性质等，对理解能力较差的学生来讲较难掌握这些基础理论。

 NO.2

二、知识缺乏直观的展示途径。

微粒结构的各种原理抽象晦涩，教学中仅仅依靠视频、图片等难以详尽地解释说明，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。离子晶体八面体空隙计算过程需求较强的空间立体几何基础，常规课堂上学生不容易理解。

 NO.3

三、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。例如，应用杂化轨道理论解释有机化合物的键角及共平面问题。

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“物质结构与性质”模块，基于一线教学实践，以学科素养为指导，以开放性、探究性、学科性为主要目标，提供了原子、分子结构与性质、晶体结构与性质等丰富的VR教学内容超90个。借助VR技术的沉浸式和交互性，可自由操作、互动性强，微观结构与原理可视化降低教学内容抽象性，促使学生反思原有概念模型的局限性，发展学生“证据推理与模型认知”等核心素养，同时可以在可视化学习各类抽象概念与理论的过程中更好地培养学生证据推理与模型认知的能力。

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，卢瑟福提出了“原子行星模型”，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。VR 技术为解决这一教学难题提供了较为高效的教学方法。

扁平化的教学板书增加理解难度

中学化学VR/3D虚拟仿真实验室中的“物质结构与性质”新模块，提供了1-40号原子的结构与性质，将常规教学中难以观察的原子的空间微观可视化，抽象晦涩的化学概念原理模型化、过程化。例如，老师在讲授电子云模型、轨道能级和形状时可打开“物质结构与性质”软件辅助形象生动地完成教学过程，更好地了解电子云的形状、各层电子轨道间的关系。

氮原子核外电子云分布以及原子轨道可视化

在原子轨道的教学中，学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，有助于培养学生宏观辨识与微观辨析的素养，提升推理与模型认知的能力。

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。传统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。

扁平化的教学板书增加理解难度

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，展示微观粒子之间的相互作用，需要指出的是，这些模型不能较为完美地显示微观粒子之间动态运动过程，更无法显示微观粒子的运动或灵活性，这使学生不得不想象它们的相互作用。所有微观粒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，非常适合用借助VR 软件开展教学。

借助VR技术的沉浸感与交互性，让学生能够打破空间的障碍，穿越至微观的未知空间中，直观地“探知”原子和分子所经历的动态过程。为学生创造了勤思乐学的沉浸式探究学习情境，助力自学学习能力、学科探究能力以及应用实践能力的综合提升。

晶体结构与性质具有一定的抽象性和复杂性，且需要很强的空间思维和逻辑思维能力。在各类晶体结构与性质学习中均需要较强的空间想象能力，比如对金属晶体和离子晶体的学习离不开配位数的研究，晶体中的配位数是指与中心离子（或原子）直接成键的离子（或原子）的数目，内容比较抽象，需要具备较深厚的空间立体几何知识功底，对学生难度极大。

扁平化的教学板书增加理解难度

将VR教学软件引入晶体结构教学中，可以360°全方位观察晶体结构，在三维空间内观察晶体不断变换层与层之间的堆积方式，将配位数、晶胞中的空隙数等的计算过程立体可视化、过程化。基于VR软件开展教学活动，不仅增强了学生的学习兴趣，培养了学生的空间思维能力，也有利于教师讲清所传授的知识，提高了课堂教学效率。

使用 VR技术能使抽象枯燥的晶体结构与性质专题知识形象化、具体化，将难懂的知识变得通俗易懂。不再让复杂的理论变为学生的学习负担，而是让学生发现物质结构的美感，愿意主动去学习和探究，实现喜欢学、主动学、自主学。

「物质结构与性质」