楊佳祎，孫可平

摘要： 化學研究的重要對象之一是復雜抽象的微觀世界，抽象的微觀事物常難以用語言表述?，F(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展提供了更深入理解復雜概念、復雜思維過程的可能性，有助于提高學生模型認知與建構(gòu)水平。基于近10年Journal of Chemical Education中相關(guān)文獻的分析，探討了3D打印技術(shù)、VR技術(shù)以及AR技術(shù)在中學化學物質(zhì)結(jié)構(gòu)建模教學中的運用。研究顯示，這些技術(shù)方法適用于復雜概念的理解、模型要素與關(guān)系的動態(tài)表征、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維空間可視化等模型的認知過程，以及思考探索過程與思維結(jié)果的表征、指導物質(zhì)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)關(guān)系的探究、提煉蘊含動態(tài)特征的觀念等模型的建構(gòu)過程。它們作為認知工具、交流工具和探究工具，在我國的化學教學中具有較廣闊的應用前景。

關(guān)鍵詞： 信息技術(shù)； 模型建構(gòu)； 物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學

文章編號： 1005-6629（2023）02-0026-07? ??中圖分類號： G633.8? ??文獻標識碼： B

化學教學過程中，如何讓學生在掌握學科核心知識的同時建立起解決問題的思維框架，離不開模型建構(gòu)這一重要方法。模型作為一種認識手段和思維方式，是將復雜原型進行抽象、簡化，并反映其本質(zhì)特征的一種表征方式?！澳Ｐ驼J知”是化學學科核心素養(yǎng)中強調(diào)科學思維的焦點之一，為科學地描述、解釋和預測物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的核心要素及其相互作用提供思想方法。信息技術(shù)的興起與進步為學生發(fā)展模型認知素養(yǎng)創(chuàng)造了條件。3D打印、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等技術(shù)的誕生，使“模型”得以呈現(xiàn)出真實的三維對象和操作體驗，可以作為重要的表征工具，表示出原子分子間的復雜關(guān)系。但信息技術(shù)在學生模型認知與建構(gòu)的過程中發(fā)揮了怎樣的作用，究竟如何支持思考過程和思維結(jié)果的可視化與可操作化呢？因此，關(guān)注與研究信息技術(shù)視角下化學物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的教育功能便成為值得我們深入思考的問題。

1? 基于信息技術(shù)的模型建構(gòu)方法

當下，模型及建模是信息化進程中教育技術(shù)發(fā)展研究的一個重要方向?！澳Ｐ驼J知”打破了機械、被動的傳統(tǒng)學習方式和以識記、領(lǐng)會為主要目標的傳統(tǒng)思維模式，進而獲得對概念中本質(zhì)特征與彼此聯(lián)系的深刻理解?？紤]到思維方法的滲透亦是科學概念教學的必備環(huán)節(jié)，因此在探討現(xiàn)代信息技術(shù)功能時，將從觀念模型的認知和建構(gòu)過程兩個方面來考察涉及物質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息化教學。從模型認知來看，信息技術(shù)能搭建微觀結(jié)構(gòu)與宏觀世界的認知橋梁，體現(xiàn)出事物及事物之間關(guān)系的本質(zhì)；從模型建構(gòu)來看，在模型要素識別和生成的基礎(chǔ)上，信息技術(shù)有助于表征學習者對事物及事物之間關(guān)系的思考探索過程。

為了解國外信息技術(shù)在物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)教學的實施情況，本研究聚焦于美國化學會雜志Journal of Chemical Education（以下簡稱JCE），以“結(jié)構(gòu)模型”“信息技術(shù)”和“教育”（structure model， information technology and education）為關(guān)鍵詞，時間范圍設(shè)為“2012—2022”，共檢索到文獻537篇，剔除與物質(zhì)結(jié)構(gòu)無關(guān)或是偏向科研等知識難度過大的文獻，篩選出適合中學化學教學的文獻32篇。其中16篇為運用3D打印技術(shù)制作模型、5篇為運用虛擬現(xiàn)實VR技術(shù)感知和變動模型、11篇為運用增強現(xiàn)實AR技術(shù)觀察和操作模型。

2? 凸顯復雜概念的模型理解和表征——3D打印技術(shù)

2.1? 3D打印技術(shù)與化學粒子的微觀模型

3D打印是通過逐層添加材料來構(gòu)建3D物體的技術(shù)。以掃描實物獲取3D數(shù)據(jù)后生成的或計算機輔助軟件設(shè)計的或開放數(shù)據(jù)庫中可直接調(diào)用的數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，由3D打印機將耗材逐層噴涂或熔結(jié)至三維空間中，從而獲得實物模型。3D打印實現(xiàn)了“設(shè)計即生產(chǎn)”的創(chuàng)想，具有快速成型的優(yōu)點，在解決實物模型復雜性和多樣性的同時，支持更有創(chuàng)意的設(shè)計與生成。

從物質(zhì)結(jié)構(gòu)類型上看，3D打印技術(shù)可用于制作原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、粒子間作用力及晶體結(jié)構(gòu)的模型。基于此，筆者對JCE中有關(guān)文獻進行整理歸類，得到常見的3D打印模型見表1。這類模型既可以一體成型，也可以由打印的零件組裝而成，如泡克斯特利斯（Paukstelis）［1］開發(fā)MolPrint3D插件，用于將分子分裂成片段，并在片段間添加銷和孔以進行組裝。

2.2? 應用于理解復雜概念的3D打印模型

化學概念是將化學事實經(jīng)過分析與概括后得到的理論知識，屬于一種抽象的高級思維形式?！拔镔|(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊強調(diào)微觀和抽象的概念知識的認識過程，其大多學習內(nèi)容無法用肉眼直接獲取感性知識，也難以從宏觀現(xiàn)象判斷出其內(nèi)在的本質(zhì)特性。作為一種可視化工具，3D打印模型能幫助學生抓住概念中的構(gòu)成要素及各種關(guān)系，將肉眼無法看到的微粒構(gòu)成、空間結(jié)構(gòu)、相互作用等視覺化地表現(xiàn)出來，促進了學生對模型的認知。

借助3D打印模型認識玻爾原子結(jié)構(gòu)，將從微觀層面完善對原子核與核外電子的認識，從宏觀層面明晰要素的符號表征方式，豐富概念的內(nèi)涵和外延。斯米爾（Karen Smiar）等人打印了由紅色原子核、白色軌道與藍色電子三部分組成的原子結(jié)構(gòu)模型［17］，讓學生直觀感受到概念中各要素與結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，如圓圈代表原子核，弧線代表電子層等。教師也能通過學生的作品或作業(yè)評判其模型認知的程度，識別易犯的錯誤并及時根據(jù)學生的操作狀況調(diào)整教學內(nèi)容。

對鍵極性及其對電子密度的影響的學習是一個極為抽象的過程。電負性的存在使原子顯示出不同的半徑，為了說明這種效應，斯米爾（Karen Smiar）制作了圖1所示的分子模型［18］。由于兩種原子大小相差不大，打印時尺寸幾乎相同，但由于3D打印能通過參數(shù)設(shè)定，進而改變材料密度，學生很容易識別出重量的差異，豐富了視覺與觸覺等多種感官知覺體驗。

使用3D打印模型來表示原子分子間的復雜關(guān)系，突破化學表征與認知障礙，促進抽象的化學概念的感知與理解。通過操作模型，學生在掌握相關(guān)理論知識的基礎(chǔ)上，充分調(diào)動設(shè)計思維與創(chuàng)新意識，對理解微觀世界中微粒之間的關(guān)系大有裨益。

2.3? 應用于表征思考過程的3D打印模型

化學是建立在微觀抽象的原子、分子水平上的一門中心學科，只有從分子原子層面去理解化學，才能深入理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，體會微粒間的復雜關(guān)系，但將模型作為結(jié)果直接呈現(xiàn)，容易忽視科學發(fā)展過程中蘊含的思維過程和思想方法，同樣不利于深入理解概念的特性及其相互關(guān)系。而3D打印技術(shù)離不開參數(shù)設(shè)計，輸入的參數(shù)又來源于模型的本質(zhì)特征，可見這一技術(shù)強調(diào)對于模型核心要素及相互關(guān)系的把握，并通過打印的手段將思考過程表征出來。

為了在化學課堂中實現(xiàn)思考過程的表征，研究者們進行了廣泛的探索，從學生思維活動和師生相互作用兩方面為落實建模教學提供了抓手與參考。下面以“雜化軌道（HO）理論”與“價層電子對互斥（VSEPR）理論”為例闡述基于3D打印技術(shù)的建模教學。

雜化軌道理論的學習對于理解分子的立體空間結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，但教材圖片或傳統(tǒng)模型未進行充分描述。斯米爾（Karen Smiar）引導學生從丙烯模型出發(fā)，識別其成鍵方式和碳原子的雜化類型，鼓勵學生用傳統(tǒng)模型和顯示雜化的新套件制作對應結(jié)構(gòu)［19］，這一過程涉及演繹與類比等思維活動，有利于快速認識理論要點，允許學生將想法進行“試誤”。但此時學生的模型認知素養(yǎng)發(fā)展更傾向于課標的前兩個水平。狄恩（Dean）提出的基于3D打印筆的VSEPR理論教學方法（圖2）［20］，學生據(jù)此設(shè)計并組裝VSEPR模型，從而識別模型中孤對與成鍵電子數(shù)目、分子類型、電子對構(gòu)型、分子構(gòu)型等要素，這一過程涉及歸納與概括等思維活動，任務具有挑戰(zhàn)性。模型不單為講解而設(shè)計，更是幫助學生形成分子空間構(gòu)型判斷的一般思路和方法，借此體驗化學抽象內(nèi)容的“模型化”建構(gòu)過程。

可以看出，3D打印在帶來科學可視化的同時，也使思考過程“可視化”，呈現(xiàn)出解決問題的思維路徑。教師有意識地使用模型，引導學生經(jīng)歷科學家們的思考過程，在認識模型中所蘊含的本質(zhì)特性及相互作用的基礎(chǔ)上，嘗試建立模型來解決問題。

3? 增強沉浸感與動態(tài)理解力——VR技術(shù)

3.1? 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality， VR）也稱人工環(huán)境，是借助計算機系統(tǒng)及顯示器、傳感器等手段模擬虛擬環(huán)境，給人以近乎真實情境的感受。常見VR系統(tǒng)可分為頭戴式及洞穴式兩類［21］。以觸覺輸入為核心，使用者通過頭盔、手柄等實現(xiàn)與虛擬世界中物體的交互，同時結(jié)合多通道視景同步技術(shù)和立體顯示技術(shù)，使學生獲得多感官的直觀且真實的感知，在豐富學習方式的同時，滿足個性化的學習偏好。從VR系統(tǒng)的適用范圍角度看，學者的相關(guān)研究不僅限于構(gòu)建和操作分子原子的結(jié)構(gòu)模型［22］，還可用于模擬原子電子云的形成［23］、微粒間的相互作用［24］、化學反應［25］等基于交互式分子動力學的動態(tài)過程。

3.2? VR模型體現(xiàn)要素與關(guān)系的動態(tài)變化

物質(zhì)結(jié)構(gòu)往往缺少直觀的展示途徑，靜態(tài)的圖片、板書等無法展示物質(zhì)的空間立體構(gòu)型，也難以借助實驗手段說明反應過程，加上學生的知識水平與空間想象能力的不足，難以理解微觀世界的各種變化。沉浸式VR技術(shù)可為解決上述教學難點提供突破途徑：其一是支持逼真的動態(tài)反饋功能，呈現(xiàn)模型要素與關(guān)系的動態(tài)變化；其二是將原子結(jié)構(gòu)與化學語言表征聯(lián)系起來，明晰特定的表達形式與要素的關(guān)系。

涉及“原子核外電子運動狀態(tài)”內(nèi)容的化學課堂中，傳統(tǒng)教學采用剖面示意圖介紹電子云形狀，學生容易誤認為小黑點即為核外電子；又可能在概念學習后，仍無法正確書寫元素原子的核外電子排布式和軌道表示式，這是因為還未形成電子的能量和軌道與運動狀態(tài)之間的關(guān)系。

因此，識別并表述模型要素及要素間的關(guān)系顯得尤為重要。MEL Chemistry VR系統(tǒng)提供了構(gòu)建原子結(jié)構(gòu)模型的機會［26］，以氧原子為例（圖3），學生依次組裝原子核、添加電子數(shù)，并觀察電子出現(xiàn)的空間。與此同時，

屏幕右側(cè)將同步顯示電子所處軌道與自旋方向，有助于學生認識軌道的不同大小、形狀和能量。

具體而言，學生模擬和觀察要素變化時，同步顯示對應的結(jié)構(gòu)變化與電子軌道，VR模型起到了解釋和預測的作用。我國學者李嘉［27］設(shè)計了VR動畫幫助學生沉浸式探索NH3分子與CH4分子中鍵角差異的原因。VR系統(tǒng)又展現(xiàn)出分子原子水平的強大交互性，支持學生探索微觀結(jié)構(gòu)，進而拓展他們的微觀認知。

3.3? VR模型有助于提煉觀念模型

何為建模，科學教育領(lǐng)域普遍認同建模是產(chǎn)生科學模型的一個動態(tài)過程［28］，旨在培養(yǎng)科學、系統(tǒng)的思維方法。構(gòu)建物質(zhì)結(jié)構(gòu)的觀念模型要貫穿“變”和“動”的思想，體現(xiàn)變化規(guī)律和動態(tài)特征。VR系統(tǒng)將學生置于真實與沉浸的學習環(huán)境中，清晰地表征出動態(tài)的化學反應體系，將微粒的變化過程或元素存在形式的轉(zhuǎn)化過程進行可視化呈現(xiàn)［29］，便于深入理解化學抽象概念與反應的微觀實質(zhì)。

復雜抽象知識的學習要注重提煉觀念模型。虛擬現(xiàn)實情境提供微觀表征等證據(jù)素材，支持學生形成依據(jù)證據(jù)信息建構(gòu)模型的能力，建立解決復雜化學問題的思維框架。軟件Manta［30］中嵌入的MD模擬器（molecular dynamics）允許學生通過手柄探索原子級別的化學反應，為燃燒反應提供更好的動力學感知和學習體驗，包括探究溫度如何影響化學反應速率（圖4）、分子間碰撞與新鍵形成的關(guān)系（圖5），等等。前者說明了化學鍵的斷裂與化學反應的關(guān)系，后者從空間因素與能量因素對分子間的有效碰撞作了很好的解釋。再者，如何在新情境下分析“碰撞”的發(fā)生是教學難點，而VR系統(tǒng)有助于提煉出有效分析此類問題的認知模型。最后，模型建構(gòu)的過程中強調(diào)手腦結(jié)合。VR用戶使用手柄與虛擬環(huán)境進行交互，肢體運動會激發(fā)大腦的內(nèi)在反應［31］，也進一步增強了學習者的動態(tài)理解力。

4? 用于空間結(jié)構(gòu)的表征與探究——AR技術(shù)

4.1? 增強現(xiàn)實AR技術(shù)與物質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的三維表征

增強現(xiàn)實（Augmented Reality， AR）是一種將虛擬信息用科學技術(shù)手段投射到真實場景中，以達到虛實結(jié)合甚至超越現(xiàn)實感受目的的一項技術(shù)。與VR雖名稱相近，但虛擬現(xiàn)實強調(diào)虛擬世界的創(chuàng)建與現(xiàn)實中人的投射，而增強現(xiàn)實是把計算機生成的虛擬3D對象集成并無縫疊加到真實環(huán)境中，虛與實相互補充、有機融合。AR的工作原理包含“設(shè)計—關(guān)聯(lián)—識別—疊加”四個步驟［32］，以虛擬3D對象與現(xiàn)實圖像標記的關(guān)聯(lián)為核心，實現(xiàn)虛擬3D對象在移動設(shè)備上的顯示。

國外研究者們基于模型建構(gòu)軟件，開發(fā)出許多AR應用程序，梳理JCE中的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，利用AR技術(shù)構(gòu)建的物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，既可以呈現(xiàn)物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，如原子結(jié)構(gòu)模型［33］、雜化軌道模型［34］、鍵長模型（圖6a）［35］、晶體結(jié)構(gòu)模型［36］，也可以呈現(xiàn)逐個原子的變化過程，如質(zhì)子的傳遞過程（圖6b）［37］、鈷晶胞的逐步構(gòu)建［38］等。同時，AR技術(shù)無需特殊設(shè)備，不受使用時間、場合和規(guī)模的限制，更能走出課堂幫助學生認識食品和家具中的化學成分［39］，“接觸”并探索元素合成物質(zhì)的可能性［40］。

4.2? AR技術(shù)促進空間結(jié)構(gòu)與分子概念的可視化

化學概念的學習離不開對空間結(jié)構(gòu)的理解?；瘜W存在各種復雜的空間關(guān)系，尤其如鍵長與鍵角、共線與共面等關(guān)系都與空間認知能力聯(lián)系緊密［41］。在實際化學教學中，僅借助二維平面表征物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，學習者難以把握分子的特征結(jié)構(gòu)與特定行為，導致空間關(guān)系的認知困難，不利于提高三維認知能力。

借助AR技術(shù)所呈現(xiàn)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型可交互可操作，學習者在觀察中獲得視覺線索，加深對三維空間關(guān)系的感知。在交互中充分發(fā)揮空間想象，促進抽象分子概念的理解。交互方式包括改變設(shè)備朝向，實現(xiàn)分子的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放［42］；也可以操作標記，進而豐富分子結(jié)構(gòu)與化學反應的觀察視角；又或者操作軟件界面，如使用NuPOV系統(tǒng)［43］時，用手指“發(fā)射”親核試劑模擬對分子的親核攻擊。學習過程中學生獲得感性材料，降低了思維難度，大大提高了教學效益。

科學學習的意義在于將科學概念與自身體驗建立聯(lián)系。AR模型特有的虛實結(jié)合情境與現(xiàn)實有更強的聯(lián)結(jié)，有力引發(fā)學生在泛在情境下獲得全方位的操作體驗?，F(xiàn)有AR軟件主要以兩種方式聯(lián)系現(xiàn)實，分別是基于標記（Marker）的識別和無標記的識別。前者使用預定義的2D圖像或二維碼作為“標記”來識別虛擬對象的位置，如臺灣學者邱美虹［44］等開發(fā)了含特定標識的AR撲克牌，用以輔助觀察有機分子的結(jié)構(gòu)特征，深入認識3D物質(zhì)與2D表征的相互轉(zhuǎn)化。而無標記的識別程序?qū)⑻摂M對象錨定于真實世界中，消除了用戶提前打印標記的需要，學生甚至可以在模型周圍走動以全方位查看分子結(jié)構(gòu)［45］，更具真實感。

4.3? AR技術(shù)指導性質(zhì)與結(jié)構(gòu)關(guān)系的探究

有效的信息技術(shù)應注重與理論模型的有機整合，幫助學習者從方法論角度建構(gòu)理解、描述和表示核心概念的認識思路。AR技術(shù)能將結(jié)構(gòu)中的隱性數(shù)據(jù)直觀化，將微觀模型與宏觀行為聯(lián)系起來，教師利用這一特性，引導學生分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系。如晶體的學習可以由物理性質(zhì)入手，再借助AR程序［46］探索不同晶體的堆積方式、堆積過程、配位數(shù)、空間利用率等問題，實現(xiàn)宏微表征的有機融合。我國李新義等人［47］也在有機化學教學中，運用AR技術(shù)幫助學生辨別乙烯與甲烷、乙烷的立體結(jié)構(gòu)，促進理解和解釋化學實驗現(xiàn)象。這些AR技術(shù)的使用不僅利于學生結(jié)構(gòu)知識的內(nèi)化，提升對概念及其要素的理解程度，而且對學習者建立“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的化學觀念也大有裨益。

當下的化學教學關(guān)注學生思維過程的外顯。不難發(fā)現(xiàn)，AR模型是一種很好的交流與探究工具，也成為了學生開展與傳達思維活動的基本單位。黃嘉麗（Carrie H.S. Wong）等人設(shè)計的有機物AR卡［48］是表達觀點的有效方法，卡中可嵌入的信息不僅僅限于IUPAC名稱、官能團、實例、結(jié)構(gòu)動畫等。由于學生要確定有機物的官能團或建構(gòu)指定化學式的結(jié)構(gòu)，在交流學習的機會中包括向同伴闡述自己的想法、闡述難以用言語表達的想法或拓展觀點想法等等，皆與“主動探索”的育人目標相契合。

5? 總結(jié)與展望

信息技術(shù)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的融合為化學教學未來的發(fā)展方向開辟了新的思路，將一種新型教育理念融入化學教學中，契合指向“模型認知”核心素養(yǎng)的化學教學實踐，有效促進模型認知與模型建構(gòu)過程。

對于學生而言，學會從復雜概念中把握特性及相互關(guān)系至關(guān)重要。信息技術(shù)增強型的學習環(huán)境提供了模型要素識別與理解的腳手架，滿足學生自主學習、協(xié)作學習的需要，在這一模式中教師既是“引導者”和“顧問”，也是學生情感的“激發(fā)者”和“保持者”。在教師的引導下，技術(shù)將作為教學工具，在幫助學生深入理解概念本質(zhì)的同時滲透思維方法的培養(yǎng)，實時反映學生在模型建構(gòu)與應用中的思維過程，幫助他們動態(tài)把握要素與關(guān)系的變化，學會在學習過程中不斷建立并應用思考模型解決問題，在結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相關(guān)聯(lián)的探究活動中進一步深化物質(zhì)的結(jié)構(gòu)觀。

目前這些技術(shù)的普及率不是很高，且需要一定的設(shè)備支持，在沒有先決知識的情況下，學術(shù)界開發(fā)的技術(shù)工具不適合直接作為教育工具。但隨著《中國教育現(xiàn)代化2035》等文件的頒布，加快落實信息化教育變革、實現(xiàn)“信息技術(shù)+教育”模式已成為戰(zhàn)略任務之一，國內(nèi)研究者們也開始更多地重視技術(shù)與教學的整合［49］，強調(diào)顯性信息技術(shù)下潛隱的技術(shù)思想。不可否認，這些信息技術(shù)手段具有廣闊的應用前景和發(fā)展趨勢，憑借其獨特的優(yōu)勢將為化學教育提供多種可能性，不僅促進學生模型建構(gòu)能力的培養(yǎng)、學科核心素養(yǎng)的提升，還將在促進概念理解、思維可視化、增強動態(tài)理解、促進三維認知等方面發(fā)揮積極作用。

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