三维虚拟技术在物质结构教学中应用初探

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1、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：木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

2、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一一缺乏空间想象能力！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

3、智力Z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；围棋犬师对布局、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

4、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VirtualRealityModelingLanguage（简称VRML）,虚拟现实技术是一项近I•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

5、都交给鼠标，实吋调控，主动权完全掌握在使用者而不是设计者手中一一VRML这种强大的交互功能正是目前利用FLASH或3dsmax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.3dsmax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！富勒烯分子是一种由60个碳原子构成的分子，形似足球，球面由12个五边形和20个六边形构成。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，女口C

6、ult3D、ShockWave3D.Viewpoint等,木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）：图2Cult3DI作流程其中建模后导出为lc3d格式文件需要的Cult3DExporter插件、浏览lco格式文件需要的Cult3DPlayer插件及设计需要的Cult3DDesigner软件均可从Cult3D官方网站http://www.cult3d.com/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lco格式文件即可：在你机器上

7、安装一次Cult3DPlayer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教学案例一一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

8、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