虛擬現實技術在高等化學教育中的應用和探索

　　摘要：對于化學結構的理解是高等化學教育中的重要組成部分。在傳統的教育方式下，受限于可視化手段，學習和理解復雜的化學結構非常困難，因此學生在學習化學時會感覺晦澀難懂。在本項工作中，我們通過把虛擬現實(VR) 技術和分子動力學方法結合到一起，開發了交互式分子結構可視化工具Manta。Manta工具可以生動形象地展示微觀納米結構，同時允許學生與分子結構進行直接交互，修改和創建新的化學結構。借助高精度實時計算技術與沉浸式 VR技術，Manta帶領學生走進真實的分子世界，充分調動學習者的自主能動性，可以作為傳統教學的重要補充以促進高等化學教育的發展。

　　關鍵詞：虛擬現實;化學教育;分子動力學;反應力場;沉浸式教學

　　趙蕊; 陳東平; 初慶釗， 大學化學 發表時間：2021-11-17

　　1 引言

　　自20世紀中葉起，我國高等化學教育的內容在逐漸豐富，化學教育工具更是在不斷發展，應用日益廣泛。高等化學教育是圍繞化學反應開展教學，然而化學反應的教學實際上講述的是化學結構在反應過程中如何發生相應的變化，因此高等化學教育的核心是針對化學結構的教育(圖1)。在20世紀80年代，教師只能以圖片和結構模型的形式來進行化學結構的教學，這種教學方式不夠直觀，無法完全展現復雜立體的分子結構[1,2]。隨著多媒體三維結構展示工具的出現，極大地提高了教學效率，對于學生理解和掌握化學結構有很大的幫助，展示了教學工具對于高等化學教育的重要作用。然而，目前多數多媒體教學手段(包括現有的互聯網教育)屬于被動式教學，只能進行化學結構模型的展示，無法交互式地改變化學結構模型，不能有效地滿足學生的要求。

　　隨著計算機技術不斷的進步和發展，數字化教學逐漸占據了教學的主題，虛擬現實技術正在趨于完善，這種先進的可視化技術更是在不斷地應用到教育領域。虛擬現實技術屬于三維可視化技術，通過實現被觀測場景縱深的可視化，達到立體成像效果。我們團隊把虛擬現實技術引用到化學結構的教育中，開發了一種全新的教學工具(Manta)。這一工具不僅可以直觀立體地觀察化學結構，還可以實時與化學結構進行交互操作。我們通過小范圍課堂教學實測和實驗問卷調查，發現這種新型工具可以有效提高教學效率，增加學生對于化學結構的學習興趣和創造力。

　　2 虛擬現實技術的介紹

　　虛擬現實技術(VR)利用計算機生成虛擬環境，借助硬件設備使用戶沉浸到虛擬環境中。這種技術充分調動了人的各個感官，令人身臨其境。如圖2所示，操作人通過VR眼鏡進入虛擬世界，使用操作手柄與虛擬環境中的模擬物體進行交互。Manta把這一項先進的技術引入到化學結構教育中，加強學生對化學結構的理解，引起學生對學習的興趣，增強學生的創造力和想象力。Manta使得教學突破了傳統教學的時空局限性，利用VR技術讓學生在課堂中參與進來，實施推進式輔導教學[3]。

　　虛擬現實技術的實現需要使用專門的硬件設備。基礎硬件設備包含了一個頭戴式立體顯示器，兩個可用于交互的手柄，兩個激光定位器。其中顯示器和手柄使用的是HTC Vive的硬件設備(圖3)。激光定位器(圖4)主要通過空間位置掃描實現“操作人”的動作捕捉。在用戶端，使用SteamVR驅動虛擬現實的硬件設備。SteamVR軟件可以設置地面的位置和劃分出可以進行操作的物理區間，管理頭盔、定位器和手柄。當然通過SteamVR也可以將頭戴VR顯示器中的視角投影到筆記本電腦屏幕或者其他顯示器。

　　圖4中展示了虛擬現實設備的使用場景，可以看到測試者使用Manta工具與虛擬環境中的物體進行交互，其中測試者需要佩戴頭戴顯示器(頭盔)，左手和右手分別拿著手柄。測試者通過手柄上的功能鍵與虛擬空間中的物體進行交互。此外，測試者需要時刻停留在定位器劃分的區域中，定位器通過紅外線才能感知到測試者手柄的操作。數據連接線負責連接頭戴顯示器和筆記本電腦，可以將電腦渲染的空間信息投影到虛擬現實空間中。

　　HTC的硬件設備為虛擬現實技術應用到化學教育中提供了技術支撐，充分調動學生的各個感官 (視覺、聽覺和觸覺)，使得測試者可以身臨其境，感受到真實的虛擬物體，并與之進行交互[4,5]。學生可以充分地沉浸在課堂內容中，在課程內容中遨游和探索，使得抽象的結構可觸摸、可互動、可感知，激發學生學習的主觀能動性和學習興趣。

　　3 Manta工具的功能介紹及其原理

　　3.1 Manta工具使用功能介紹

　　Manta工具通過虛擬現實技術來探索分子體系的演化和運動。Manta客戶端使用Unity3D引擎來進行可視化渲染，服務端進行實時的分子動力學底層運算。通過虛擬現實設備進入已經創建的分子結構系統，可以與已經構建好的分子結構進行交互。測試人也可以在虛擬現實環境中獨立自行創建原子和分子結構，但需在底層分子動力學計算模塊中需要添加相應的原子力場來描述原子間相互作用力。在Manta工具中，測試人利用VR手柄上的功能鍵直接選擇單個或者一組原子，再通過肢體動作(手部動作)與虛擬環境中的分子進行交互，施加相應的作用力，從而實現用戶與分子動力學模擬器之間的交互。

　　圖5詳細展示了Manta中左手手柄上已經實現的主要功能，目前左手和右手手柄分別設計有不同的功能。圖中以左手手柄為例，其控制面板被分為一個“MENU”按鈕和五個功能區間。五個功能區間包含ROTATE、MOVE、SCALE、SELECT和MORE五種操作模式。在“MENU”按鈕中，繼承了一個單獨的控制面板，允許用戶調整System、Visualization、Elements、Molecule和Others五組不同設置。“System”選項可以控制模擬空間的溫度和力的大小(Force factor)，其中力的大小調整指用戶拖拽手柄時施加到原子上的相互作用力的大小;“Visualization”選項允許使用者選擇“VDW”和 “CPK”兩種化學結構可視化模式，同時還包含了周期性可視化顯示方式，即在X、Y、Z方向上復制晶胞結構;使用者可以在“Elements”中，通過添加和刪除原子功能，針對已有的分子結構進行修改，改變分子結構模型;“Molecule”選項則是控制分子的結構可視化，可以只顯示原子或者只顯示化學鍵，也允許原子和化學鍵同時顯示;“Others”選項包含可視化渲染的材質選擇，同時子選項 “Contrail”可以對所有原子的軌跡進行可視化。在ROTATE、MOVE和SCALE模式下，Manta分別支持用戶在虛擬環境中旋轉、平移和縮放分子體系，以實現便捷的可視化。在“SELECT”模式下，可以選擇單個特定的原子或一組原子進行進一步的相互作用，即施加相互作用力。我們進一步在 “MORE”模式下，實現了可以調整VR渲染步長的設置，此步長設置指VR可視化中每渲染1幀的信息所對應的分子動力學模擬計算的步數。換句話說，用戶可以通過調整“MORE”模式中的設置來加速或減慢分子的運動。在右手手柄上，我們進一步實現了用于以上五個操作模式的調整和默認設置的調節功能。

　　3.2 Manta工具原理

　　Manta工具結構包括客戶端、網絡通信和底層分子動力學模擬器。其中客戶端負責圖形可視化以及用戶與分子結構的交互，隨后客戶端的信息數據通過TCP/IP網路傳輸協議傳輸給底層計算模塊，前端通過Unity [6,7]進行展示，底層計算模塊的運算采用了分子動力學軟件包(LAMMPS) [8]。在Manta 工具工作過程中，Manta通過調用LAMMPS軟件包進行分子動力學運算，運算結果通過通訊網絡實時反饋到虛擬現實環境中，用戶可以實時觀測到分子的運動狀況。底層分子動力學軟件包與前端是通過應用程序接口(API)進行即時通信。本工作中進行測試的分子體系例子使用分子勢能函數是 ReaxFF力場[9–11]。

　　在目前Manta軟件中，可以同時支持30人以上的多人交互模式。在多人交互模式中，以圖6為例，客戶端A是主顯示機，可以在VR環境中與物體進行交互。此外客戶端A還具有擁有授權給其他客戶端進行交互的權限?？蛻舳薆–C是副顯示機，可以進入客戶端A創建的分子體系，但是不能直接與環境中的物體交互。在客戶端A授權后，就可以與環境中的物體進行交互。在應用過程中，客戶端A通常為教師用戶，用來開展相應的教學內容，其他客戶端均為學生用戶。此外，目前這種多人模式通過遠程網絡，允許前端多人進入相同的虛擬環境，實時在線進行交流和溝通，也可以多人在相同的虛擬環境下與物體進行實時交互，使得教學跨越了空間的限制，增加了學生的交流合作，對于調動學生的學習主動性有顯著幫助。在教師和學生實驗過程中，產生的數據均可以保存在本地的服務器硬盤，用于后續的學習和教案的優化，數據的積累是此工具的另一個重要特色。

　　4 Manta工具的應用案例

　　4.1 溫度對于氫氣與氧氣燃燒過程的影響

　　燃燒反應是以燃料和氧化劑為初始反應物的混合體系的典型復雜反應，在較高溫度條件下 (>1000 K), 體系反應將自發進行，直至達到產物的化學平衡[12]。在整個體系演化過程中，溫度對于分子的運動速率有直接影響。從物理化學基本概念中，我們已知溫度升高，分子的運動速率會有明顯的增高，化學反應更容易發生。

　　利用Manta工具，在VR環境中創建一個氫氣和氧氣混合系統(當量比為1，圖7)。在此系統中，觀察不同溫度下氫氧燃燒的運動速率，在此案例中設置了兩個溫度(300 K和1200 K)。在300 K條件下 (圖7a)，可以觀察到氫氣和氧氣均無化學鍵斷裂現象，原子的運動速率較慢;通過手柄升高溫度至 (1200 K，圖7b)，我們可以明顯地觀察到氫氣和氧氣的運動速率明顯升高，有少量氧氧鍵斷裂，體系中氫氣與氧氣發生化學反應。在此案例中，測試者可以觀察到溫度對于氫氧燃燒反應的直接影響。對于教學來說，從傳統的被動式教學轉變為學生自主探索不同溫度對化學反應影響的主動式學習，這種教學方式可以激發學生的學習興趣，增加學生對知識和運動的深層理解和記憶。

　　4.2 氣體反應中的有效碰撞和無效碰撞

　　在氣體燃燒反應中，雙分子反應均是通過分子間碰撞進行的。在碰撞時，必須有充足的能量(動能)才能克服能壘的約束，建立新的化學鍵，從而產生反應產物。但是，并非每次碰撞均導致反應的發生。當反應物的分子進行相互碰撞，實際上只有部分碰撞會導致化學反應的進行，這些碰撞被稱為有效碰撞[13,14]。其他碰撞過程由于碰撞角度不合適或者分子動能過低等因素，導致反應不能發生，被稱為無效碰撞，即碰撞過后無化學反應的發生，無法產生新的生成物。

　　在Manta工具中，學生可以通過手柄拉動氫自由基(H)碰撞氫氧自由基(OH)。如圖8a所示，H與 OH之間由于碰撞角度不合適無法發生化學反應生成水分子。在這個過程中，H直接碰撞到了OH上H 原子的位點，發生了無效碰撞，H被OH彈開，沒有進一步發生化學反應。在圖8b案例中，拉動氫H 碰撞OH，發生了有效碰撞，進而發生H + OH = H2O的反應生成一個水分子。學生通過Manta工具，依靠自己的探索學習有效碰撞和無效碰撞，取得了良好的教學效果。

　　通過以上兩個案例，我們發現學生對于利用VR技術進行化學教學的積極性較高，可以快速地學習和探索有效的知識，對于激發學生想象力，增加學生學習興趣有明顯的幫助。借助VR技術，教師在教學過程中可以實現從傳統的被動式教學變為主動式探索，是一種有效的教學轉換。另外，未來通過網絡進行虛擬環境的訪問和操作，在虛擬現實環境中開展沉浸式教學，可以擴展教學受眾群體，讓更廣泛的學生享受高質量的教學資源，有助于實現教學公平。

　　5 結語

　　Manta工具將虛擬現實技術引入到高等化學教育，不僅為化學教育提供了新的工具，也為虛擬現實領域增添了功能和內容。“互聯網+”教育逐漸成為了未來的發展趨勢，相比傳統教育，虛擬現實教育有望通過其沉浸式體驗，創造良好的教學效果。未來通過建立虛擬現實教育平臺為高等教育院校改革提供服務，以VR教育入手帶動內容創作、師資培養;吸引學生對化學學科的學習，推動高等化學教育行業發展，引領未來教育教學創新。