虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高等化學教育中的應用和探索

　　摘要：對于化學結(jié)構(gòu)的理解是高等化學教育中的重要組成部分。在傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(xiàn)實(VR) 技術(shù)和分子動力學方法結(jié)合到一起，開發(fā)了交互式分子結(jié)構(gòu)可視化工具Manta。Manta工具可以生動形象地展示微觀納米結(jié)構(gòu)，同時允許學生與分子結(jié)構(gòu)進行直接交互，修改和創(chuàng)建新的化學結(jié)構(gòu)。借助高精度實時計算技術(shù)與沉浸式 VR技術(shù)，Manta帶領(lǐng)學生走進真實的分子世界，充分調(diào)動學習者的自主能動性，可以作為傳統(tǒng)教學的重要補充以促進高等化學教育的發(fā)展。

　　關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)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(fā)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(nèi)容在逐漸豐富，化學教育工具更是在不斷發(fā)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(jié)構(gòu)在反應過程中如何發(fā)生相應的變化，因此高等化學教育的核心是針對化學結(jié)構(gòu)的教育(圖1)。在20世紀80年代，教師只能以圖片和結(jié)構(gòu)模型的形式來進行化學結(jié)構(gòu)的教學，這種教學方式不夠直觀，無法完全展現(xiàn)復雜立體的分子結(jié)構(gòu)[1,2]。隨著多媒體三維結(jié)構(gòu)展示工具的出現(xiàn)，極大地提高了教學效率，對于學生理解和掌握化學結(jié)構(gòu)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(shù)多媒體教學手段(包括現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)教育)屬于被動式教學，只能進行化學結(jié)構(gòu)模型的展示，無法交互式地改變化學結(jié)構(gòu)模型，不能有效地滿足學生的要求。

　　隨著計算機技術(shù)不斷的進步和發(fā)展，數(shù)字化教學逐漸占據(jù)了教學的主題，虛擬現(xiàn)實技術(shù)正在趨于完善，這種先進的可視化技術(shù)更是在不斷地應用到教育領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)屬于三維可視化技術(shù)，通過實現(xiàn)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(xiàn)實技術(shù)引用到化學結(jié)構(gòu)的教育中，開發(fā)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(jié)構(gòu)，還可以實時與化學結(jié)構(gòu)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(diào)查，發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的學習興趣和創(chuàng)造力。

　　2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的介紹

　　虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)利用計算機生成虛擬環(huán)境，借助硬件設備使用戶沉浸到虛擬環(huán)境中。這種技術(shù)充分調(diào)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(huán)境中的模擬物體進行交互。Manta把這一項先進的技術(shù)引入到化學結(jié)構(gòu)教育中，加強學生對化學結(jié)構(gòu)的理解，引起學生對學習的興趣，增強學生的創(chuàng)造力和想象力。Manta使得教學突破了傳統(tǒng)教學的時空局限性，利用VR技術(shù)讓學生在課堂中參與進來，實施推進式輔導教學[3]。

　　虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)需要使用專門的硬件設備。基礎(chǔ)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(xiàn)“操作人”的動作捕捉。在用戶端，使用SteamVR驅(qū)動虛擬現(xiàn)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(qū)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(xiàn)實設備的使用場景，可以看到測試者使用Manta工具與虛擬環(huán)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(qū)域中，定位器通過紅外線才能感知到測試者手柄的操作。數(shù)據(jù)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(xiàn)實空間中。

　　HTC的硬件設備為虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用到化學教育中提供了技術(shù)支撐，充分調(diào)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(nèi)容中，在課程內(nèi)容中遨游和探索，使得抽象的結(jié)構(gòu)可觸摸、可互動、可感知，激發(fā)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(xiàn)實技術(shù)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(xiàn)實設備進入已經(jīng)創(chuàng)建的分子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，可以與已經(jīng)構(gòu)建好的分子結(jié)構(gòu)進行交互。測試人也可以在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中獨立自行創(chuàng)建原子和分子結(jié)構(gòu)，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(huán)境中的分子進行交互，施加相應的作用力，從而實現(xiàn)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(jīng)實現(xiàn)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(qū)間。五個功能區(qū)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(diào)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(diào)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu);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(jié)構(gòu)進行修改，改變分子結(jié)構(gòu)模型;“Molecule”選項則是控制分子的結(jié)構(gòu)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(zhì)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(huán)境中旋轉(zhuǎn)、平移和縮放分子體系，以實現(xiàn)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(xiàn)了可以調(diào)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(shù)。換句話說，用戶可以通過調(diào)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(xiàn)了用于以上五個操作模式的調(diào)整和默認設置的調(diào)節(jié)功能。

　　3.2 Manta工具原理

　　Manta工具結(jié)構(gòu)包括客戶端、網(wǎng)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(jié)構(gòu)的交互，隨后客戶端的信息數(shù)據(jù)通過TCP/IP網(wǎng)路傳輸協(xié)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(diào)用LAMMPS軟件包進行分子動力學運算，運算結(jié)果通過通訊網(wǎng)絡實時反饋到虛擬現(xiàn)實環(huán)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(shù)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(huán)境中與物體進行交互。此外客戶端A還具有擁有授權(quán)給其他客戶端進行交互的權(quán)限。客戶端B–C是副顯示機，可以進入客戶端A創(chuàng)建的分子體系，但是不能直接與環(huán)境中的物體交互。在客戶端A授權(quán)后，就可以與環(huán)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(nèi)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(wǎng)絡，允許前端多人進入相同的虛擬環(huán)境，實時在線進行交流和溝通，也可以多人在相同的虛擬環(huán)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(diào)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(chǎn)生的數(shù)據(jù)均可以保存在本地的服務器硬盤，用于后續(xù)的學習和教案的優(yōu)化，數(shù)據(jù)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(fā)進行，直至達到產(chǎn)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(fā)生。

　　利用Manta工具，在VR環(huán)境中創(chuàng)建一個氫氣和氧氣混合系統(tǒng)(當量比為1，圖7)。在此系統(tǒng)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(xiàn)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(fā)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(tǒng)的被動式教學轉(zhuǎn)變?yōu)閷W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(fā)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(chǎn)生反應產(chǎn)物。但是，并非每次碰撞均導致反應的發(fā)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(fā)生，被稱為無效碰撞，即碰撞過后無化學反應的發(fā)生，無法產(chǎn)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(fā)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(fā)生了無效碰撞，H被OH彈開，沒有進一步發(fā)生化學反應。在圖8b案例中，拉動氫H 碰撞OH，發(fā)生了有效碰撞，進而發(fā)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(fā)現(xiàn)學生對于利用VR技術(shù)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(fā)學生想象力，增加學生學習興趣有明顯的幫助。借助VR技術(shù)，教師在教學過程中可以實現(xiàn)從傳統(tǒng)的被動式教學變?yōu)橹鲃邮教剿鳎且环N有效的教學轉(zhuǎn)換。另外，未來通過網(wǎng)絡進行虛擬環(huán)境的訪問和操作，在虛擬現(xiàn)實環(huán)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(zhì)量的教學資源，有助于實現(xiàn)教學公平。

　　5 結(jié)語

　　Manta工具將虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(xiàn)實領(lǐng)域增添了功能和內(nèi)容。“互聯(lián)網(wǎng)+”教育逐漸成為了未來的發(fā)展趨勢，相比傳統(tǒng)教育，虛擬現(xiàn)實教育有望通過其沉浸式體驗，創(chuàng)造良好的教學效果。未來通過建立虛擬現(xiàn)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(nèi)容創(chuàng)作、師資培養(yǎng);吸引學生對化學學科的學習，推動高等化學教育行業(yè)發(fā)展，引領(lǐng)未來教育教學創(chuàng)新。