虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等化學(xué)教育中的應(yīng)用和探索

　　摘要：對于化學(xué)結(jié)構(gòu)的理解是高等化學(xué)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(xué)習(xí)和理解復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)非常困難，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)時(shí)會感覺晦澀難懂。在本項(xiàng)工作中，我們通過把虛擬現(xiàn)實(shí)(VR) 技術(shù)和分子動力學(xué)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M(jìn)anta。Manta工具可以生動形象地展示微觀納米結(jié)構(gòu)，同時(shí)允許學(xué)生與分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接交互，修改和創(chuàng)建新的化學(xué)結(jié)構(gòu)。借助高精度實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)與沉浸式 VR技術(shù)，Manta帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)真實(shí)的分子世界，充分調(diào)動學(xué)習(xí)者的自主能動性，可以作為傳統(tǒng)教學(xué)的重要補(bǔ)充以促進(jìn)高等化學(xué)教育的發(fā)展。

　　關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);化學(xué)教育;分子動力學(xué);反應(yīng)力場;沉浸式教學(xué)

　　趙蕊; 陳東平; 初慶釗， 大學(xué)化學(xué) 發(fā)表時(shí)間：2021-11-17

　　1 引言

　　自20世紀(jì)中葉起，我國高等化學(xué)教育的內(nèi)容在逐漸豐富，化學(xué)教育工具更是在不斷發(fā)展，應(yīng)用日益廣泛。高等化學(xué)教育是圍繞化學(xué)反應(yīng)開展教學(xué)，然而化學(xué)反應(yīng)的教學(xué)實(shí)際上講述的是化學(xué)結(jié)構(gòu)在反應(yīng)過程中如何發(fā)生相應(yīng)的變化，因此高等化學(xué)教育的核心是針對化學(xué)結(jié)構(gòu)的教育(圖1)。在20世紀(jì)80年代，教師只能以圖片和結(jié)構(gòu)模型的形式來進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)的教學(xué)，這種教學(xué)方式不夠直觀，無法完全展現(xiàn)復(fù)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(xué)效率，對于學(xué)生理解和掌握化學(xué)結(jié)構(gòu)有很大的幫助，展示了教學(xué)工具對于高等化學(xué)教育的重要作用。然而，目前多數(shù)多媒體教學(xué)手段(包括現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)教育)屬于被動式教學(xué)，只能進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)模型的展示，無法交互式地改變化學(xué)結(jié)構(gòu)模型，不能有效地滿足學(xué)生的要求。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷的進(jìn)步和發(fā)展，數(shù)字化教學(xué)逐漸占據(jù)了教學(xué)的主題，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正在趨于完善，這種先進(jìn)的可視化技術(shù)更是在不斷地應(yīng)用到教育領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)屬于三維可視化技術(shù)，通過實(shí)現(xiàn)被觀測場景縱深的可視化，達(dá)到立體成像效果。我們團(tuán)隊(duì)把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引用到化學(xué)結(jié)構(gòu)的教育中，開發(fā)了一種全新的教學(xué)工具(Manta)。這一工具不僅可以直觀立體地觀察化學(xué)結(jié)構(gòu)，還可以實(shí)時(shí)與化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行交互操作。我們通過小范圍課堂教學(xué)實(shí)測和實(shí)驗(yàn)問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這種新型工具可以有效提高教學(xué)效率，增加學(xué)生對于化學(xué)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力。

　　2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的介紹

　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)利用計(jì)算機(jī)生成虛擬環(huán)境，借助硬件設(shè)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(gè)感官，令人身臨其境。如圖2所示，操作人通過VR眼鏡進(jìn)入虛擬世界，使用操作手柄與虛擬環(huán)境中的模擬物體進(jìn)行交互。Manta把這一項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)引入到化學(xué)結(jié)構(gòu)教育中，加強(qiáng)學(xué)生對化學(xué)結(jié)構(gòu)的理解，引起學(xué)生對學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力。Manta使得教學(xué)突破了傳統(tǒng)教學(xué)的時(shí)空局限性，利用VR技術(shù)讓學(xué)生在課堂中參與進(jìn)來，實(shí)施推進(jìn)式輔導(dǎo)教學(xué)[3]。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要使用專門的硬件設(shè)備。基礎(chǔ)硬件設(shè)備包含了一個(gè)頭戴式立體顯示器，兩個(gè)可用于交互的手柄，兩個(gè)激光定位器。其中顯示器和手柄使用的是HTC Vive的硬件設(shè)備(圖3)。激光定位器(圖4)主要通過空間位置掃描實(shí)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(shí)的硬件設(shè)備。SteamVR軟件可以設(shè)置地面的位置和劃分出可以進(jìn)行操作的物理區(qū)間，管理頭盔、定位器和手柄。當(dāng)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(shí)設(shè)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(jìn)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(jìn)行交互。此外，測試者需要時(shí)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(fù)責(zé)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(shí)空間中。

　　HTC的硬件設(shè)備為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到化學(xué)教育中提供了技術(shù)支撐，充分調(diào)動學(xué)生的各個(gè)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(shí)的虛擬物體，并與之進(jìn)行交互[4,5]。學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性和學(xué)習(xí)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(shí)技術(shù)來探索分子體系的演化和運(yùn)動。Manta客戶端使用Unity3D引擎來進(jìn)行可視化渲染，服務(wù)端進(jìn)行實(shí)時(shí)的分子動力學(xué)底層運(yùn)算。通過虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)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(jìn)行交互。測試人也可以在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中獨(dú)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(xué)計(jì)算模塊中需要添加相應(yīng)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(gè)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(jìn)行交互，施加相應(yīng)的作用力，從而實(shí)現(xiàn)用戶與分子動力學(xué)模擬器之間的交互。

　　圖5詳細(xì)展示了Manta中左手手柄上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的主要功能，目前左手和右手手柄分別設(shè)計(jì)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(gè)“MENU”按鈕和五個(gè)功能區(qū)間。五個(gè)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(gè)單獨(dú)的控制面板，允許用戶調(diào)整System、Visualization、Elements、Molecule和Others五組不同設(shè)置。“System”選項(xiàng)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(shí)施加到原子上的相互作用力的大小;“Visualization”選項(xiàng)允許使用者選擇“VDW”和 “CPK”兩種化學(xué)結(jié)構(gòu)可視化模式，同時(shí)還包含了周期性可視化顯示方式，即在X、Y、Z方向上復(fù)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(jìn)行修改，改變分子結(jié)構(gòu)模型;“Molecule”選項(xiàng)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(xué)鍵，也允許原子和化學(xué)鍵同時(shí)顯示;“Others”選項(xiàng)包含可視化渲染的材質(zhì)選擇，同時(shí)子選項(xiàng) “Contrail”可以對所有原子的軌跡進(jìn)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(shí)現(xiàn)便捷的可視化。在“SELECT”模式下，可以選擇單個(gè)特定的原子或一組原子進(jìn)行進(jìn)一步的相互作用，即施加相互作用力。我們進(jìn)一步在 “MORE”模式下，實(shí)現(xiàn)了可以調(diào)整VR渲染步長的設(shè)置，此步長設(shè)置指VR可視化中每渲染1幀的信息所對應(yīng)的分子動力學(xué)模擬計(jì)算的步數(shù)。換句話說，用戶可以通過調(diào)整“MORE”模式中的設(shè)置來加速或減慢分子的運(yùn)動。在右手手柄上，我們進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了用于以上五個(gè)操作模式的調(diào)整和默認(rèn)設(shè)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(luò)通信和底層分子動力學(xué)模擬器。其中客戶端負(fù)責(zé)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(jì)算模塊，前端通過Unity [6,7]進(jìn)行展示，底層計(jì)算模塊的運(yùn)算采用了分子動力學(xué)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(jìn)行分子動力學(xué)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果通過通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)反饋到虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，用戶可以實(shí)時(shí)觀測到分子的運(yùn)動狀況。底層分子動力學(xué)軟件包與前端是通過應(yīng)用程序接口(API)進(jìn)行即時(shí)通信。本工作中進(jìn)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(shí)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(jī)，可以在VR環(huán)境中與物體進(jìn)行交互。此外客戶端A還具有擁有授權(quán)給其他客戶端進(jìn)行交互的權(quán)限。客戶端B–C是副顯示機(jī)，可以進(jìn)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(jìn)行交互。在應(yīng)用過程中，客戶端A通常為教師用戶，用來開展相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，其他客戶端均為學(xué)生用戶。此外，目前這種多人模式通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，允許前端多人進(jìn)入相同的虛擬環(huán)境，實(shí)時(shí)在線進(jìn)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(jìn)行實(shí)時(shí)交互，使得教學(xué)跨越了空間的限制，增加了學(xué)生的交流合作，對于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性有顯著幫助。在教師和學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均可以保存在本地的服務(wù)器硬盤，用于后續(xù)的學(xué)習(xí)和教案的優(yōu)化，數(shù)據(jù)的積累是此工具的另一個(gè)重要特色。

　　4 Manta工具的應(yīng)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(yīng)是以燃料和氧化劑為初始反應(yīng)物的混合體系的典型復(fù)雜反應(yīng)，在較高溫度條件下 (>1000 K), 體系反應(yīng)將自發(fā)進(jìn)行，直至達(dá)到產(chǎn)物的化學(xué)平衡[12]。在整個(gè)體系演化過程中，溫度對于分子的運(yùn)動速率有直接影響。從物理化學(xué)基本概念中，我們已知溫度升高，分子的運(yùn)動速率會有明顯的增高，化學(xué)反應(yīng)更容易發(fā)生。

　　利用Manta工具，在VR環(huán)境中創(chuàng)建一個(gè)氫氣和氧氣混合系統(tǒng)(當(dāng)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(yùn)動速率，在此案例中設(shè)置了兩個(gè)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(xué)鍵斷裂現(xiàn)象，原子的運(yùn)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(yùn)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(xué)反應(yīng)。在此案例中，測試者可以觀察到溫度對于氫氧燃燒反應(yīng)的直接影響。對于教學(xué)來說，從傳統(tǒng)的被動式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生自主探索不同溫度對化學(xué)反應(yīng)影響的主動式學(xué)習(xí)，這種教學(xué)方式可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)生對知識和運(yùn)動的深層理解和記憶。

　　4.2 氣體反應(yīng)中的有效碰撞和無效碰撞

　　在氣體燃燒反應(yīng)中，雙分子反應(yīng)均是通過分子間碰撞進(jìn)行的。在碰撞時(shí)，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(xué)鍵，從而產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物。但是，并非每次碰撞均導(dǎo)致反應(yīng)的發(fā)生。當(dāng)反應(yīng)物的分子進(jìn)行相互碰撞，實(shí)際上只有部分碰撞會導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)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(dǎo)致反應(yīng)不能發(fā)生，被稱為無效碰撞，即碰撞過后無化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，無法產(chǎn)生新的生成物。

　　在Manta工具中，學(xué)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(xué)反應(yīng)生成水分子。在這個(gè)過程中，H直接碰撞到了OH上H 原子的位點(diǎn)，發(fā)生了無效碰撞，H被OH彈開，沒有進(jìn)一步發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在圖8b案例中，拉動氫H 碰撞OH，發(fā)生了有效碰撞，進(jìn)而發(fā)生H + OH = H2O的反應(yīng)生成一個(gè)水分子。學(xué)生通過Manta工具，依靠自己的探索學(xué)習(xí)有效碰撞和無效碰撞，取得了良好的教學(xué)效果。

　　通過以上兩個(gè)案例，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對于利用VR技術(shù)進(jìn)行化學(xué)教學(xué)的積極性較高，可以快速地學(xué)習(xí)和探索有效的知識，對于激發(fā)學(xué)生想象力，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣有明顯的幫助。借助VR技術(shù)，教師在教學(xué)過程中可以實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的被動式教學(xué)變?yōu)橹鲃邮教剿鳎且环N有效的教學(xué)轉(zhuǎn)換。另外，未來通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬環(huán)境的訪問和操作，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中開展沉浸式教學(xué)，可以擴(kuò)展教學(xué)受眾群體，讓更廣泛的學(xué)生享受高質(zhì)量的教學(xué)資源，有助于實(shí)現(xiàn)教學(xué)公平。

　　5 結(jié)語

　　Manta工具將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到高等化學(xué)教育，不僅為化學(xué)教育提供了新的工具，也為虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)教育有望通過其沉浸式體驗(yàn)，創(chuàng)造良好的教學(xué)效果。未來通過建立虛擬現(xiàn)實(shí)教育平臺為高等教育院校改革提供服務(wù)，以VR教育入手帶動內(nèi)容創(chuàng)作、師資培養(yǎng);吸引學(xué)生對化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)，推動高等化學(xué)教育行業(yè)發(fā)展，引領(lǐng)未來教育教學(xué)創(chuàng)新。