“AI 教师小晶”——晶体智能演示仪

◆河北省沙河市第二中学 孟小强 李春笋

语音识别与合成技术逐渐成为人机交互的关键技术，是人工智能时代的重要技术之一。高中化学人教版选修3 第三章《晶体结构与性质》，通过介绍微观、抽象、深奥的分子、原子、金属和离子晶体等相关知识，揭示物质微观结构的奥秘，使学生了解、体会丰富多彩的物质世界。

在教学过程中，教师普遍认为该章节内容抽象，大部分学生表示晶体与晶胞的关系、均摊法、晶体的配位数和晶体密度等相关知识较难理解，难以构建抽象的三维立体模型。

图1 晶体智能演示仪工作原理图

一、设计原理

我们设计制作了一款名为“AI 教师小晶”的晶体智能演示仪，它能把抽象的原子或分子等微粒在三维空间的分布情况具体化、可视化，创新性地通过3D 演示，弥补学生在空间想象力上的不足，突破教学重难点，创新性地将语音交互技术与晶体知识完美融合，增加学习趣味性。

图2 实物图

二、制作步骤

（一）依据项目的构思和制作原理改进教具的组成和形状。

（二）制作3D 光立方。

（三）制作语音交互模块。

（四）设计程序。

三、工作过程

通过自定义语音唤醒“AI 教师小晶”，并逐一向其提出问题，小晶通过语音识别模块匹配对应问题并作出回答，同时控制对应的3D 光矩阵的开关，进行解说展示。

语音唤醒：小晶老师

小晶：在，想了解晶体的哪些知识？

问：小晶老师，你能教学什么知识？

小晶：我可以回答关于晶体知识的各种问题，在此基础上以金属晶体钠为例作为展示，将抽象、难以理解的知识进行具体化、可视化处理，帮助你理解。

问题1：小晶老师，什么是晶体？

小晶：晶体是指物体的质点在三维空间做规律的、周期性重复排列形成的物质，物质的质点分为原子、分子和离子。例如，金属晶体钠以钠原子周期性重复排列形成（展示金属晶体钠部分结构，8 个立方体依次亮灯），同时展示由8 个晶胞组成的金属钠的部分结构。

问题2：小晶老师，什么是晶胞？

小晶：晶胞是描述晶体结构的基本单元（此时1 个立方体亮起），表示金属钠晶体的1 个晶胞。其中1 个钠原子位于体心，另8 个钠原子处于立方体顶点。

问题3：小晶老师，晶胞和晶体是什么关系？

小晶：晶体可以看作数量巨大的晶胞无隙并置而成。无隙是指相邻晶胞间无任何间隙，并置是指所有晶胞都为平行排列，取向相同（同时开始展示8 个晶胞无隙并置，每个立方体依次亮起并闪烁3 次）。

问题4：小晶老师，如何理解均摊法？

小晶：以晶体钠为例，处于顶点钠原子被8 个晶胞平分（8 个立方体交点灯闪烁，每个晶胞依次亮起），顶点原子占1/8，体心钠原子（闪烁）完全属于晶胞，故1 个钠晶胞中含2 个钠原子，面心原子被2 个晶胞平分，棱上原子被4 个晶胞平分。

问题5：小晶老师，晶体配位数的定义是什么？

小晶：配位数是指直接同中心离子或原子配位的离子数目，或者距中心离子或原子最近且等距的同原子或离子数目。以晶胞体心钠原子（1 个体心钠原子亮起）为例，距离体心钠原子最近且等距的钠原子有8 个顶点（8个灯依次亮起），简单立方堆积配位数为6，体心立方堆积配位数为8，面心立方最密堆积配位数为12，六方最密堆积配位数为12。

问题6：小晶老师，如何计算晶体密度？

小晶：（此时1 个立方体亮起）晶胞体积等于边长的三次方，利用均摊法计算一个晶胞的质量，再用质量除以体积即可得出晶体的密度。

图3 学生使用“AI 教师小晶”

此教具将语音交互技术与晶体相关知识完美融合，晶体智能演示仪利用语音交互模块，通过控制3D 光立方的LED 灯，由微观到宏观，展示原子在三维空间的分布，并呈现不同的立体效果，使实验现象一目了然。