“AI 教師小晶”
——晶體智能演示儀

◆河北省沙河市第二中學(xué) 孟小強(qiáng) 李春筍

語音識(shí)別與合成技術(shù)逐漸成為人機(jī)交互的關(guān)鍵技術(shù)，是人工智能時(shí)代的重要技術(shù)之一。高中化學(xué)人教版選修3 第三章《晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》，通過介紹微觀、抽象、深?yuàn)W的分子、原子、金屬和離子晶體等相關(guān)知識(shí)，揭示物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的奧秘，使學(xué)生了解、體會(huì)豐富多彩的物質(zhì)世界。

在教學(xué)過程中，教師普遍認(rèn)為該章節(jié)內(nèi)容抽象，大部分學(xué)生表示晶體與晶胞的關(guān)系、均攤法、晶體的配位數(shù)和晶體密度等相關(guān)知識(shí)較難理解，難以構(gòu)建抽象的三維立體模型。

圖1 晶體智能演示儀工作原理圖

一、設(shè)計(jì)原理

我們?cè)O(shè)計(jì)制作了一款名為“AI 教師小晶”的晶體智能演示儀，它能把抽象的原子或分子等微粒在三維空間的分布情況具體化、可視化，創(chuàng)新性地通過3D 演示，彌補(bǔ)學(xué)生在空間想象力上的不足，突破教學(xué)重難點(diǎn)，創(chuàng)新性地將語音交互技術(shù)與晶體知識(shí)完美融合，增加學(xué)習(xí)趣味性。

圖2 實(shí)物圖

二、制作步驟

（一）依據(jù)項(xiàng)目的構(gòu)思和制作原理改進(jìn)教具的組成和形狀。

（二）制作3D 光立方。

（三）制作語音交互模塊。

（四）設(shè)計(jì)程序。

三、工作過程

通過自定義語音喚醒“AI 教師小晶”，并逐一向其提出問題，小晶通過語音識(shí)別模塊匹配對(duì)應(yīng)問題并作出回答，同時(shí)控制對(duì)應(yīng)的3D 光矩陣的開關(guān)，進(jìn)行解說展示。

語音喚醒：小晶老師

小晶：在，想了解晶體的哪些知識(shí)？

問：小晶老師，你能教學(xué)什么知識(shí)？

小晶：我可以回答關(guān)于晶體知識(shí)的各種問題，在此基礎(chǔ)上以金屬晶體鈉為例作為展示，將抽象、難以理解的知識(shí)進(jìn)行具體化、可視化處理，幫助你理解。

問題1：小晶老師，什么是晶體？

小晶：晶體是指物體的質(zhì)點(diǎn)在三維空間做規(guī)律的、周期性重復(fù)排列形成的物質(zhì)，物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)分為原子、分子和離子。例如，金屬晶體鈉以鈉原子周期性重復(fù)排列形成（展示金屬晶體鈉部分結(jié)構(gòu)，8 個(gè)立方體依次亮燈），同時(shí)展示由8 個(gè)晶胞組成的金屬鈉的部分結(jié)構(gòu)。

問題2：小晶老師，什么是晶胞？

小晶：晶胞是描述晶體結(jié)構(gòu)的基本單元（此時(shí)1 個(gè)立方體亮起），表示金屬鈉晶體的1 個(gè)晶胞。其中1 個(gè)鈉原子位于體心，另8 個(gè)鈉原子處于立方體頂點(diǎn)。

問題3：小晶老師，晶胞和晶體是什么關(guān)系？

小晶：晶體可以看作數(shù)量巨大的晶胞無隙并置而成。無隙是指相鄰晶胞間無任何間隙，并置是指所有晶胞都為平行排列，取向相同（同時(shí)開始展示8 個(gè)晶胞無隙并置，每個(gè)立方體依次亮起并閃爍3 次）。

問題4：小晶老師，如何理解均攤法？

小晶：以晶體鈉為例，處于頂點(diǎn)鈉原子被8 個(gè)晶胞平分（8 個(gè)立方體交點(diǎn)燈閃爍，每個(gè)晶胞依次亮起），頂點(diǎn)原子占1/8，體心鈉原子（閃爍）完全屬于晶胞，故1 個(gè)鈉晶胞中含2 個(gè)鈉原子，面心原子被2 個(gè)晶胞平分，棱上原子被4 個(gè)晶胞平分。

問題5：小晶老師，晶體配位數(shù)的定義是什么？

小晶：配位數(shù)是指直接同中心離子或原子配位的離子數(shù)目，或者距中心離子或原子最近且等距的同原子或離子數(shù)目。以晶胞體心鈉原子（1 個(gè)體心鈉原子亮起）為例，距離體心鈉原子最近且等距的鈉原子有8 個(gè)頂點(diǎn)（8個(gè)燈依次亮起），簡單立方堆積配位數(shù)為6，體心立方堆積配位數(shù)為8，面心立方最密堆積配位數(shù)為12，六方最密堆積配位數(shù)為12。

問題6：小晶老師，如何計(jì)算晶體密度？

小晶：（此時(shí)1 個(gè)立方體亮起）晶胞體積等于邊長的三次方，利用均攤法計(jì)算一個(gè)晶胞的質(zhì)量，再用質(zhì)量除以體積即可得出晶體的密度。

圖3 學(xué)生使用“AI 教師小晶”

此教具將語音交互技術(shù)與晶體相關(guān)知識(shí)完美融合，晶體智能演示儀利用語音交互模塊，通過控制3D 光立方的LED 燈，由微觀到宏觀，展示原子在三維空間的分布，并呈現(xiàn)不同的立體效果，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一目了然。