论文标题：Interactive Molecular Dynamics in Virtual Reality for Multidisciplinary Education: Theory and Higher Education Applications

期刊：Frontiers of Digital Education

作者：Jinyu Ma, Huawei Cao, Ding Nie, Dongping Chen

发表时间：7 Jul 2025

DOI：10.1007/s44366-025-0073-8

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传统高等教育中，化学、材料科学、生物学等学科对分子结构与动态过程的教学多依赖二维载体，虽能传递基础信息，却难以帮助学生建立空间认知与动态理解。同时，密度泛函理论、分子动力学等前沿科学计算方法与本科教学间存在技术应用断层，工具复杂性、硬件要求高等问题，导致先进技术难以融入课堂教学。

研究论文

近日，北京理工大学陈东平团队在Frontiers of Digital Education（《数字教育前沿（英文）》）期刊上发表了一篇题为Interactive Molecular Dynamics in Virtual Reality for Multidisciplinary Education: Theory and Higher Education Applications（《面向多学科教育的虚拟现实交互分子动力学：理论与高等教育应用》）的文章，聚焦虚拟现实（VR）技术与分子模拟的融合，以北京理工大学团队开发的软件Manta为核心，系统阐述其在高等教育多学科领域的应用价值与实践成效，旨在解决传统教学中分子结构直观性不足、先进技术融合度低等问题。

Manta软件以“科学 + VR”为设计范式，借助 API 接口连接 VR 客户端与 MD/DFT 服务器，形成“原子位置数据传输-受力反馈-实时可视化-用户交互”的闭环系统。在核心功能上，Manta支持基于VR控制器的原子选择与外力施加，通过势能公式调节交互强度，可精准控制微观时间中分子的基本运动；分子可视化方面，涵盖球棍模型、范德华模型、彩带模型等多种渲染风格，还能通过表面识别算法实现分子表面渲染，解决大分子表面可视化卡顿问题。

图1 Manta 服务器/客户端设计及其应用程序接口（API）概述

在多学科教育应用中，Manta展现出强大的适配性。材料力学课程中，通过ReaxFF力场模拟材料微观结构与力学性能，帮助学生理解铝晶体的面心立方结构与导电性、氧化铝晶体结构与高硬度等关联；材料化学课程中，模拟高温分解过程，直观呈现小分子产物释放、自由基反应等动态路径；有机化学课程中，通过VR交互让学生实时观察构象变化与反应中间体形成；计算生物学课程中，清晰可视化猴痘病毒DNA聚合酶、DNA双螺旋等结构；计算化学课程中，实时显示势能变化，将抽象的能量概念转化为直观数据。

图2 蛋白质和DNA的分子示例

图3 在 Manta 中使用处理器通过配置操作采样能量变化

2025年4月，北京大学在“分子动力学”研究生课程中应用Manta开展虚拟对接实验，9名跨专业学生参与。课后5分制问卷显示，软件在学科适用性、情境真实性上表现优异，67%学生认为操作直观且10分钟内可掌握基础功能。教学效果层面，学生对沉浸感、知识掌握度等评价较高，虽33%学生反馈VR设备存在佩戴不适与晕动症问题，但整体证实Manta能提升课堂参与度与空间思维能力。

图4 Manta 在计算生物学中的教学应用场景

文章最后指出，未来Manta将进一步拓展大尺度分子系统模拟能力，整合AI技术优化分子设计与药物筛选，开发多用户协作功能与个性化学习模块，并计划拓展至能源材料、催化等新兴领域，打造低成本、安全的虚拟化学实验室，推动跨学科科研与教育融合。

文章信息

Jinyu Ma, Huawei Cao, Ding Nie, Dongping Chen. Interactive Molecular Dynamics in Virtual Reality for Multidisciplinary Education: Theory and Higher Education Applications. Frontiers of Digital Education, 2025, 2(4): 36

DOI:10.1007/s44366-025-0073-8

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作者信息

马金羽，北京理工大学爆炸科学与安全防护全国重点实验室博士生。主要研究方向为爆炸效应与损伤评估，数据驱动物理建模，先进可视化技术等。

曹华伟, 北京理工大学爆炸科学与安全防护全国重点实验室助理研究员。主要研究方向为高等教育、教育技术和教育管理。

聂鼎，本硕毕业于美国罗斯霍曼理工学院，自2020年毕业回国后入职京东方科技集团，先后担任云计算工程师与算法工程师，在京东方期间聂鼎作为主要负责人参与了AI平台、智慧园区等多个项目的研发工作, 积累了丰富的产业+人工智能开发经验。2022年聂鼎参加计算机视觉国际顶级会议 CVPR 的 AI City Challenge 挑战赛，获得多摄像头车辆追踪赛道全球第二名成绩。

陈东平，北京理工大学爆炸科学与安全防护全国重点实验室副教授。主要从事燃烧和含能材料反应动力学研究，通过数据驱动物理建模的策略，将人工智能算法融入到传统动力学研究中。提出了“Science+VR”理念，将虚拟现实（VR）等先进可视化技术应用到科学研究以及相应的教学领域。自2018年回国以来，承担国家基金委国际合作项目、国家基金委青年项目、国防基础科研项目、国家重点实验室重点项目等10余项国家级或省部级项目，发表SCI论文110余篇。作为核心开发者，开发了化学元宇宙软件Manta，其底层核心技术（VR-enabled modelling）被国际理论与应用化学联合会（IUPAC）评选为“2022年十大化学新兴技术”。在教学方面，以Manta为核心的智慧教学案例《“云栖”AI赋能高危燃爆实践教学：基于虚实融合的智慧实践教学平台》入选教育部第三批“人工智能+高等教育”典型应用场景案例。经教育部高教司推荐，参与2024 世界慕课大会智能教育应用展示、2025世界数字教育大会“未来课堂”教学案例展示等多次智慧教育展示活动。

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