3ds Max軟件下的3D物理模型*

王周華　吳 偉

(南京師范大學(xué)　江蘇 南京　210000)

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3ds Max軟件下的3D物理模型*

王周華吳 偉

(南京師范大學(xué)江蘇 南京210000)

物理學(xué)是科學(xué)的世界觀和方法論的基礎(chǔ)，物理模型可以簡化物理問題，直達(dá)問題本質(zhì).文章介紹了什么是3D物理模型，通過理論分析3D物理模型的重要性，展示3D效果所帶來的教學(xué)結(jié)果，來說明3D物理模型的重要性和歷史發(fā)展的必然性.同時通過3ds Max軟件，介紹成熟的3D物理模型及給出實例介紹3D的建立過程，說明其應(yīng)用于物理教學(xué)的可行性和必要性.希望可以開發(fā)更為成熟的3D教學(xué)軟件.

3D物理模型3ds Max軟件物理教學(xué)

計算機(jī)輔助教學(xué)從文字到圖像，再到視頻，在現(xiàn)在的教學(xué)領(lǐng)域中已日趨成熟.但是3D技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中的事例卻屈指可數(shù)，而我們生活在一個立體的世界中，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，3D物理模型必將進(jìn)入物理教學(xué)的世界中.我們現(xiàn)在的科技已經(jīng)可以實現(xiàn)3D技術(shù)的成熟應(yīng)用了，只不過大多應(yīng)用于影視特效、動畫設(shè)計、游戲制作、產(chǎn)品介紹等領(lǐng)域中，例如Lightwave 3D，Renderman，3D MAX等等，但是由于軟件開發(fā)成本高、難度大；配套的教學(xué)軟件和教學(xué)資源非常少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足教學(xué)要求，所以在教學(xué)中沒有成熟的3D教學(xué)制作軟件.文章通過介紹3ds Max軟件，說明3D物理模型應(yīng)用于教學(xué)的可行性.

1　3D物理模型

3D模型可以說是利用三維軟件建造的三維立體空間效果的模型，具有直觀、立體感和透視感，包括各種建筑、人物、植被、機(jī)械等等，這里所說的3D物理模型是指用三維軟件建造的立體物理教學(xué)模型.

1.13D立體技術(shù)原理

人看到的世界之所以是立體的，是因為大腦通過左眼和右眼所看到物體的細(xì)微差異來感知物體的深度.立體視覺是人眼在觀察事物時所具有的立體感，是人眼對獲取景象的深度感知能力，而這些感知能力又源自人眼提取出景象中的深度線索[1]，如圖1所示.3D技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但基本上還是要通過3D眼鏡來實現(xiàn)3D效果.

圖1　雙眼視差的立體視覺示意

1.23D物理模型的重要性

物理模型方法是物理學(xué)中重要的研究方法，物理模型可以對實際問題抽象化，突出事物的主要特征，反映事物的本質(zhì)特性.可以揭示事物系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，抓住思維結(jié)構(gòu)上的共同性，使學(xué)生達(dá)到認(rèn)識上的概括化，認(rèn)識事物的本質(zhì)規(guī)律.

戴爾的“經(jīng)驗之塔”理論融合了教育家杜威和一些心理學(xué)觀點，并成為現(xiàn)在的視聽教學(xué)的主要依據(jù).在該理論中，經(jīng)驗之塔的頂端為最為抽象的語言符號，再往下為視覺、視覺加聽覺、個人觀察經(jīng)驗，最后為個人實踐經(jīng)驗.而在教學(xué)活動中，顯然個人實踐經(jīng)驗是學(xué)生獲得知識最好的方式，抽象的語言符號是獲得知識最簡單但也是最困難的，因為語言自身就具有模糊性，俗話說以訛傳訛，每個人對事物的理解不同，同一句話，在不同人的口中也會有不一樣的意思.比如說同一個詞“啊”，不同的音調(diào)，就表達(dá)不同的含義.但是實踐經(jīng)驗也很難隨時進(jìn)入到課堂中來，所以觀察經(jīng)驗更符合客觀實際，視聽教材和視聽經(jīng)驗既比語言符號和視覺符號具體形象，又彌補(bǔ)了做的經(jīng)驗的不足，所以它更符合客觀的教學(xué)實際[2].而3D物理模型可以說是視聽教材和視聽經(jīng)驗中最具直觀、立體和透視性，比圖片更立體，比視頻更微觀和抽象，教學(xué)效果更好.所以3D物理模型必然是未來物理教學(xué)的趨勢.

圖2　戴爾的“經(jīng)驗之塔”理論

1.33D效果所帶來的教學(xué)結(jié)果

LiFE是Learning in Future Education的縮寫.是關(guān)于未來學(xué)習(xí)的一個調(diào)研項目，在第一階段的調(diào)研過程中，評估了 3D投影技術(shù)在7個歐洲國家15所學(xué)校中15個3D班級和15個2D對比班級，共740名學(xué)生的學(xué)習(xí)中所產(chǎn)生的影響.除此以外，還有47名教師，6名IT工作者和12名調(diào)研者以及2名來自不同地區(qū)的博士生也參與了該項目.結(jié)果(如圖3)顯示83%的學(xué)生認(rèn)為3D教學(xué)好，只有3%的學(xué)生認(rèn)為3D教學(xué)效果不好.可見，3D教學(xué)的作用是顯而易見的，可以適應(yīng)絕大多數(shù)學(xué)生獲得知識的方式.結(jié)果還顯示84%的學(xué)生還認(rèn)為3D完全可以促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)(如圖4).所以，3D教學(xué)模型的優(yōu)點是不言而喻的，而我們要做的是如何開發(fā)3D教學(xué)模型，特別是3D物理教學(xué)模型，因為物理模型在物理教學(xué)中占有非常大的地位，是認(rèn)識事物本質(zhì)的關(guān)鍵因素[3].

圖3　學(xué)生對3D教學(xué)結(jié)果的評價

圖4　3D是否可以促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)

所以3D物理教學(xué)模型在未來的物理教學(xué)中將會發(fā)揮不可限量的作用，同時3D物理教學(xué)模型也將是未來物理教學(xué)的必然趨勢.我們應(yīng)該重視3D物理教學(xué)模型的作用，重視3D教學(xué)軟件的開發(fā)和應(yīng)用.

2　應(yīng)用3ds Max 2012軟件制作3D物理教學(xué)模型

2.13ds Max 2012的特點

3ds Max 2012是頂級的三維動畫模型制作軟件之一，很受CG藝術(shù)家的青睞，在插畫、游戲、效果圖、影視動畫等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，并占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位.3ds Max可以塑造模型、渲染場景和動畫，并且可以制作影視特效，并能夠達(dá)到相當(dāng)高的品質(zhì)，所以稱為廣受歡迎的三維制作軟件之一.并且已經(jīng)參與了好多影視特效的制作，如X戰(zhàn)警II，最后的武士等.圖5展示了3ds Max所做的3D特效，圖(a)為石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，圖(b)為光折射所產(chǎn)生的特殊現(xiàn)象，可見3ds Max軟件功能強(qiáng)大，完全達(dá)到了應(yīng)用教學(xué)所需要的3D效果的要求.

(a)石墨烯的電子結(jié)構(gòu)

(b)光折射產(chǎn)生的現(xiàn)象

2.23ds Max 2012使用的可行性

3ds Max 2012配有中文版完全自學(xué)教程，該教程由人民郵電出版社出版，同時該教程針對的群體是零基礎(chǔ)使用者，所以該書從基本操作入手，同時結(jié)合211個可操作實例，從建模、燈光渲染、動力學(xué)、動畫等角度入手，闡述了相關(guān)技術(shù)的操作方法.共分17章，每章分析一個技術(shù)方法，應(yīng)用講解加實例的方式，同時加入實戰(zhàn)練習(xí)，達(dá)到避免理論過于密集，使人輕松學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)手法的效果.

不僅如此，為了符合學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)習(xí)慣，該書在講解模式新穎的同時，配有相應(yīng)教學(xué)DVD光盤，光盤中有實例、貼圖、場景文件和有聲的多媒體教學(xué)視頻錄像.從初學(xué)者的角度出發(fā)，在光盤中附加了5 000多張貼圖和180個動態(tài)貼圖，500套單體模型等教學(xué)相關(guān)文件，同時還更為系統(tǒng)地介紹了3ds Max 2012的應(yīng)用功能，涵蓋了幾乎所有應(yīng)用功能，如工具、對話框、菜單命令和面板等控件的應(yīng)用.如果想要更深入地學(xué)習(xí)3ds Max 2012軟件，在書中還配備了“實戰(zhàn)”、“提示”、“疑難問答”、“技術(shù)專題”、“知識鏈接”、“綜合實例”等項目.以下給出了利用3ds Max做出的3D物理模型[4].

2.33ds Max做出的3D物理模型

在物理教學(xué)中，分析物理的受力情況是高中物理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，受力分析圖可以說是分析物理問題的關(guān)鍵，但是很多學(xué)生不會進(jìn)行受力分析或者要花很長時間才能獨立地畫出物體的全部受力，或者即使知道了它的受力情況，但由于空間想象力不夠的原因，始終無法畫出完整的受力分析圖.而在3ds Max軟件中，我們很容易展示出物體的三維立體效果，從而更為簡單地使學(xué)生理解和接受.如圖6，展示了木塊所受的4個力的空間分布，同時可以把他們的合力、分力都展示在同一物理模型中，并且該模型可以轉(zhuǎn)動和縮放(圖7)，具有透視性，使學(xué)生更容易理解[5].

圖6　物體受力分析的三維立體模型

圖7　模型的轉(zhuǎn)動和縮放

2.4利用3ds Max軟件模擬或虛擬現(xiàn)實

我們知道，宏觀的物理問題其實涉及到的往往是微觀的本質(zhì)，如電荷間的相互作用，實質(zhì)是帶電體周圍存在的電場，而電場又與光子間有密不可分的關(guān)系，再如感應(yīng)起電的微觀本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移，再如肥皂泡的干涉現(xiàn)象等等這些，都是看不見摸不著的.但是這些我們都可以用3ds Max軟件來模擬，圖8是右手定則的應(yīng)用，從中我們可以看到模擬的磁場的空間分布情況.再如我們也可以運(yùn)用此軟件模擬重核裂變過程，把復(fù)雜的問題簡單化，抽象的概念具體化，微觀的本質(zhì)可視化，教學(xué)簡單化，使學(xué)生更容易把握物理現(xiàn)象的本質(zhì)原因[5].以下給出一個具體的制作案例.

圖8　模擬磁感線

2.5實例(楔面體制作)

(1)如圖9，新建標(biāo)準(zhǔn)基本體.

(2)選擇該長方體，右擊，選擇轉(zhuǎn)換為可編輯多邊體.

(3)再次右擊，選擇多邊體，選擇邊選項.

(4)再次右擊，選切角.按照楔面體的模型進(jìn)行切角，可得如圖9所示的楔面體.該模型可旋轉(zhuǎn)，也可透視.

圖9　楔面體的制作過程

2.6初高中物理教材中應(yīng)轉(zhuǎn)化為3D物理模型的部分實例

圖10為蘇科版初中物理教材上的內(nèi)容，圖11為美國科學(xué)探索者中的教學(xué)圖片.通過對比可以發(fā)現(xiàn)三維圖片比二維圖片多了空間立體感，知識內(nèi)容更豐富、更有趣.

圖10　蘇科版初中物理教材中光的反射圖像

圖11　科學(xué)探索者中光的反射圖像

圖12是關(guān)于電阻R的大小與其橫截面積S之間關(guān)系的教學(xué)片斷，圖(a)為人教版的理論推導(dǎo)，圖(b)為科學(xué)探索者中的教學(xué)模型，類比了電子和水流，認(rèn)為水流通過短而粗的管子比長而細(xì)的管子更容易，同樣，電子更容易通過短而粗的導(dǎo)線，所以同樣材料下，短而粗的導(dǎo)線電阻小.這樣的3D模型直觀、清晰、易懂，降低知識點難度，提高學(xué)生興趣.

(a)　人教版教材理論推導(dǎo)

(b)　科學(xué)探索者中的教學(xué)模型

圖13都是在講述鼓產(chǎn)生聲音的原因，圖(a)為科學(xué)探索者中的資源，圖(b)為人教版中的內(nèi)容，對比可見圖(a)更易理解，但是如果可以轉(zhuǎn)換成3D物理模型，把空氣分子的運(yùn)動過程描述出來，將更為直觀和科學(xué)化.

(a)　科學(xué)探索者中的圖示

(b)　人教版教材中的圖示

圖14是人教版高中知識點內(nèi)容，圖(a)是描述原子及其結(jié)構(gòu)示意圖，這幅圖可以看出，為了盡可能的描述原子的結(jié)構(gòu)模型，書中用了5幅圖來闡述相關(guān)內(nèi)容，最后一幅圖有點3D的意味，但是看起來仍然不夠簡單明了，不能從圖中清晰地得到電子的運(yùn)動模型.如果可以利用3D技術(shù)，那我們就可以看到一個近似真實的物理模型，并且可以模擬電子的運(yùn)動，形成直觀影像.圖(b)描述的是霍爾效應(yīng)，這是高考中的重點內(nèi)容，也是學(xué)習(xí)中的難點，而造成這一難點的很大一部分原因，就是在這幅圖中學(xué)生很難想象電子的運(yùn)動軌跡，如果利用3D技術(shù)，就很容易解決這一問題.同理，圖(c)也可以利用3D技術(shù)描繪電子所受力和運(yùn)動軌跡，降低不必要的學(xué)習(xí)難度，同時制作3D動態(tài)效果圖，也將課堂變得更生動有趣，充滿活力.

(a)　原子及其結(jié)構(gòu)示意圖

(b)　霍爾效應(yīng)

(c)　電子受力及其運(yùn)動軌跡

3　結(jié)論

3D物理教學(xué)模型在未來的物理教學(xué)中必將占有一席之地，而目前的科技已經(jīng)完全可以達(dá)到3D的要求，3D物理模型能產(chǎn)生三維立體效果， 具有直觀、 立體感和透視性.利用3ds Max軟件做一些3D立體圖，或者做一些3D立體動畫，更甚至做成具有3D立體交互特點的動畫模型，能給學(xué)生帶來最直觀的立體感受，使缺少空間想象力的學(xué)生更容易學(xué)習(xí)，也可以提高空間想象力比較強(qiáng)的學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，同時能極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣， 有助于對物理知識的理解、記憶，盡可能地減少由于語言的模糊性所帶來的理解上的偏差，為物理教學(xué)帶來良好的效果.但是3ds Max是為了影視特效，游戲，動畫所設(shè)計的，技術(shù)對于教師來說，還是過于復(fù)雜，所以希望可有更成熟的3D教學(xué)設(shè)計軟件，實現(xiàn)3D教學(xué)模型設(shè)計的簡化，同時也可以設(shè)計出成熟的可修改的3D教學(xué)模型，以便用于教學(xué)實踐，使3D教學(xué)模型的普及可以如現(xiàn)今的PPT課件一般，得到廣泛應(yīng)用，這將對物理教學(xué)帶來無盡的益處.

1王波,邱飛岳,黃亞平. 課堂中3D立體教學(xué)資源的建設(shè). 中國教育信息化,2011(11):48～51

2童宇陽. 3D打印技術(shù)在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究. 現(xiàn)代教育技術(shù),2013(12):16～19

3安妮·班福德. 3D教學(xué)引領(lǐng)未來學(xué)習(xí)——新興技術(shù)在教學(xué)創(chuàng)新中的應(yīng)用評估報告(四) . 新課程研究(上旬刊),2014(02):4～7

4陳穎. 3D輔助教學(xué)軟件設(shè)計. 文體用品與科技,2011(09):96～97

5陳昌. 3D技術(shù)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用. 中小學(xué)電教(下),2014(01):1

2016-03-26)

*本文為教育部“南京師范大學(xué)卓越中學(xué)教師培養(yǎng)改革項目”階段性成果.作者簡介：王周華(1989-)，女，在讀碩士生，專業(yè)為學(xué)科教學(xué)物理.指導(dǎo)教師：吳偉(1964-)，男，教授，主要從事課程與教學(xué)論(物理)研究.