【摘 要】科學是國家發(fā)展和社會進步的源動力，而科學教育正是在中小學，甚至幼兒園對下一代進行科學研究與探索的引導，教導人們正確的科學態(tài)度，探究知識，探究自然規(guī)律的方法，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。

【關鍵詞】三維；可視化；科學教學

一、問題的提出

1.研究背景

在整個人的教育過程中，初中科學教育是非常關鍵的階段，現(xiàn)今初中科學教學無論是化學、生物或物理知識點概念的解釋多半局限在教科書中的靜態(tài)圖片、照片和簡單的實驗器材。這些圖形圖像或實驗工具雖然在一定程度上解決了部分難以理解的科學知識概念。但同樣在教材中存在著很多目前還不可視的科學原理、科學研究和科學實驗中的微觀現(xiàn)象在課堂教育，課后練習題，考試復習題，以及課堂實驗上無法進行演示的過程或結果。這些研究的不可視使學生，尤其是抽象思維較差的學生難以學好科學。從而對于科學領域的實驗探索、學習和理解都形成了巨大的障礙，同時也讓授課教師在教學的過程中進退維谷。而使 用數(shù)字三維動畫就能把一些靜態(tài)的科學現(xiàn)象變?yōu)槿轿粍討B(tài)展示，使許多抽象和難以理解的內(nèi)容變得生動有趣，減少學生在抽象思維中的難度。筆者認為三維可視化教學可以應用在初中科學教學中難以理解，但事實存在的無法可視化的抽象性概念。雖然越來越多的教科書引用了手繪圖形圖像處理的圖解或flash二維動畫來解釋重點難點，在某種程度上解決了原本只有粉筆文字，或簡單的線稿加文字的教材中難以理解的抽象性知識點。但這畢竟是二維的平面空間，而三維空間是人類生活的現(xiàn)實空間。從另外一個角度來講，將它用于教學則有著很大的優(yōu)勢，教師可以不必用繁瑣的語言去描述一件學生不能在課堂上親眼觀察親手觸摸的存在體，只要用數(shù)字三維動畫制作出符合科學原理的可視化效果，學生就可以很好地進行觀察，非常方便。尤其是用于物理，化學教學有更大的優(yōu)勢，有些實驗根本就不能在課堂上進行，借助數(shù)字三維動畫用一種很直觀的方式授課，不但有助于學生理解記憶，而且還能提高學生的學習興趣，很大的提高課堂效率，不失為新時代的教學法。

2.研究原理分析及做法

磁生電的數(shù)字三維動畫是采用科學的藝術視覺化來構想設計完成的，它可以直觀的展現(xiàn)磁生電原理過程中，不僅無法用肉眼去觀察，也無法通過儀器去觀察的一些客觀存在的物質。在磁生電的科學實驗中，雖然通過實驗設備可以觀察其一部分的科學原理，例如，通過鐵粉來表現(xiàn)磁鐵的磁力線的形狀和規(guī)律，但同樣有著更多的部分是我們用肉眼無法識別，而這一部分又恰好是我們只能通過文字和數(shù)據(jù)來解釋的?？茖W可視化直觀性的目的就是為了讓這些無法用肉眼識別，但又實際存在的現(xiàn)象通過如今的數(shù)字三維動畫手段來可視化。在磁生電的科學實驗中，我們可以用肉眼來分辨磁鐵、導棒、導線和電流表。通過這些簡單的實驗器材讓我們可以看到當導棒切割磁力線時，電流表的指針偏移，從而得知磁可以生電，但畢竟我們的實驗器材所能表現(xiàn)的科學原理現(xiàn)象是很有限的。我們?yōu)楹文么艁砩?？磁性材料中到底有多少我們用肉眼無法識別的奧妙所在？當導棒切割磁力線時，磁力線又是如何形成的？在導線中是如何產(chǎn)生交流電流和電子的運動規(guī)律的？以及發(fā)電機運轉時，電磁鐵是如何與定子發(fā)生關系的等一系列抽象性原理成為了筆者在本課題中，通過數(shù)字三維動畫來實現(xiàn)效果的研究目的。

二、解決問題的過程與方法

1.解決問題的過程

筆者已單獨完成根據(jù)義務教育課程標準實驗教科書科學九年級（上）中的第4章（電能）內(nèi)容部分的動畫效果的制作，下面將預期效果制作的整個過程與步驟進行解剖與分析，基于書本其它章節(jié)部分的內(nèi)容也將按以下方案進行制作完成。

1.1劇本采集：根據(jù)義務教育課程標準實驗教科書中有關磁與電的內(nèi)容進行綜合整理，然后通過寫故事的方式把每一個知識點貫穿起來形成一個動畫劇本，再通過劇本的內(nèi)容繪制出分鏡頭。

1.2屬性采集：根據(jù)要制作內(nèi)容的重點、難點、抽象性概念、實驗數(shù)據(jù)、實驗原理、實驗步驟、實驗效果要求采集準確，無科學性錯誤。

1.3畫面效果：效果制作跟內(nèi)容一一對應，保證建模仿真度100%，動畫與特效仿真度>90%。

1.4后期處理：總體畫面效果美觀、色調(diào)勻和、文字和音效醒目而清晰。

1.5任務的時間規(guī)劃。

2014月3月1日至5月1日，劇本文字的創(chuàng)作與素材數(shù)據(jù)的收集，并完成動畫內(nèi)容前期的腳本設計。腳本設計包括分鏡頭畫面、色調(diào)、畫面風格。

2014年5月1日至10月1日，針對腳本設計完成所有模型、分鏡頭預覽、材質、UV貼圖、分階段布光測試。（論文跟進）

2014年10月1日至2015年3月1日，動畫的編輯與分階段測試。（論文跟進）

2015年3月1日至7月1日，根據(jù)完成的動畫效果添加特效制作，特效的表現(xiàn)內(nèi)容主要為肉眼難以或者無法識別的抽象性概念。并實行畫面整體性的分階段測試。（論文跟進）

2015年7月1日至9月1日，針對測試完成的動畫效果進行畫面的分階段渲染和調(diào)整，然后進行后期畫面特效處理與分階段測試，并對相應的文字和音效加以整合處理后，最終輸出成品。（論文跟進）

2015年9月1日至2016年1月1日，將完成后的成品通過網(wǎng)絡平臺進行網(wǎng)站宣傳的建立與維護，并申請專利保護和論文的發(fā)表。

2016年1月1日至9月1日，項目鑒定、驗收，課題結題。

2.解決問題的方法

2.1磁生電動畫設計腳本。

在磁生電的動畫制作過程中，由于涉及到大量有關磁生電的科學原理和數(shù)據(jù)，并且運用數(shù)字三維動畫來實現(xiàn)科學可視化的效果。筆者將以故事的形式從磁的產(chǎn)生開始到磁生電的實現(xiàn)，最后說明交流發(fā)電機的工作原理，并用實際拍攝的視頻來結合完成整部動畫的設計與制作。下列為磁生電動畫設計流程圖：

磁生電的數(shù)字三維動畫設計要圍繞磁生電的科學原理來展開。在設計中不能過于強調(diào)視覺化的藝術感而違背科學原理，也不能因為科學原理的表達而缺乏一定的視覺效果。由于三維動畫軟件的運用對計算機硬件的要求比較高，為了不影響計算機的運行速度，要適當?shù)目刂颇Ｐ偷拿鏀?shù)和粒子發(fā)射器中的參數(shù)設定。在整個磁生電的數(shù)字動畫設計中一共分為六大部分來完成。第一部分磁現(xiàn)象：基本點介紹：磁體、磁極。第二部分，電流的磁效應即奧斯特實驗（證明通電直導體周圍有磁場）。第三部分，電磁感應現(xiàn)象。第四部分，電能的獲得和轉化。第五部分，電能的獲得和轉化。第六部分，直流電動機（用直流電供電的電動機）。

為了讓數(shù)字三維動畫豐富而有趣味，故事以開門見山的方式從一個地球的磁力線流動的原理來展開說明，進而到如何證明磁的物質特性與其他物質特性的區(qū)別，然后說明導體在切割蹄形磁場中產(chǎn)生電流，描述磁力線在磁鐵周圍的環(huán)繞規(guī)則和磁疇在蹄形磁鐵中的分布形態(tài)，以及導體在蹄形磁鐵中做切割時所表現(xiàn)的前后擺動狀態(tài)而讓產(chǎn)生的電子運動方向發(fā)生了變化的一系列過程。最后從電磁場原理視覺化的表現(xiàn)，結合交流發(fā)電機原理中定子與轉子之間的運動關系以及電磁鐵在三相交流發(fā)電機中的作用和三相交流發(fā)電機的繞組所釋放出來的電的效果來完成動畫視頻。

三、成果的主要內(nèi)容

1.概念界定

“科學可視化”學可視化的研究中，科學可視化包括了科學研究、科學實驗、科學計算、科學普及的視覺化。并且通過數(shù)字三維動畫的真實性、直觀性、精確性、經(jīng)濟性和虛擬交互性來反映不同科學領域中的視覺化效果。

2.“課題制作內(nèi)容”

考慮到人力、物力、財力和精力的各方面因素，筆者決定以根據(jù)義務教育課程標準實驗教科書科學八年級（下）第四章“磁”，第五章第二節(jié)“電磁感應”和九年級（上）中的第4章第一節(jié)“電能的獲得和轉化”來進行制作與論述，同時拓展了本章節(jié)知識點中的課外內(nèi)容。

（1）八下 第五章 第二節(jié) 電磁感應

1.1磁現(xiàn)象：基本點介紹：磁體、磁極（這塊內(nèi)容比較簡單，學生容易接受。但磁極間的相互作用規(guī)律可以有內(nèi)容發(fā)揮，結合具體應用。）

1.2磁場是一種很難讓學生理解的物質，這在教學中是一個難點。以列舉多個例子來證明磁場的客觀存在。磁感線是難點。用實際的鐵粉或磁針描述磁感線的特點，在課堂演示中可觀性弱，可以用數(shù)字三維動畫的可視化進行模擬。（教材要求條形磁鐵、馬蹄形磁鐵、異名磁極間、同名磁極間的磁感線分布）

（2）電流的磁效應即奧斯特實驗（證明通電直導體周圍有磁場）

2.1奧斯特實驗在課堂很容易演示，效果也非常明顯。學生若是做分組實驗也很容易成功。但同樣需要磁場磁感線分布的運用過程的可視化。

2.2直導體周圍的磁場方向與電流方向的可視化關系。

2.3利用右手安培定則來判斷直導體周圍磁場方向模擬。

2.4通電螺線管磁場的可視化。

2.5從直導線過度到單匝線圈中證明通電單匝線圈周圍磁場的可視化。

2.6通電螺線管周圍的磁場類似與條形磁鐵，磁場方向類似與條形磁鐵的磁極。熟練應用右手螺旋定則判斷通電螺線管的N、S極，或根據(jù)磁極判斷電流方向的可視化模擬。

（3）電磁鐵

3.1重點研究通電線圈的磁性強弱與哪些因素有關的演示實驗。得出結論后分析電磁鐵的優(yōu)勢。

3.2例舉教材中簡單提到的電磁繼電器的動畫模擬。

（4）電磁感應現(xiàn)象

4.1這塊內(nèi)容是后面介紹發(fā)電機的原理，因此這塊的教學尤為重要。關于電磁感應現(xiàn)象的實驗。這個演示實驗可以有很好的效果，特別是現(xiàn)在的市場上已經(jīng)有釹鐵硼這樣的強磁場。但演示實驗中很難控制切割的速度，電流計的指針偏轉變化太快，這一不足可以用可視化模擬來彌補。從而來強化夸大實驗現(xiàn)象。從這一實驗中得出：什么是電磁感應現(xiàn)象，什么是感應電流，什么是感應電壓，及產(chǎn)生感應電流的條件。

4.2感應電流的方向與磁場方向、切割方向的關系。并細化電磁感應電流的大小與哪些因素有關的可視化

4.3電磁感應現(xiàn)象的實驗可以用電磁鐵替代永磁鐵的可視化

4.4線圈不動，磁場線圈快速移動（切割）同樣有相同的效果。以上兩次實驗是為真正的發(fā)電機做鋪墊。磁場是轉子，線圈是定子。

說明：這一冊的電與磁就只到這一層次，沒有提及發(fā)電機，但九上的這一塊內(nèi)容一開場就是發(fā)電機。所以雖然隔了很多其他內(nèi)容，但從電磁角度來說，八下和九上的內(nèi)容是連貫的。

（5）電流的三大效應

電流的磁效應，電流的熱效應，電流的化學效應。緊扣主題電與磁，所以僅展開電流的磁效應。

感應電流的方向與磁場方向、導體的切割方向三者來用右手定則判斷的可視化原理。

5.1手搖發(fā)電機的工作（發(fā)電機的能量轉換）。

5.2發(fā)電機機械能轉換為電能。

5.3交流電原理，觀察手搖發(fā)電機線圈切割方向在變化，由此得出產(chǎn)生的感應電流方向在變化的可視化。

（6）特斯拉的介紹

6.1交流發(fā)電機（工作原理：電磁感應現(xiàn)象）。

6.2現(xiàn)今發(fā)電機的基本結構（主要介紹定子和轉子）。

6.3三相交流發(fā)電機原理。

6.4安培力（磁場對通電直導體的作用力）即奧斯特實驗是通電直導體周圍的磁場使小磁針轉動。但運動是相對的，若是以轉動的小磁針作為參照物，那么通電直導體是運動的，從而引出——磁場對電流的作用。

6.5通過實驗分析什么是安培力。能量的轉換是電能轉換為機械能。

6.6通過實驗證明安培力的方向與哪些因素有關。

（7）磁場對通電線圈的作用

7.1從通電直導體自然可以過渡到通電線圈。

通電線圈能夠在磁場中轉動的課堂演示實驗是一個關鍵。然而這個演示實驗不好做，沒有現(xiàn)成的實驗器具，線圈大于磁鐵內(nèi)可轉動的范圍，線圈在轉動時飄忽不定，但改裝后可以有很好的效果。（用單匝粗銅條的線圈演示）有效果非常理想的實驗視頻。若是用模擬實驗來實現(xiàn)，現(xiàn)象應該更夸張更理想。通過這個實驗得出：通電線圈的轉動方向與磁場方向，電流方向有關，通電線圈在磁場中的轉動是電能在轉換為機械能。

7.2從實驗中發(fā)現(xiàn)通電線圈在磁場中轉動到某個位置后不再繼續(xù)轉動，如何才能讓線圈持續(xù)不斷的轉動？

7.3平衡位置的介紹。可以用左手定則判斷，利用二力平衡條件說明平衡位置。

7.4在平衡位置若想繼續(xù)轉動則應改變磁場方向或電流方向——引出換向器的必要性。

7.5理解換向器的作用，使線圈持續(xù)的在磁場中轉動?！妱訖C。

（8）直流電動機（用直流電供電的電動機）

8.1通過每90度的轉動，完整描述直流電動機轉動的一個周期。

（每一個周期2次平衡位置，電流方向改變2次）

四、效果與反思

1.運用三維動畫效果增加課堂容量，提高課堂效率

二十一世紀是信息時代，對于在學校里學習的學生，也應培養(yǎng)處理大量信息的能力。因而在課堂教學中教師應該向學生提供更多的信息，更多的資料，來擴展學生的知識面。教師經(jīng)?；ㄝ^多時間板書，特別是上電學課時寫例題，畫圖例的時間更多，而采用可視化的顯示文本的功能，這可使本應花十幾分鐘的內(nèi)容在幾秒內(nèi)顯示于學生眼前。可視化的直觀性也大大縮短了教學難點的突破過程。這就有時間講解更多相關的知識和現(xiàn)實的應用，引導他們理論聯(lián)系實際，豐富了課堂內(nèi)容，而且從根本上改變過去“滿堂貫”的教學弊端，給學生較多自由時間復習鞏固，優(yōu)化了課堂教學，增加了課堂的信息量。在課堂教學中，將重難點作為顯示要點，可以把更多時間留給學生自主學習，合作探究。從而改變傳統(tǒng)的課堂教學模式，改變我們的教學過程，推動新課程改革。

2.運用三維動畫效果的教學直觀可視化，激發(fā)學生學習興趣

興趣是最好的老師，興趣能使學生自主地、深入地投入到這方面的內(nèi)容并掌握相關的知識點。它能夠在教學中起到巨大的作用。然而在傳統(tǒng)教學過程中，教師僅僅在黑板上寫寫畫畫和滔滔不絕地講，手段太過單一，學生的興趣并不大，學起來自然索然無味，結果注意力不集中，效率低下也就可想而知了。相反三維可視化教學，卻能以直觀明了的形式、炫麗的動畫效果迅速地抓住學生，激發(fā)學生的興趣，并快速地投入到課堂教學中去，也為一節(jié)真正高效的課打下堅實的基礎。一般來說，初中生的好奇心強，喜歡探索自然的奧秘，他們的興趣廣泛而強烈。大部分普通學校的科學教學設施、儀器相對匱乏，還不可能完全對學生開放，存在一定的缺陷。因此，指導學生通過可視覺化進行采集信息、加工信息、消化信息，增強學生的學習主動性和積極性。運用生動可觀的可視化教學視頻就實現(xiàn)了從教學生“知識”到教學生“學”的轉變。體現(xiàn)學生的主動參與、發(fā)現(xiàn)、合作探究的過程。從另一個角度看，學生對事物的認識過程的起點是對事物的感性認識。在科學知識的學習中學生由于無法理解一些抽象的理論，而對科學產(chǎn)生一種畏懼的心理，阻礙了他們學習科學的情趣，但可視化教學直觀的解釋一些科學現(xiàn)象和規(guī)律，激發(fā)學生的興趣，提高學習的效率。主要表現(xiàn)在以下幾方面：應用三維可視化教學能夠實現(xiàn)抽象到具體的轉變。比如，機械運動中的相對運動，回聲測距，分子的熱運動，汽油機工作原理，核能的釋放，重核的裂變，透鏡成像等。對初中生就很難接受也很難描繪清楚，頂多也就繪制個草稿圖或運用簡單的實驗器材作為演示。而相對運動的內(nèi)容我們即可應用計算機來演示這些知識點的過程，配上聲音的效果，讓學生從聲音，圖像全方位的感受，如置身于其情景，直觀地掌握該節(jié)的內(nèi)容。況且應用可視化教學可以實現(xiàn)動靜的相互轉化。在科學的實驗教學中，有很多科學現(xiàn)象出現(xiàn)的時間極短，當學生還沒來得及看清時，該過程就已經(jīng)結束。學生就理解不了其中的本質，給教學帶來困難。如磁生電現(xiàn)象我們就可以使用三維動畫將其進行各個角度的模擬制作演練，再利用計算機可反復操作，使學生認識其過程。這樣教學中的難點就容易突破，省時方便。因而，應用可視化教學的現(xiàn)代教育技術讓枯燥的科學理論得以升華，形象而又直觀的過程感染了學生學習的動機，使學生變被動為主動，從而更加激發(fā)學生的學習科學興趣。

2.1試題庫運用：在平時的課堂測試或大中型測試的過程中，將試題的圖解在講解與復習的過程中與本課題的內(nèi)容相結合來驗證課題的有效性，如磁生電知識點中的右手定則在平時的題庫練習中以簡單的線稿來描述，而部分學生會對二維線稿難以理解，此時借助于三維動畫效果將加深學生理解的印象。

2.2課堂實驗運用：由于課堂學生多數(shù)在40致50人左右一個班級，在教師上課的過程中，中后部分的學生會難以看清講臺上的實驗器材，有的后排學生可能會站起來觀看老師的實驗演示，如小磁針這樣的微小體，或導線的運動軌跡等部分實驗細節(jié)是難以滿足后排學生的觀察。如果能將本課題運用在多媒體課堂的大屏幕目播放中，不僅前排學生看清實驗效果，可以看到不可視化或難以可視化的實驗原理，后排的學生也可以彌補看不清的障礙。

2.3小組實驗運用：在學生驗證實驗的過程中，會有很多實驗現(xiàn)象的過程是難以用肉眼觀察的，在此期間把本課題的動畫演示放置在課堂的多媒體教學應用中，可以讓學生一邊觀看動畫視頻，一邊完成實驗內(nèi)容來提高學生對實驗的興趣與學生對實驗結果的渴望。

3.借助于網(wǎng)絡技術，進行資源共享、為廣大師生提供一個共同學習和交流的平臺

傳統(tǒng)實驗中，因客觀性原因，科學實驗室中一方面由于諸多實驗室規(guī)章制度對學生操作諸多限制，怕發(fā)生意外和造成實驗儀器的損失；另一方面由于實驗環(huán)境和實驗條件的限制，實驗結果往往和科學理論難以相符，甚至出現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)相反的情況，綜其結果，限制了學生學習主動性的發(fā)揮，縮小了學生實驗中發(fā)現(xiàn)問題的層面，使學生更多的按部就班的接受老師傳授的知識。

借助于網(wǎng)絡技術，利用可視化教學視頻素材，讓學生課后在網(wǎng)絡環(huán)境下進無限制的觀看，則為解決這一難題提供了新的思路。傳統(tǒng)科學實驗課時，通常會告訴學生，電流表的接線柱不能接錯、電壓表不能超過量程、電池組不能短路等，并且很多實驗限制學生自己操作，這些規(guī)定無形中扼殺了學生的創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，不利于學生科學素養(yǎng)的發(fā)展。在網(wǎng)絡環(huán)境下，倡導學生自主探討和學習實驗，既可保護儀器又能加深學生對知識點的印象，并能把很多傳統(tǒng)實驗做不到的效果一一再現(xiàn)。學生在網(wǎng)絡技術環(huán)境中進行可視化教學，通過網(wǎng)上人機對話，學生可以一邊操作一邊在網(wǎng)上暢游，與其他同學交流，共同獲取新知識。如果學生在網(wǎng)絡學習中遇到問題，就可以通過網(wǎng)絡從其他同學那里獲取相關信息，進行討論，尋找解決問題的方法。另外授課教師也可以在網(wǎng)絡教學可視化視頻中對學生的問題進行留言和問答，從而改善了教師在課后與學生保持溝通提供了良好平臺。總之，現(xiàn)代可視化教學應用于初中科學教學，對傳統(tǒng)教育理念和課堂教學模式的沖擊是非常之大的，但它并不排斥傳統(tǒng)的理論、實驗教學模式，實際運用中應把它們兩者辯證統(tǒng)一起來，最終實現(xiàn)現(xiàn)代教育技術與科學課程教學的科學整合。

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