王周華　吳 偉

(南京師范大學　江蘇 南京　210000)

?

3ds Max軟件下的3D物理模型*

王周華吳 偉

(南京師范大學江蘇 南京210000)

物理學是科學的世界觀和方法論的基礎，物理模型可以簡化物理問題，直達問題本質.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效果所帶來的教學結果，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，說明其應用于物理教學的可行性和必要性.希望可以開發(fā)更為成熟的3D教學軟件.

3D物理模型3ds Max軟件物理教學

計算機輔助教學從文字到圖像，再到視頻，在現(xiàn)在的教學領域中已日趨成熟.但是3D技術應用到教學中的事例卻屈指可數(shù)，而我們生活在一個立體的世界中，隨著科學技術的進一步發(fā)展，3D物理模型必將進入物理教學的世界中.我們現(xiàn)在的科技已經可以實現(xiàn)3D技術的成熟應用了，只不過大多應用于影視特效、動畫設計、游戲制作、產品介紹等領域中，例如Lightwave 3D，Renderman，3D MAX等等，但是由于軟件開發(fā)成本高、難度大；配套的教學軟件和教學資源非常少，遠遠無法滿足教學要求，所以在教學中沒有成熟的3D教學制作軟件.文章通過介紹3ds Max軟件，說明3D物理模型應用于教學的可行性.

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模型.

1.13D立體技術原理

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技術已經比較成熟，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，反映事物的本質特性.可以揭示事物系統(tǒng)的內在規(guī)律，抓住思維結構上的共同性，使學生達到認識上的概括化，認識事物的本質規(guī)律.

戴爾的“經驗之塔”理論融合了教育家杜威和一些心理學觀點，并成為現(xiàn)在的視聽教學的主要依據(jù).在該理論中，經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、個人觀察經驗，最后為個人實踐經驗.而在教學活動中，顯然個人實踐經驗是學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，就表達不同的含義.但是實踐經驗也很難隨時進入到課堂中來，所以觀察經驗更符合客觀實際，視聽教材和視聽經驗既比語言符號和視覺符號具體形象，又彌補了做的經驗的不足，所以它更符合客觀的教學實際[2].而3D物理模型可以說是視聽教材和視聽經驗中最具直觀、立體和透視性，比圖片更立體，比視頻更微觀和抽象，教學效果更好.所以3D物理模型必然是未來物理教學的趨勢.

圖2　戴爾的“經驗之塔”理論

1.33D效果所帶來的教學結果

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

圖3　學生對3D教學結果的評價

圖4　3D是否可以促進學生學習

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

2　應用3ds Max 2012軟件制作3D物理教學模型

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藝術家的青睞，在插畫、游戲、效果圖、影視動畫等領域中應用廣泛，并占據(jù)領導地位.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，并能夠達到相當高的品質，所以稱為廣受歡迎的三維制作軟件之一.并且已經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)為石墨烯的電子結構，圖(b)為光折射所產生的特殊現(xiàn)象，可見3ds Max軟件功能強大，完全達到了應用教學所需要的3D效果的要求.

(a)石墨烯的電子結構

(b)光折射產生的現(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使用者，所以該書從基本操作入手，同時結合211個可操作實例，從建模、燈光渲染、動力學、動畫等角度入手，闡述了相關技術的操作方法.共分17章，每章分析一個技術方法，應用講解加實例的方式，同時加入實戰(zhàn)練習，達到避免理論過于密集，使人輕松學習相關技術手法的效果.

不僅如此，為了符合學習者的學習習慣，該書在講解模式新穎的同時，配有相應教學DVD光盤，光盤中有實例、貼圖、場景文件和有聲的多媒體教學視頻錄像.從初學者的角度出發(fā)，在光盤中附加了5 000多張貼圖和180個動態(tài)貼圖，500套單體模型等教學相關文件，同時還更為系統(tǒng)地介紹了3ds Max 2012的應用功能，涵蓋了幾乎所有應用功能，如工具、對話框、菜單命令和面板等控件的應用.如果想要更深入地學習3ds Max 2012軟件，在書中還配備了“實戰(zhàn)”、“提示”、“疑難問答”、“技術專題”、“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

在物理教學中，分析物理的受力情況是高中物理學習的基礎，受力分析圖可以說是分析物理問題的關鍵，但是很多學生不會進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，并且該模型可以轉動和縮放(圖7)，具有透視性，使學生更容易理解[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，如電荷間的相互作用，實質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系，再如感應起電的微觀本質是電子的轉移，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.再如我們也可以運用此軟件模擬重核裂變過程，把復雜的問題簡單化，抽象的概念具體化，微觀的本質可視化，教學簡單化，使學生更容易把握物理現(xiàn)象的本質原因[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，新建標準基本體.

(2)選擇該長方體，右擊，選擇轉換為可編輯多邊體.

(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行切角，可得如圖9所示的楔面體.該模型可旋轉，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轉化為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容，圖11為美國科學探索者中的教學圖片.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　科學探索者中光的反射圖像

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

(a)　人教版教材理論推導

(b)　科學探索者中的教學模型

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

(a)　科學探索者中的圖示

(b)　人教版教材中的圖示

圖14是人教版高中知識點內容，圖(a)是描述原子及其結構示意圖，這幅圖可以看出，為了盡可能的描述原子的結構模型，書中用了5幅圖來闡述相關內容，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動模型.如果可以利用3D技術，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動，形成直觀影像.圖(b)描述的是霍爾效應，這是高考中的重點內容，也是學習中的難點，而造成這一難點的很大一部分原因，就是在這幅圖中學生很難想象電子的運動軌跡，如果利用3D技術，就很容易解決這一問題.同理，圖(c)也可以利用3D技術描繪電子所受力和運動軌跡，降低不必要的學習難度，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)　原子及其結構示意圖

(b)　霍爾效應

(c)　電子受力及其運動軌跡

3　結論

3D物理教學模型在未來的物理教學中必將占有一席之地，而目前的科技已經完全可以達到3D的要求，3D物理模型能產生三維立體效果， 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，能給學生帶來最直觀的立體感受，使缺少空間想象力的學生更容易學習，也可以提高空間想象力比較強的學生的學習效率，同時能極大提高學生的學習興趣， 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，為物理教學帶來良好的效果.但是3ds Max是為了影視特效，游戲，動畫所設計的，技術對于教師來說，還是過于復雜，所以希望可有更成熟的3D教學設計軟件，實現(xiàn)3D教學模型設計的簡化，同時也可以設計出成熟的可修改的3D教學模型，以便用于教學實踐，使3D教學模型的普及可以如現(xiàn)今的PPT課件一般，得到廣泛應用，這將對物理教學帶來無盡的益處.

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

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

3安妮·班福德. 3D教學引領未來學習——新興技術在教學創(chuàng)新中的應用評估報告(四) . 新課程研究(上旬刊),2014(02):4～7

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

5陳昌. 3D技術在高中物理教學中的應用. 中小學電教(下),2014(01):1

2016-03-26)

*本文為教育部“南京師范大學卓越中學教師培養(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)為學科教學物理.指導教師：吳偉(1964-)，男，教授，主要從事課程與教學論(物理)研究.