王小琳　李定華　伍躍勝

【摘 要】地質(zhì)教學動畫數(shù)量少、針對性差、畫面模糊，難以滿足教學需求。地質(zhì)過程具有時空跨度大、復雜多變等特征，三維地質(zhì)教學動畫更加適用。本文以青塘野外實訓為例，總結(jié)出了實用性強、操作簡單的三維地質(zhì)教學動畫制作方法和流程。

【關(guān)鍵詞】地質(zhì)教學動畫；三維地質(zhì)模型；青塘；野外地質(zhì)實訓

中圖分類號： G434 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0095-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.041

Application of 3d visual modeling in animation production of geological teaching

——Take qingtang field training as an example

WANG Xiao-lin LI Ding-hua WU Yue-sheng

（Jiangxi College of Applied Technology，Ganzhou Jiangxi 341000，China）

【Abstract】the number of geological teaching animations is small， the pertinence is poor， the picture is blurred， and it is difficult to meet the teaching needs. Geological process has the characteristics of large span of time and space， complex and changeable， and three-dimensional geological teaching animation is more suitable. Taking the field training of qingtang as an example， this paper summarizes the method and process of 3d geological teaching animation with strong practicability and simple operation.

【Key words】Geological teaching animation； Three-dimensional geological model； Green pond； Field geological training

1 研究背景

1.1 地質(zhì)專業(yè)教學手段使用現(xiàn)狀

（1）在地質(zhì)專業(yè)教學過程中，教師通常采用黑板板書、畫圖、掛圖、幻燈片放映等傳統(tǒng)教學方法進行講授。針對地質(zhì)專業(yè)教學內(nèi)容，我們不難發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)過程尤其是地史演化過程，是隨時間推進而不斷演變、時刻變化的，往往具有時間空間跨度大、復雜多變等特征。然而，傳統(tǒng)地質(zhì)信息主要表現(xiàn)形式是平面圖和剖面圖，地質(zhì)教師很難用語言講訴、文字描寫、靜態(tài)圖片展示等方式清晰、準確地描述和呈現(xiàn)授課內(nèi)容，教學效果并不理想。

（2）研究表明，平面地質(zhì)圖件的教學形式缺乏直觀性和立體性，學生很難準確理解、掌握課堂教學內(nèi)容。而采用動畫教學形式，形象生動、直觀易懂，能有效避免傳統(tǒng)教學存在的弊端。

（3）隨著計算機信息化與可視化技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的教學動畫逐步應(yīng)用于各行各類教育教學中。對于地質(zhì)專業(yè)教學，使用動畫教學手段是及其有效，但是很難普及使用的。

首先，地質(zhì)專業(yè)是相對小眾專業(yè)，從業(yè)人員相對較少，導致地質(zhì)類教學動畫數(shù)量很少，而且針對性比較差。其次，地質(zhì)教學動畫多是通過網(wǎng)絡(luò)下載、科教片剪輯等方式獲得，畫面比較模糊，難以滿足現(xiàn)在的教學需求。教師普遍認為教學動畫是地質(zhì)教學過程中最為缺乏的教學素材，急需從業(yè)人員創(chuàng)造出更多、更優(yōu)質(zhì)的地質(zhì)教學動畫。

1.2 教學動畫研究現(xiàn)狀

（1）教學動畫脫胎于計算機動畫，其研究的目的主要集中于促進學生學習。計算機動畫，最早由Beak和Layne將其定義為一系列幀，每一幀在前一幀的基礎(chǔ)上發(fā)生變化，這些幀的相互連接顯示了事物的運動過程。地質(zhì)教學動畫的制作就是利用計算機動畫技術(shù)，動態(tài)展示地質(zhì)體的運動過程。

（2）教學動畫分為二維教學動畫和三維教學動畫。隨著PowerPoint、Flash、3Ds Max等先進動畫制作軟件的開發(fā)使用，越來越多的教學動畫制作使用于教學過程，其中主流的教學動畫形式是以二維動畫為主。

（3）Richard Mayer、于文、王寶亮等認為教學動畫制作應(yīng)具理解力、適合性、交互性、注意力引導、靈活性等原則。

（4）相較于二維教學動畫，三維更加立體、逼真、清晰易懂，是未來制作發(fā)展方向?，F(xiàn)存三維教學動畫極少，尤其是地質(zhì)教學動畫，究其根本原因是技術(shù)要求高、經(jīng)濟成本高。三維動畫制作按秒計費，每秒就要上千元甚至是數(shù)千元之多。

1.3 三維地質(zhì)建模與可視化研究現(xiàn)狀

（1）三維地質(zhì)建模（3D Geosciences Modeling）的實現(xiàn)是三維地質(zhì)教學動畫制作的基本工作。三維地質(zhì)建模能把抽象的內(nèi)容具體化，把難以理解、難以想象的東西凸現(xiàn)出來。三維動態(tài)顯示效果，可以讓學生對復雜的地質(zhì)內(nèi)容與多變的地質(zhì)體空間展布關(guān)系有更加直觀的認識。提高學生對復雜地質(zhì)過程的理解和判斷。

（2）三維地質(zhì)建模概念，最先由Simon W. Houlding在1993年提出，是指在三維環(huán)境下，以適當?shù)刭|(zhì)數(shù)據(jù)構(gòu)建各類地質(zhì)現(xiàn)象的數(shù)學模型，然后使用計算機技術(shù)將建立的數(shù)學模型描述為立體圖像，用以加強人們對地下地質(zhì)內(nèi)容的認識。

也就是說，三維地質(zhì)建模是在三維環(huán)境下，將地表以下地質(zhì)體的空間分析預測、地質(zhì)解譯、地質(zhì)學統(tǒng)計、地質(zhì)內(nèi)容分析等與圖形可視化技術(shù)結(jié)合起來，用于地質(zhì)分析，強調(diào)地質(zhì)內(nèi)容呈現(xiàn)的數(shù)字化、可視化和立體化。

（3）傳統(tǒng)地質(zhì)信息實現(xiàn)三維可視化是地質(zhì)學領(lǐng)域里的研究熱點。三維地質(zhì)模型建立與可視化技術(shù)，在發(fā)達國家起步較早，F(xiàn)ritsch D、Aaper J. F、Turner A. K等人有深厚的理論研究。國內(nèi)起步比較晚，應(yīng)用尚不能普及，多用于礦山管理、地質(zhì)災害等方面，處于探索和嘗試階段。改變傳統(tǒng)二維地質(zhì)內(nèi)容的表達形式，使用直觀、三維的地下信息表達迫在眉睫，基于三維GIS的可視化建模是總體發(fā)展趨勢。

（4）地質(zhì)演化過程是地質(zhì)專業(yè)教學中的難點和重點，其表達形式更加傾向于三維動畫模式，尤其是在實訓教學過程中，地質(zhì)內(nèi)容在地表以下的表達與呈現(xiàn)。例如，寧都青塘實訓區(qū)地層的分布、斷層的變化、礦體的形態(tài)以及地層的接觸關(guān)系等，需要學生在準確判讀地質(zhì)圖的基礎(chǔ)上，利用各類地質(zhì)數(shù)據(jù)合理分析與推斷。這對學生專業(yè)基礎(chǔ)知識要求非常高，只有極少數(shù)學生可以掌握，很難達到教學目的。

為解決青塘野外實訓教學中的不足，特選擇對青塘地區(qū)地質(zhì)內(nèi)容進行三維可視化地質(zhì)建模來實現(xiàn)。

2 研究內(nèi)容

本文研究實際上是一個大膽嘗試、勇于探索的過程，旨在運用地質(zhì)前沿研究—三維地質(zhì)建模與可視化技術(shù)，建立青塘實訓基地三維可視化地質(zhì)模型，進一步制作出三維地質(zhì)教學動畫，應(yīng)用于學院青塘野外綜合實訓教學之中。

2.1 三維地質(zhì)模型建立的理論依據(jù)

（1）搜集、整理青塘地區(qū)已有地質(zhì)資料，野外采集相關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)，建立青塘實訓區(qū)三維地質(zhì)模型。模型可以直觀、立體地反映出實習區(qū)地形地貌、地層、礦產(chǎn)、接觸關(guān)系、巖層厚度變化、巖漿巖出露形態(tài)、構(gòu)造空間展布等。

（2）實際工作過程中，地質(zhì)現(xiàn)象是極其復雜而且多變的。以青塘實訓區(qū)的地層分布為例，地層是在三維空間展布的層狀巖石體，通常不是一個規(guī)則的平面，地層之間存在交叉、重復或尖滅消失，地層是一個曲面，很難用具體的數(shù)學公式表達。這是三維可視化地質(zhì)模型建立的前提，需要我們對獲得的已有資料的數(shù)據(jù)篩選分析。

（3）三維地質(zhì)可視化模型的建立的根本是地質(zhì)體數(shù)字化的表達。三維地質(zhì)模型的質(zhì)量好壞，與原始數(shù)據(jù)的采集、地質(zhì)人員的地質(zhì)分析解譯有很大關(guān)系，再就是模型要符合當?shù)貙嶋H地質(zhì)情況。地下地質(zhì)體變化是未知的，也是復雜的，這就需要地質(zhì)人員運用一定的經(jīng)驗和技術(shù)對實訓區(qū)地質(zhì)內(nèi)容進行合理地地質(zhì)變量預測、地質(zhì)解譯與空間分析，從而推測出地質(zhì)體的空間變化。

2.2 青塘實訓區(qū)三維可視化地質(zhì)模型建立

以收集的地質(zhì)資料和野外采集的相關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合GIS 和計算機圖形圖像可視化技術(shù)，將青塘實訓區(qū)地質(zhì)體（包括地層、巖體、斷層、褶皺、礦體等）的空間分布情況建立三維可視化模型。

（1）基本數(shù)據(jù)生成圖形，建立青塘實訓區(qū)地形、地貌的數(shù)字高程模型，即數(shù)字地形模擬（DEM）。收集該區(qū)高程數(shù)據(jù)，在Arcgis軟件中建立實習區(qū)DEM，反映該區(qū)地形起伏。

（2）建立三維網(wǎng)格。基于三維GIS，結(jié)合該區(qū)相關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)，建立比較詳細的三維地質(zhì)的框架。

（3）三維地質(zhì)模型建立。在數(shù)據(jù)分析、地質(zhì)解譯的基礎(chǔ)上，輔助以剖面圖繪制，利用超圖、AutoCAD、3DMAX等軟件構(gòu)建實訓區(qū)三維地質(zhì)模型，包括地層模型、構(gòu)造模型、巖體模型和礦體模型等。

（4）三維地質(zhì)模型處理。對已建立的三維地質(zhì)模型進行合理的網(wǎng)格粗化與后期處理，使之更加符合當?shù)貙嶋H地質(zhì)內(nèi)容。

（5）三維地質(zhì)模型處理完畢后，通過屏幕顯示、圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存打印、錄像制作等方式，實現(xiàn)三維地質(zhì)模型中地層、巖體、礦體、構(gòu)造的形態(tài)、展布、接觸關(guān)系的可視化。通過AutoDesk等軟件將三維地質(zhì)模型的工程文件錄屏，形成可視化視頻文件。

2.3 地質(zhì)教學動畫的實現(xiàn)

相比一般動畫，地質(zhì)教學動畫的制作目的、呈現(xiàn)內(nèi)容和使用領(lǐng)域具有更強的針對性。制作目的是為了幫助學生突破地質(zhì)教學中的難度和重點知識。呈現(xiàn)內(nèi)容是地質(zhì)教學的知識點，是系統(tǒng)的地質(zhì)科學知識。在動畫制作時要特別注意教學目的的體現(xiàn)。

（1）素材收集與處理。文字素材、圖片素材、聲音素材、視頻素材、地質(zhì)動畫素材（建立的三維地質(zhì)模型，網(wǎng)絡(luò)搜索下載、科教類視頻中地質(zhì)動畫剪輯等）。

（2）需求分析。分析青塘地質(zhì)實訓的教學目標、教學內(nèi)容等。三維地質(zhì)動畫具有技術(shù)需求高、制作成本高的特征，為減少動畫個數(shù)，在內(nèi)容上應(yīng)選擇那些用語言、文字、圖片難以呈現(xiàn)的重點和難點知識來制作動畫。

（3）腳本設(shè)計。對地質(zhì)教學動畫需要呈現(xiàn)的方式、內(nèi)容、呈現(xiàn)等進行設(shè)計。

（4）動畫制作。使用3Ds Max（三維）等不同動畫制作工具，依據(jù)腳本設(shè)計的地質(zhì)內(nèi)容選取、素材類型、素材編排方式、知識呈現(xiàn)方式、客觀制作條件等因素，選擇合適的軟件制作地質(zhì)教學動畫。

（5）評測修改。教學動畫試用和評價。首先，應(yīng)用于青塘地質(zhì)實訓教學，在實際使用過程中總結(jié)其的不足。第二，請其他地質(zhì)教師、學生、專業(yè)動畫制作人員等，對完成的地質(zhì)演化過程模擬教學動畫評價并提出修改意見。多次反復評測和修改。

2.4 地勘專業(yè)地質(zhì)實訓教學方法、教學手段探討

（1）制定三維地質(zhì)建模在野外實訓中配套的教學方案，采用三維地質(zhì)模型圖片和視頻的教學方法，直接向?qū)W生演示地質(zhì)現(xiàn)象在三維空間的展布和相互關(guān)系，降低教學難度。

（2）循循善誘，利用三維地質(zhì)模型直接觀察實訓區(qū)地質(zhì)體地下位置、展布及相互關(guān)系，降低學生學習難度，激發(fā)學生的學習興趣，提高專業(yè)基本技能。

2.5 將先進國內(nèi)外地質(zhì)軟件引入到地勘類專業(yè)學習中

教會學生使用各類地質(zhì)軟件（Arcgis、Mapgis、超圖、3DMAX等）處理不同數(shù)據(jù)、圖形，建立三維地質(zhì)模型，實現(xiàn)地質(zhì)內(nèi)容可視化、立體化。

2.6 三維地質(zhì)動畫制作技術(shù)的推廣

將三維可視化地質(zhì)建模技術(shù)應(yīng)用于青塘野外綜合實訓教學，經(jīng)不斷探索和完善，建立出適合地勘類專業(yè)野外綜合實訓教學的新模式。

3 研究意義

（1）滿足地質(zhì)專業(yè)教師的實踐教學需求，教學動畫能有效地突破教學中的難點和重點，是教師教學、學生學習過程中迫切需要的教學素材。

（2）建立青塘實訓基地三維地質(zhì)模型，促使學生直觀、立體地了解實習區(qū)各類地質(zhì)現(xiàn)象在三維空間的分布，變化及接觸關(guān)系等。有利于學生更準確、容易地掌握該區(qū)地質(zhì)信息，降低實訓難度，有助于提高學生實訓興趣，滿足學生的專業(yè)知識學習需求，獲得更好的教學效果。與文本、圖片、音頻、視頻相比，地質(zhì)動畫更加直觀、具體，能有效降低專業(yè)知識學習難度，縮短學生認知過程，提高學習效率。采用三維立體圖片和視頻的教學形式，讓學生簡單明了地掌握該區(qū)地質(zhì)特征，降低學習難度，提高學習積極性和實訓效果。

（3）深化和完善地質(zhì)教學動畫的制作理論，總結(jié)出實用性強、操作簡單的地質(zhì)教學三維可視化地質(zhì)建模技術(shù)方法、動畫制作方法和流程，供其他地質(zhì)院校、資源勘查專業(yè)借鑒參考。

（4）通過本文不斷探索與實踐，在傳統(tǒng)教學基礎(chǔ)上，制定出與現(xiàn)代信息化技術(shù)相整合的，與青塘野外地質(zhì)實訓相配套的教學標準。

4 存在的問題

（1）地質(zhì)演化過程，時空跨度大、復雜多變，受動畫制作技術(shù)、經(jīng)濟條件、原始數(shù)據(jù)等條件限制，很難完整、精確地呈現(xiàn)出地表以下的地質(zhì)現(xiàn)象與地質(zhì)過程。因此，在制作地質(zhì)教學動畫之時，需要技術(shù)人員在科學性前提下，對地質(zhì)過程抽象、概括，以簡明、形象的動畫語言揭示復雜地質(zhì)表象下的地質(zhì)知識。

（2）地質(zhì)教師不是專業(yè)動畫制作人員，教學動畫制作水平不足。專業(yè)動畫制作人員又缺乏地質(zhì)基礎(chǔ)，交流存在障礙。在條件允許范圍，地質(zhì)教師有必要參加專業(yè)動畫制作培訓，為地質(zhì)學領(lǐng)域制作出更加精準的教學動畫。

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