反真實材質在三維教學動畫中的應用探索

【摘要】計算機三維動畫在中小學及高校的學科教學中發揮著重要的作用，以往的教學三維動畫的畫面大多采用寫實的風格，隨著技術的發展，出現了反真實（卡通型）材質，它突出簡約的色彩層次和鮮明的輪廓線條，為創作二維動畫風格的三維動畫提供了條件。本文探討的就是如何利用反真實（卡通）材質的特點，設計風格新穎的教學動畫。

【關鍵詞】 反真實材質；三維動畫；平面動畫；認知負荷

【中圖分類號】 G434 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097 (2008) 03—0094—03

引言

計算機多媒體技術為開展豐富多彩的教學活動提供了強有力的支持，其中電腦三維動畫就是一種優秀的教學資源，正在逐漸應用于中小學及高校的各個學科教學領域。然而，不同的教學情境對于動畫表達形式的要求是有差異的，應基于不同的教學需求和學習者的認知規律來設計，才能以合適的信息量，及適當的認知負荷來支持學習者的意義建構。卡通材質的應用，提供了一種新的設計思路。

一 擬真材質與反真實（卡通）材質的比較

為了模擬真實物體的各種視覺特性（如顏色、紋理、透明度、粗糙或光潔度，以及反射、折射特性等等），材質通過多種屬性的設定或貼圖技術的疊加，描述物體如何反射和傳輸光線，用以細致地刻畫模型的外觀。

通常使用的擬真材質，模型表面的色彩和明暗是無級變化的（如圖1）。

反真實（卡通）材質（Ink’n Paint）是從3ds max5以來新增的一種材質，它用有限的幾個色彩層次來分層填色，并生成鮮明的物體外輪廓線（如圖2）。使用反真實材質渲染生成的畫面，具有平面卡通漫畫的風格。[1]

需要明確的是這里所說卡通風格的三維動畫，僅指采用卡通材質輸出的動畫，畫面色彩和線條風格類似于卡通漫畫，并非指動畫的角色造型、鏡頭運用和敘述方式都采用少兒動漫那種夸張的手法，它仍然保證場景的準確透視，從而保持了三維動畫逼真的空間視覺效果，時間控制方法也不受影響。

但是由于反真實材質的畫面風格接近于平面卡通漫畫，所以它的畫面元素又具有了新的特點。這種新的特性對于教學動畫的設計會產生什么影響，這也是本文要探討的主題。

二 反真實（卡通）材質應用于教學動畫的優越性

設計教學動畫的時候，我們需要考慮動畫開發的工作量和開發效率；畫面所包含的信息量是否適度；動畫的風格是否符合學習者以往的認知經驗，動畫是否準確地反映教學內容等問題。卡通材質的應用有助于兼顧這些問題的綜合處理。

1 有利于提高教學動畫的開發效率

教學三維動畫作為教學資源的重要組成部分，其開發過程包括教學內容選擇，教學目標和需求分析，表達教學信息的畫面元素及其序列和節奏安排等教學設計工作；也包括三維建模，材質編輯，光源、背景、特效等環境設置，動態控制，渲染設置和后期合成等技術性和藝術性設計方案的確定；以及制作和修改等技術實現工作。很多時候，這些復雜的任務是需要獨立完成的，哪怕一段數秒至數十秒長的動畫創作，工作量都很大。如何在保證教學資源質量的前提下，提高三維動畫的開發效率，是一個不可回避的問題，卡通材質及卡通風格的教學動畫為我們提供了一個很好的途徑。

寫實風格的三維畫面，渲染效果接近于實拍的影像，學習者觀看時會自然而然地以真實世界的記憶表象為參照，來審視場景物體的形狀和表面質感的逼真度，這對三維建模和材質編輯的技術要求很高，任一細節達不到要求都可能影響整體視覺效果，從而降低對學習者的吸引力。而卡通風格的三維動畫，使我們觀看時會自然而然地以二維卡通動畫的記憶表象為參照，寬容地忽略很多細節，這就大大降低了三維建模和材質編輯的復雜度及工作量（如圖3），使創作者能把更多的時間和精力集中于動畫的教學設計。

2 有助于降低學習者的認知負荷

認知負荷理論（cognitive load theory）是Sweller等人在20世紀80年代提出的，認為認知負荷可分為內部負荷和外部負荷，分別受到教學內容本身和教學設計的影響，兩者具有不同的特點。[2]知識和技能是以圖式的形式儲存在長時記憶系統中，由于學習內容的復雜程度不同，在工作記憶中加工時對認知資源的需求量也不同。為此把由學習內容復雜度引起的認知負荷稱為內在認知負荷（intrinsic cognitive load）。由教學設計（如材料呈現方式和要求學生從事的活動）引起的工作記憶負荷稱為外在認知負荷（extraneous cognitive load）。

學習者在工作記憶中，可以同時處理的認知加工容量是非常有限的。因此，教學動畫設計需要注意避免認知負荷的超載問題，卡通材質也可以為此提供幫助。

圖4是高一物理教材中，研究勻速直線運動物體的s-t圖像的實驗裝置，及由實驗測得的s-t圖像。

該實驗的教學目標，主要是讓學習者理解物體運動的圖像描述法，掌握勻速直線運動的s-t圖像特征并能通過該圖像求出物體運動的速度。[3]分析該實驗教學情境，實景畫面的實驗場景包含了很多信息量，而其中像數據采集器的外形，整個實驗場景的環境等信息對主要教學目標并不具有非常重要的意義，如果能將這些信息簡化，可以有效地降低認知負荷。

再來考察為此設計的教學動畫（如圖5），我們可以看到：

首先，采用卡通材質生成的畫面，依然保留了實驗場景的主要信息，但是簡化了實驗中的物體模型。同時由于卡通材質的特性，使畫面的色彩、光照、投影等基本元素既得到保留，又進行了適當的簡化。“勾線”的繪圖方式，突顯了畫面中物體的輪廓，將物體的形體和相對位置等信息進行了強化。這種再加工在一定程度上簡化了畫面中多余的信息量，減少了觀眾在觀看時的認知負荷，有助于引導學習者把注意力集中在重要的教學信息上。另外，在畫面的左上角，加入了小車運動的曲線圖。曲線的繪制與小車的運動是同步的，這種呈現方式就強化了小車運動過程中每一時刻的位移和s-t圖像上每一點之間的聯系，有助于學習者深入理解運動的圖像描述法。而卡通材質所營造的二維畫面風格，也為運動曲線圖與實驗場景在畫面的疊加創造了條件。

3 有助于引導學習者的抽象思維

根據戴爾的“經驗之塔”理論（圖6），教材上的抽象圖示，屬于塔上部 “抽象的經驗”，教學信息的抽象程度由塔底部向上漸次提高，合理有效的教學應自下而上地從較具體的經驗開始，逐漸提高抽象程度。[4]

如果場景中的物體采用擬真的材質，那么畫面就提供較具體的“觀察的經驗” （如圖7）；如果模型經過適當的簡化，配合使用卡通材質，則畫面效果更接近教材中的抽象示意圖（如圖8）。因此，通過設置材質的動態漸變和動畫的后期處理，可以完成畫面從擬真風格到卡通風格的平滑過渡。使學習者在觀看這種教學動畫的過程中，更順利地完成從較為具體的“觀察的經驗”到“抽象的經驗”的提升，從而高效地實現意義學習。

4 卡通風格的動畫更適合中小學生的年齡特點

積極的學習態度，是學習過程中重要的內部條件，影響著整個學習過程。在興趣中學習，在快樂的體驗中學習，是形成積極態度的有利因素。

大部分中小學生對卡通片都有著濃厚的興趣，這與卡通片簡潔明快，活潑向上的風格有很大關系。如果能把中小學生對卡通片的喜愛，轉移到學習過程中來，會對學習效果產生積極的影響。經過精心設計的卡通風格的教學動畫，具備良好的視覺效果和較強的藝術感染力，能較長時間吸引學生的注意力，引起他們的求知欲，更重要的是，設計精良的教學動畫不僅融入了教學內容，而且潛移默化地引導著學生的科學思維，使他們輕松、快樂地達到預期的學習目標。

三 反真實（卡通）材質的制作

在3ds max軟件中，制作反真實(卡通)材質十分簡單，只要按下材質編輯器的材質類型按鈕（默認為“standard”），然后在材質類型列表里選擇Ink ’n Paint 類型即可。具體參數的設置可分為三部分，包括基本材質屬性；填色設置和勾線設置等。本文不再詳述。

參考文獻

[1]王琦電腦動畫工作室 火星人白金手冊[M/CD]. 北京:北京科海電子出版社，2003

[2]何克抗，鄭永柏，謝幼如.教學系統設計[M].北京:北京師范大學出版社，2003

[3]上海市教育委員會.上海市中學物理課程標準[J].上海:上海教育出版社，2004

[4]理查德.E.邁耶 多媒體學習[M]. 商務印書館 2006