動畫仿真技術在理工科多媒體教學中的應用研究

崔志剛 馬素霞

摘 要：形象生動的多媒體技術用于計算機輔助教學之中，為教育信息化提供了重要的實現方式。針對理工科的教學特點，動畫仿真技術作為多媒體教學的一種重要形式，可充分發揮其內容豐富、交互性強等特點，對專業設備的結構進行建模仿真、再現安裝過程及工作原理，尤其對于肉眼不易觀察到的設備內部具體結構，可使學生獲得深刻的感性認識。文章以汽輪機原理課程中級的工作原理為例，采用3DS MAX制作其工作過程的動畫，將動畫仿真技術應用于專業課程的教學過程中，可有效促進學生的學習主動性以及記憶力，并直接對教學起到節約時間、提高質量的積極作用。

關鍵詞：多媒體教學 3DS MAX軟件 動畫仿真技術 理工科專業課程

中圖分類號：G642.1

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4914（2015）08-223-02

引言

隨著多媒體技術的廣泛應用，采用先進教學設備的多媒體教學，使得教學模式不斷發展，實現了教育技術的現代化發展。為了提高單位時間的教學密度，降低勞動強度，同時加強學生學習的主動積極性，有效提高教學效果，高校教師要更新教育思想和教學觀念，從教學內容、形式、方法等角度不斷地開展綜合化改革，以滿足廣大學生渴望探索和掌握知識、培養創造性思維和自學能力的需求。

理工科專業課程內容抽象，包括專業設備運行原理、結構和設計等綜合性知識，具有很強的理論性和實踐性。利用設備的靜態圖片來講述的傳統教學方式，缺乏直觀性和趣味性，學生無法獲得形象的感性認識，學習過程單調枯燥、難于掌握。針對這種教學效果較差的現狀，將動畫仿真技術應用于專業課程的教學過程，以三維模型來展示設備結構、以動畫展現運行原理，使學生更好地理解和接受課程內容。這樣教師能順利進行教學過程的各個環節，學生也獲得豐富的學習興趣，使得學習效率大大提高，達到深刻理解并靈活運用，進一步培養創造性能力的目的。

一、多媒體教學

（一）多媒體教學的特點

多媒體教學集成了各種多媒體技術共同來呈現教學內容，把各種信息形式包括聲音、文字、圖形、影像、動畫等進行加工組合，具有突出的集成性、交互性和教育性①，教師有更多的時間與學生進行交流，是一種新型的教育形式和現代化教學手段，明顯提高了教學效率。

（二）動畫仿真技術的應用

利用動畫制作軟件及圖像處理技術，動畫仿真技術對一系列靜止的圖像畫面，進行連續播放以得到運動效果。其應用于多媒體教學中，運用充分的感性資料進行形象直觀的教學，可使課堂教學更具有豐富的吸引力和感染力，具有生動、豐富、即時反饋等特點，有效提高了教學質量。

動畫仿真技術可使教材中枯燥、抽象、靜態的教學內容更加具體、直觀、動態地展現出來，可起到突出重點、激發學生的學習興趣以及集中注意力的作用。其以形象的視聽覺刺激，讓學生從生動活潑的畫面中自己分析、展開聯想，而獲得深刻的抽象認識，具有傳統教學方式無法達到的效果。課堂互動性大大增強，充分發揮學生的主動性和積極性，加深對學習內容的印象和理解，達到更好的教學效果。

二、理工科專業課程教學

（一）理工科教學特點

理工科類專業課程不僅涵蓋知識體系龐大的內容，還通常與實際工程緊密聯系，在社會不斷發展的背景下，教學內容從基礎理論到前沿技術應用更新速度很快。理工科專業課程的教學要求學生在掌握理論基礎上，著重提高動手實踐能力，做到實踐教學與理論教學的有效結合是課程教學重點。教師采用多媒體講授方式進行生動的專業知識教學，并結合新技術專題講座;同時以工程實習和案例教學方式②來培養學生的實踐能力。

（二）專業課程教學難點

理工科專業課程的傳統教學方式主要是采用黑板、掛圖、模型、幻燈等教具進行教學，這些方式缺乏動感，存在靈活性差、局限性大等缺點，講授過程往往因循守舊、表述單調，無法快速使學生形成空間想象能力，教學過程中學生被動接受，師生間交流和學生間協作很少③，無法使學生積極投入課堂之中，形成學生難于理解的教學結果。

動畫仿真技術作為一種生動活潑的教學形式，使抽象變形象、復雜變簡單，并有助于激發學生的興趣，讓學生由被動接受知識變為主動學習知識。對于專業設備的結構特性、運動原理、工作過程等抽象的內容，難以形象講述，制成動畫模擬片段后，可使學生對抽象、復雜的設備結構和工作原理有了形象化的認識，較為容易理解接受，達到良好的教學效果。

三、動畫仿真技術的應用及功能

（一）動畫仿真應用實例

《汽輪機原理》作為能源與動力工程專業的重要課程，其針對汽輪機設備的結構、工作原理展開學習內容，本文以其為例來討論動畫仿真技術在理工科專業課程中的應用及教學效果。

教材中級的結構大多為平面圖，僅包含噴嘴和動葉的截圖信息，無法準確顯示實際汽輪機中級的葉柵結構，學生難以通過空間想象獲得對級的認識。而動畫仿真技術可將級的具體結構以三維空間形式清晰顯示，改變視角即可獲得空間各位置處的部件組成及相互關系，將學生由原教材中平面圖的二維思維引向全三維立體思維。本文采用200MW汽輪機某高壓級的數據，由圖1可見此級中36片動葉通過所嵌裝葉輪過盈連接在轉軸上，皆屬于旋轉的轉子部件，而112片靜葉及所嵌裝隔板皆屬于靜止的靜子部件。

級的工作過程也是教學難點，學生較難一下子從平面圖接受動葉的旋轉原因，動畫仿真技術可對顯示動葉的旋轉及其與蒸汽的相互關系，本文采用動態模擬方法，將在流動過程中的工作蒸汽以球形粒子來代表，由于蒸汽流動速度和動葉旋轉速度飛快，故而需在保持二者速度相對值不變的基礎上，進行慢速動畫展示，以看清楚蒸汽和動葉的運動規律，選取兩個代表性時刻的截圖分別見圖2和圖3。圖2中蒸汽首先進入噴嘴流道中，其流至動葉時如圖3所示，這樣可以顯示出蒸汽在噴嘴流道和動葉流道中的流動過程、并由蒸汽位置反映出動葉的旋轉，即呈現出在蒸汽使轉子部件（包括動葉、葉輪和軸）的旋轉運動。通過對級的工作原理進行動畫仿真，可促使學生較容易理解蒸汽驅動動葉旋轉的作用，使得原來很難理解的內容，在課堂上就能掌握，并有助于學生進一步學習掌握蒸汽對葉片的作用力、做功能力以及效率等連貫性知識。

（二）動畫仿真技術的功能

由上述實例可見，動畫仿真技術應用于多媒體教學中，對不同內容采用與其適合的動畫教學手法，可實現以下功能：

1.實現生動形象化的教學。相對于傳統的教學靜態圖像，動畫仿真使教學內容變為豐富生動的立體造型，便于觀察和認識，提高了教學過程的生動性，把抽象的設備原理變為直觀的模型動畫，使學生更容易理解設備的空間結構，獲得充分的感性認識。

2.更加靈活地組織教學內容。動畫仿真技術可從各個角度展示設備結構，并可根據教學過程的需要，對局部重要結構進行放大或縮小，以使學生充分獲得三維立體思維;動畫軟件處理還可展示現實不易觀察到的局部結構，以及對設備內部結構進行多角度展示，使各部分形象及其相互關系完整、清楚地展現。

3.動態模擬工作原理以解決教學難點。采用設備工作過程的動畫，學生可直觀的看到設備組件的運動過程，使設備運動中復雜的進程都得到清晰詳盡的展示;并通過模擬顯示技術，表現出肉眼不易觀察、難以想象的設備內部工作狀態，比如顯示出蒸汽等工質的流動軌跡，幫助學生更深刻地理解設備工作原理。

4.對虛擬形象實現直觀化教學。動畫仿真可對各種形象進行夸張、比擬和象征，使抽象的理論得到圖像化和動態化，用虛擬方式對理論做出易于理解的表達，使學生親身感受、充滿興趣，提高學生學習的積極主動性，實現最佳教學效果。

5.達到理論聯系實際的教學目標。動畫仿真可涉及專業中的生產、加工、應用等方面，使學生從形象的感知中獲得知識，在趣味的學習中形成技能，有效提高了學生對理工科工程實踐的感性認識。

四、結語

多媒體教學將枯燥、抽象的理論賦予直觀、生動的形象，可使內容、結構和運動原理變得直觀，容易理解，提高學生的學習興趣和積極參與度。采用動畫仿真技術，可把教學中抽象的、復雜的概念用生動形象的動畫形式體現出來。本文通過《汽輪機原理》中級的工作過程的動畫制作，課堂使用情況證明，本文所制作的動畫已達到了預期的效果，使課程難點和重點變得生動、簡單易學。研究表明，利用動畫技術進行教學能調動學生的學習興趣，大大提高了教學質量，在理工科專業課程的教學中應積極合理使用，充分發揮它的巨大作用。

（項目來源：2012年度太原理工大學教育教學改革項目一般項目，項目名稱：《汽輪機原理》與《新型動力循環》集成化教學法研究）

注釋：

①鄭昌厚.論計算機多媒體技術的現狀及發展趨勢[J].價值工程，2011（3）：172-172

②經柏龍.論案例教學在教師專業課程教學中的運用[J].教育科學，2006（5）：39-42

③謝香云.師生互動對教學方法改革的影響[J].教育評論，2004（1）： 64-67

（作者單位：太原理工大學電氣與動力工程學院 山西太原 030024）

[第一作者簡介：崔志剛（1980—），男，山西長治人，太原理工大學電氣與動力工程學院講師，主要從事電廠汽輪機課程教學研究]

（責編;若佳）