基于MAYA的化工食品類實驗仿真動畫研究與實踐
——以皮蛋中重金屬鉛含量的測定實驗為例

張洪民，張 英，張春迎，趙 震，高 申

（1.天津渤海職業(yè)技術學院信息工程系，天津 300402；2.天津渤海職業(yè)技術學院生物與環(huán)境工程系，天津 300402）

1 化工食品類課程實驗面臨的問題

化工食品類學科教學活動中，一個不可或缺的重要環(huán)節(jié)就是實驗，課堂教學也需要引用試驗數(shù)據(jù)、試驗結果，觀看實驗視頻等，以此來提高教學的質量。而實驗教學環(huán)節(jié)更是關乎著整個教學過程的質量和教學成敗。化工食品類課程的教學目前還是存在著諸多問題，尤其在實驗教學中更為突出。隨著社會的發(fā)展和數(shù)字媒體技術的提高，提高教育教學、實驗教學的可視化水平尤其重要[1-3]。

1.1 教學過程中多媒體使用單一

化學食品類課程教學過程中大多使用多媒體課件的類型，如PPT、圖片、視頻等，而此種形式已經(jīng)難以適應目前學生的需求，學生的積極性、主動性受到制約，學生目前多為“95后”年齡段甚至“00后”年齡段，他們樂于看到動畫效果，生動活潑、逼真形象的動畫效果可以激發(fā)學生的學習熱情，提高學生的記憶力。

1.2 實驗教學演示缺乏重復性

化學食品類課程實驗教學只能演示1次，多次會造成資源的浪費，小班或分組授課又受到實驗室等硬件資源和實驗教師資源的限制，而實驗具有不重復性，學生一步?jīng)]有看到，就錯過了，會導致后面實驗過程失敗，或者咨詢教師或學生，影響實驗進程。使用動畫仿真模擬實驗過程，可以重復觀看，有助于記憶，可以拖拽、跳進，對不會的知識點、不懂的步驟可以直搗黃龍，節(jié)約時間、提高效率。

1.3 實驗過程存在一定危險性

實驗過程存在一定危險性和毒性，部分化學食品類課程的實驗涉及多種不同的化學藥品，有些具有可燃性、劇毒性、腐蝕性和反應性。實驗次數(shù)越少越好，成功率越高越好，實驗產(chǎn)生的有毒物質越少越好。采用動畫仿真模擬實驗過程有利于提高實驗成功率，可以對環(huán)境的污染降到最低[4]。

2 Maya軟件制作仿真動畫的特點

Maya作為世界頂級的三維動畫軟件，應用對象涵蓋了專業(yè)的影視廣告、角色動畫、電影特技和仿真實驗等。其功能完善、工作靈活、制作效率極高，Maya軟件制作仿真動畫具有形象、逼真、生動、傳神、真實感極強等特點，使用Maya軟件制作仿真動畫可以是教學工作和實驗效果更加生動、課堂效果更具有活力和動力。

3 以皮蛋中重金屬鉛含量的測定實驗為例教學實踐

皮蛋中重金屬鉛含量的測定是“食品衛(wèi)生”課程教學項目第4部分乳、蛋類的衛(wèi)生檢驗中的任務二，也是這部分內容的教學重點和教學難點。由于重金屬鉛對人體的危害較大；實驗過程存在一定的危險性；火焰原子吸收測定需要的實驗條件較高，有些知識點不適合理論教學，因此將這部分內容制作成微課，以便學生能夠更好地學習。而在微課的制作過程中，主要應用了Maya軟件制作動畫，達到了栩栩如生的效果，吸引學生進行觀看。

3.1 3D動畫模型設計

3D動畫模型的建立包括實驗設備模型、實驗場景模型，其中實驗室設備模型可以建立1個模型庫，以備今后其他仿真動畫設計之用，實驗過程中的操作臺可以一勞永逸，制作1次即可，實驗試管類模型可根據(jù)不同實驗添加。其中，有刻度的模型要根據(jù)精度設計建模，給學生實驗以嚴謹?shù)淖黠L。

3.2 食品中重金屬鉛的來源動畫部分

食品中重金屬鉛的來源主要包括3個方面：①汽車尾氣的污染；②皮蛋制作過程中重金屬鉛的污染；③香煙燃燒過程產(chǎn)生的重金屬鉛。為了讓學生更加深入地了解重金屬鉛的來源，利用Maya軟件制作了3個動畫。

汽車尾氣和吸煙有害健康仿真動畫見圖1。

圖1 汽車尾氣和吸煙有害健康仿真動畫

3.3 原子吸收分光光度計的工作原理動畫

根據(jù)GB 5009.12—2017，利用火焰原子吸收分光光度計對食品中重金屬鉛含量進行測定。在使用分光光度計前，需要掌握其工作原理，在學習的過程中，學生普遍反映教師直接講解工作原理比較枯燥且不易理解，所以利用Maya制作了工作原理的相關動畫，使學生在學習的過程中更加容易理解，為操作原子吸收分光光度計打好基礎。

原子吸收分光光度計的工作原理動畫見圖2。

圖2 原子吸收分光光度計的工作原理動畫

3.4 標準溶液的配制動畫

在標準溶液配制過程中，學生會由于操作過程不標準而導致試驗數(shù)據(jù)的誤差，甚至是操作過程的錯誤。如將溶液移入容量瓶的過程，部分學生操作的過程會出現(xiàn)以下幾點問題：①轉移溶液時沒有使用玻璃棒引流；②使用玻璃棒的方法不夠標準；③引流時將溶液倒出，造成誤差。為了有效減少這些誤差，避免實驗過程中的錯誤操作，利用錄像和動畫相結合的方式表現(xiàn)標準溶液的配制過程。

配液實驗動畫見圖3。

圖3 配液實驗動畫

3.5 原子吸收分光光度計的操作步驟動畫

由于原子吸收分光光度計在操作過程中存在一定危險性，操作不當會引起較為嚴重的后果且重金屬鉛對人體的危害較大，所以在進行真實的操作前，需要讓學生了解具體的操作步驟。

主要采用關鍵幀動畫和流體動畫，其中關鍵幀動畫在操作步驟中具有重要地位，設置操作過程中的關鍵幀，使用動畫曲線編輯器設計關鍵幀的曲線，讓動畫更加符合實驗真實效果，使用流體動畫可以將實驗液體流動效果更加形象逼真，有真實效果，流體的飛濺效果做成可以在布料上面炭化效果，可以讓學生知道化學液體的危險性，提高安全性教學[5]。

3.6 乙炔罐使用方法

由于乙炔為易燃易爆物質，如果在實驗過程中操作不當，極易發(fā)生危險，引起爆炸且打開乙炔罐的方式較為特殊。所以，在這個部分利用動畫講解乙炔罐的打開方法，避免由于學生的錯誤操作而發(fā)生危險。乙炔罐使用動畫的難點在于火焰的顏色設置，火焰顏色的渲染效果可以使用錄制的視頻制作成動畫演示，分層渲染使乙炔罐的操作讓學生感受不同火焰，而不用浪費時間和乙炔，節(jié)約資源。

爆炸動畫的實現(xiàn)，現(xiàn)實生活中和實驗教學中不可能實現(xiàn)真實的爆炸場面，也具有危險性，使用Maya動畫實現(xiàn)起來很容易，可以讓學生體會到操作不當造成的傷害，提升學生安全意識，減少實驗教學危險性發(fā)生概率。

乙炔罐使用仿真動畫見圖4。

圖4 乙炔罐使用仿真動畫

4 仿真軟件發(fā)展趨勢

仿真軟件發(fā)展趨勢之一是虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的沉浸式體驗成為今后教育教學實驗教學等的發(fā)展方向，虛擬現(xiàn)實技術的沉浸式體驗可以讓學生有身臨其境的感覺，將真實實驗教學中無法實現(xiàn)的部分呈現(xiàn)到學生面前，達到充分的體驗效果。例如，化工安全實驗中火災效果、爆炸效果、強腐蝕效果可以用虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)，學生可以在其中得到安全教育，減少各種事故的發(fā)生，學生可以從各個角度觀察實驗過程、觀看實驗效果，避免了因為學生多造成擁擠或者阻擋視線的情況發(fā)生，而且可以近距離推進觀看實驗結果。仿真軟件的發(fā)展趨勢之二是線上的學習，線上方式學習將成為常態(tài)，讓學生線下的被動學習變?yōu)榫€上的主動學習，將仿真軟件放置到網(wǎng)上可以實現(xiàn)在線應用，從而促進學生學習，達到較好的學習效果[6-7]。

5 結語

化學食品類實驗仿真動畫的設計與制作，需要數(shù)字媒體專業(yè)動畫師完成最后的動畫制作，動畫的真實實驗要有專業(yè)的化學食品類實驗教師把關，不能有絲毫的專業(yè)錯誤出現(xiàn)。利用計算機虛擬現(xiàn)實技術、數(shù)字媒體技術、人工智能技術等協(xié)同發(fā)展仿真動畫軟件，是今后化學食品類乃至其他各種學科尤其是危險系數(shù)高、難度系數(shù)大、不可復制重復性強的實驗課程的發(fā)展方向。