基于MAYA的力學類課程教學動畫制作研究

劉澤 李增蓉 胡佳豪

【摘要】動畫是多媒體課件中最為活潑生動的元素。為了制作具有自有創作權又能體現課堂的個人風格的教學素材，以動畫軟件MAYA為基礎，研究了教學動畫制作的流程，并結合《材料力學》課程中常用案例制作了分析桿件變形的教學動畫，為類似課程教學素材的創作提供了參考。

【關鍵詞】教學 ?動畫制作 ?Maya

【基金項目】湖南科技大學大學生思想教育研究課題（131828），湖南科技大學優秀輔導員培育計劃項目。

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）13-0251-02

1.前言

近年來由于計算機的普及，多媒體技術的應用發展迅猛，深刻的影響著人們的工作、學習乃至生活方式。對于大學的課堂教學而言，多媒體教學基本上已經取代了傳統的手寫黑板教學，將知識講解以圖片、文字、聲音、動畫等多種方式呈現在學生面前，不僅使原先比較抽象、枯燥的教學內容變得生動起來，更讓老師以更豐富的形式極大地提高了學生的興趣與積極性。

由于網絡、手機、數碼相機等工具的普及，多媒體教學中涉及到的圖片、文字、聲音等元素一般很容易在網絡找到或用手機或數碼相機錄制，但如果在《材料力學》等比較抽象的課程授課PPT中想要加入一幅能同時表達授課內容、體現授課者思想與風格的動畫是很不容易的。一方面，力學課程內容比較抽象，因完整地體現看不見的力（應力）、微小的變形，需要做很多構思與創作;另一方面，動畫是多媒體課件中最為活潑生動的元素，制作完成一般需要專業軟件。為了方便大學老師教學制作具有自有創作權又能體現課堂的個人風格，本文以動畫軟件MAYA為基礎，分析教學動畫制作的一般流程，并結合《材料力學》課程中常用案例制作了分析桿件四種基本變形的教學動畫，為類似課程教學素材的創作提供了參考。

2.教學動畫素材制作方法

2.1 MAYA簡介

Maya是由美國 Alias Wavefront公司開發的一款是三維動畫制作 軟件，具有功能強大、操作簡單的特點，不僅有一般三維動畫制作的基本功能，而且也融入了最先進的建模、運動匹配技術、毛發渲染和數字化布料模擬等功能，深受動畫與影視界廣泛的關注。

正確安裝并啟動后，MAYA中央工作區有四個視圖，創作時可在不同視圖中調整創作模型。每個視圖均可單獨放大（把鼠標放在視圖上按住回車即可）。操作一般在右上的三維視圖中進行。

主界面最上方為程序菜單欄，它包括了MAYA所有的工具和命令;其下為狀態欄，顯示一些常用的視圖操作按鈕，如選擇層級，模塊選擇器，編輯器開關和捕捉開關等;第三排為實用的工具架，集合了MAYA各個模塊中最常用的命令，并以圖標的形式表現，非常直觀。視圖區下方為動畫控制區，在這里能夠選擇、調整、鎖定關鍵幀，使之形成一個動畫。主界面最下方為命令欄與幫助欄;命令欄用于輸入腳本命令或MEL命令。通過幫助欄可以獲得一些簡單而有用的信息。主界面左側為常用工具盒與快捷布局工具，集合了移動、選擇、縮放和旋轉等工具，快捷布局工具則可以控制視圖的顯示樣式;主界面右側為通道盒與層編輯器。通道盒用于訪問、修改對象的節點屬性。層編輯器中包含動畫層、渲染層和顯示層。顯示層是用于管理是否顯示放入層中的物體，也可以把物體添加到層內，也就可以在層中對其進行選擇、隱藏和模塊化等一系列操作。渲染層可以設置渲染的各項屬性。

2.2教學動畫的制作步驟

（1）模型制作。模型制作應先對多媒體動畫的主體對象有明確認識，再利用MAYA提供的基礎模型，如曲面、多邊形等，通過調整、組合等操作將主體對象構造出來。

（2）動畫制作。首先應分析主體對象的運動過程，確定主動對象在運動過程中的關鍵位置。再選中運動的主體對象，固定這些物體在這一個時間點上的所有屬性，然后移動主視圖下方的時間軸，選擇一定的幀數之后調整物體的位置或者形狀，然后鎖定創建出一個“關鍵幀”。按類似方法創建出其它“關鍵幀”。MAYA會自動填充兩個相鄰的關鍵幀之間的幀，會讓畫面均勻的從上一個幀變化到第二個幀。

（3）指定材質，添加背景。完所有動畫之后可指定材質，改變物體的外觀。這可以從渲染模塊中修改或指定物體的材質來實現。

（4）渲染。通過“窗口”→“渲染編輯器” →“渲染設置”，設置動畫文件的格式、幀范圍、鏡頭視角、輸出文件位置等;再在模塊選擇器中選擇渲染模塊，在菜單欄的“渲染”中找到“批渲染”，點擊之后計算機開始執行渲染操作。當渲染完成后，可在指定文件夾中就能找到所做的動畫了。

3.實例分析

以《材料力學》中常用的簡易吊車為例進行分析。在荷載F的作用下，桿1會被拉伸，桿2會被壓縮。通過動畫配教師講解可使學生對桿件的受力變形有更直觀的認識。

首先采用MAYA提供的基礎模型創建一個簡易吊車模型，并設置對象材質與背景，如圖1（a）所示。以演示桿1受力變形為重點分析如何顯示突出其變形規律。需確定以下5個關鍵幀：1.完整的吊車模型;2.將桿1的顏色改變（圖1（b）），以突出分析對象將是桿1，引導學生觀察桿1;3.慢慢把吊車模型上的其他部件移開，只剩下上桿1;4.將桿1擺正，并在其兩端兩個力向外的拉力（圖1（c））;5.將拉長桿件體現出它的變形（圖1（d））。關鍵幀確定后即可以通過渲染制出來一個體現桿件受力變形的動畫，配合教師的講解，即可使得原本固定的板書講解更為生動。

4.結語

在力學課程中利用動畫來教學比傳統教學更為直觀與便捷，能讓學生可快捷的理解物體受力后的變形、位移、運動軌跡等比較抽象概念。利用MAYA來制作力學課程教學素材還是比較合適的，采用MAYA提供的基本模型就可以創作出簡單而有用的動畫，使自己的課堂變得有聲有色，而且如果教師對動畫要求高，MAYA又提供了豐富的素材料與非常齊全的功能，可以創造出專業級的動畫，滿足教師對高水準課堂的要求。

參考文獻：

[1]劉鴻文.材料力學[M].高等教育出版社，2011.

[2]王麗娜.MAYA軟件的動畫角色設計和實現[J].自動化技術與應用，2018，（3）：50-53.

[3]翟浩澎.MAYA三維動畫制作技術[J].藝術研究，2017（3）：42-43.

[4]趙曉慧.基于Maya技術的交互式中醫養生運動視頻制作[J].醫學信息，2018（18）：16-18.

作者簡介：

劉澤（1975.08-），男，博士，碩士生導師，主要從事高等教育工作與巖土工程研究。