MAYA三維動(dòng)畫在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用

黃若彤 王晶晶 王詩琴 任若瀾

摘要：隨著三維技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的遍及運(yùn)用，引起教育領(lǐng)域地逐步關(guān)注。本文結(jié)合MAYA三維動(dòng)畫教學(xué)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行模擬，分析并總結(jié)其優(yōu)勢(shì)。以物理學(xué)科——驗(yàn)證碰撞中的動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)為例，展現(xiàn)MAYA三維動(dòng)畫在教學(xué)的應(yīng)用，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：Maya建模;物理實(shí)驗(yàn);信息技術(shù);動(dòng)量守恒;

中圖分類號(hào)：G633.7?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1672-9129（2020）09-0169-01

1?引言

與傳統(tǒng)的教育方式不一樣的是，在當(dāng)今現(xiàn)代信息技術(shù)飛速發(fā)展下，多媒體技術(shù)在課堂教學(xué)中的運(yùn)用也如雨后春筍般快速生長，并在一定程度上得到了廣泛的應(yīng)用。這也說明，目前我們現(xiàn)在教育技術(shù)學(xué)領(lǐng)域需要側(cè)重的是：如何將信息技術(shù)與實(shí)際的教學(xué)內(nèi)容結(jié)合、如何將兩者更加完美地運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)課堂中去、如何在兩者的有機(jī)配合下達(dá)到理想的教學(xué)效果與預(yù)期。隨著三維技術(shù)的興起，虛擬技術(shù)作為一種新型的教學(xué)手段，其直觀性、具象化等特點(diǎn)，為教育者提供了可交互的學(xué)習(xí)方式，提高了教與學(xué)的質(zhì)量。

2?MAYA三維動(dòng)畫在高中物理教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

2.1降低成本和資源，打破時(shí)空界限。對(duì)于學(xué)校，大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資較為困難，設(shè)備重復(fù)利用，老舊等缺點(diǎn)可見。同時(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所固定，操作普適性低。而使用三維軟件制作實(shí)驗(yàn)，資源占比少，操作精確，大大降低了成本和資源，打破了時(shí)空界限。

2.2脫離傳統(tǒng)教育，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。傳統(tǒng)教學(xué)主要以平面展示和少量實(shí)驗(yàn)為主，在學(xué)習(xí)過程中，教學(xué)形式枯燥，學(xué)生理解困難。而Maya三維動(dòng)畫能直觀、形象地對(duì)物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生感官性。將學(xué)生學(xué)習(xí)中基于三維例如化合物分子的結(jié)構(gòu)、物理碰撞等相關(guān)知識(shí)立體化，豐富了教學(xué)的展示方式，給予更強(qiáng)的交互感官。

2.3縮小實(shí)驗(yàn)誤差，提高學(xué)習(xí)效率。實(shí)驗(yàn)過程中由于不可控因素，導(dǎo)致出現(xiàn)誤差。學(xué)生得不到正確結(jié)果，理解錯(cuò)誤。通過借助三維軟件，排除實(shí)驗(yàn)的不穩(wěn)定性，加深學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的理解，提高學(xué)習(xí)效率。

3?應(yīng)用展示——驗(yàn)證碰撞中的動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)

3.1創(chuàng)建物理情景。在學(xué)校真實(shí)環(huán)境中，存在大班教學(xué)，空氣阻力及器材問題，所以緊跟計(jì)算機(jī)時(shí)代的步伐并發(fā)揮其在教育領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用建模動(dòng)畫一步步展示零誤差實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)步驟和記錄數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)的誤差。

3.2教學(xué)動(dòng)畫制作步驟。

（1）分析實(shí)驗(yàn)。在碰撞中的動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)中：

所需模型：大小相同的兩小球和一個(gè)斜面。分析主體對(duì)象的運(yùn)動(dòng)過程，確定主動(dòng)對(duì)象在運(yùn)動(dòng)過程中的關(guān)鍵位置。小球a為主體運(yùn)動(dòng)物體，小球b為被動(dòng)運(yùn)動(dòng)物體。

（2）實(shí)驗(yàn)制作。

A.模型制作：

利用旋轉(zhuǎn)，縮放功能制作斜面。通過復(fù)制得到相同的小球。利用移動(dòng)工具，將小球放置在斜面上。

B.動(dòng)畫制作：

首先創(chuàng)建曲線中的EP曲線，順勢(shì)做出一條弧線，即為小球b的運(yùn)動(dòng)軌跡。之后，選中主體小球b，按shift鍵加選曲線。

選中子選項(xiàng)連接到運(yùn)動(dòng)路徑，完成小球b的動(dòng)畫。

選中小球a，按照上述操作完成小球a路徑的設(shè)置，但設(shè)置出的動(dòng)畫無法滿足小球a，b相撞的動(dòng)畫效果，為解決這一問題，需固定物體在這一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的所有屬性。移動(dòng)時(shí)間軸，設(shè)置幀數(shù)，鎖定創(chuàng)建一個(gè)“關(guān)鍵幀”。按類似方法創(chuàng)建其它“關(guān)鍵幀”。

MAYA自動(dòng)填充兩個(gè)相鄰關(guān)鍵幀，讓畫面均勻的從上一個(gè)幀變化到第二個(gè)幀。在設(shè)置時(shí)，控制小球a和小球b兩者相撞的時(shí)間，在速度編輯器中調(diào)整運(yùn)動(dòng)速度。得到圖一所示：

（3）增添效果。

指定材質(zhì)添加效果：鼠標(biāo)右鍵選中物體給定的blinn材質(zhì)。或者在渲染對(duì)話框中選hypershade，進(jìn)行設(shè)置。

設(shè)置攝像機(jī)鏡頭：創(chuàng)建兩點(diǎn)攝像機(jī)。選中目標(biāo)面板，設(shè)置沿著選擇對(duì)象觀看完成鏡頭運(yùn)動(dòng)。同時(shí)通過使用“關(guān)鍵幀”設(shè)置來完成鏡頭轉(zhuǎn)換。

最后對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行渲染。通過“窗口”→“渲染編輯器” →“渲染設(shè)置”，設(shè)置動(dòng)畫文件的格式等。

（4）后期設(shè)置。播放動(dòng)畫，確定制作過程無誤，點(diǎn)擊保存文件，導(dǎo)出制作的動(dòng)畫即可。

3.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。將a球從斜面上的某一固定點(diǎn)處由靜止開始滾下，同時(shí)讓B球在斜面末端的靜止。之后a球從原來的位置由靜止下落，和b球發(fā)生碰撞，記錄下運(yùn)動(dòng)位置。a球質(zhì)量為20g，b球質(zhì)量為10g。

（1）實(shí)驗(yàn)原理：在水平面方向上，兩小球發(fā)生正碰，合外力為0是滿足動(dòng)量守恒定律。

m1V1=m1VA+m2V2

兩小球碰撞實(shí)驗(yàn)過程中作平拋運(yùn)動(dòng)，初速度運(yùn)用水平射程來表示：

OP——入射小球碰前的水平射程

OM——入射小球碰后的水平射程

ON——被碰小球碰后水平射程

（2）注意事項(xiàng)：

斜槽末端要水平

每次小球下滑要從同一高度靜止下滑，保證對(duì)心碰撞

（3）數(shù)據(jù)表：

通過對(duì)小球a，b進(jìn)行三次碰撞實(shí)驗(yàn)操作，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表一所示。

（4）數(shù)據(jù)分析：在實(shí)驗(yàn)過程中，a球拋出點(diǎn)在斜面任意一處，b球在斜面頂端，最終要驗(yàn)證的關(guān)系式是：m1·OM+m2·（ON-2r）=m1·op

即驗(yàn)證得出表達(dá)式：m1·OP=m1·OM+m2·ON

4?總結(jié)

隨著三維交互應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)張，教育領(lǐng)域作為人才培養(yǎng)基地，應(yīng)用三維技術(shù)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種更加雙贏的方式，為了更好的適應(yīng)時(shí)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與提高，培養(yǎng)善思勤思的思維能力，將三維建模與教學(xué)改革相結(jié)合，努力探索更有效率的教學(xué)方法和新思路，使物理實(shí)驗(yàn)與教學(xué)內(nèi)容更緊密的交互融合。

參考文獻(xiàn)：

[1]李建榮，孔素真.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用研究【J】.科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，2014（6）：98-101

[2]許微，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展【J】.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2009（2）：279-280.

作者簡(jiǎn)介：黃若彤（2001--）女，湖北仙桃人，本科生，湖北師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院數(shù)字媒體技術(shù)學(xué)生，研究方向三維游戲

通訊作者：王晶晶（1989--），女，湖北黃石人，博士，湖北師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榻逃夹g(shù)學(xué)，新型功能材料的設(shè)計(jì)與合成

其他作者：王詩琴（1999--）女，湖北天門人，本科生，湖北師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院數(shù)字媒體技術(shù)學(xué)生，研究方向影視后期

任若瀾（2000--）女，湖北襄陽人，本科生，湖北師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院數(shù)字媒體技術(shù)學(xué)生，研究方向微課設(shè)計(jì)