基于3d Max的人船模型拓展式教學(xué)研究

范金靈 陶凌峰 熊珊珊 鄭力綱 鄧明華

摘? 要 基于調(diào)查問(wèn)卷，了解“人船模型”學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，針對(duì)模型構(gòu)建不夠立體化和教學(xué)方法單一的問(wèn)題，利用3d Max軟件構(gòu)建立體人船模型，同時(shí)結(jié)合拓展式教學(xué)方法，設(shè)計(jì)“人船模型”教學(xué)策略，以期為高中物理教學(xué)提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞 3d Max;高中物理;動(dòng)量守恒;人船模型;拓展式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G652? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）09-0014-03

1 引言

在教育改革創(chuàng)新大背景下，目前國(guó)家對(duì)教師提出新的要求，教師要改變?cè)疽宰陨頌橹行牡慕虒W(xué)模式，轉(zhuǎn)而開(kāi)展以學(xué)生為中心的教學(xué)活動(dòng)。在傳統(tǒng)的高中物理教學(xué)中，“人船模型”對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是一個(gè)難點(diǎn)，加上學(xué)生的認(rèn)知傾向存在偏差，故很多學(xué)生在沒(méi)有生動(dòng)立體化的教學(xué)模型輔助教學(xué)的情況下，無(wú)法很好地掌握該部分知識(shí)點(diǎn)。基于此，筆者作出進(jìn)一步探究，引入“3d Max人船模型”以及探索使用拓展式教學(xué)方法，有助于學(xué)生掌握這一知識(shí)點(diǎn)，并且大大提高課堂效率。

拓展式教學(xué)是一種創(chuàng)新型的教學(xué)模式。所謂拓展式教學(xué)，是指在教育教學(xué)中不脫離教學(xué)本身的前提下，教師采用巧妙的方法，滲透特定的教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生在知識(shí)和思維上升過(guò)程中獲得解決問(wèn)題的能力，即基于傳統(tǒng)的教學(xué)法之上，采用不同方法策略，直接或間接向相關(guān)教學(xué)領(lǐng)域拓展的教學(xué)方法[1]。通過(guò)這種模式的教與學(xué)，將切實(shí)提高教師的教學(xué)能力與強(qiáng)化教師在教學(xué)中逐步走向現(xiàn)代化的理念，以及切實(shí)提高學(xué)生的知識(shí)拓展能力、物理思維想象能力、模型構(gòu)建能力、問(wèn)題解決能力和動(dòng)手操作能力。

方澤在《基于合作學(xué)習(xí)的小學(xué)3D建模教學(xué)模式研究》中提到開(kāi)展一系列3D建模課程來(lái)授課，是一種新穎的授課形式，旨在培養(yǎng)學(xué)生的空間感、對(duì)創(chuàng)新概念的認(rèn)識(shí)感 [2]。學(xué)者周麗萍等的《物理實(shí)驗(yàn)中的拓展式教學(xué)探究——以汞光譜色散實(shí)驗(yàn)為例》一文，以知識(shí)拓展、思維拓展、生活拓展為立足點(diǎn)，深入闡述拓展式教學(xué)在物理實(shí)驗(yàn)中的可實(shí)施性，教學(xué)效果良好[3]。本文在學(xué)生已有的起點(diǎn)能力上使用3d Max構(gòu)建人船模型，人與船的運(yùn)動(dòng)關(guān)系將變得清楚直觀，學(xué)生空間構(gòu)想力、思維能力得到培育，有助于學(xué)生認(rèn)知能力需求達(dá)到教學(xué)目標(biāo)預(yù)期的發(fā)展能力階段。

2 “人船模型”學(xué)習(xí)現(xiàn)狀分析

為了解目前高中生對(duì)“人船模型”知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)情況，采用問(wèn)卷調(diào)查法，所設(shè)計(jì)的問(wèn)卷結(jié)構(gòu)包括五大維度，分別是“人口統(tǒng)計(jì)學(xué)變量”“物理學(xué)習(xí)的態(tài)度”“‘人船模型學(xué)習(xí)效果”“‘人船模型教學(xué)中，教師使用教學(xué)模型情況”“未來(lái)展望”。隨機(jī)抽取155名高中生參與此次調(diào)查，反饋問(wèn)卷經(jīng)嚴(yán)格篩查，保留155份有效問(wèn)卷，有效率達(dá)100%。

在抽樣檢測(cè)的反饋數(shù)據(jù)中，截取問(wèn)卷重點(diǎn)的幾個(gè)維度并作出分析，數(shù)據(jù)如表1所示。學(xué)生以已有的認(rèn)知水平作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，在“物理學(xué)習(xí)的態(tài)度”這一維度的數(shù)據(jù)分析中，可看出對(duì)物理非常感興趣的人并不多，大多數(shù)高中生抱著完成任務(wù)的態(tài)度來(lái)學(xué)習(xí)物理，對(duì)“人船模型”這一知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)并未表現(xiàn)出明確的動(dòng)機(jī)和特別的興趣。而在是否引入三維動(dòng)態(tài)模型的調(diào)研中，期望引入的學(xué)生所占比例較大;進(jìn)一步剖析，以拓展式教學(xué)模式為基礎(chǔ)，對(duì)動(dòng)量守恒的學(xué)習(xí)與探究，可改善學(xué)生對(duì)動(dòng)量守恒知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知傾向，從而逐漸提高學(xué)生對(duì)人船模型習(xí)題的解決能力。信息技術(shù)與教學(xué)活動(dòng)相互滲透融合，師生仍傾向于傳統(tǒng)式教學(xué)，即一般是利用平面或多媒體演示文稿講授“人船模型”;作為創(chuàng)新型教學(xué)方式代表之一，拓展式教學(xué)在自然科學(xué)學(xué)科教學(xué)中具有很大的研究空間，而將拓展式教學(xué)和3d Max技術(shù)相結(jié)合引入人船模型的教學(xué)中，將會(huì)是現(xiàn)代教學(xué)的一個(gè)重要方向。

3 基于3d Max的人船模型構(gòu)建

3d Max建模方法? 結(jié)合教師在教學(xué)過(guò)程中所需要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)效果，選取3d Studio Max軟件，采用分步整合的方法來(lái)構(gòu)建人船模型，即分別構(gòu)造船模型、人模型、坐標(biāo)系、水波，經(jīng)過(guò)顏色渲染和動(dòng)畫(huà)處理后將上述模型零件整合。

步驟1：船模型。采用放樣擬合變形，分別繪制船體的前視圖、側(cè)視圖和頂視圖;為確定頂視圖區(qū)域內(nèi)的放樣路徑，需在此區(qū)域內(nèi)繪制一條直線。單擊船體前視截面圖過(guò)程中，步驟分別為“幾何體”“復(fù)合物體”“l(fā)oft”“get path”，目的是確認(rèn)該模型的種類為“放樣”——loft;再單擊頂視圖中的路徑，即可構(gòu)建小船的初步外形。

通過(guò)修改面板菜單下擬合對(duì)話框中的操作，可實(shí)現(xiàn)約束模型側(cè)視圖的功能。在擬合面板中按序單擊“顯示X、Y、Z軸”“獲取圖形”“船體各視圖”“生成路徑”，最后約束船模型的三視圖外形。重疊放置效果的實(shí)現(xiàn)則需要考慮小船復(fù)制縮小后的狀態(tài)是否與原模型吻合，吻合度越高的模型建構(gòu)，才越有利于艙內(nèi)空間的運(yùn)算構(gòu)建，需要考慮到布爾運(yùn)算這一方法;調(diào)整細(xì)節(jié)時(shí)，模型布線趨于科學(xué)合理化為好，即所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精加工，前提是將已實(shí)現(xiàn)的船體轉(zhuǎn)化為可編輯的多邊形，節(jié)點(diǎn)處理的流暢度越高，模型整體越精巧美觀。側(cè)視圖區(qū)域內(nèi)還需繪制一條船體龍骨，此為擠出船模型的關(guān)鍵。

步驟2：人模型。人物建模采用多邊形建模，通過(guò)多邊形變形組合成一個(gè)簡(jiǎn)單的人物模型，再對(duì)其渲染上色，增加模型的生動(dòng)性。選取2015年在中國(guó)上映的《小黃人大眼萌》主人公小黃人造型作為人模型，以生動(dòng)活潑的造型改變按部就班的簡(jiǎn)易人模型，以此點(diǎn)燃學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也為整個(gè)人船模型增添靈動(dòng)性。

從二維到三維轉(zhuǎn)變的過(guò)程中會(huì)遇到許多問(wèn)題。從內(nèi)部因素考慮，首先，運(yùn)用多邊形建模，在選擇面片擠壓、面片縮放時(shí)，二者皆會(huì)造成當(dāng)前模型變形的問(wèn)題;其次，制作放樣模型環(huán)節(jié)，單擊fit鍵，在Fit Deformation窗口中卻無(wú)法找到樣條線。從外部因素考慮，在已有的教學(xué)資源基礎(chǔ)上還存在諸多的約束性，需要衡量教師軟件操作與應(yīng)用技能是否達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。李靜在《高中生物學(xué)三維教學(xué)動(dòng)畫(huà)的制作與應(yīng)用研究》中針對(duì)3d Max動(dòng)畫(huà)操作困難方面也提出，相關(guān)人員可通過(guò)參與技術(shù)培訓(xùn)來(lái)增強(qiáng)軟件操作能力和熟練程度，這樣的外顯約束條件是本課題研究中需要關(guān)注的問(wèn)題[4]。此外，教學(xué)硬件設(shè)施的完善程度、學(xué)生的認(rèn)知接受能力、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通暢度等，都需要教師與學(xué)生的共同適應(yīng)與相互配合，才能較好解決當(dāng)前所面臨的問(wèn)題。

使用3d Max構(gòu)建人船模型? 采用上述建模方法，在3d Max操作界面中打開(kāi)已儲(chǔ)存的船模型文件，找到當(dāng)前需要合并的人物模型，點(diǎn)擊確定需要導(dǎo)入的模型，再將兩個(gè)模型導(dǎo)入至一個(gè)場(chǎng)景中，合并得到此次探究的預(yù)期模型。在原有模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)藍(lán)色水波的效果，顏色基調(diào)清秀爽朗，大大提高整個(gè)場(chǎng)景的真實(shí)性與耐看性。人船模型經(jīng)典案例：設(shè)定條件為不計(jì)水對(duì)船的阻力，人和船靜止于水面上;人最先處于船頭，當(dāng)人從船頭走到船尾時(shí)，人和船相對(duì)于水面的位移變化情況，闡明在水平方向或豎直方向上動(dòng)量守恒。3d Max經(jīng)典人船模型如圖1所示，在3d Max模型中人和船的位移分別發(fā)生直觀變化。對(duì)比左右兩張圖，左圖由一定質(zhì)量的人和船兩個(gè)物體構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，處于船頭位置;右圖顯示該系統(tǒng)在人和船的相互作用下走至船尾，從坐標(biāo)中得出在水平方向移動(dòng)的距離。兩圖模型皆表示運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的合外力為零，從而驗(yàn)證動(dòng)量守恒，簡(jiǎn)記為ΔP1=-ΔP2。如圖1所示，教師打開(kāi)3d Max原文件，三維模型展示效果簡(jiǎn)潔明了。

4 拓展式教學(xué)策略設(shè)計(jì)

打破二維坐標(biāo)畫(huà)圖及板書(shū)固有的授課形式，運(yùn)用3d Max人船模型將現(xiàn)代化信息資源與課堂相聯(lián)系，教師端需要預(yù)先安裝此軟件，安裝成功后，需要熟悉該軟件的基本操作，掌握其基礎(chǔ)應(yīng)用功能。除經(jīng)典人船模型外，教學(xué)中可利用該軟件拓展構(gòu)建人船模型變形案例，供學(xué)生深度學(xué)習(xí)探究。教師在設(shè)計(jì)教學(xué)系統(tǒng)時(shí)，還需要一套可行的教學(xué)手段和教學(xué)思路，如圖2所示。

1）打開(kāi)模型文件，根據(jù)教學(xué)活動(dòng)目標(biāo)與學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，讓學(xué)生視覺(jué)適應(yīng)3d Max人船模型，拓展到涵蓋或涉及的理論。

2）根據(jù)學(xué)生特征分析，制定個(gè)性化拓展教學(xué)活動(dòng)時(shí)應(yīng)以學(xué)生已有的認(rèn)知能力為基準(zhǔn)點(diǎn)，按學(xué)生認(rèn)知能力梯度，引導(dǎo)學(xué)生從“已知到應(yīng)知再到怎知”這樣具有層次感地解讀3d Max人船模型。

3）教師需要牢牢把握動(dòng)量守恒知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)情景與任務(wù)的關(guān)鍵，對(duì)動(dòng)量守恒知識(shí)點(diǎn)或相關(guān)教材進(jìn)行關(guān)聯(lián)性解讀，強(qiáng)化學(xué)生知識(shí)體系，打造具有獨(dú)特教學(xué)風(fēng)格與認(rèn)知品位的課堂。

4）實(shí)現(xiàn)以優(yōu)帶良的分組式教學(xué)模式，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式從場(chǎng)依存型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閳?chǎng)獨(dú)立型，完成模型解讀，啟發(fā)學(xué)生拓展聯(lián)想能力。

5）高效利用教學(xué)媒體與資源，二維模式的教學(xué)拓展到3d Max動(dòng)態(tài)行徑，需要與教育技術(shù)深度融合，教師要不斷探究，基于現(xiàn)有的教學(xué)資源，使教學(xué)軟硬件利用率不斷提高。

6）教師及時(shí)對(duì)教學(xué)事件及教學(xué)過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)教學(xué)過(guò)程感悟與收獲及時(shí)反思，必要條件下追蹤觀察學(xué)生“動(dòng)量守恒”知識(shí)點(diǎn)吸收情況、“人船模型”拓展思維是否形成、三維目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是否有準(zhǔn)確的把握。

7）師生在教與學(xué)中相促進(jìn)、共成長(zhǎng)，最終實(shí)現(xiàn)知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值目標(biāo)三方面的進(jìn)一步拓展升華，滿足教師教學(xué)需要，滿足學(xué)生學(xué)習(xí)需求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要將3d Max建模技術(shù)運(yùn)用于物理“人船模型”教學(xué)中，在教學(xué)活動(dòng)中采用拓展式教學(xué)。3d Max建模技術(shù)與教學(xué)相結(jié)合，通過(guò)“人船模型”的典型例題引入三維動(dòng)畫(huà)，在感知心理學(xué)的研究范圍中，已經(jīng)證明人對(duì)圖像視頻的感知速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)復(fù)雜文字信息的感知速度，提高學(xué)生對(duì)模型的認(rèn)識(shí)和構(gòu)想能力。在掌握技術(shù)后，教師可變換不同場(chǎng)景對(duì)不同“人船模型”習(xí)題運(yùn)用三維物理模型進(jìn)行拓展式教學(xué)，解決學(xué)生對(duì)物理人船模型運(yùn)動(dòng)過(guò)程難以構(gòu)造成像的疑難，提高師生課堂參與度，有效培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，同時(shí)提高學(xué)生獨(dú)立自主審視問(wèn)題、解決實(shí)質(zhì)性問(wèn)題的邏輯思考能力。

參考文獻(xiàn)

[1]周麗萍，郭云東.拓展式教學(xué)研究的主要內(nèi)容、問(wèn)題與對(duì)策[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2017（9）：306-307.

[2]方澤，基于合作學(xué)習(xí)的小學(xué)3D建模教學(xué)模式研究[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2019.

[3]周麗萍，郭云東.物理實(shí)驗(yàn)中的拓展式教學(xué)探究：以汞光譜色散實(shí)驗(yàn)為例[J].內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2017（10）：122-124.

[4]李靜，高中生物學(xué)三維教學(xué)動(dòng)畫(huà)的制作與應(yīng)用研究：以人教版必修二為例[D].西安：陜西師范大學(xué)，2017.