淺談三維建模技術在地理教學中的應用
——以Maya軟件為例

馮浩宇

（內蒙古財經大學金融學院，內蒙古呼和浩特 010000）

地理學是一門區域性、空間性、綜合性都特別強的學科，有很多抽象的知識學生難以理解，而且在生活中通過情境體驗來理解部分抽象知識的可能性也比較小，這就使得部分學生在學習地理的過程中產生“難理解”“無法形成體系”“興趣低下”等問題。因此，在地理教學中，如何有效使用直觀式教學法提高教學效率、增強學科的感染力與激發學生的學習興趣，是一個值得探討的問題。以演示法與參觀法為內容的直接感知法和以地圖法和綱要信號法為內容的象征符號認知法是傳統的地理課堂教學方法。教師通過展示各種實物、直觀教具，進行示范實驗；組織學生到自然界或社會場所進行觀察參觀；或者通過地圖等以圖像為表征符號的圖像或圖標，使學生對地理事物形成感性認識與理性認識。基于以上教學模式，輔之以三維建模技術，是提高模象直觀的有效方法之一。

一、三維建模技術的發展現狀

三維建模技術是研究利用計算機進行空間形體的表示、存儲和處理的技術。隨著計算機信息技術的不斷發展，人們逐漸在2D技術的基礎上實現了三維建模的產生與發展。從最初的線框模型、曲面模型到如今的實體模型，三維建模技術在不斷發展。除了制作影視劇動畫與特效、游戲的三維場景與三維人物建模之外，三維建模技術還廣泛應用于地質勘探領域，網絡視訊、電子閱讀、虛擬社區、電子商務、遠程教育等領域。如今，在信息化時代的推動下，涌現出了一大批功能強大的三維建模軟件。本文將以Autodesk旗下的著名三維建模和動畫軟件Autodesk Maya為建模工具，探討三維建模技術在地理教學中的應用。

二、三維建模技術在地理教學中的具體應用

本文將以普通高中地理課程標準（實驗）中規定的必修課程地理1中宇宙中的地球為例，演示如何利用三維建模技術實施教學。

（一）課程設計（以地球的運動為例）

通過三維模型的演示，直觀展示出地球在宇宙中運行的狀態。

多方位觀看模型的演示，引導學生通過觀看模型進一步思考與地球運動相關的一系列問題。例如，啟發學生——地球在圍繞太陽公轉的同時也在自轉，地球的公轉軌道是近似正圓的橢圓形軌道，太陽所處的位置是在地球橢圓軌道的焦點之一上而非中心位置等。

列出部分能通過直觀感受到的問題，讓學生根據演示內容進行小組討論并作出回答。

教師根據學生的回答以及課程的要求對內容作出矯正與統一說明，確保部分受到啟發較小的學生也能同樣理解知識點。

（二）建模設計要求

總體設計：本案例針對地球在太陽系中的運行，首先確定建模為：不透明實體地球（顯示地軸）、會發光的太陽、地球的公轉軌道。

針對地球自轉：在地球自轉的動畫設計上，明確地球繞自轉軸——地軸在做自西向東的旋轉，而且根據實際情況，地軸與地球公轉軌道面即黃道面的夾角為66.5°左右。

針對地球公轉：在地球公轉的動畫設計上，應顯示出地球在圍繞太陽做公轉運動，其方向也是自西向東，且地球與太陽的距離隨著運動位置的不同而長短不一。

針對地球公轉和自轉的意義：首先，地球的自轉會造成晝夜更替、地方時的產生。物體水平運動的方向發生偏移因需另生成模型與動畫，因此不做分析。在動畫的設計上要突出因為太陽光的照射而造成地球表面一半處于白天而一半處于黑夜，且隨著地球的自轉運動產生黑夜白天的轉換。其次，地球公轉與自轉共同作用下產生了正午太陽高度角的變化、晝夜長短的變化、季節的更替與五帶的劃分等。在這部分動畫的設計上要求在地球表面能明確看到太陽的直射點因公轉的運動而產生的變化，即能明確表現出晨昏線。

注意點：建模與動畫的設計并不完全等同于視頻，而是在其原生態軟件中進行演示，以便于能從多方位觀測物體的運動以及進行放大縮小操作進行進一步觀測。

（三）部分演示

如圖1所示，利用Maya軟件建立基本的模型

如圖2所示，為地球模型進行貼圖以及生成太陽光

圖2 模型貼圖

如圖3所示，為模型設置動畫，包括地球以地軸為中心進行自轉和以橢圓為軌道進行公轉

圖3 模型展示

基于地球運行的原理進行各項數據設置，以確保能準確地進行各種現象的反映。例如，地球的自轉周期為24小時，地球的公轉為365天。因此在演示的過程中，當地球圍繞太陽轉一圈時，地球應該自轉365圈。在演示的過程中適當放慢動畫，可以讓學生更加容易理解。

（四）總結

三維建模技術依托三維建模軟件，具有較強的靈活性，但是高難度的操作需要使用者可以達到靈活使用三維建模軟件的程度。

三維建模在課堂上的演示效果與在課堂教學中產生的作用及建模的設計緊密相關，包括在建模設計過程中有意識地融合知識點，建模動畫制作的合理性與建模的仿真程度等。

三、三維建模技術在地理教學中的優勢

（一）生動形象，感染力強

首先，三維建模的展示本質上屬于動畫展示，教師在課堂上通過展示，可以在學生頭腦中形成清晰明了的認識。其次，基于三維建模軟件的強大功能，只要使用者技術過硬，是可以制作出媲美電影特效的課堂教學模型與動畫的。以Maya軟件為例，《星球大戰》系列、《蜘蛛俠》系列等科幻大片都出自Maya軟件之手。所以，利用三維建模軟件制作出高級仿真的地理模型與地理場景，不但能使學生充分感受到較真實的內容，而且還可以喚起學生的學習興趣。在一定程度上能有效解決學生面對枯燥的地理知識而產生的厭倦心理與犯困現象。

（二）精心制作，突出重點

在三維建模的制作過程中，使用者依據課程教授計劃與要求，在特定的范圍內進行模型與動畫的制作，與現成的動畫視頻相比，減少了動畫中對學生可能產生干擾的其他因素。如今網上隨處可見與地理有關的紀錄片和短視頻，以抖音短視頻為例，不乏有博主將地理知識制作成動畫短視頻。雖然這類短視頻不論是在內容選擇上還是視頻編輯上都進行了精心的制作，但是這類視頻制作的出發點是用來進行科普而非教學，且這類短視頻在發布的過程中并未對視頻內容的科學性與真實性進行審核。但這并不是否定了短視頻的作用，而是相較于專門用于課堂教學的三維建模動畫，這類短視頻需經過教師的嚴格把關，取其精華，去其糟粕，必要時進行二次加工，在展示的過程中需要進行知識點的結合。

（三）用途廣泛，覆蓋面廣

雖然本文只對高中地理必修一課程“宇宙中的地球”的部分內容進行了演示，但是這并不意味著三維建模技術在地理教學中的應用僅僅局限在這一部分。例如，在第二部分“自然環境中的物質運動和能量交換”中，可以建造一個水循環模型，以“一滴水”為視角，演示其從冰雪融化成小水滴，隨著眾多的小水滴一起集聚成小溪，順著小溪流淌進入滔滔江河，匯入海洋后在灼熱的陽光下蒸發成水蒸氣，在上升的過程中再次冷凝成小水滴，最后隨著眾多雨滴落下……直觀展示水循環的過程。并且在動畫設計的時候進行知識點插入，以便在課堂教學中能夠啟發學生進行水循環意義的推理和探討。

（四）模式固定，通用性強

三維建模的應用本質上是模象直觀的一種，其主要任務就是生動地體現出所要講授的地理事物。因此，在教學中即便套用他人生成的三維模型，只要結合實際的教學，是完全可以的。在此基礎上，即便教師不懂如何生成三維模型與場景，只要會使用就可以完全應用于實際教學。

（五）操作靈活，多方面觀測

三維模型動畫與現成的動畫最大的一個區別就是現成動畫只能按照其事先固定好的模式以視頻格式進行展示，而三維模型在展示的時候不但可以改變其觀測方向，而且在需要強調的地方可以放大。除此之外，教師在演示的時候還可以隨意變動組成元素，也可以邀請學生上臺實際操作，進一步加強對知識點的理解與記憶。

（六）科學利用人腦結構，高效教學

現代腦科學研究表明，人腦兩半球有分工：左半球負責處理數字信息，如語言、數字、邏輯等，右半球負責處理模擬信息，如圖像、模型、音樂等。三維模型在教學中的應用將語言與動畫演示結合起來，通過聽覺神經系統和視覺神經系統同時接受信息，同時刺激人的大腦兩半球進行思維，從而使大腦的功能得到充分發揮，提高教學效率。在某種程度上，三維模型的運用是綱要信號法的升級版。因此，三維建模的使用不僅使記憶編碼質量提高，而且縮短了記憶編碼所需要的時間。

（七）搭配三維打印技術，易于實物轉化

相比于三維建模技術而言，三維打印技術更為人們耳熟能詳。基于三維模型的三維打印技術可以依托三維打印機將虛擬的三維模型轉化為實體的三維模型。以地理教具為例，相較于傳統的手工制作和大機器流水線生產模式，該技術不僅節約了人力物力，而且提高了制作的精度，更加突出其直觀的功能。因此，基于設計好的三維模型，在實際教學中可以搭配三維打印技術生成實物模型，讓學生切實感受到課本中的真實事物，進一步提高學生的學科興趣。

（八）建模軟件種類多樣，選擇范圍廣

除了本文所使用的Maya軟件外，Autodesk公司的3Ds Max，Maxon Computer公司的CINEMA 4D（C4D）等軟件都有著強大的功能，設計者在使用的過程中可以根據自己的實際情況進行選擇。

四、三維建模技術在地理教學中存在的問題及解決措施

（一）探索難度大，缺乏現成經驗

目前在國內外，很少有教師能將三維建模技術廣泛運用于地理教學之中。首先，就三維建模本身來說，軟件的獲取以及選擇是個問題。以Maya和3Ds MAX軟件為例，目前其訂購價格皆為8555元/年，這對教師來說是一筆不小的開支。但是三維建模技術應用于教學并不是一個老師的事情，因此，學校或當地教育局可以專門進行教育撥款解決費用的問題。接著是關于軟件的選擇問題，目前市面上的三維建模軟件種類豐富，產品多樣，各具特色。因此，結合老師自身情況選擇一款適合的軟件需要時間來試錯。其次，地理教學中的哪些內容適合利用三維建模軟件進行展示與講解，以及怎么進行建模與動畫設計都需要進一步探討。以上所涉及的問題都沒有現成的案例進行參考，只能在教學中進行嘗試與總結。

（二）容易使學生產生依賴，對空間想象力的發展造成影響

在傳統的教學中，大多數情況下是運用直觀言語，即老師運用口頭語言或者書面語言進行講授，學生利用已有的知識對老師講授的知識在腦海中進行畫面的構思與加工，這在一定程度上促進了學生思維能力和自學能力的發展。若過度使用三維模型，時間長了會使一些學生對其產生依賴，在往后的學習過程中如果缺乏相應的模式會產生不適，造成學習困難等問題，而且不利于學生的空間想象力和思維能力的發展。因此要適度使用三維模型并且注重學生思維的培養與訓練。

（三）操作難度較大，容易給教師造成負擔

三維建模軟件以其強大的功能廣泛涉及眾多領域，但這恰恰對其使用者提出了更高的要求。在三維建模軟件主要應用的影視行業和游戲行業中，三維建模的生成常常以團隊作業來完成。雖然在地理教學中，三維模型和場景的生成不需要像影視行業和游戲行業那樣精美，但是對非專業出身的老師來說確實是一項不小的挑戰。對三維建模軟件的熟練運用需要對使用者進行系統的訓練，然后才能結合實際教學進行三維模型與場景的生成。針對這一問題可以從兩個方面進行解決。第一，可以以學科為單位建立學科研討小組，利用團隊合作的方式進行模型的制作。第二，可以聘請具有三維建模專業知識的人士或者團隊生成一套通用且易更改的教學專用模型，供所有教師運用以及根據自己的實際教學進行更改。

五、注意事項

雖然三維模型的運用可以照抄照搬，但是教學方法不可照搬。在實際的教學過程中，教師必須結合教學實際，結合學生的情況有意義地使用三維模型。切忌“邯鄲學步”連同教學方法也一同照搬過來。

由于該理論尚處于探索階段，理論性較強，因此該教學模式在實際應用中的優勢與劣勢還未被完全發現。并且由理論向實際轉化，最后形成一套完整的教學方法體系還需進一步發掘與研究。

三維建模教學方法是現代信息技術發展下的產物，具有極強的可開發性，但這并不意味著要獨立于傳統教學方法而存在。在實際運用中，我們要以傳統的教學方法為主，輔之以三維建模教學方法，弄清主次，切勿本末倒置。不可為了追求形式新穎和趣味性強而生搬硬套進教學環節中，這非但起不到提高效率的作用，還會使學生產生概念混淆、知識點記憶模糊等問題。