3ds Max软件下的3D物理模型*

王周华　吴 伟

(南京师范大学　江苏 南京　210000)



3ds Max软件下的3D物理模型*

王周华吴 伟

(南京师范大学江苏 南京210000)

物理学是科学的世界观和方法论的基础，物理模型可以简化物理问题，直达问题本质.文章介绍了什么是3D物理模型，通过理论分析3D物理模型的重要性，展示3D效果所带来的教学结果，来说明3D物理模型的重要性和历史发展的必然性.同时通过3ds Max软件，介绍成熟的3D物理模型及给出实例介绍3D的建立过程，说明其应用于物理教学的可行性和必要性.希望可以开发更为成熟的3D教学软件.

3D物理模型3ds Max软件物理教学

计算机辅助教学从文字到图像，再到视频，在现在的教学领域中已日趋成熟.但是3D技术应用到教学中的事例却屈指可数，而我们生活在一个立体的世界中，随着科学技术的进一步发展，3D物理模型必将进入物理教学的世界中.我们现在的科技已经可以实现3D技术的成熟应用了，只不过大多应用于影视特效、动画设计、游戏制作、产品介绍等领域中，例如Lightwave 3D，Renderman，3D MAX等等，但是由于软件开发成本高、难度大；配套的教学软件和教学资源非常少，远远无法满足教学要求，所以在教学中没有成熟的3D教学制作软件.文章通过介绍3ds Max软件，说明3D物理模型应用于教学的可行性.

1　3D物理模型

3D模型可以说是利用三维软件建造的三维立体空间效果的模型，具有直观、立体感和透视感，包括各种建筑、人物、植被、机械等等，这里所说的3D物理模型是指用三维软件建造的立体物理教学模型.

1.13D立体技术原理

人看到的世界之所以是立体的，是因为大脑通过左眼和右眼所看到物体的细微差异来感知物体的深度.立体视觉是人眼在观察事物时所具有的立体感，是人眼对获取景象的深度感知能力，而这些感知能力又源自人眼提取出景象中的深度线索[1]，如图1所示.3D技术已经比较成熟，但基本上还是要通过3D眼镜来实现3D效果.

图1　双眼视差的立体视觉示意

1.23D物理模型的重要性

物理模型方法是物理学中重要的研究方法，物理模型可以对实际问题抽象化，突出事物的主要特征，反映事物的本质特性.可以揭示事物系统的内在规律，抓住思维结构上的共同性，使学生达到认识上的概括化，认识事物的本质规律.

戴尔的“经验之塔”理论融合了教育家杜威和一些心理学观点，并成为现在的视听教学的主要依据.在该理论中，经验之塔的顶端为最为抽象的语言符号，再往下为视觉、视觉加听觉、个人观察经验，最后为个人实践经验.而在教学活动中，显然个人实践经验是学生获得知识最好的方式，抽象的语言符号是获得知识最简单但也是最困难的，因为语言自身就具有模糊性，俗话说以讹传讹，每个人对事物的理解不同，同一句话，在不同人的口中也会有不一样的意思.比如说同一个词“啊”，不同的音调，就表达不同的含义.但是实践经验也很难随时进入到课堂中来，所以观察经验更符合客观实际，视听教材和视听经验既比语言符号和视觉符号具体形象，又弥补了做的经验的不足，所以它更符合客观的教学实际[2].而3D物理模型可以说是视听教材和视听经验中最具直观、立体和透视性，比图片更立体，比视频更微观和抽象，教学效果更好.所以3D物理模型必然是未来物理教学的趋势.

图2　戴尔的“经验之塔”理论

1.33D效果所带来的教学结果

LiFE是Learning in Future Education的缩写.是关于未来学习的一个调研项目，在第一阶段的调研过程中，评估了 3D投影技术在7个欧洲国家15所学校中15个3D班级和15个2D对比班级，共740名学生的学习中所产生的影响.除此以外，还有47名教师，6名IT工作者和12名调研者以及2名来自不同地区的博士生也参与了该项目.结果(如图3)显示83%的学生认为3D教学好，只有3%的学生认为3D教学效果不好.可见，3D教学的作用是显而易见的，可以适应绝大多数学生获得知识的方式.结果还显示84%的学生还认为3D完全可以促进学生学习(如图4).所以，3D教学模型的优点是不言而喻的，而我们要做的是如何开发3D教学模型，特别是3D物理教学模型，因为物理模型在物理教学中占有非常大的地位，是认识事物本质的关键因素[3].

图3　学生对3D教学结果的评价

图4　3D是否可以促进学生学习

所以3D物理教学模型在未来的物理教学中将会发挥不可限量的作用，同时3D物理教学模型也将是未来物理教学的必然趋势.我们应该重视3D物理教学模型的作用，重视3D教学软件的开发和应用.

2　应用3ds Max 2012软件制作3D物理教学模型

2.13ds Max 2012的特点

3ds Max 2012是顶级的三维动画模型制作软件之一，很受CG艺术家的青睐，在插画、游戏、效果图、影视动画等领域中应用广泛，并占据领导地位.3ds Max可以塑造模型、渲染场景和动画，并且可以制作影视特效，并能够达到相当高的品质，所以称为广受欢迎的三维制作软件之一.并且已经参与了好多影视特效的制作，如X战警II，最后的武士等.图5展示了3ds Max所做的3D特效，图(a)为石墨烯的电子结构，图(b)为光折射所产生的特殊现象，可见3ds Max软件功能强大，完全达到了应用教学所需要的3D效果的要求.

(a)石墨烯的电子结构

(b)光折射产生的现象

2.23ds Max 2012使用的可行性

3ds Max 2012配有中文版完全自学教程，该教程由人民邮电出版社出版，同时该教程针对的群体是零基础使用者，所以该书从基本操作入手，同时结合211个可操作实例，从建模、灯光渲染、动力学、动画等角度入手，阐述了相关技术的操作方法.共分17章，每章分析一个技术方法，应用讲解加实例的方式，同时加入实战练习，达到避免理论过于密集，使人轻松学习相关技术手法的效果.

不仅如此，为了符合学习者的学习习惯，该书在讲解模式新颖的同时，配有相应教学DVD光盘，光盘中有实例、贴图、场景文件和有声的多媒体教学视频录像.从初学者的角度出发，在光盘中附加了5 000多张贴图和180个动态贴图，500套单体模型等教学相关文件，同时还更为系统地介绍了3ds Max 2012的应用功能，涵盖了几乎所有应用功能，如工具、对话框、菜单命令和面板等控件的应用.如果想要更深入地学习3ds Max 2012软件，在书中还配备了“实战”、“提示”、“疑难问答”、“技术专题”、“知识链接”、“综合实例”等项目.以下给出了利用3ds Max做出的3D物理模型[4].

2.33ds Max做出的3D物理模型

在物理教学中，分析物理的受力情况是高中物理学习的基础，受力分析图可以说是分析物理问题的关键，但是很多学生不会进行受力分析或者要花很长时间才能独立地画出物体的全部受力，或者即使知道了它的受力情况，但由于空间想象力不够的原因，始终无法画出完整的受力分析图.而在3ds Max软件中，我们很容易展示出物体的三维立体效果，从而更为简单地使学生理解和接受.如图6，展示了木块所受的4个力的空间分布，同时可以把他们的合力、分力都展示在同一物理模型中，并且该模型可以转动和缩放(图7)，具有透视性，使学生更容易理解[5].

图6　物体受力分析的三维立体模型

图7　模型的转动和缩放

2.4利用3ds Max软件模拟或虚拟现实

我们知道，宏观的物理问题其实涉及到的往往是微观的本质，如电荷间的相互作用，实质是带电体周围存在的电场，而电场又与光子间有密不可分的关系，再如感应起电的微观本质是电子的转移，再如肥皂泡的干涉现象等等这些，都是看不见摸不着的.但是这些我们都可以用3ds Max软件来模拟，图8是右手定则的应用，从中我们可以看到模拟的磁场的空间分布情况.再如我们也可以运用此软件模拟重核裂变过程，把复杂的问题简单化，抽象的概念具体化，微观的本质可视化，教学简单化，使学生更容易把握物理现象的本质原因[5].以下给出一个具体的制作案例.

图8　模拟磁感线

2.5实例(楔面体制作)

(1)如图9，新建标准基本体.

(2)选择该长方体，右击，选择转换为可编辑多边体.

(3)再次右击，选择多边体，选择边选项.

(4)再次右击，选切角.按照楔面体的模型进行切角，可得如图9所示的楔面体.该模型可旋转，也可透视.

图9　楔面体的制作过程

2.6初高中物理教材中应转化为3D物理模型的部分实例

图10为苏科版初中物理教材上的内容，图11为美国科学探索者中的教学图片.通过对比可以发现三维图片比二维图片多了空间立体感，知识内容更丰富、更有趣.

图10　苏科版初中物理教材中光的反射图像

图11　科学探索者中光的反射图像

图12是关于电阻R的大小与其横截面积S之间关系的教学片断，图(a)为人教版的理论推导，图(b)为科学探索者中的教学模型，类比了电子和水流，认为水流通过短而粗的管子比长而细的管子更容易，同样，电子更容易通过短而粗的导线，所以同样材料下，短而粗的导线电阻小.这样的3D模型直观、清晰、易懂，降低知识点难度，提高学生兴趣.

(a)　人教版教材理论推导

(b)　科学探索者中的教学模型

图13都是在讲述鼓产生声音的原因，图(a)为科学探索者中的资源，图(b)为人教版中的内容，对比可见图(a)更易理解，但是如果可以转换成3D物理模型，把空气分子的运动过程描述出来，将更为直观和科学化.

(a)　科学探索者中的图示

(b)　人教版教材中的图示

图14是人教版高中知识点内容，图(a)是描述原子及其结构示意图，这幅图可以看出，为了尽可能的描述原子的结构模型，书中用了5幅图来阐述相关内容，最后一幅图有点3D的意味，但是看起来仍然不够简单明了，不能从图中清晰地得到电子的运动模型.如果可以利用3D技术，那我们就可以看到一个近似真实的物理模型，并且可以模拟电子的运动，形成直观影像.图(b)描述的是霍尔效应，这是高考中的重点内容，也是学习中的难点，而造成这一难点的很大一部分原因，就是在这幅图中学生很难想象电子的运动轨迹，如果利用3D技术，就很容易解决这一问题.同理，图(c)也可以利用3D技术描绘电子所受力和运动轨迹，降低不必要的学习难度，同时制作3D动态效果图，也将课堂变得更生动有趣，充满活力.

(a)　原子及其结构示意图

(b)　霍尔效应

(c)　电子受力及其运动轨迹

3　结论

3D物理教学模型在未来的物理教学中必将占有一席之地，而目前的科技已经完全可以达到3D的要求，3D物理模型能产生三维立体效果， 具有直观、 立体感和透视性.利用3ds Max软件做一些3D立体图，或者做一些3D立体动画，更甚至做成具有3D立体交互特点的动画模型，能给学生带来最直观的立体感受，使缺少空间想象力的学生更容易学习，也可以提高空间想象力比较强的学生的学习效率，同时能极大提高学生的学习兴趣， 有助于对物理知识的理解、记忆，尽可能地减少由于语言的模糊性所带来的理解上的偏差，为物理教学带来良好的效果.但是3ds Max是为了影视特效，游戏，动画所设计的，技术对于教师来说，还是过于复杂，所以希望可有更成熟的3D教学设计软件，实现3D教学模型设计的简化，同时也可以设计出成熟的可修改的3D教学模型，以便用于教学实践，使3D教学模型的普及可以如现今的PPT课件一般，得到广泛应用，这将对物理教学带来无尽的益处.

1王波,邱飞岳,黄亚平. 课堂中3D立体教学资源的建设. 中国教育信息化,2011(11):48～51

2童宇阳. 3D打印技术在中小学教学中的应用研究. 现代教育技术,2013(12):16～19

3安妮·班福德. 3D教学引领未来学习——新兴技术在教学创新中的应用评估报告(四) . 新课程研究(上旬刊),2014(02):4～7

4陈颖. 3D辅助教学软件设计. 文体用品与科技,2011(09):96～97

5陈昌. 3D技术在高中物理教学中的应用. 中小学电教(下),2014(01):1

2016-03-26)

*本文为教育部“南京师范大学卓越中学教师培养改革项目”阶段性成果.作者简介：王周华(1989-)，女，在读硕士生，专业为学科教学物理.指导教师：吴伟(1964-)，男，教授，主要从事课程与教学论(物理)研究.