《三維動畫技術(shù)在晶體結(jié)構(gòu)教學的應(yīng)用》5400字

三維動畫技術(shù)在晶體結(jié)構(gòu)教學的應(yīng)用TOC\o"1-2"\h\u18019緒論 513031.固體物理學中的晶體結(jié)構(gòu) 5150751.1晶體結(jié)構(gòu)的建立 5241861.2在傳統(tǒng)教學中晶體結(jié)構(gòu)教學方法的不足 553002.三維動畫技術(shù)的原理 6325702.1三維動畫技術(shù)的應(yīng)用 619112.2三維動畫技術(shù)在教學中的應(yīng)用 623023.三維動畫技術(shù)在晶體結(jié)構(gòu)教學的應(yīng)用 783523.1以復式晶格中氯化鈉晶格為例三維動畫技術(shù)在教學中的應(yīng)用 710963.2以復式晶格中金剛石晶格為例三維動畫技術(shù)在教學中的應(yīng)用 871924.三維動畫技術(shù)在固體物理學中晶體結(jié)構(gòu)教學的優(yōu)勢 912835.結(jié)論 103868參考文獻 10緒論目前，固體物理學作為最活躍的一種理論依據(jù)，應(yīng)用于凝聚態(tài)物理與新材料科學，是高等院校物理學專業(yè)開設(shè)的一門基礎(chǔ)課程。因此，固體物理學教學意義至關(guān)重要。固體物理作為一門理論基礎(chǔ)課程，有很多的概念非常抽象不易理解，傳統(tǒng)教學中也存在很多困難，其中三維晶體結(jié)構(gòu)（包括對稱性）以及他們的布里淵區(qū)等是學生最常見的問題，用傳統(tǒng)教學方式（如幻燈片和物理模型等）都很難解釋清楚。面對這種狀況，老師們即使花費大量的時間和精力，也不能滿足于教學，因此學生們對物理圖像只是一個模糊的概念，理解和掌握教材知識也就變得困難，還有可能對這門課產(chǎn)生厭學心理。學習固體物理這個課程的時候需要很強的空間想象力，因為它的內(nèi)容非常難理解而且思想性很強，但是，傳統(tǒng)的教學方法存在一些不足，對于立體的教學情境和所需要的主觀感受無法呈現(xiàn)和表達。目前，在現(xiàn)代化教學快速發(fā)展的背景下，為了克服傳統(tǒng)教學方法的弊端，利用三維動畫模擬技術(shù)不僅能向?qū)W生展示更真實的物理圖像，使學生更容易理解概念，而且教學過程中的重點和難點可以輕松有效地被解決。固體物理學中的晶體結(jié)構(gòu)1.1晶體結(jié)構(gòu)的建立晶體的微觀結(jié)構(gòu)是指在晶體中實際質(zhì)點(原子、離子或分子)的具體順序，也就是晶體結(jié)構(gòu)。在整個客觀物質(zhì)世界中固體物質(zhì)可以分為晶體和非晶體兩大類，大多數(shù)的晶體是合金或者是固態(tài)的金屬。晶體和非晶體之間有一個最根本的區(qū)別是晶體中的原子、離子、分子等質(zhì)點是有序排序（長程序），但是在非晶體中，除了離它們最近的質(zhì)點外，這些質(zhì)點大都是堆積不規(guī)則（短程序）。在很多時候，金屬及其合金是在結(jié)晶狀態(tài)下使用的。能決定固態(tài)金屬的物理、力學、化學的性能的基本因素之一是晶體結(jié)構(gòu)1.2在傳統(tǒng)教學中晶體結(jié)構(gòu)教學方法的不足晶體結(jié)構(gòu)、對稱性、點群等中是固體物理學的概念，需要更大的空間想象力才能很好的理解，而且在過去常常用舊的球模型來描述它們。在輔助教學適宜應(yīng)用這些模式，但也有一些缺點如這些模式數(shù)量有限，缺乏維護等。此外，有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)容屬于微觀領(lǐng)域，主要基于電子或原子進行分析和材料的研究，通過微觀模型得出一些重要的概念和結(jié)論，大部分學生感到晦澀難懂，難以想象和難以理解。傳統(tǒng)教學的方法單一，加上許多的晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)容晦澀難懂，導致教師課堂教學效率較低，學生課堂學習固體物理內(nèi)容效果不理想，對學生解決問題的能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都沒有好處。三維動畫技術(shù)的原理三維動畫又被稱為3d動畫，是指由電腦設(shè)計產(chǎn)生的逼真的三維視頻場景或動畫。在計算機軟硬件技術(shù)快速的發(fā)展背景下，一種新興的技術(shù)在近年來逐步發(fā)展起來。這項技術(shù)為用戶創(chuàng)建一個三維虛擬的世界，即三維動畫軟件。設(shè)計者建立模型和場景通過要表現(xiàn)的對象的形狀和大小，然后需要設(shè)置一些動畫參數(shù)包括模型的運動軌跡、虛擬攝像機的運動等，最后根據(jù)需要為模型中添加特定的物體材料和燈光。做到了這些，電腦就能夠進行自動化地計算和制作最終圖片。2.1三維動畫技術(shù)的應(yīng)用目前，我國的三維動畫技術(shù)發(fā)展時間相對較短，但在現(xiàn)代計算機科學技術(shù)和教育現(xiàn)代化發(fā)展日新月異的大環(huán)境下，它的發(fā)展已取得了重大突破，已廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如科普和醫(yī)學等。三維動畫的特點是形象、準確和真實，對于抽象性和微觀性物體可以直觀的呈現(xiàn)出來，因此廣泛應(yīng)用于醫(yī)學和科學領(lǐng)域。在醫(yī)學領(lǐng)域，三維動畫主要用于人體解剖、神經(jīng)病學、骨科、耳鼻喉科，以直觀和準確的呈現(xiàn)各種難以復制或難以觀察到的生理和病理變化，對于理解和學習有很大的幫助。盧秋群等在設(shè)計三維耳蝸動畫時，利用3DMAX技術(shù)，在具體教學中創(chuàng)建耳蝸動態(tài)的三維動畫的逼真場景；季達峰等根據(jù)人體解剖學的知識特征，制作三維顱骨模型和動畫，將顱骨形狀和內(nèi)部運輸展現(xiàn)出來；《人世間》節(jié)目在科普知識中運用了大量的三維動畫，如氣象、天文地理、太空等?！犊萍疾┯[》制作宇宙等科普知識時運用了三維動畫。這些例子都代表了三維教學動畫的成功運用。2.2三維動畫技術(shù)在教學中的應(yīng)用Classroom3項目和安妮·班福德博士組織的LearninginFutureEducation(未來學習)項目作為眾所周知的三維動畫，應(yīng)用于教學實踐中。由JTM概念公司管理的classrooms3試圖在三年級使用三維課程。在將三維動畫教學用在教學實踐中比較讓人熟知的是Classroom3項目和安妮·班福德博士組織的LearninginFutureEducation(未來學習)項目。由JTMConcepts公司開發(fā)的Classroom3項目嘗試使用3D課程進行課堂教學。教師在課堂上利用三維教學動畫組織教學，學生戴著3D眼鏡。研究表明，由于使用了3D課程課程，學生的總體成績提高了35%，他們的學習體驗也有所改善。安妮·班福德博是一家國際教育機構(gòu)的的教育負責人，他領(lǐng)導著未來學習項目的研究人員。為了確定3D教學實驗的最有效模式，他對該項目在七個歐洲國家的應(yīng)用情況進行評估，并詳細分析了它對學生學習的影響。研究結(jié)果表明，通過3D教學，在一定程度上不但增強了了學生的記憶力、學習興趣，還提高了學生的學習成績。這表明，運用三維教學有效的促進了學習效果和教學效果，而且具有很高的實踐價值。從實際角度來看，在物理課堂教學中無法呈現(xiàn)許多物理基本概念和原理、實驗現(xiàn)象等等，三維動畫很好的解決了這個問題。對現(xiàn)有文獻的研究表明，我國在生物學、化學、地理、數(shù)學和物理等學科應(yīng)用三維動畫技術(shù)呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢。在生物科學領(lǐng)域，遺傳信息的翻譯過程、基因表達、細胞的結(jié)構(gòu)、人體內(nèi)的物質(zhì)運輸?shù)确矫娴闹R都可以利用三維動畫來模擬。李文通過分析生物化學特性，在教學中引入了一個利用DNA技術(shù)治療皮膚癌的三維教學動畫。在化學領(lǐng)域，有機化學、結(jié)構(gòu)化學等應(yīng)用較為廣泛。陳長認為，在化學教學中，分子結(jié)構(gòu)、有機反應(yīng)機制等都是抽象的，需要通過三維動畫提供教育支持。地理空間是地理教學的主要側(cè)重點。為了培養(yǎng)學生對空間認知的研究，李春江探索了在地理教學中利用3Dmax軟件進行輔助教學?？臻g幾何領(lǐng)域是數(shù)學課堂教學中的側(cè)重點。在一項探索性應(yīng)用研究中，在三維技術(shù)的幫助下，張雯利用3Dmax軟件制作空間幾何結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于實踐教學。在我們的物理學科中，學習晶體結(jié)構(gòu)時，為了使學生能夠直觀地觀察物理圖像，運用了三維動畫技術(shù)。在晶體結(jié)構(gòu)教學的應(yīng)用三維動畫技術(shù)三維動畫技術(shù)可以模擬原子球的各種動態(tài)累積，實現(xiàn)了空間結(jié)構(gòu)的動態(tài)發(fā)展和演化，并向?qū)W生呈現(xiàn)出逼真的物理圖像，使學生容易理解反應(yīng)客觀事物本質(zhì)的特征。3.1以復式晶格中氯化鈉晶格為例三維動畫技術(shù)在教學中的應(yīng)用氯化鈉晶格雖然看似是一個簡單的立方晶格，然而它實際上是一種復式的晶格。由于它的分布是在排列時每一行每一列上的鈉離子和氯離子進行相間的排列，可以把鈉離子和氯離子混在一起。如果把這兩種物質(zhì)的象形圖加以比較，學生就可以看出，一種離子已經(jīng)構(gòu)成了面心立方晶格，而另一種離子也構(gòu)成面心立方晶格，如果與前面的立方體晶格密切接觸則不是很直觀。因此，很難理解這樣一個結(jié)構(gòu)是由雙面立方晶格組成的。三維動畫設(shè)計思路：①鈉離子和氯離子兩個面心立方晶格相互接近，一個晶格的“面”與另一個晶格的“心”重合，重合區(qū)域類似于簡單的立方體晶格。②其他不重合區(qū)域的離子和結(jié)構(gòu)的框架被用淡出的方式遮蓋；③重新搭建套構(gòu)晶格結(jié)構(gòu)的框架采用淡入方的式；④利用旋轉(zhuǎn)氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)，使得學生可以從各個角度觀察。圖1氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)示意圖圖2圖2是一些三維動畫的靜態(tài)效果圖，對鈉離子和氯離子分別形成三維立方晶格、氯化鈉晶格結(jié)構(gòu)的物理思想的直觀生動表示。3.2以復式晶格中金剛石晶格為例三維動畫技術(shù)在教學中的應(yīng)用金剛石晶也是一種復合晶格，但它是另一種晶格，可以看作是沿其體對角線移動的一組面立方體晶格。盡管它也由兩個同心立方體表面晶格組成，但金剛石晶格的結(jié)構(gòu)比氯化鈉晶格復雜得多。通過將這些原子與教材的插圖比較，學生們可以看出，c原子組成了一個面心立方晶格，在這個面心立方晶格內(nèi)部多了四個原子，對于它們也是面心立方晶格的一部分，學生很難想象，更重要的是，這四個原子的空間排列也更讓學生難以弄清楚。利用三維動畫模擬金剛石晶格結(jié)構(gòu)，在課堂上取得了良好的教育成果，解決了課堂教學過程中遇到的一些問題。在3DMax中，對于沿體對角線面心晶格具體滑移的程度，透視圖是看不到的，因此，我們結(jié)合了動畫的前視圖和透視視圖(學生可以同時看到透視圖和前視圖)，以及移動時晶格的對角線。具體設(shè)計理念:①面心的兩個立方體晶格重合(兩個晶格的原子顏色不同以示區(qū)別)，然后沿對角線滑動四分之一；②需要保留的四個原子(滑動并留在面部網(wǎng)格中)以閃爍方式突出顯示；③多余面心立方晶格部分逐漸消失；④金剛石晶格結(jié)構(gòu)由保留的四個原子和面心立方晶格組成化學鍵形成；⑤旋轉(zhuǎn)金剛石晶結(jié)構(gòu)方便讓學生在各個方面觀察以及理解。金剛石晶格結(jié)構(gòu)示意圖圖3圖4圖4是三維動畫的一些效果圖，其中，左側(cè)和右側(cè)分別是是透視圖和前視圖。面心立方晶格沿體對角線滑移了四分之一分別用“前2”和“前3”表示；“透4”和“前4”是4個原子(藍色)在閃爍；四個半透明立方體顯示為“透6”和“前6”，這樣晶格中四個原子的位置就清晰明了了:假如將金剛石格分割為八個立方體，則四個原子位于頂部和底部兩個層上相對的四個立方體的中心，每個立方體形成一個正四面體結(jié)構(gòu)，鄰近的四個原子位于四個正四面體的中心。復式晶格的基本特性在上述例子中是通過一個動態(tài)過程進行演示的，使不容易理解的抽象理論變得清楚簡單，與構(gòu)建主義的基本原則完全相符，即對“情境”的營造，引導學生順利完成意義建構(gòu)。學生們表示，在本課件動畫播放前，這些知識點理解起來非常困難。但在動畫播放后就變得很容易。有的學生表示，沒有動畫的幫助，一些知識點很難被學習和理解，這也表明三維動畫技術(shù)對于固體物理的晶體結(jié)構(gòu)教學中有著非常重要的影響。三維動畫技術(shù)在固體物理學中晶體結(jié)構(gòu)教學的優(yōu)勢對于固體物理學的研究通常是從晶體結(jié)構(gòu)入手的，而對于三維晶體結(jié)構(gòu)的掌握則是后續(xù)研究的依據(jù)。這部分的內(nèi)容中很多概念所需要表達的空間結(jié)構(gòu)非常抽象，教師很難用語言來描述，采用實物模型、幻燈片甚至使用動畫模擬（如FLASH）效果都沒有那么理想。這種情況的原因就由于實物模型很難構(gòu)建；幻燈片所表達的平面圖形無法充分的展示出晶體結(jié)構(gòu)中用來描述概念的某些基本現(xiàn)象或其過程的物理思想；而平面動畫的視覺局限性則無法在很大程度達到良好的教學效果。針對這些疑惑，有人在課堂教學中嘗試引入VRML（VirtualRealityModeling）技術(shù)來對三維晶體的結(jié)構(gòu)進行任意旋轉(zhuǎn)、移動、縮放等操作并通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)讓學生從各種角度去觀察三維晶體結(jié)構(gòu)，不僅提高了學生的學習興趣還取得了很好的教學效果。一般來說，VRML三維晶體結(jié)構(gòu)的制作有2種方法1）在VRML軟件中根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的特點直接輸入原子的坐標、空間群、對稱性等參數(shù)導出；2）將文件轉(zhuǎn)化為VRML文件（如3DSMAX可將MAX格式的源文件輸出為VRML文件）。對于簡立方體和體心立方這樣簡單的晶格，虛擬現(xiàn)實技術(shù)便于使用，但對于面心立方晶格，金剛石晶格等過于抽象的概念將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入教學則有局限性。這是主要是由于只單純地觀察由原子球所組成的固定的空間點陣，而不領(lǐng)會概念的物理思想，這樣是無法真正理解這些概念的，而使用IE瀏覽器運行的VRML文件展示出來的是一個或者多個固有的三維空間結(jié)構(gòu)，不能實現(xiàn)變形和漸變等效果來建立模型用來體現(xiàn)概念的物理思想。而三維動畫的表現(xiàn)效果則要強大太多，這也就是三維動畫技術(shù)能夠成為解決固體物理學教學難點的銳器優(yōu)勢所在。在提升學生學習動力和發(fā)掘?qū)W生學習興趣方面三維動畫技術(shù)教學起到了不可或缺的作用，教學以三維動畫技術(shù)為輔助，能夠最大限度的提升學生掌握所需知識的速度，使學生探究和掌握物理知識的欲望得到發(fā)掘，并提升了學生運用所學知識解決生活問題的能力。三維動畫技術(shù)融入教學時，學生的認知負擔被大幅減輕，清除了許多思維障礙，使學生的物理形象大大拓寬。此外，三維動畫可能使人們難以觀察事物的運動規(guī)律，物理特性，不可見或無形的物理原理等，變成生動且易于觀察的動畫，進而提升了學生的注意力。從某種意義上講，為學生創(chuàng)造了一個極為有利的學習環(huán)境，使他們積極參與進課堂中去，因此也就提高了教學的效果。結(jié)論在進行晶體結(jié)構(gòu)的學習時采用了三維動畫模擬技術(shù)，不僅讓物理圖像很具象，同時營造了真實的物理環(huán)境并提供給學生，尤其是金剛石結(jié)構(gòu)這一內(nèi)容，為了能夠讓學生們在各個角度都可以觀察，我們同時呈現(xiàn)出了透視圖和前視圖，這使學生能夠直接將復雜的抽象概念轉(zhuǎn)化為易于理解和接受的物理圖像。多年的教學實踐證實，在晶體結(jié)構(gòu)教學中廣泛使用三維動畫技術(shù)不僅有助于教師教學，而且有助于學生對晶體結(jié)構(gòu)和某些抽象概念進行理解，這在很大程度上提高了課堂教學的質(zhì)量。參考文獻[1]黃大有·3DMAX3閃電通動畫大師超級建模手冊[M]·呼和浩特:內(nèi)蒙古文化出版社,2000·[2]孟祥東,華中·VRML語