反真實(shí)材質(zhì)在三維教學(xué)動(dòng)畫中的應(yīng)用探索

【摘要】計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫在中小學(xué)及高校的學(xué)科教學(xué)中發(fā)揮著重要的作用，以往的教學(xué)三維動(dòng)畫的畫面大多采用寫實(shí)的風(fēng)格，隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了反真實(shí)（卡通型）材質(zhì)，它突出簡(jiǎn)約的色彩層次和鮮明的輪廓線條，為創(chuàng)作二維動(dòng)畫風(fēng)格的三維動(dòng)畫提供了條件。本文探討的就是如何利用反真實(shí)（卡通）材質(zhì)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)風(fēng)格新穎的教學(xué)動(dòng)畫。

【關(guān)鍵詞】 反真實(shí)材質(zhì)；三維動(dòng)畫；平面動(dòng)畫；認(rèn)知負(fù)荷

【中圖分類號(hào)】 G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009—8097 (2008) 03—0094—03

引言

計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)為開展豐富多彩的教學(xué)活動(dòng)提供了強(qiáng)有力的支持，其中電腦三維動(dòng)畫就是一種優(yōu)秀的教學(xué)資源，正在逐漸應(yīng)用于中小學(xué)及高校的各個(gè)學(xué)科教學(xué)領(lǐng)域。然而，不同的教學(xué)情境對(duì)于動(dòng)畫表達(dá)形式的要求是有差異的，應(yīng)基于不同的教學(xué)需求和學(xué)習(xí)者的認(rèn)知規(guī)律來設(shè)計(jì)，才能以合適的信息量，及適當(dāng)?shù)恼J(rèn)知負(fù)荷來支持學(xué)習(xí)者的意義建構(gòu)?？ㄍú馁|(zhì)的應(yīng)用，提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。

一 擬真材質(zhì)與反真實(shí)（卡通）材質(zhì)的比較

為了模擬真實(shí)物體的各種視覺特性（如顏色、紋理、透明度、粗糙或光潔度，以及反射、折射特性等等），材質(zhì)通過多種屬性的設(shè)定或貼圖技術(shù)的疊加，描述物體如何反射和傳輸光線，用以細(xì)致地刻畫模型的外觀。

通常使用的擬真材質(zhì)，模型表面的色彩和明暗是無(wú)級(jí)變化的（如圖1）。

反真實(shí)（卡通）材質(zhì)（Ink’n Paint）是從3ds max5以來新增的一種材質(zhì)，它用有限的幾個(gè)色彩層次來分層填色，并生成鮮明的物體外輪廓線（如圖2）。使用反真實(shí)材質(zhì)渲染生成的畫面，具有平面卡通漫畫的風(fēng)格。[1]

需要明確的是這里所說卡通風(fēng)格的三維動(dòng)畫，僅指采用卡通材質(zhì)輸出的動(dòng)畫，畫面色彩和線條風(fēng)格類似于卡通漫畫，并非指動(dòng)畫的角色造型、鏡頭運(yùn)用和敘述方式都采用少兒動(dòng)漫那種夸張的手法，它仍然保證場(chǎng)景的準(zhǔn)確透視，從而保持了三維動(dòng)畫逼真的空間視覺效果，時(shí)間控制方法也不受影響。

但是由于反真實(shí)材質(zhì)的畫面風(fēng)格接近于平面卡通漫畫，所以它的畫面元素又具有了新的特點(diǎn)。這種新的特性對(duì)于教學(xué)動(dòng)畫的設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生什么影響，這也是本文要探討的主題。

二 反真實(shí)（卡通）材質(zhì)應(yīng)用于教學(xué)動(dòng)畫的優(yōu)越性

設(shè)計(jì)教學(xué)動(dòng)畫的時(shí)候，我們需要考慮動(dòng)畫開發(fā)的工作量和開發(fā)效率；畫面所包含的信息量是否適度；動(dòng)畫的風(fēng)格是否符合學(xué)習(xí)者以往的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)，動(dòng)畫是否準(zhǔn)確地反映教學(xué)內(nèi)容等問題。卡通材質(zhì)的應(yīng)用有助于兼顧這些問題的綜合處理。

1 有利于提高教學(xué)動(dòng)畫的開發(fā)效率

教學(xué)三維動(dòng)畫作為教學(xué)資源的重要組成部分，其開發(fā)過程包括教學(xué)內(nèi)容選擇，教學(xué)目標(biāo)和需求分析，表達(dá)教學(xué)信息的畫面元素及其序列和節(jié)奏安排等教學(xué)設(shè)計(jì)工作；也包括三維建模，材質(zhì)編輯，光源、背景、特效等環(huán)境設(shè)置，動(dòng)態(tài)控制，渲染設(shè)置和后期合成等技術(shù)性和藝術(shù)性設(shè)計(jì)方案的確定；以及制作和修改等技術(shù)實(shí)現(xiàn)工作。很多時(shí)候，這些復(fù)雜的任務(wù)是需要獨(dú)立完成的，哪怕一段數(shù)秒至數(shù)十秒長(zhǎng)的動(dòng)畫創(chuàng)作，工作量都很大。如何在保證教學(xué)資源質(zhì)量的前提下，提高三維動(dòng)畫的開發(fā)效率，是一個(gè)不可回避的問題，卡通材質(zhì)及卡通風(fēng)格的教學(xué)動(dòng)畫為我們提供了一個(gè)很好的途徑。

寫實(shí)風(fēng)格的三維畫面，渲染效果接近于實(shí)拍的影像，學(xué)習(xí)者觀看時(shí)會(huì)自然而然地以真實(shí)世界的記憶表象為參照，來審視場(chǎng)景物體的形狀和表面質(zhì)感的逼真度，這對(duì)三維建模和材質(zhì)編輯的技術(shù)要求很高，任一細(xì)節(jié)達(dá)不到要求都可能影響整體視覺效果，從而降低對(duì)學(xué)習(xí)者的吸引力。而卡通風(fēng)格的三維動(dòng)畫，使我們觀看時(shí)會(huì)自然而然地以二維卡通動(dòng)畫的記憶表象為參照，寬容地忽略很多細(xì)節(jié)，這就大大降低了三維建模和材質(zhì)編輯的復(fù)雜度及工作量（如圖3），使創(chuàng)作者能把更多的時(shí)間和精力集中于動(dòng)畫的教學(xué)設(shè)計(jì)。

2 有助于降低學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷

認(rèn)知負(fù)荷理論（cognitive load theory）是Sweller等人在20世紀(jì)80年代提出的，認(rèn)為認(rèn)知負(fù)荷可分為內(nèi)部負(fù)荷和外部負(fù)荷，分別受到教學(xué)內(nèi)容本身和教學(xué)設(shè)計(jì)的影響，兩者具有不同的特點(diǎn)。[2]知識(shí)和技能是以圖式的形式儲(chǔ)存在長(zhǎng)時(shí)記憶系統(tǒng)中，由于學(xué)習(xí)內(nèi)容的復(fù)雜程度不同，在工作記憶中加工時(shí)對(duì)認(rèn)知資源的需求量也不同。為此把由學(xué)習(xí)內(nèi)容復(fù)雜度引起的認(rèn)知負(fù)荷稱為內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷（intrinsic cognitive load）。由教學(xué)設(shè)計(jì)（如材料呈現(xiàn)方式和要求學(xué)生從事的活動(dòng)）引起的工作記憶負(fù)荷稱為外在認(rèn)知負(fù)荷（extraneous cognitive load）。

學(xué)習(xí)者在工作記憶中，可以同時(shí)處理的認(rèn)知加工容量是非常有限的。因此，教學(xué)動(dòng)畫設(shè)計(jì)需要注意避免認(rèn)知負(fù)荷的超載問題，卡通材質(zhì)也可以為此提供幫助。

圖4是高一物理教材中，研究勻速直線運(yùn)動(dòng)物體的s-t圖像的實(shí)驗(yàn)裝置，及由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的s-t圖像。

該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)，主要是讓學(xué)習(xí)者理解物體運(yùn)動(dòng)的圖像描述法，掌握勻速直線運(yùn)動(dòng)的s-t圖像特征并能通過該圖像求出物體運(yùn)動(dòng)的速度。[3]分析該實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境，實(shí)景畫面的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景包含了很多信息量，而其中像數(shù)據(jù)采集器的外形，整個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的環(huán)境等信息對(duì)主要教學(xué)目標(biāo)并不具有非常重要的意義，如果能將這些信息簡(jiǎn)化，可以有效地降低認(rèn)知負(fù)荷。

再來考察為此設(shè)計(jì)的教學(xué)動(dòng)畫（如圖5），我們可以看到：

首先，采用卡通材質(zhì)生成的畫面，依然保留了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的主要信息，但是簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)中的物體模型。同時(shí)由于卡通材質(zhì)的特性，使畫面的色彩、光照、投影等基本元素既得到保留，又進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。“勾線”的繪圖方式，突顯了畫面中物體的輪廓，將物體的形體和相對(duì)位置等信息進(jìn)行了強(qiáng)化。這種再加工在一定程度上簡(jiǎn)化了畫面中多余的信息量，減少了觀眾在觀看時(shí)的認(rèn)知負(fù)荷，有助于引導(dǎo)學(xué)習(xí)者把注意力集中在重要的教學(xué)信息上。另外，在畫面的左上角，加入了小車運(yùn)動(dòng)的曲線圖。曲線的繪制與小車的運(yùn)動(dòng)是同步的，這種呈現(xiàn)方式就強(qiáng)化了小車運(yùn)動(dòng)過程中每一時(shí)刻的位移和s-t圖像上每一點(diǎn)之間的聯(lián)系，有助于學(xué)習(xí)者深入理解運(yùn)動(dòng)的圖像描述法。而卡通材質(zhì)所營(yíng)造的二維畫面風(fēng)格，也為運(yùn)動(dòng)曲線圖與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景在畫面的疊加創(chuàng)造了條件。

3 有助于引導(dǎo)學(xué)習(xí)者的抽象思維

根據(jù)戴爾的“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論（圖6），教材上的抽象圖示，屬于塔上部 “抽象的經(jīng)驗(yàn)”，教學(xué)信息的抽象程度由塔底部向上漸次提高，合理有效的教學(xué)應(yīng)自下而上地從較具體的經(jīng)驗(yàn)開始，逐漸提高抽象程度。[4]

如果場(chǎng)景中的物體采用擬真的材質(zhì)，那么畫面就提供較具體的“觀察的經(jīng)驗(yàn)” （如圖7）；如果模型經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，配合使用卡通材質(zhì)，則畫面效果更接近教材中的抽象示意圖（如圖8）。因此，通過設(shè)置材質(zhì)的動(dòng)態(tài)漸變和動(dòng)畫的后期處理，可以完成畫面從擬真風(fēng)格到卡通風(fēng)格的平滑過渡。使學(xué)習(xí)者在觀看這種教學(xué)動(dòng)畫的過程中，更順利地完成從較為具體的“觀察的經(jīng)驗(yàn)”到“抽象的經(jīng)驗(yàn)”的提升，從而高效地實(shí)現(xiàn)意義學(xué)習(xí)。

4 卡通風(fēng)格的動(dòng)畫更適合中小學(xué)生的年齡特點(diǎn)

積極的學(xué)習(xí)態(tài)度，是學(xué)習(xí)過程中重要的內(nèi)部條件，影響著整個(gè)學(xué)習(xí)過程。在興趣中學(xué)習(xí)，在快樂的體驗(yàn)中學(xué)習(xí)，是形成積極態(tài)度的有利因素。

大部分中小學(xué)生對(duì)卡通片都有著濃厚的興趣，這與卡通片簡(jiǎn)潔明快，活潑向上的風(fēng)格有很大關(guān)系。如果能把中小學(xué)生對(duì)卡通片的喜愛，轉(zhuǎn)移到學(xué)習(xí)過程中來，會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生積極的影響。經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的卡通風(fēng)格的教學(xué)動(dòng)畫，具備良好的視覺效果和較強(qiáng)的藝術(shù)感染力，能較長(zhǎng)時(shí)間吸引學(xué)生的注意力，引起他們的求知欲，更重要的是，設(shè)計(jì)精良的教學(xué)動(dòng)畫不僅融入了教學(xué)內(nèi)容，而且潛移默化地引導(dǎo)著學(xué)生的科學(xué)思維，使他們輕松、快樂地達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

三 反真實(shí)（卡通）材質(zhì)的制作

在3ds max軟件中，制作反真實(shí)(卡通)材質(zhì)十分簡(jiǎn)單，只要按下材質(zhì)編輯器的材質(zhì)類型按鈕（默認(rèn)為“standard”），然后在材質(zhì)類型列表里選擇Ink ’n Paint 類型即可。具體參數(shù)的設(shè)置可分為三部分，包括基本材質(zhì)屬性；填色設(shè)置和勾線設(shè)置等。本文不再詳述。

參考文獻(xiàn)

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