3D MAX制作生化蛋白質(zhì)、核酸章節(jié)教學(xué)課件探索

曹 羲，王清河，王 亮

(承德醫(yī)學(xué)院，河北承德 067000)

隨著3D MAX技術(shù)迅速發(fā)展，與它結(jié)合的多媒體為中心的現(xiàn)代教學(xué)方式已經(jīng)逐步被教學(xué)所采用。它利用計(jì)算機(jī)向?qū)W生提供生物化學(xué)所需要的各種材料和信息，通過軟件中的基本體建模、多維子對象材質(zhì)、mental ray渲染器及高級動畫的結(jié)合，把生物化學(xué)課件中生動的動畫影像、清晰的文字注解有機(jī)集成，較好地攻克了生物化學(xué)中的許多教學(xué)難題。本文對生物化學(xué)中蛋白質(zhì)、核酸章節(jié)的典型課件進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作，結(jié)合實(shí)例進(jìn)行分析，并深入探索生物化學(xué)中蛋白質(zhì)、核酸結(jié)構(gòu)的特征和應(yīng)用規(guī)律,充分發(fā)揮3D MAX技術(shù)優(yōu)勢，把課件的制作運(yùn)用、教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體地位三者有機(jī)地結(jié)合起來,達(dá)到傳統(tǒng)教學(xué)手段達(dá)不到的教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)對教學(xué)的補(bǔ)充和輔助作用。

1 設(shè)計(jì)課件制作方案

生物化學(xué)中的一些醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，我們通過3D MAX軟件對一些復(fù)雜的理論、結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、制作，把難于理解的理論、公式等以逼真的動畫形式表現(xiàn)出來，可解決常規(guī)教學(xué)中難以表達(dá)清楚的問題。在制作蛋白質(zhì)、核酸結(jié)構(gòu)及其功能的章節(jié)中，首先要清楚的了解書本中的重要內(nèi)容，了解其重點(diǎn)和難點(diǎn)，針對這些問題利用3D MAX進(jìn)行課件制作，從根本上解決和突破這些問題。在對蛋白質(zhì)、核酸結(jié)構(gòu)及其功能章節(jié)的課件設(shè)計(jì)中，我們制作了設(shè)計(jì)方案:

1.1 生物大分子的立體結(jié)構(gòu) 利用3D MAX中“樣條線”、“點(diǎn)線面建?！崩L制生物大分子線性、環(huán)狀結(jié)構(gòu)及他們之間的空間位置，通過各種角度效果展示出它的立體結(jié)構(gòu)盤繞成螺旋形，折疊成片層狀，讓學(xué)生進(jìn)一步了解其有的以線性存在，有的則成球狀等復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)。

1.2 蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)α-螺旋結(jié)構(gòu) 利用3D MAX中的“基本體建模”、“材質(zhì)”、“mental ray”，渲染出平面、三維立體簡模、深度精模三種制作效果，讓學(xué)生清楚地看到α-螺旋的氫鍵方向與螺旋長軸基本平行，每3.6個(gè)氨基酸殘基螺旋上升一圈，螺距為0.54nm。

1.3 超二級結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)模體 利用3D MAX中的“擴(kuò)展基本體建模”，主要創(chuàng)作出模體的空間位置及二級結(jié)構(gòu)間的位置關(guān)系，讓學(xué)生能更深入地了解模體的超二級結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)象。

1.4 肽單元結(jié)構(gòu) 利用3D MAX中的“多邊形編輯模型”、“材質(zhì)編輯器”、“三維動畫制作”等完成肽單元螺旋結(jié)構(gòu)動畫演示，目的是使學(xué)生能夠清晰地看到肽單元上鈣原子所連的兩個(gè)單鍵的自由旋轉(zhuǎn)角度和兩個(gè)相鄰的肽單元平面的相對空間位置。

1.5 核苷與脫氧核苷 利用3D MAX中“擴(kuò)展基本體”的球棱柱建模、顏色編輯、動畫“haracter studio”對象進(jìn)行制作，讓同學(xué)們通過動畫形式理解堿基通過糖苷鍵與戊糖連接，堿基可以繞糖苷鍵自由轉(zhuǎn)動。

2 3D MAX課件的制作

2.1 模型制作

2.1.1 生物大分子的立體結(jié)構(gòu):利用3D MAX工具欄右側(cè)“基本體建?！敝械钠矫胬L制生物大分子的片層狀，用圓形繪制其球狀，再用“樣條線”的線繪制出生物大分子中形成的螺旋狀，在頂視圖、側(cè)視圖、透視圖中調(diào)節(jié)其所在的空間位置進(jìn)行編輯，完成生物大分子空間構(gòu)像。

2.1.2 蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)α-螺旋結(jié)構(gòu):在3D MAX中，運(yùn)用“基本體建?！苯ǔ龀壗Y(jié)構(gòu):αα、βαβ、ββ超二級結(jié)構(gòu)、蛋白中結(jié)合鈣離子模體、鋅指結(jié)構(gòu)模體，調(diào)整其空間位置，完成其模型。

2.1.3 超二級結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)模體:在3D MAX中，運(yùn)用“基本體建?！敝械钠矫胬L制出不同位置的肽單元平面，用工具欄右側(cè)中的球體繪制6個(gè)原子的模型，調(diào)整原子在肽單元平面中的相應(yīng)位置，并用圓柱體繪制肽鍵將其相應(yīng)連接，右擊復(fù)制多個(gè)模型，調(diào)整各個(gè)整體模型其各自的空間位置，完成肽單元結(jié)構(gòu)。

2.1.4 肽單元結(jié)構(gòu):用3D MAX中的“基本體建模”制作螺旋模型，右擊選擇多邊形編輯修改器，在工具欄右側(cè)點(diǎn)擊點(diǎn)、線、面，根據(jù)模型的需要進(jìn)行編輯，選擇“頂點(diǎn)”子對象，在“編輯幾何體”卷展欄內(nèi)單擊“塌陷”按鈕，完成α-螺旋模型。

2.1.5 核苷與脫氧核苷:選擇工具欄右側(cè)“樣條線”中的多邊形繪制基本模型，選擇“文本”標(biāo)注模型中的化學(xué)鍵，用“基本體建?！敝械膱A柱體繪制糖苷鍵，調(diào)整堿基模型和戊糖模型空間位置，完成核苷與脫氧核苷的基本模型。

2.2 材質(zhì)渲染 模型完成后，對以上模型逐個(gè)進(jìn)行相同性質(zhì)編輯。打開“材質(zhì)編輯器”，單擊standard按鈕，打開“材質(zhì)瀏覽器”，選擇材質(zhì)類型;打開“顏色選擇器”對話框，對亮暗區(qū)顏色分別進(jìn)行設(shè)置;在“光線追蹤基本參數(shù)”卷展欄內(nèi)，各項(xiàng)參數(shù)用于設(shè)置“光線追蹤”材質(zhì)的基本屬性[1];在“貼圖”卷展欄中，單擊“折射”右側(cè)按鈕，在打開的“材質(zhì)/貼圖瀏覽器”對話框中選擇折射貼圖類型;將設(shè)定好的材質(zhì)球指定給相應(yīng)的模型。在主工具欄右側(cè)，提供主要的渲染命令按鈕，可以通過單擊相應(yīng)的工具按鈕快速執(zhí)行相應(yīng)渲染命令，方便快速的調(diào)用預(yù)設(shè)的渲染設(shè)置。執(zhí)行“渲染設(shè)置”命令，在要渲染的區(qū)域選擇“裁剪”在“渲染幀”窗口單擊保存，完成渲染。

2.3 動畫制作 完成渲染后對動畫效果進(jìn)行制作預(yù)覽在核苷與脫氧核苷的動畫制作中，通過動畫形式讓堿基通過糖苷鍵與戊糖連接，堿基可以繞糖苷鍵自由轉(zhuǎn)動。

2.3.1 動畫分析:這是一個(gè)動畫制作的綜合案例，堿基順時(shí)針一周旋轉(zhuǎn)，糖苷鍵帶動堿基一同旋轉(zhuǎn)，當(dāng)中包括動畫的創(chuàng)建、曲線編輯器的使用、鏈接約束的設(shè)定，以及修改器動畫制作等。

2.3.2 制作思路:首先用關(guān)鍵幀動畫創(chuàng)建堿基的移動然后通過虛擬物體來制作堿基旋轉(zhuǎn)一周的動作，接著利用鏈接約束來設(shè)定糖苷鍵與堿基在不同時(shí)間內(nèi)的附著對象，最后利用修改器動畫創(chuàng)建堿基圍繞糖苷鍵自由轉(zhuǎn)動的動畫。

2.3.3 制作步驟:①創(chuàng)建關(guān)鍵幀動畫:按下時(shí)間控制欄中的“自動關(guān)鍵點(diǎn)”按鈕，開啟關(guān)鍵幀記錄動畫。將時(shí)間滑塊移動到100幀，將軟件中的攝像機(jī)對準(zhǔn)視圖中選定對象。②設(shè)置勻速運(yùn)動:調(diào)整糖苷鍵與堿基運(yùn)動曲線，呈現(xiàn)勻速運(yùn)動狀態(tài)，打開“軌跡視圖”，選擇曲線運(yùn)動兩個(gè)端點(diǎn)將運(yùn)動曲線變成直線，每幀的移動位置分布均勻[2]。③設(shè)置鏈接約束:指定好鏈接約束，在運(yùn)動面板下展開“連接參數(shù)”卷展欄，按下“添加鏈接”，將時(shí)間滑塊移動0幀，拾取對象。④創(chuàng)建修改器動畫:使堿基最終達(dá)到旋轉(zhuǎn)效果。按下時(shí)間控制欄中“自動關(guān)鍵點(diǎn)”按鈕，在“修改”面板中加入關(guān)鍵幀，每變換旋轉(zhuǎn)角度，將時(shí)間滑塊移動到需要的關(guān)鍵幀，點(diǎn)擊播放，測試效果，調(diào)整整體動畫，生成AVI文件。

3 3D MAX多媒體課件在教學(xué)中應(yīng)用

3.1 在醫(yī)學(xué)生物化學(xué)課程教學(xué)中 目前，教師們所用的課件都是簡易的二維圖片制作，教師給醫(yī)學(xué)生展示生物中的各個(gè)形態(tài)，多是上網(wǎng)獲取圖片或在書本上掃描單色2D圖片，在授課中因?yàn)閳D片的單一性及分辨率的程度使醫(yī)學(xué)生看到的效果只是一個(gè)角度，從而并未能使學(xué)生更好的理解知識。而我們開發(fā)的3D MAX軟件課件，模擬演示生物化學(xué)中蛋白質(zhì)、核酸的結(jié)構(gòu)與功能，當(dāng)我們在這種簡單的課件中插入3D MAX制作的效果圖與動畫形態(tài)后，就可使生物化學(xué)中的一些不可見結(jié)構(gòu)及其變化呈現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生在聽課中對難點(diǎn)、重點(diǎn)一目了然，加深了記憶，同樣也使學(xué)生能夠轉(zhuǎn)換思維模式，降低思維難度，通過其觀察總結(jié)規(guī)律。

3.2 在其它課程教學(xué)中 制作3D MAX多媒體課件的目的是優(yōu)化課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)，提高課堂教學(xué)效率，既要有利于教師的教，又要有利于學(xué)生的學(xué)。用3D MAX軟件的動畫來演示，不僅能把高度抽象的知識直觀顯示出來，而且給學(xué)生以新、奇、異的刺激感受，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促使學(xué)生理解、掌握它們的本質(zhì)。利用其在教學(xué)中的作用，提高教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)最優(yōu)化。

4 小結(jié)

本篇主要講述的是3D MAX應(yīng)用于生物化學(xué)中蛋白質(zhì)、核酸的教學(xué)課件，但在其它課程教學(xué)中也可以使用，例如解剖學(xué)、生物學(xué)、寄生蟲、臨床課程等。它既有演示性，也有交互性;既是面向教學(xué)全體的以助教為重點(diǎn)的課件，也是基于學(xué)生個(gè)體的導(dǎo)學(xué)課件;既是以靜態(tài)圖文為特征的課件，也是以逼真動畫為內(nèi)容的課件。通過這些優(yōu)勢來使教師的授課與學(xué)生的學(xué)習(xí)在課堂中更好的結(jié)合在一起。

[1]鄭東,侯婷.3ds max 8燈光、材質(zhì)與渲染表現(xiàn)技法[M].北京:清華大學(xué)出版社，2007.30-31.

[2]王軍.3ds max動畫技術(shù)大全[M].第1版.北京:科海電子出版社,2006.6-7.