原理分析型三維動畫課件設(shè)計研究動畫設(shè)計為例

梁婷婷

[摘要]本文研究了原理分析型三維動畫課件設(shè)計相關(guān)理論，設(shè)計良好的這類課件在幫助學生認知的過程中起到了積極的作用，成為學生的認知工具，老師的教學工具。要使原理分析型三維動畫課件達到理想的教學效果必須對課件進行科學的設(shè)計。

首先，要以科學的教學理論作指導；其次，要有良好的教學設(shè)計和課件結(jié)構(gòu)設(shè)計。再次，動畫的過程要符合事物發(fā)展的因果規(guī)律，培養(yǎng)學習者有嚴謹?shù)目茖W思維過程。

本文以高中二年級物理課中“交變電流產(chǎn)生原理分析”為例，分析原理分析型三維動畫課件設(shè)計的要點和過程。

[關(guān)鍵詞]三維動畫課件 原理分析型 教學理論 學習理論 教學設(shè)計 結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前在教學領(lǐng)域已經(jīng)存在許多三維動畫課件，它們涉及到各個學科，主要是數(shù)學，物理，化學，生物等學科，這些動畫課件在技術(shù)上基本上都達到生動逼真的標準，但這些三維動畫課件大多是現(xiàn)象模擬型的，主要是對實驗現(xiàn)象進行數(shù)字化模擬，將真實實驗中看到的現(xiàn)象在電腦屏幕上以三維動畫的方式再次呈現(xiàn)。而原理分析型的三維動畫課件資源卻比較少見。

原理分析型課件設(shè)計需要建立在教學理論和學習理論的指導下進行。設(shè)計良好的原理分析型三維動畫課件在表達逼真的具體現(xiàn)象的同時，能夠引導學生如何加工信息，如何在思維中處理信息，通過可視化的方式有效地引導學生逐步理解具體現(xiàn)象與抽象規(guī)律之間的聯(lián)系，培養(yǎng)學生的高級思維能力。

皮亞杰的建構(gòu)主義學習理論中強調(diào)學習是一種能動建構(gòu)過程，“知識不是通過教師傳授得到的，使學習者通過意義建構(gòu)的方法而獲得的”。[1]知識的獲得過程應(yīng)同時伴隨思維能力的發(fā)展。

根據(jù)理查德·E·邁耶的多媒體學習認知理論，如表1，把多媒體學習的過程分為五個步驟：選擇相關(guān)的語詞、選擇相關(guān)的圖像、組織所選擇的語詞、組織所選擇的圖像、整合以語詞為基礎(chǔ)和以圖像為基礎(chǔ)的表征。設(shè)計良好的原理分析型三維動畫課件能幫助學習者對信息的選擇、組織和整合。引導學生將新的知識與自己的認知結(jié)構(gòu)中原有的知識建立起實質(zhì)性的聯(lián)系，促進學生的有意義學習傾向，避免機械學習。

表1.多媒體學習的認知理論

這里以高二物理課上教學動畫“交變電流產(chǎn)生原理分析”三維動畫課件為例來討論原理分析型三維動畫課件的設(shè)計。

二、原理分析型三維動畫的教學設(shè)計

（一）“交變電流”動畫課件的教學目標

知識目標：通過學習該課件理解交變電流產(chǎn)生的原理，與前一節(jié)所學的知識相聯(lián)系，學會歸納總結(jié)。

情感目標：培養(yǎng)科學的思維，養(yǎng)成細心觀察的習慣。

（二）關(guān)于“交變電流”教學內(nèi)容分析

1.教學內(nèi)容特點

這一知識點，是前面學過的電和磁的知識拓展及綜合應(yīng)用，與生活和生產(chǎn)有著極為密切的聯(lián)系。這個知識點的實用性很強，要求學生有較高的空間想象力和邏輯思維能力。

2.教學重點

交變電流產(chǎn)生的原理分析，理解交變電流產(chǎn)生的過程

3.教學難點

應(yīng)用導體切割磁感線會產(chǎn)生感應(yīng)電流以及感應(yīng)電流的方向判斷方法分析交變電流產(chǎn)生的原理。

（三）教學對象分析

高中二年級物理學習的任務(wù)要求他們由經(jīng)驗性的形象思維轉(zhuǎn)化為理論性的抽象思維，對于學習成績好的學生，這一轉(zhuǎn)化過程需要半個學期的時間，而對中差生需要一個學期甚至更長的時間。少部分學生的遷移能力較強，有較高的抽象思維能力，大部分學生的空間想象能力和邏輯思維不足。

高二的學習者在學習本知識點之前已經(jīng)掌握了單個導體勻速切割均勻磁感線會產(chǎn)生感應(yīng)電流的規(guī)律，能應(yīng)用右手定則判斷感應(yīng)電流的方向。已經(jīng)熟練掌握電流表的使用方法。

三、“交變電流”動畫課件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

該動畫課件分為三大部分，考慮到學生先前知識水平的差異課件的第二部分才真正進入新知識的介紹。由于前一節(jié)知識點對本知識點的理解起基礎(chǔ)性作用，在第一部分動畫中安排對先前知識的回顧，作為新知識點的導入部分，以此幫助學生找到新知識與原有知識點之間的切入點，這能幫助學生做到新知識與原有知識之間整合。第二部分是應(yīng)用分析法分析交變電流產(chǎn)生的過程，共分為三個階段。第三部分是總結(jié)前面的實驗現(xiàn)象，在老師的輔助下得出結(jié)論。

（一）先前知識的回顧

導入新知識點的方法有很多種，根據(jù)教學內(nèi)容的特點的不同選擇不同的導入方法，在交變電流的產(chǎn)生這一原理講解中我選擇了“復(fù)習導入法”。利用物理知識點之間的聯(lián)系導入新課題有利于淡化對新知識的陌生感，幫助學生將新知識納入原有知識的結(jié)構(gòu)中，從而降低了學生對知識的理解難度。在這一部分動畫中，電流表，導線，單根直導體組成的回路，這是前一節(jié)學習電磁感應(yīng)中的單一導體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的實驗，學生對這個知識點已經(jīng)掌握。在復(fù)習導入法中重點是找到新知識與原有知識之間的切入點，在這里的切入點是單一導體與矩形線圈在磁場中切割磁感線都通過右手定則來確定電流方向和在導體只有做切割磁感線運動時才產(chǎn)生個感應(yīng)電流作為新知識與原有知識的切入點如圖1、圖2。這里應(yīng)用閃爍兩下的圓圈強調(diào)兩個電流表的指針的不同變化，幫助學生選擇信息。

提出問題“把直導體換成旋轉(zhuǎn)的線圈會怎么樣呢？”引發(fā)學生的思考，如圖3。

矩形線框有四條邊，各個邊與磁感線的相對位置不同，總的情況分為兩類，一類是與磁感線平行的邊，旋轉(zhuǎn)時不產(chǎn)生感應(yīng)電流；另一類是與磁感線垂直的邊，旋轉(zhuǎn)時切割磁感線而產(chǎn)生感應(yīng)電流。在這一部分分別對兩種情況通過動畫進行分析，幫助學生建立新知識與原有知識的聯(lián)系。

（二）解釋交變電流產(chǎn)生過程的動畫設(shè)計

在這一部分畫面中包括矩形線框，導線，電流表，磁極和箭頭。紅色箭頭表示電流的方向，綠色箭頭表示矩形線框單邊運動的方向。

這一部分是講解新知識的主要部分，首先是幫助學生分析磁感線方向。動畫表現(xiàn)磁感線從N級指向S級，如圖4。

根據(jù)邁耶的認知負荷理論，把負荷可分為內(nèi)部來源的負荷和外部來源的負荷。內(nèi)部負荷是指各個信息之間的相互影響程度。外部負荷材料的組織和呈現(xiàn)方式。在設(shè)計課件時應(yīng)盡量減少外部負荷來減少學生的整體認知負荷?？梢酝ㄟ^較少進入學習者視覺通道的信息量來減少外部認知符合，因為多媒體認知理論學生的視覺通道在一定時間內(nèi)傳輸信息量是有限的，所以在設(shè)計課件時應(yīng)盡量簡化畫面。如圖5，為了利于學生觀察矩形線圈旋轉(zhuǎn)的過程，防止兩個磁鐵對視線干擾可以半透明化N級和S級磁鐵。

根據(jù)教學內(nèi)容，交變電流產(chǎn)生的過程可分為三個階段。對新知識進行分三個階段呈現(xiàn)。在學習者的認知過程中，會對知識進行分階段的加工，在此分三個階段是引導學生在加工信息時也相應(yīng)的分為這三個階段，這樣有助于學生對知識的組織。前兩階段以教師的講解為主，最后階段由于基本原理與前兩部分的基本原理相同，最后部分是學生應(yīng)用前兩部分的原理在老師的指導下，獨立分析電流產(chǎn)生的過程。

根據(jù)對前面直導線在磁場中運動切割磁感線的情況分析可知當矩形線框旋轉(zhuǎn)90度時，藍色邊切割磁感線，黃色邊由于與磁感線平行，在旋轉(zhuǎn)的過程中不切割磁感線，所以不產(chǎn)生電流。為了幫助學生選擇信息，引起學習者對切割磁感線的邊的注意，使用醒目顏色——亮藍色起強調(diào)作用，在分析時只要分析藍色邊。為了下文表述方便，我用ab表示右邊的藍色邊，用cd表示左邊的藍色邊，如圖6。用向下的綠色箭頭表示ab邊做弧線運動，當ab邊向下做弧線運動時，箭頭閃動兩下，引起學生注意，幫助學生選擇信息。當dc邊向上做弧線運動時，我用向上的綠色箭頭表示dc邊運動的切線方向，如圖7。這時添加右手的演示，應(yīng)用右手定則判斷電流的流向。用紅色的閃爍箭頭表示電流的流向，通過閃爍引起學生對電流流向的有意注意，如圖8。分析了線框旋轉(zhuǎn)90度以后提出疑問“你能總結(jié)線框從0度旋到90度時電流的流向嗎？”如圖9，引起學習者對剛剛的分析過程進行回憶，加深對信息短時記憶的深度。線框從90度轉(zhuǎn)向180度的過程中，綠色箭頭仍然指向ab邊和dc邊運動的切線方向。應(yīng)用右手定則，判斷電流方向。同上用紅色的閃爍箭頭表示電流的流向，通過閃爍引起學生對電流流向的有意注意，如圖10。

接下來的兩個階段有利于培養(yǎng)學生的遷移能力。“知識遷移能力是將所學知識應(yīng)用到新的情境，解決新問題時所體現(xiàn)出的一種素質(zhì)和能力，包含對新情境的感知和處理能力、舊知識與新情境的鏈接能力、對新問題的認知和解決能力等層次” 。遷移能力的培養(yǎng)層次有三種：1、模仿性遷移訓練，這種訓練方法注重材料的相似性和聯(lián)系性，以鞏固知識培養(yǎng)技能；2、過度性訓練，是一種分清知識之間的異同，理解在什么樣的條件下結(jié)論才成立，是注重培養(yǎng)學生的可辨性和思路的清晰性，進一步鞏固遷移能力；3、創(chuàng)造性訓練，將所掌握的原有知識解決生活中的實際問題，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的能力，讓學生學會和鞏固抽取信息、歸納整理、演繹特化等遷移方法，從而發(fā)展遷移能力。這一階段的學習是模仿性遷移訓練，根據(jù)原有知識——直導體在均勻磁場中運動產(chǎn)生電流和新知識——矩形線框在均勻磁場中從0度旋轉(zhuǎn)到180度產(chǎn)生電流的過程分析，學生運用已學習知識分析矩形導體在均勻磁場中從180度旋轉(zhuǎn)到270度和矩形導體在均勻磁場中從270度旋轉(zhuǎn)到360度時電流產(chǎn)生的過程。提出問題“你能分析矩形線圈從180度旋轉(zhuǎn)到360度的過程中產(chǎn)生電流的情況嗎？”引起學生的思考，學生在老師的幫助下進行獨立分析，如圖11。

在分步介紹了交變電流產(chǎn)生的過程后，在課件的最后是應(yīng)用歸納法總結(jié)交變電流產(chǎn)生的原理，提出問題“現(xiàn)在你能說明為什么會產(chǎn)生變化的電流了嗎？” 引起同學們的思考，這時老師可以向同學提問，在同學回答的基礎(chǔ)上給出答案——“在矩形線框旋轉(zhuǎn)時線圈藍色邊切割磁感線產(chǎn)生變化的電流”，“藍色邊”三個字用紅色文字，把攝像機的焦距拉進，突出顯示藍色邊，幫助學習者選擇。先讓學生思考然后給出答案使學習者加深對知識的記憶，如圖12。

四、原理分析型三維動畫的設(shè)計要點

（一）原理分析型三維動畫課件設(shè)計要以教學理論和學習理論為指導。

原理分析型三維動畫課件設(shè)計的過程中應(yīng)用到許多教學理論，并且這些理論是在不斷的豐富和發(fā)展的過程中。在這里強調(diào)的主要是在動畫的設(shè)計過程中不能脫離教育理論的指導。只有將計算機技術(shù)與教學技能相結(jié)合設(shè)計出的原理分析型三維動畫課件才能發(fā)揮作用即引導學生思維，幫助學生認知。相反如果課件的設(shè)計者沒有很好的掌握教育理論，那么設(shè)計出的課件就不能科學的符合學習者的認知規(guī)律，這相當于課件不能起到幫助學習者學習的作用。

（二）在制作原理分析型三維動畫課件設(shè)計的之前應(yīng)進行教學設(shè)計和課件結(jié)構(gòu)設(shè)計。這一部分是決定課件質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，其目的是要運用系統(tǒng)的科學的教學觀點和教學方法，根據(jù)教學目標與教學對象的需要恰當?shù)倪x擇教學信息和方法，使課件成為教師的教學工具，學生的認知工具。教學設(shè)計主要包括教學內(nèi)容、教學重點、教學難點、教學對象分析。在設(shè)計時要根據(jù)這些內(nèi)容的特點制定恰當?shù)脑O(shè)計方案。原理分析型三維動畫課件的結(jié)構(gòu)一般包括導入部分，主體部分，補充部分。在設(shè)計時可根據(jù)具體的學習目標的不同靈活安排課件的結(jié)構(gòu)。

（三）注重分析解釋事物發(fā)展變化過程中的因果關(guān)系，通過動畫引導學生的思維過程，幫助學生在觀察生動形象的具體現(xiàn)象時抓住其中的本質(zhì)屬性和規(guī)律，培養(yǎng)學生的抽象思維能力。

[參考文獻]

[1]南國農(nóng).《信息化教育概論》高等教育出版社 2006年4月第一版

[2]（美）邁耶《多媒體學習》商務(wù)印書館.2006年1月第一版

[3]吳建文.《深入淺出 3d max7 三維設(shè)計》中國鐵路出版社 2006年1月第一版

[4]張琴珠.《計算機輔助教育》高等教育出版社.2003年12月第一版

[5]劉梓紅，李子運.《課件的設(shè)計與制作》北京郵電大學出版社 2002年

[6]施良方，崔允.《教學理論：課堂教學的原理、策略與研究》華東師范大學出版社

[7]張軍征.《多媒體教學軟件設(shè)計與方法》科學出版社

[8]南國農(nóng)，李運林.《教育傳播學（第二版）》高等教育出版社 1995年5月第一版

[9]火星時代編著《3ds Max 8白金手冊》北京-人民郵電出版社 2006年

[10]《皇冠基礎(chǔ)知識手冊（高中物理）》中國少年兒童新聞出版總社 中國少年兒童出版社 2006年10月第一版

[11]王軍 《3ds max 動畫技術(shù)大全（動畫·特效篇）》兵器工業(yè)出版社 北京科海電子出版社 2006年3月第一版

（作者單位：西藏職業(yè)技術(shù)學院）