動(dòng)畫仿真技術(shù)在理工科多媒體教學(xué)中的應(yīng)用研究

崔志剛 馬素霞

摘 要：形象生動(dòng)的多媒體技術(shù)用于計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)之中，為教育信息化提供了重要的實(shí)現(xiàn)方式。針對(duì)理工科的教學(xué)特點(diǎn)，動(dòng)畫仿真技術(shù)作為多媒體教學(xué)的一種重要形式，可充分發(fā)揮其內(nèi)容豐富、交互性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)專業(yè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真、再現(xiàn)安裝過程及工作原理，尤其對(duì)于肉眼不易觀察到的設(shè)備內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)，可使學(xué)生獲得深刻的感性認(rèn)識(shí)。文章以汽輪機(jī)原理課程中級(jí)的工作原理為例，采用3DS MAX制作其工作過程的動(dòng)畫，將動(dòng)畫仿真技術(shù)應(yīng)用于專業(yè)課程的教學(xué)過程中，可有效促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性以及記憶力，并直接對(duì)教學(xué)起到節(jié)約時(shí)間、提高質(zhì)量的積極作用。

關(guān)鍵詞：多媒體教學(xué) 3DS MAX軟件 動(dòng)畫仿真技術(shù) 理工科專業(yè)課程

中圖分類號(hào)：G642.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4914（2015）08-223-02

引言

隨著多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用，采用先進(jìn)教學(xué)設(shè)備的多媒體教學(xué)，使得教學(xué)模式不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了教育技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展。為了提高單位時(shí)間的教學(xué)密度，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)積極性，有效提高教學(xué)效果，高校教師要更新教育思想和教學(xué)觀念，從教學(xué)內(nèi)容、形式、方法等角度不斷地開展綜合化改革，以滿足廣大學(xué)生渴望探索和掌握知識(shí)、培養(yǎng)創(chuàng)造性思維和自學(xué)能力的需求。

理工科專業(yè)課程內(nèi)容抽象，包括專業(yè)設(shè)備運(yùn)行原理、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)等綜合性知識(shí)，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。利用設(shè)備的靜態(tài)圖片來(lái)講述的傳統(tǒng)教學(xué)方式，缺乏直觀性和趣味性，學(xué)生無(wú)法獲得形象的感性認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)過程單調(diào)枯燥、難于掌握。針對(duì)這種教學(xué)效果較差的現(xiàn)狀，將動(dòng)畫仿真技術(shù)應(yīng)用于專業(yè)課程的教學(xué)過程，以三維模型來(lái)展示設(shè)備結(jié)構(gòu)、以動(dòng)畫展現(xiàn)運(yùn)行原理，使學(xué)生更好地理解和接受課程內(nèi)容。這樣教師能順利進(jìn)行教學(xué)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生也獲得豐富的學(xué)習(xí)興趣，使得學(xué)習(xí)效率大大提高，達(dá)到深刻理解并靈活運(yùn)用，進(jìn)一步培養(yǎng)創(chuàng)造性能力的目的。

一、多媒體教學(xué)

（一）多媒體教學(xué)的特點(diǎn)

多媒體教學(xué)集成了各種多媒體技術(shù)共同來(lái)呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，把各種信息形式包括聲音、文字、圖形、影像、動(dòng)畫等進(jìn)行加工組合，具有突出的集成性、交互性和教育性①，教師有更多的時(shí)間與學(xué)生進(jìn)行交流，是一種新型的教育形式和現(xiàn)代化教學(xué)手段，明顯提高了教學(xué)效率。

（二）動(dòng)畫仿真技術(shù)的應(yīng)用

利用動(dòng)畫制作軟件及圖像處理技術(shù)，動(dòng)畫仿真技術(shù)對(duì)一系列靜止的圖像畫面，進(jìn)行連續(xù)播放以得到運(yùn)動(dòng)效果。其應(yīng)用于多媒體教學(xué)中，運(yùn)用充分的感性資料進(jìn)行形象直觀的教學(xué)，可使課堂教學(xué)更具有豐富的吸引力和感染力，具有生動(dòng)、豐富、即時(shí)反饋等特點(diǎn)，有效提高了教學(xué)質(zhì)量。

動(dòng)畫仿真技術(shù)可使教材中枯燥、抽象、靜態(tài)的教學(xué)內(nèi)容更加具體、直觀、動(dòng)態(tài)地展現(xiàn)出來(lái)，可起到突出重點(diǎn)、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及集中注意力的作用。其以形象的視聽覺刺激，讓學(xué)生從生動(dòng)活潑的畫面中自己分析、展開聯(lián)想，而獲得深刻的抽象認(rèn)識(shí)，具有傳統(tǒng)教學(xué)方式無(wú)法達(dá)到的效果。課堂互動(dòng)性大大增強(qiáng)，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，加深對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的印象和理解，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

二、理工科專業(yè)課程教學(xué)

（一）理工科教學(xué)特點(diǎn)

理工科類專業(yè)課程不僅涵蓋知識(shí)體系龐大的內(nèi)容，還通常與實(shí)際工程緊密聯(lián)系，在社會(huì)不斷發(fā)展的背景下，教學(xué)內(nèi)容從基礎(chǔ)理論到前沿技術(shù)應(yīng)用更新速度很快。理工科專業(yè)課程的教學(xué)要求學(xué)生在掌握理論基礎(chǔ)上，著重提高動(dòng)手實(shí)踐能力，做到實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)的有效結(jié)合是課程教學(xué)重點(diǎn)。教師采用多媒體講授方式進(jìn)行生動(dòng)的專業(yè)知識(shí)教學(xué)，并結(jié)合新技術(shù)專題講座;同時(shí)以工程實(shí)習(xí)和案例教學(xué)方式②來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

（二）專業(yè)課程教學(xué)難點(diǎn)

理工科專業(yè)課程的傳統(tǒng)教學(xué)方式主要是采用黑板、掛圖、模型、幻燈等教具進(jìn)行教學(xué)，這些方式缺乏動(dòng)感，存在靈活性差、局限性大等缺點(diǎn)，講授過程往往因循守舊、表述單調(diào)，無(wú)法快速使學(xué)生形成空間想象能力，教學(xué)過程中學(xué)生被動(dòng)接受，師生間交流和學(xué)生間協(xié)作很少③，無(wú)法使學(xué)生積極投入課堂之中，形成學(xué)生難于理解的教學(xué)結(jié)果。

動(dòng)畫仿真技術(shù)作為一種生動(dòng)活潑的教學(xué)形式，使抽象變形象、復(fù)雜變簡(jiǎn)單，并有助于激發(fā)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生由被動(dòng)接受知識(shí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)。對(duì)于專業(yè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)動(dòng)原理、工作過程等抽象的內(nèi)容，難以形象講述，制成動(dòng)畫模擬片段后，可使學(xué)生對(duì)抽象、復(fù)雜的設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理有了形象化的認(rèn)識(shí)，較為容易理解接受，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

三、動(dòng)畫仿真技術(shù)的應(yīng)用及功能

（一）動(dòng)畫仿真應(yīng)用實(shí)例

《汽輪機(jī)原理》作為能源與動(dòng)力工程專業(yè)的重要課程，其針對(duì)汽輪機(jī)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理展開學(xué)習(xí)內(nèi)容，本文以其為例來(lái)討論動(dòng)畫仿真技術(shù)在理工科專業(yè)課程中的應(yīng)用及教學(xué)效果。

教材中級(jí)的結(jié)構(gòu)大多為平面圖，僅包含噴嘴和動(dòng)葉的截圖信息，無(wú)法準(zhǔn)確顯示實(shí)際汽輪機(jī)中級(jí)的葉柵結(jié)構(gòu)，學(xué)生難以通過空間想象獲得對(duì)級(jí)的認(rèn)識(shí)。而動(dòng)畫仿真技術(shù)可將級(jí)的具體結(jié)構(gòu)以三維空間形式清晰顯示，改變視角即可獲得空間各位置處的部件組成及相互關(guān)系，將學(xué)生由原教材中平面圖的二維思維引向全三維立體思維。本文采用200MW汽輪機(jī)某高壓級(jí)的數(shù)據(jù)，由圖1可見此級(jí)中36片動(dòng)葉通過所嵌裝葉輪過盈連接在轉(zhuǎn)軸上，皆屬于旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子部件，而112片靜葉及所嵌裝隔板皆屬于靜止的靜子部件。

級(jí)的工作過程也是教學(xué)難點(diǎn)，學(xué)生較難一下子從平面圖接受動(dòng)葉的旋轉(zhuǎn)原因，動(dòng)畫仿真技術(shù)可對(duì)顯示動(dòng)葉的旋轉(zhuǎn)及其與蒸汽的相互關(guān)系，本文采用動(dòng)態(tài)模擬方法，將在流動(dòng)過程中的工作蒸汽以球形粒子來(lái)代表，由于蒸汽流動(dòng)速度和動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)速度飛快，故而需在保持二者速度相對(duì)值不變的基礎(chǔ)上，進(jìn)行慢速動(dòng)畫展示，以看清楚蒸汽和動(dòng)葉的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，選取兩個(gè)代表性時(shí)刻的截圖分別見圖2和圖3。圖2中蒸汽首先進(jìn)入噴嘴流道中，其流至動(dòng)葉時(shí)如圖3所示，這樣可以顯示出蒸汽在噴嘴流道和動(dòng)葉流道中的流動(dòng)過程、并由蒸汽位置反映出動(dòng)葉的旋轉(zhuǎn)，即呈現(xiàn)出在蒸汽使轉(zhuǎn)子部件（包括動(dòng)葉、葉輪和軸）的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過對(duì)級(jí)的工作原理進(jìn)行動(dòng)畫仿真，可促使學(xué)生較容易理解蒸汽驅(qū)動(dòng)動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)的作用，使得原來(lái)很難理解的內(nèi)容，在課堂上就能掌握，并有助于學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)掌握蒸汽對(duì)葉片的作用力、做功能力以及效率等連貫性知識(shí)。

（二）動(dòng)畫仿真技術(shù)的功能

由上述實(shí)例可見，動(dòng)畫仿真技術(shù)應(yīng)用于多媒體教學(xué)中，對(duì)不同內(nèi)容采用與其適合的動(dòng)畫教學(xué)手法，可實(shí)現(xiàn)以下功能：

1.實(shí)現(xiàn)生動(dòng)形象化的教學(xué)。相對(duì)于傳統(tǒng)的教學(xué)靜態(tài)圖像，動(dòng)畫仿真使教學(xué)內(nèi)容變?yōu)樨S富生動(dòng)的立體造型，便于觀察和認(rèn)識(shí)，提高了教學(xué)過程的生動(dòng)性，把抽象的設(shè)備原理變?yōu)橹庇^的模型動(dòng)畫，使學(xué)生更容易理解設(shè)備的空間結(jié)構(gòu)，獲得充分的感性認(rèn)識(shí)。

2.更加靈活地組織教學(xué)內(nèi)容。動(dòng)畫仿真技術(shù)可從各個(gè)角度展示設(shè)備結(jié)構(gòu)，并可根據(jù)教學(xué)過程的需要，對(duì)局部重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行放大或縮小，以使學(xué)生充分獲得三維立體思維;動(dòng)畫軟件處理還可展示現(xiàn)實(shí)不易觀察到的局部結(jié)構(gòu)，以及對(duì)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行多角度展示，使各部分形象及其相互關(guān)系完整、清楚地展現(xiàn)。

3.動(dòng)態(tài)模擬工作原理以解決教學(xué)難點(diǎn)。采用設(shè)備工作過程的動(dòng)畫，學(xué)生可直觀的看到設(shè)備組件的運(yùn)動(dòng)過程，使設(shè)備運(yùn)動(dòng)中復(fù)雜的進(jìn)程都得到清晰詳盡的展示;并通過模擬顯示技術(shù)，表現(xiàn)出肉眼不易觀察、難以想象的設(shè)備內(nèi)部工作狀態(tài)，比如顯示出蒸汽等工質(zhì)的流動(dòng)軌跡，幫助學(xué)生更深刻地理解設(shè)備工作原理。

4.對(duì)虛擬形象實(shí)現(xiàn)直觀化教學(xué)。動(dòng)畫仿真可對(duì)各種形象進(jìn)行夸張、比擬和象征，使抽象的理論得到圖像化和動(dòng)態(tài)化，用虛擬方式對(duì)理論做出易于理解的表達(dá)，使學(xué)生親身感受、充滿興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)最佳教學(xué)效果。

5.達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)目標(biāo)。動(dòng)畫仿真可涉及專業(yè)中的生產(chǎn)、加工、應(yīng)用等方面，使學(xué)生從形象的感知中獲得知識(shí)，在趣味的學(xué)習(xí)中形成技能，有效提高了學(xué)生對(duì)理工科工程實(shí)踐的感性認(rèn)識(shí)。

四、結(jié)語(yǔ)

多媒體教學(xué)將枯燥、抽象的理論賦予直觀、生動(dòng)的形象，可使內(nèi)容、結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)原理變得直觀，容易理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極參與度。采用動(dòng)畫仿真技術(shù)，可把教學(xué)中抽象的、復(fù)雜的概念用生動(dòng)形象的動(dòng)畫形式體現(xiàn)出來(lái)。本文通過《汽輪機(jī)原理》中級(jí)的工作過程的動(dòng)畫制作，課堂使用情況證明，本文所制作的動(dòng)畫已達(dá)到了預(yù)期的效果，使課程難點(diǎn)和重點(diǎn)變得生動(dòng)、簡(jiǎn)單易學(xué)。研究表明，利用動(dòng)畫技術(shù)進(jìn)行教學(xué)能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，大大提高了教學(xué)質(zhì)量，在理工科專業(yè)課程的教學(xué)中應(yīng)積極合理使用，充分發(fā)揮它的巨大作用。

（項(xiàng)目來(lái)源：2012年度太原理工大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目一般項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：《汽輪機(jī)原理》與《新型動(dòng)力循環(huán)》集成化教學(xué)法研究）

注釋：

①鄭昌厚.論計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].價(jià)值工程，2011（3）：172-172

②經(jīng)柏龍.論案例教學(xué)在教師專業(yè)課程教學(xué)中的運(yùn)用[J].教育科學(xué)，2006（5）：39-42

③謝香云.師生互動(dòng)對(duì)教學(xué)方法改革的影響[J].教育評(píng)論，2004（1）： 64-67

（作者單位：太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院 山西太原 030024）

[第一作者簡(jiǎn)介：崔志剛（1980—），男，山西長(zhǎng)治人，太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院講師，主要從事電廠汽輪機(jī)課程教學(xué)研究]

（責(zé)編;若佳）