三維可視化建模在地質(zhì)教學(xué)動(dòng)畫制作中的應(yīng)用

王小琳　李定華　伍躍勝

【摘 要】地質(zhì)教學(xué)動(dòng)畫數(shù)量少、針對(duì)性差、畫面模糊，難以滿足教學(xué)需求。地質(zhì)過(guò)程具有時(shí)空跨度大、復(fù)雜多變等特征，三維地質(zhì)教學(xué)動(dòng)畫更加適用。本文以青塘野外實(shí)訓(xùn)為例，總結(jié)出了實(shí)用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單的三維地質(zhì)教學(xué)動(dòng)畫制作方法和流程。

【關(guān)鍵詞】地質(zhì)教學(xué)動(dòng)畫；三維地質(zhì)模型；青塘；野外地質(zhì)實(shí)訓(xùn)

中圖分類號(hào)： G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）12-0095-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.041

Application of 3d visual modeling in animation production of geological teaching

——Take qingtang field training as an example

WANG Xiao-lin LI Ding-hua WU Yue-sheng

（Jiangxi College of Applied Technology，Ganzhou Jiangxi 341000，China）

【Abstract】the number of geological teaching animations is small， the pertinence is poor， the picture is blurred， and it is difficult to meet the teaching needs. Geological process has the characteristics of large span of time and space， complex and changeable， and three-dimensional geological teaching animation is more suitable. Taking the field training of qingtang as an example， this paper summarizes the method and process of 3d geological teaching animation with strong practicability and simple operation.

【Key words】Geological teaching animation； Three-dimensional geological model； Green pond； Field geological training

1 研究背景

1.1 地質(zhì)專業(yè)教學(xué)手段使用現(xiàn)狀

（1）在地質(zhì)專業(yè)教學(xué)過(guò)程中，教師通常采用黑板板書、畫圖、掛圖、幻燈片放映等傳統(tǒng)教學(xué)方法進(jìn)行講授。針對(duì)地質(zhì)專業(yè)教學(xué)內(nèi)容，我們不難發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)過(guò)程尤其是地史演化過(guò)程，是隨時(shí)間推進(jìn)而不斷演變、時(shí)刻變化的，往往具有時(shí)間空間跨度大、復(fù)雜多變等特征。然而，傳統(tǒng)地質(zhì)信息主要表現(xiàn)形式是平面圖和剖面圖，地質(zhì)教師很難用語(yǔ)言講訴、文字描寫、靜態(tài)圖片展示等方式清晰、準(zhǔn)確地描述和呈現(xiàn)授課內(nèi)容，教學(xué)效果并不理想。

（2）研究表明，平面地質(zhì)圖件的教學(xué)形式缺乏直觀性和立體性，學(xué)生很難準(zhǔn)確理解、掌握課堂教學(xué)內(nèi)容。而采用動(dòng)畫教學(xué)形式，形象生動(dòng)、直觀易懂，能有效避免傳統(tǒng)教學(xué)存在的弊端。

（3）隨著計(jì)算機(jī)信息化與可視化技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的教學(xué)動(dòng)畫逐步應(yīng)用于各行各類教育教學(xué)中。對(duì)于地質(zhì)專業(yè)教學(xué)，使用動(dòng)畫教學(xué)手段是及其有效，但是很難普及使用的。

首先，地質(zhì)專業(yè)是相對(duì)小眾專業(yè)，從業(yè)人員相對(duì)較少，導(dǎo)致地質(zhì)類教學(xué)動(dòng)畫數(shù)量很少，而且針對(duì)性比較差。其次，地質(zhì)教學(xué)動(dòng)畫多是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載、科教片剪輯等方式獲得，畫面比較模糊，難以滿足現(xiàn)在的教學(xué)需求。教師普遍認(rèn)為教學(xué)動(dòng)畫是地質(zhì)教學(xué)過(guò)程中最為缺乏的教學(xué)素材，急需從業(yè)人員創(chuàng)造出更多、更優(yōu)質(zhì)的地質(zhì)教學(xué)動(dòng)畫。

1.2 教學(xué)動(dòng)畫研究現(xiàn)狀

（1）教學(xué)動(dòng)畫脫胎于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫，其研究的目的主要集中于促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫，最早由Beak和Layne將其定義為一系列幀，每一幀在前一幀的基礎(chǔ)上發(fā)生變化，這些幀的相互連接顯示了事物的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。地質(zhì)教學(xué)動(dòng)畫的制作就是利用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)，動(dòng)態(tài)展示地質(zhì)體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

（2）教學(xué)動(dòng)畫分為二維教學(xué)動(dòng)畫和三維教學(xué)動(dòng)畫。隨著PowerPoint、Flash、3Ds Max等先進(jìn)動(dòng)畫制作軟件的開發(fā)使用，越來(lái)越多的教學(xué)動(dòng)畫制作使用于教學(xué)過(guò)程，其中主流的教學(xué)動(dòng)畫形式是以二維動(dòng)畫為主。

（3）Richard Mayer、于文、王寶亮等認(rèn)為教學(xué)動(dòng)畫制作應(yīng)具理解力、適合性、交互性、注意力引導(dǎo)、靈活性等原則。

（4）相較于二維教學(xué)動(dòng)畫，三維更加立體、逼真、清晰易懂，是未來(lái)制作發(fā)展方向?，F(xiàn)存三維教學(xué)動(dòng)畫極少，尤其是地質(zhì)教學(xué)動(dòng)畫，究其根本原因是技術(shù)要求高、經(jīng)濟(jì)成本高。三維動(dòng)畫制作按秒計(jì)費(fèi)，每秒就要上千元甚至是數(shù)千元之多。

1.3 三維地質(zhì)建模與可視化研究現(xiàn)狀

（1）三維地質(zhì)建模（3D Geosciences Modeling）的實(shí)現(xiàn)是三維地質(zhì)教學(xué)動(dòng)畫制作的基本工作。三維地質(zhì)建模能把抽象的內(nèi)容具體化，把難以理解、難以想象的東西凸現(xiàn)出來(lái)。三維動(dòng)態(tài)顯示效果，可以讓學(xué)生對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)內(nèi)容與多變的地質(zhì)體空間展布關(guān)系有更加直觀的認(rèn)識(shí)。提高學(xué)生對(duì)復(fù)雜地質(zhì)過(guò)程的理解和判斷。

（2）三維地質(zhì)建模概念，最先由Simon W. Houlding在1993年提出，是指在三維環(huán)境下，以適當(dāng)?shù)刭|(zhì)數(shù)據(jù)構(gòu)建各類地質(zhì)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型，然后使用計(jì)算機(jī)技術(shù)將建立的數(shù)學(xué)模型描述為立體圖像，用以加強(qiáng)人們對(duì)地下地質(zhì)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)。

也就是說(shuō)，三維地質(zhì)建模是在三維環(huán)境下，將地表以下地質(zhì)體的空間分析預(yù)測(cè)、地質(zhì)解譯、地質(zhì)學(xué)統(tǒng)計(jì)、地質(zhì)內(nèi)容分析等與圖形可視化技術(shù)結(jié)合起來(lái)，用于地質(zhì)分析，強(qiáng)調(diào)地質(zhì)內(nèi)容呈現(xiàn)的數(shù)字化、可視化和立體化。

（3）傳統(tǒng)地質(zhì)信息實(shí)現(xiàn)三維可視化是地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域里的研究熱點(diǎn)。三維地質(zhì)模型建立與可視化技術(shù)，在發(fā)達(dá)國(guó)家起步較早，F(xiàn)ritsch D、Aaper J. F、Turner A. K等人有深厚的理論研究。國(guó)內(nèi)起步比較晚，應(yīng)用尚不能普及，多用于礦山管理、地質(zhì)災(zāi)害等方面，處于探索和嘗試階段。改變傳統(tǒng)二維地質(zhì)內(nèi)容的表達(dá)形式，使用直觀、三維的地下信息表達(dá)迫在眉睫，基于三維GIS的可視化建模是總體發(fā)展趨勢(shì)。

（4）地質(zhì)演化過(guò)程是地質(zhì)專業(yè)教學(xué)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，其表達(dá)形式更加傾向于三維動(dòng)畫模式，尤其是在實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中，地質(zhì)內(nèi)容在地表以下的表達(dá)與呈現(xiàn)。例如，寧都青塘實(shí)訓(xùn)區(qū)地層的分布、斷層的變化、礦體的形態(tài)以及地層的接觸關(guān)系等，需要學(xué)生在準(zhǔn)確判讀地質(zhì)圖的基礎(chǔ)上，利用各類地質(zhì)數(shù)據(jù)合理分析與推斷。這對(duì)學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)要求非常高，只有極少數(shù)學(xué)生可以掌握，很難達(dá)到教學(xué)目的。

為解決青塘野外實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的不足，特選擇對(duì)青塘地區(qū)地質(zhì)內(nèi)容進(jìn)行三維可視化地質(zhì)建模來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 研究?jī)?nèi)容

本文研究實(shí)際上是一個(gè)大膽嘗試、勇于探索的過(guò)程，旨在運(yùn)用地質(zhì)前沿研究—三維地質(zhì)建模與可視化技術(shù)，建立青塘實(shí)訓(xùn)基地三維可視化地質(zhì)模型，進(jìn)一步制作出三維地質(zhì)教學(xué)動(dòng)畫，應(yīng)用于學(xué)院青塘野外綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)之中。

2.1 三維地質(zhì)模型建立的理論依據(jù)

（1）搜集、整理青塘地區(qū)已有地質(zhì)資料，野外采集相關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)，建立青塘實(shí)訓(xùn)區(qū)三維地質(zhì)模型。模型可以直觀、立體地反映出實(shí)習(xí)區(qū)地形地貌、地層、礦產(chǎn)、接觸關(guān)系、巖層厚度變化、巖漿巖出露形態(tài)、構(gòu)造空間展布等。

（2）實(shí)際工作過(guò)程中，地質(zhì)現(xiàn)象是極其復(fù)雜而且多變的。以青塘實(shí)訓(xùn)區(qū)的地層分布為例，地層是在三維空間展布的層狀巖石體，通常不是一個(gè)規(guī)則的平面，地層之間存在交叉、重復(fù)或尖滅消失，地層是一個(gè)曲面，很難用具體的數(shù)學(xué)公式表達(dá)。這是三維可視化地質(zhì)模型建立的前提，需要我們對(duì)獲得的已有資料的數(shù)據(jù)篩選分析。

（3）三維地質(zhì)可視化模型的建立的根本是地質(zhì)體數(shù)字化的表達(dá)。三維地質(zhì)模型的質(zhì)量好壞，與原始數(shù)據(jù)的采集、地質(zhì)人員的地質(zhì)分析解譯有很大關(guān)系，再就是模型要符合當(dāng)?shù)貙?shí)際地質(zhì)情況。地下地質(zhì)體變化是未知的，也是復(fù)雜的，這就需要地質(zhì)人員運(yùn)用一定的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)對(duì)實(shí)訓(xùn)區(qū)地質(zhì)內(nèi)容進(jìn)行合理地地質(zhì)變量預(yù)測(cè)、地質(zhì)解譯與空間分析，從而推測(cè)出地質(zhì)體的空間變化。

2.2 青塘實(shí)訓(xùn)區(qū)三維可視化地質(zhì)模型建立

以收集的地質(zhì)資料和野外采集的相關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合GIS 和計(jì)算機(jī)圖形圖像可視化技術(shù)，將青塘實(shí)訓(xùn)區(qū)地質(zhì)體（包括地層、巖體、斷層、褶皺、礦體等）的空間分布情況建立三維可視化模型。

（1）基本數(shù)據(jù)生成圖形，建立青塘實(shí)訓(xùn)區(qū)地形、地貌的數(shù)字高程模型，即數(shù)字地形模擬（DEM）。收集該區(qū)高程數(shù)據(jù)，在Arcgis軟件中建立實(shí)習(xí)區(qū)DEM，反映該區(qū)地形起伏。

（2）建立三維網(wǎng)格?；谌SGIS，結(jié)合該區(qū)相關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)，建立比較詳細(xì)的三維地質(zhì)的框架。

（3）三維地質(zhì)模型建立。在數(shù)據(jù)分析、地質(zhì)解譯的基礎(chǔ)上，輔助以剖面圖繪制，利用超圖、AutoCAD、3DMAX等軟件構(gòu)建實(shí)訓(xùn)區(qū)三維地質(zhì)模型，包括地層模型、構(gòu)造模型、巖體模型和礦體模型等。

（4）三維地質(zhì)模型處理。對(duì)已建立的三維地質(zhì)模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格粗化與后期處理，使之更加符合當(dāng)?shù)貙?shí)際地質(zhì)內(nèi)容。

（5）三維地質(zhì)模型處理完畢后，通過(guò)屏幕顯示、圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存打印、錄像制作等方式，實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)模型中地層、巖體、礦體、構(gòu)造的形態(tài)、展布、接觸關(guān)系的可視化。通過(guò)AutoDesk等軟件將三維地質(zhì)模型的工程文件錄屏，形成可視化視頻文件。

2.3 地質(zhì)教學(xué)動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)

相比一般動(dòng)畫，地質(zhì)教學(xué)動(dòng)畫的制作目的、呈現(xiàn)內(nèi)容和使用領(lǐng)域具有更強(qiáng)的針對(duì)性。制作目的是為了幫助學(xué)生突破地質(zhì)教學(xué)中的難度和重點(diǎn)知識(shí)。呈現(xiàn)內(nèi)容是地質(zhì)教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，是系統(tǒng)的地質(zhì)科學(xué)知識(shí)。在動(dòng)畫制作時(shí)要特別注意教學(xué)目的的體現(xiàn)。

（1）素材收集與處理。文字素材、圖片素材、聲音素材、視頻素材、地質(zhì)動(dòng)畫素材（建立的三維地質(zhì)模型，網(wǎng)絡(luò)搜索下載、科教類視頻中地質(zhì)動(dòng)畫剪輯等）。

（2）需求分析。分析青塘地質(zhì)實(shí)訓(xùn)的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容等。三維地質(zhì)動(dòng)畫具有技術(shù)需求高、制作成本高的特征，為減少動(dòng)畫個(gè)數(shù)，在內(nèi)容上應(yīng)選擇那些用語(yǔ)言、文字、圖片難以呈現(xiàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)來(lái)制作動(dòng)畫。

（3）腳本設(shè)計(jì)。對(duì)地質(zhì)教學(xué)動(dòng)畫需要呈現(xiàn)的方式、內(nèi)容、呈現(xiàn)等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（4）動(dòng)畫制作。使用3Ds Max（三維）等不同動(dòng)畫制作工具，依據(jù)腳本設(shè)計(jì)的地質(zhì)內(nèi)容選取、素材類型、素材編排方式、知識(shí)呈現(xiàn)方式、客觀制作條件等因素，選擇合適的軟件制作地質(zhì)教學(xué)動(dòng)畫。

（5）評(píng)測(cè)修改。教學(xué)動(dòng)畫試用和評(píng)價(jià)。首先，應(yīng)用于青塘地質(zhì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，在實(shí)際使用過(guò)程中總結(jié)其的不足。第二，請(qǐng)其他地質(zhì)教師、學(xué)生、專業(yè)動(dòng)畫制作人員等，對(duì)完成的地質(zhì)演化過(guò)程模擬教學(xué)動(dòng)畫評(píng)價(jià)并提出修改意見(jiàn)。多次反復(fù)評(píng)測(cè)和修改。

2.4 地勘專業(yè)地質(zhì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)方法、教學(xué)手段探討

（1）制定三維地質(zhì)建模在野外實(shí)訓(xùn)中配套的教學(xué)方案，采用三維地質(zhì)模型圖片和視頻的教學(xué)方法，直接向?qū)W生演示地質(zhì)現(xiàn)象在三維空間的展布和相互關(guān)系，降低教學(xué)難度。

（2）循循善誘，利用三維地質(zhì)模型直接觀察實(shí)訓(xùn)區(qū)地質(zhì)體地下位置、展布及相互關(guān)系，降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高專業(yè)基本技能。

2.5 將先進(jìn)國(guó)內(nèi)外地質(zhì)軟件引入到地勘類專業(yè)學(xué)習(xí)中

教會(huì)學(xué)生使用各類地質(zhì)軟件（Arcgis、Mapgis、超圖、3DMAX等）處理不同數(shù)據(jù)、圖形，建立三維地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)內(nèi)容可視化、立體化。

2.6 三維地質(zhì)動(dòng)畫制作技術(shù)的推廣

將三維可視化地質(zhì)建模技術(shù)應(yīng)用于青塘野外綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)，經(jīng)不斷探索和完善，建立出適合地勘類專業(yè)野外綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)的新模式。

3 研究意義

（1）滿足地質(zhì)專業(yè)教師的實(shí)踐教學(xué)需求，教學(xué)動(dòng)畫能有效地突破教學(xué)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，是教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中迫切需要的教學(xué)素材。

（2）建立青塘實(shí)訓(xùn)基地三維地質(zhì)模型，促使學(xué)生直觀、立體地了解實(shí)習(xí)區(qū)各類地質(zhì)現(xiàn)象在三維空間的分布，變化及接觸關(guān)系等。有利于學(xué)生更準(zhǔn)確、容易地掌握該區(qū)地質(zhì)信息，降低實(shí)訓(xùn)難度，有助于提高學(xué)生實(shí)訓(xùn)興趣，滿足學(xué)生的專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)需求，獲得更好的教學(xué)效果。與文本、圖片、音頻、視頻相比，地質(zhì)動(dòng)畫更加直觀、具體，能有效降低專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)難度，縮短學(xué)生認(rèn)知過(guò)程，提高學(xué)習(xí)效率。采用三維立體圖片和視頻的教學(xué)形式，讓學(xué)生簡(jiǎn)單明了地掌握該區(qū)地質(zhì)特征，降低學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)習(xí)積極性和實(shí)訓(xùn)效果。

（3）深化和完善地質(zhì)教學(xué)動(dòng)畫的制作理論，總結(jié)出實(shí)用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單的地質(zhì)教學(xué)三維可視化地質(zhì)建模技術(shù)方法、動(dòng)畫制作方法和流程，供其他地質(zhì)院校、資源勘查專業(yè)借鑒參考。

（4）通過(guò)本文不斷探索與實(shí)踐，在傳統(tǒng)教學(xué)基礎(chǔ)上，制定出與現(xiàn)代信息化技術(shù)相整合的，與青塘野外地質(zhì)實(shí)訓(xùn)相配套的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。

4 存在的問(wèn)題

（1）地質(zhì)演化過(guò)程，時(shí)空跨度大、復(fù)雜多變，受動(dòng)畫制作技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件、原始數(shù)據(jù)等條件限制，很難完整、精確地呈現(xiàn)出地表以下的地質(zhì)現(xiàn)象與地質(zhì)過(guò)程。因此，在制作地質(zhì)教學(xué)動(dòng)畫之時(shí)，需要技術(shù)人員在科學(xué)性前提下，對(duì)地質(zhì)過(guò)程抽象、概括，以簡(jiǎn)明、形象的動(dòng)畫語(yǔ)言揭示復(fù)雜地質(zhì)表象下的地質(zhì)知識(shí)。

（2）地質(zhì)教師不是專業(yè)動(dòng)畫制作人員，教學(xué)動(dòng)畫制作水平不足。專業(yè)動(dòng)畫制作人員又缺乏地質(zhì)基礎(chǔ)，交流存在障礙。在條件允許范圍，地質(zhì)教師有必要參加專業(yè)動(dòng)畫制作培訓(xùn)，為地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域制作出更加精準(zhǔn)的教學(xué)動(dòng)畫。

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