MAYA三維動畫在高中物理實驗教學的應用

黃若彤 王晶晶 王詩琴 任若瀾

摘要：隨著三維技術在虛擬現(xiàn)實等領域的遍及運用，引起教育領域地逐步關注。本文結合MAYA三維動畫教學，對實驗過程進行模擬，分析并總結其優(yōu)勢。以物理學科——驗證碰撞中的動量守恒實驗為例，展現(xiàn)MAYA三維動畫在教學的應用，從而提高教學質(zhì)量。

關鍵詞：Maya建模;物理實驗;信息技術;動量守恒;

中圖分類號：G633.7?文獻標識碼：A?文章編號：1672-9129（2020）09-0169-01

1?引言

與傳統(tǒng)的教育方式不一樣的是，在當今現(xiàn)代信息技術飛速發(fā)展下，多媒體技術在課堂教學中的運用也如雨后春筍般快速生長，并在一定程度上得到了廣泛的應用。這也說明，目前我們現(xiàn)在教育技術學領域需要側重的是：如何將信息技術與實際的教學內(nèi)容結合、如何將兩者更加完美地運用到現(xiàn)實課堂中去、如何在兩者的有機配合下達到理想的教學效果與預期。隨著三維技術的興起，虛擬技術作為一種新型的教學手段，其直觀性、具象化等特點，為教育者提供了可交互的學習方式，提高了教與學的質(zhì)量。

2?MAYA三維動畫在高中物理教學的優(yōu)勢

2.1降低成本和資源，打破時空界限。對于學校，大量的實驗設備投資較為困難，設備重復利用，老舊等缺點可見。同時實驗場所固定，操作普適性低。而使用三維軟件制作實驗，資源占比少，操作精確，大大降低了成本和資源，打破了時空界限。

2.2脫離傳統(tǒng)教育，提高學生學習興趣。傳統(tǒng)教學主要以平面展示和少量實驗為主，在學習過程中，教學形式枯燥，學生理解困難。而Maya三維動畫能直觀、形象地對物理實驗進行模擬教學，增強學生感官性。將學生學習中基于三維例如化合物分子的結構、物理碰撞等相關知識立體化，豐富了教學的展示方式，給予更強的交互感官。

2.3縮小實驗誤差，提高學習效率。實驗過程中由于不可控因素，導致出現(xiàn)誤差。學生得不到正確結果，理解錯誤。通過借助三維軟件，排除實驗的不穩(wěn)定性，加深學生在實驗過程中的理解，提高學習效率。

3?應用展示——驗證碰撞中的動量守恒實驗

3.1創(chuàng)建物理情景。在學校真實環(huán)境中，存在大班教學，空氣阻力及器材問題，所以緊跟計算機時代的步伐并發(fā)揮其在教育領域的優(yōu)勢，運用建模動畫一步步展示零誤差實驗，有利于學生熟悉實驗步驟和記錄數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)的誤差。

3.2教學動畫制作步驟。

（1）分析實驗。在碰撞中的動量守恒實驗中：

所需模型：大小相同的兩小球和一個斜面。分析主體對象的運動過程，確定主動對象在運動過程中的關鍵位置。小球a為主體運動物體，小球b為被動運動物體。

（2）實驗制作。

A.模型制作：

利用旋轉(zhuǎn)，縮放功能制作斜面。通過復制得到相同的小球。利用移動工具，將小球放置在斜面上。

B.動畫制作：

首先創(chuàng)建曲線中的EP曲線，順勢做出一條弧線，即為小球b的運動軌跡。之后，選中主體小球b，按shift鍵加選曲線。

選中子選項連接到運動路徑，完成小球b的動畫。

選中小球a，按照上述操作完成小球a路徑的設置，但設置出的動畫無法滿足小球a，b相撞的動畫效果，為解決這一問題，需固定物體在這一個時間點上的所有屬性。移動時間軸，設置幀數(shù)，鎖定創(chuàng)建一個“關鍵幀”。按類似方法創(chuàng)建其它“關鍵幀”。

MAYA自動填充兩個相鄰關鍵幀，讓畫面均勻的從上一個幀變化到第二個幀。在設置時，控制小球a和小球b兩者相撞的時間，在速度編輯器中調(diào)整運動速度。得到圖一所示：

（3）增添效果。

指定材質(zhì)添加效果：鼠標右鍵選中物體給定的blinn材質(zhì)?；蛘咴阡秩緦υ捒蛑羞xhypershade，進行設置。

設置攝像機鏡頭：創(chuàng)建兩點攝像機。選中目標面板，設置沿著選擇對象觀看完成鏡頭運動。同時通過使用“關鍵幀”設置來完成鏡頭轉(zhuǎn)換。

最后對場景進行渲染。通過“窗口”→“渲染編輯器” →“渲染設置”，設置動畫文件的格式等。

（4）后期設置。播放動畫，確定制作過程無誤，點擊保存文件，導出制作的動畫即可。

3.3實驗數(shù)據(jù)分析。將a球從斜面上的某一固定點處由靜止開始滾下，同時讓B球在斜面末端的靜止。之后a球從原來的位置由靜止下落，和b球發(fā)生碰撞，記錄下運動位置。a球質(zhì)量為20g，b球質(zhì)量為10g。

（1）實驗原理：在水平面方向上，兩小球發(fā)生正碰，合外力為0是滿足動量守恒定律。

m1V1=m1VA+m2V2

兩小球碰撞實驗過程中作平拋運動，初速度運用水平射程來表示：

OP——入射小球碰前的水平射程

OM——入射小球碰后的水平射程

ON——被碰小球碰后水平射程

（2）注意事項：

斜槽末端要水平

每次小球下滑要從同一高度靜止下滑，保證對心碰撞

（3）數(shù)據(jù)表：

通過對小球a，b進行三次碰撞實驗操作，得到的實驗數(shù)據(jù)如表一所示。

（4）數(shù)據(jù)分析：在實驗過程中，a球拋出點在斜面任意一處，b球在斜面頂端，最終要驗證的關系式是：m1·OM+m2·（ON-2r）=m1·op

即驗證得出表達式：m1·OP=m1·OM+m2·ON

4?總結

隨著三維交互應用領域的不斷擴張，教育領域作為人才培養(yǎng)基地，應用三維技術結合實驗教學是一種更加雙贏的方式，為了更好的適應時代科學技術的發(fā)展與提高，培養(yǎng)善思勤思的思維能力，將三維建模與教學改革相結合，努力探索更有效率的教學方法和新思路，使物理實驗與教學內(nèi)容更緊密的交互融合。

參考文獻：

[1]李建榮，孔素真.虛擬現(xiàn)實技術在教育中的應用研究【J】.科學實驗室，2014（6）：98-101

[2]許微，虛擬現(xiàn)實技術的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展【J】.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2009（2）：279-280.

作者簡介：黃若彤（2001--）女，湖北仙桃人，本科生，湖北師范大學計算機與信息工程學院數(shù)字媒體技術學生，研究方向三維游戲

通訊作者：王晶晶（1989--），女，湖北黃石人，博士，湖北師范大學計算機與信息工程學院講師，碩士生導師，研究方向為教育技術學，新型功能材料的設計與合成

其他作者：王詩琴（1999--）女，湖北天門人，本科生，湖北師范大學計算機與信息工程學院數(shù)字媒體技術學生，研究方向影視后期

任若瀾（2000--）女，湖北襄陽人，本科生，湖北師范大學計算機與信息工程學院數(shù)字媒體技術學生，研究方向微課設計