3D Max建模在醫(yī)學(xué)物理學(xué)課程中的應(yīng)用案例分析

黃翠鶯,李發(fā)波,陳曉青,鄭海波

(福建醫(yī)科大學(xué) 文理藝術(shù)學(xué)院,福建 福州 350122)

3D Max是一種用于三維動畫渲染和制作的軟件．憑借其強(qiáng)大的功能板塊、簡便的操作、豐富的插件素材等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、三維動畫、多媒體制作領(lǐng)域[1,2]．因其獨(dú)特的三維動態(tài)展示和可堆疊建模功能可以對復(fù)雜過程進(jìn)行直觀地展示,3D Max建模被越來越多的應(yīng)用于課程的改革和開發(fā)．相比于傳統(tǒng)教學(xué)資源,三維教學(xué)資源可以直觀地展現(xiàn)抽象模型,再現(xiàn)模型的動態(tài)變化過程,便于學(xué)生對復(fù)雜結(jié)構(gòu)建立清晰、完整的認(rèn)知[3,4]．三維建模在教學(xué)中的應(yīng)用主要包括三維圖片、動畫以及借助三維場景虛擬仿真、渲染等手段還原真實(shí)場景．例如,三維可視化模型在胸外科和肝臟結(jié)構(gòu)解剖教學(xué)應(yīng)用中,顯著提高了學(xué)生的參與度和知識點(diǎn)掌握度,在大學(xué)課程中的應(yīng)用效果得到很好的驗(yàn)證[5,6]．

醫(yī)學(xué)物理學(xué)課程包含許多抽象的概念模型和復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo),部分教學(xué)內(nèi)容涉及三維空間、動態(tài)過程和微觀結(jié)構(gòu)等,利用傳統(tǒng)的靜態(tài)教學(xué)方式很難直觀演示．近年來,醫(yī)學(xué)物理學(xué)課程普遍存在授課學(xué)時減少和課堂人數(shù)增加等問題[7,8]．并且,由于儀器設(shè)備、環(huán)境、時間、空間等限制,很多內(nèi)容無法開展課堂演示和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)．這些也增加了學(xué)生學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)物理學(xué)課程的難度[9,10]．本文選擇了醫(yī)學(xué)物理學(xué)課程中的光的雙縫干涉、振動方程的推導(dǎo)以及眼睛的屈光不正和矯正三個教學(xué)案例,基于3D Max軟件構(gòu)建三維模型,根據(jù)原理公式和參數(shù)進(jìn)行了動畫模擬,并對課堂教學(xué)過程進(jìn)行了設(shè)計(jì)．本研究把物理現(xiàn)象和本質(zhì)生動地演繹出來,提高學(xué)生對知識的接受度,為醫(yī)學(xué)物理學(xué)課堂教學(xué)改革提供新方案．

1 醫(yī)學(xué)物理學(xué)課程問卷調(diào)查與分析

本研究采取問卷調(diào)查法調(diào)研醫(yī)學(xué)物理學(xué)課程學(xué)習(xí)情況．選取福建醫(yī)科大學(xué)2021級臨床醫(yī)學(xué)和口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生作為問卷調(diào)查對象,共計(jì)發(fā)放問卷210份,有效回收206份,有效問卷回收率98%,結(jié)果分析如下.

一半以上(51.46%)的調(diào)查對象認(rèn)為部分醫(yī)學(xué)物理學(xué)課程內(nèi)容比較抽象難懂,動態(tài)模型演示、課堂演示實(shí)驗(yàn)、三維立體模型解說這三個途徑作為抽象內(nèi)容可視化引入課堂被大部分調(diào)查對象認(rèn)可(圖1a)．雖然課堂演示實(shí)驗(yàn)可以有效提高學(xué)習(xí)質(zhì)量,但是如果在100人以上的大課堂進(jìn)行現(xiàn)場演示實(shí)驗(yàn),有83.01%的調(diào)查對象認(rèn)同如果坐在后排會因?yàn)橛^察不清楚而影響學(xué)習(xí)效果．相比現(xiàn)場演示實(shí)驗(yàn),65.53%的調(diào)查對象認(rèn)為在100人以上課堂更適合三維動態(tài)模型演示．

(a) 調(diào)查對象認(rèn)為抽象內(nèi)容可視化最有效果的方式

在已授課程中,調(diào)查對象認(rèn)為波動光學(xué)、靜電場、幾何光學(xué)、振動波動這些章節(jié)內(nèi)容更為抽象(圖1b)．針對調(diào)查對象選擇的難理解章節(jié)中最難理解的內(nèi)容(圖1c),本研究選擇了光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)光路、振動方程的推導(dǎo)、眼睛的屈光不正和矯正為講解案例．

2 模型構(gòu)建及教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

波動光學(xué)章節(jié)以光的波動性質(zhì)為基礎(chǔ),主要學(xué)習(xí)光的干涉、衍射、偏振等物理概念、定律和規(guī)律等抽象內(nèi)容．其中,楊氏雙縫干涉是光具有波動性的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一,傳統(tǒng)的教學(xué)方法是利用疊加原理推導(dǎo)出光強(qiáng)分布公式,然后通過展示干涉條紋分布曲線或者干涉條紋圖像來輔助教學(xué)．大部分學(xué)生對公式中的縫寬、雙縫到光屏之間的距離以及二者之間的數(shù)量級差異缺乏空間概念．同時對光的波長、裝置參數(shù)對干涉條紋位置、間距的影響沒有直觀的認(rèn)識,授課效果欠佳．

本研究采用3D Max軟件構(gòu)建雙縫干涉實(shí)驗(yàn)儀立體模型(圖2),能夠?qū)?shí)驗(yàn)設(shè)備及效果在課堂上進(jìn)行直觀清晰的呈現(xiàn)．雙縫干涉實(shí)驗(yàn)儀立體模型主要由光具座、光源、透鏡、光闌、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、加長管、測量頭等組成．此模型制作簡單,首先在場景中創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)幾何體(長方體、圓柱體、球體),將其轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形,然后對照雙縫干涉實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖,根據(jù)實(shí)物參數(shù)比例進(jìn)行建模．透鏡、遮光筒、加長管、測量頭以及其中的螺絲等零部件主要是以尺寸不同的圓柱體進(jìn)行布爾邏輯并集組合創(chuàng)建．濾光片、單縫、雙縫等同樣用此方法進(jìn)行組合．

(a) 無濾光片下,白光干涉圖樣

光闌模型是利用布爾邏輯差集操作呈現(xiàn)中間透光效果,在制作模型時注意細(xì)節(jié)處理．通過添加網(wǎng)格平滑修改器對多邊形對象進(jìn)行光滑和細(xì)化處理．光源中燈罩的制作:首先需要繪制燈罩邊緣輪廓樣條線,將其轉(zhuǎn)化為可編輯樣條線.然后選中所有頂點(diǎn)轉(zhuǎn)化為角點(diǎn),最后添加車削修改器,移動軸位置即可創(chuàng)建燈罩模型．其它非標(biāo)準(zhǔn)幾何體,例如環(huán)形支架、光具座兩端固定支座等,需要先畫出平面圖形剖面,再添加擠壓修改器,調(diào)整數(shù)值即可完成．構(gòu)建出虛擬實(shí)體是創(chuàng)建模型的基礎(chǔ),為了使模型更加寫實(shí)必須賦予適合的材質(zhì),并借助燈光設(shè)計(jì)．賦予模型材質(zhì)要根據(jù)設(shè)備實(shí)物的材料和質(zhì)地給表體加貼圖,例如,光具座、遮光筒、加長管等賦予金屬材質(zhì)貼圖,呈現(xiàn)金屬光澤．光具座和螺旋測微器上的表面刻度是給模型添加標(biāo)尺貼圖．最后通過渲染使物體表面顯示出不同的質(zhì)地和色彩．

2.2 簡諧振動模型

振動與波動章節(jié)延續(xù)了部分力學(xué)內(nèi)容,同時也是后續(xù)學(xué)習(xí)光學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)等章節(jié)的理論基礎(chǔ)．但是,由于該知識點(diǎn)理論性強(qiáng),要求學(xué)生具備良好的高等數(shù)學(xué)和力學(xué)課程基礎(chǔ),學(xué)習(xí)效果并不理想．因此,如何對該定律和公式的抽象理論內(nèi)容進(jìn)行更直觀、生動地展示,是該章節(jié)內(nèi)容教學(xué)改革和創(chuàng)新的重點(diǎn)．

本研究以簡諧振動的運(yùn)動方程推導(dǎo)為例進(jìn)行了簡諧振動動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)的3D Max建模(圖3)．具體建模步驟如下:先畫出底座截面樣條線,添加擠出修改器,設(shè)置參數(shù)即可獲得底座模型．大部分不規(guī)則幾何體,例如卷軸紙模型、彈簧限位架的構(gòu)建都可以應(yīng)用擠出修改器進(jìn)行構(gòu)建．模型中左右對稱分立的不規(guī)則支撐軸、彈簧末端固定的圓柱形繪圖工具等,可以繪制相應(yīng)模型邊緣輪廓樣條線,然后添加車削修改器進(jìn)行構(gòu)建．此外,在三維建模時為了呈現(xiàn)逼真實(shí)體效果,模型邊緣需要呈現(xiàn)一定的圓滑度．例如,頂板、固定螺母模型都是繪制出其俯視平面輪廓樣條線后,添加倒角修改器并設(shè)置倒角面板參數(shù),獲得邊緣平滑效果．

彈簧的構(gòu)建需要新建幾何體,選擇動力學(xué)對象-彈簧,設(shè)置彈簧參數(shù),同時選擇綁定到對象軸,分別拾取底座和頂板作為固定對象,便于后續(xù)添加彈簧振動的動畫效果．此外,卷軸紙上畫出的三角函數(shù)圖像也需要借助路徑變形修改器添加動畫效果:繪制路徑,新建圖形選擇“Max Creation Graph”,對象類型為“Sin Wave”,在其面板上設(shè)置三角函數(shù)圖像的周期、頻率和振幅等參量．然后新建小圓柱體并添加路徑變形綁定修改器,拾取三角函數(shù)作為路徑對象,設(shè)置相應(yīng)的變形方向和拉伸量即可．

最后,模型創(chuàng)建完成需要進(jìn)行動畫編輯．時間幀設(shè)置600幀,默認(rèn)幀速率24幀．每100幀設(shè)置一個關(guān)鍵幀,每個關(guān)鍵幀位置需要設(shè)置彈簧振子的位置以及線條的延伸位置(圓柱體路徑變形修改器的拉伸量參數(shù))．動畫的設(shè)置完成后經(jīng)過幀渲染,就可以獲得動畫視頻．

利用三維動態(tài)模型結(jié)合問題驅(qū)動方式,學(xué)生能夠更容易理解并掌握簡諧振動方程的物理意義和求解思路,省略了復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)．此外,三維動畫模擬實(shí)驗(yàn)相較于課堂實(shí)物演示實(shí)驗(yàn),省去了一些大體積昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,不需要考慮實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件和調(diào)試實(shí)驗(yàn)儀器耗費(fèi)的時間．在人數(shù)較多的大課堂上可以使所有同學(xué)均可清晰地觀察到實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)．

2.3 眼睛的屈光不正和矯正模型

幾何光學(xué)教學(xué)內(nèi)容包括多種復(fù)雜光路圖,尤其是講授共軸球面系統(tǒng),例如眼睛的屈光不正和矯正、光學(xué)器件(放大鏡、顯微鏡)工作原理,不同的成像條件需要適時修改成像光路圖．脫離實(shí)踐和實(shí)驗(yàn),僅依靠板書或者圖像進(jìn)行講解很難達(dá)到良好的授課效果．因此,設(shè)計(jì)動畫視頻輔助教學(xué),可化微觀為直觀,拓展多元化教學(xué)形式同時顯著提高課堂效率．

以典型的屈光不正眼——近視眼的矯正為例,首先制作簡化的眼球模型(圖4a),包括角膜、瞳孔、虹膜、晶狀體、視網(wǎng)膜、玻璃體．畫球體轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形,然后選取一部分球冠狀面,在元素層級下選擇分離,再選擇以克隆對象分離作為角膜模型．未分離的球冠面選擇頂點(diǎn)進(jìn)行壓縮作為眼球的瞳孔和虹膜．這里需要借助UVW展開修改器,選擇投影下的平面貼圖Z軸,接著打開UV編輯器選擇工具下的渲染UVW模板,改變高寬參數(shù)導(dǎo)出渲染模板．最后將瞳孔和虹膜的材質(zhì)用Photoshop等軟件貼入模板相應(yīng)位置,再賦予給球冠面即可．球體剩余部分賦予貼圖作為玻璃體．晶狀體的制作是利用球體添加FFD修改器,按軸壓縮成扁平球體．同樣利用FFD修改器將圓柱體上拉伸下壓縮,去掉上底面,加上殼修改器即可構(gòu)建水杯模型．后續(xù)可以將水杯模型轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形,選中側(cè)面兩個面利用擠出、橋接修改器構(gòu)建杯耳．最后添加平滑修改器完善水杯形狀．

圖4 近視眼成像效果及矯正原理動畫示意圖

動畫編輯過程如下:時間幀設(shè)置1 200幀,默認(rèn)幀速率24幀．分別在關(guān)鍵幀位置設(shè)置成像圖片透明度,晶狀體和透鏡形狀、水杯的位置．光線的動畫同樣借助路徑變形綁定修改器,新建小圓柱體并添加路徑變形綁定修改器,在關(guān)鍵幀位置設(shè)置相應(yīng)的變形方向和拉伸量即可完成制作．

三維動畫生動演繹了近視眼形成—遠(yuǎn)點(diǎn)變近—凹透鏡矯正的整個過程．如圖4所示,正常眼睛在不經(jīng)過調(diào)節(jié)時,平行光進(jìn)入剛好可以在視網(wǎng)膜上成清晰的像,稱為正視眼(圖4b)．正視眼的遠(yuǎn)點(diǎn)(能看清的最遠(yuǎn)距離)在無窮遠(yuǎn)處．如果眼睛的晶狀體曲率半徑變小或者眼球前后直徑變長,無窮遠(yuǎn)處物的像就會落在視網(wǎng)膜的前方,形成典型的屈光不正眼——近視眼(圖4c)．近視眼患者的遠(yuǎn)點(diǎn)變成了眼前的有限距離位置(圖4d)．位于遠(yuǎn)點(diǎn)以外的物體在視網(wǎng)膜上只能呈現(xiàn)模糊的像．近視眼患者可以通過配戴凹透鏡進(jìn)行視力矯正．佩戴眼鏡后,如果矯正度數(shù)不夠,此時無窮遠(yuǎn)處的物體經(jīng)過凹透鏡之后會在物體的同一側(cè)成正立的縮小的虛像．若像點(diǎn)的位置不在近視眼裸眼遠(yuǎn)點(diǎn)位置,根據(jù)共軸球面系統(tǒng)成像原理,最后在視網(wǎng)膜上也只能形成模糊的像(圖4e)．只有當(dāng)凹透鏡的焦度增大,無窮遠(yuǎn)處的物體經(jīng)過凹透鏡后成的虛像像點(diǎn)位置逼近裸眼的遠(yuǎn)點(diǎn)時,近視眼患者視力矯正成功(圖4f)．

教師通過動畫層層鋪墊、層層深入演示矯正過程,整個知識框架上下連貫,授課過程清晰生動,可以顯著提高學(xué)生的理解效率．后期教師可以給動畫配備語音講解和字幕,做成微課,上傳至學(xué)習(xí)通等線上授課軟件,學(xué)生的學(xué)習(xí)可以不受時間和空間限制,有效促進(jìn)線上線下相結(jié)合的教學(xué)方式改革．此外,物理學(xué)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中經(jīng)常需要引入復(fù)雜的臟器結(jié)構(gòu)及模型,三維模型及動畫為其課程內(nèi)容的優(yōu)化提供了方向．有利于學(xué)生在掌握物理學(xué)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)知識體系的優(yōu)化應(yīng)用．

3 總結(jié)

本研究通過調(diào)查問卷法,篩選了醫(yī)學(xué)物理學(xué)課程中較為抽象的三個知識節(jié)點(diǎn),分別介紹了如何利用3D Max軟件構(gòu)建楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)、簡諧振動、眼睛的屈光不正和矯正模型．通過設(shè)計(jì)3D Max模型并應(yīng)用于課堂教學(xué),使得抽象物理過程具象化,拓展多元化教學(xué)形式的同時提高教學(xué)質(zhì)量．在物理實(shí)驗(yàn)、復(fù)雜方程推導(dǎo)、動態(tài)模型演示等教學(xué)應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢,對高校醫(yī)學(xué)物理學(xué)及其他相關(guān)學(xué)科教學(xué)具有較高的使用價值和推廣意義．