《三维动画技术在晶体结构教学的应用》5400字

三维动画技术在晶体结构教学的应用TOC\o"1-2"\h\u18019绪论 513031.固体物理学中的晶体结构 5150751.1晶体结构的建立 5241861.2在传统教学中晶体结构教学方法的不足 553002.三维动画技术的原理 6325702.1三维动画技术的应用 619112.2三维动画技术在教学中的应用 623023.三维动画技术在晶体结构教学的应用 783523.1以复式晶格中氯化钠晶格为例三维动画技术在教学中的应用 710963.2以复式晶格中金刚石晶格为例三维动画技术在教学中的应用 871924.三维动画技术在固体物理学中晶体结构教学的优势 912835.结论 103868参考文献 10绪论目前，固体物理学作为最活跃的一种理论依据，应用于凝聚态物理与新材料科学，是高等院校物理学专业开设的一门基础课程。因此，固体物理学教学意义至关重要。固体物理作为一门理论基础课程，有很多的概念非常抽象不易理解，传统教学中也存在很多困难，其中三维晶体结构（包括对称性）以及他们的布里渊区等是学生最常见的问题，用传统教学方式（如幻灯片和物理模型等）都很难解释清楚。面对这种状况，老师们即使花费大量的时间和精力，也不能满足于教学，因此学生们对物理图像只是一个模糊的概念，理解和掌握教材知识也就变得困难，还有可能对这门课产生厌学心理。学习固体物理这个课程的时候需要很强的空间想象力，因为它的内容非常难理解而且思想性很强，但是，传统的教学方法存在一些不足，对于立体的教学情境和所需要的主观感受无法呈现和表达。目前，在现代化教学快速发展的背景下，为了克服传统教学方法的弊端，利用三维动画模拟技术不仅能向学生展示更真实的物理图像，使学生更容易理解概念，而且教学过程中的重点和难点可以轻松有效地被解决。固体物理学中的晶体结构1.1晶体结构的建立晶体的微观结构是指在晶体中实际质点(原子、离子或分子)的具体顺序，也就是晶体结构。在整个客观物质世界中固体物质可以分为晶体和非晶体两大类，大多数的晶体是合金或者是固态的金属。晶体和非晶体之间有一个最根本的区别是晶体中的原子、离子、分子等质点是有序排序（长程序），但是在非晶体中，除了离它们最近的质点外，这些质点大都是堆积不规则（短程序）。在很多时候，金属及其合金是在结晶状态下使用的。能决定固态金属的物理、力学、化学的性能的基本因素之一是晶体结构1.2在传统教学中晶体结构教学方法的不足晶体结构、对称性、点群等中是固体物理学的概念，需要更大的空间想象力才能很好的理解，而且在过去常常用旧的球模型来描述它们。在辅助教学适宜应用这些模式，但也有一些缺点如这些模式数量有限，缺乏维护等。此外，有关晶体结构的内容属于微观领域，主要基于电子或原子进行分析和材料的研究，通过微观模型得出一些重要的概念和结论，大部分学生感到晦涩难懂，难以想象和难以理解。传统教学的方法单一，加上许多的晶体结构的内容晦涩难懂，导致教师课堂教学效率较低，学生课堂学习固体物理内容效果不理想，对学生解决问题的能力及创新能力的培养都没有好处。三维动画技术的原理三维动画又被称为3d动画，是指由电脑设计产生的逼真的三维视频场景或动画。在计算机软硬件技术快速的发展背景下，一种新兴的技术在近年来逐步发展起来。这项技术为用户创建一个三维虚拟的世界，即三维动画软件。设计者建立模型和场景通过要表现的对象的形状和大小，然后需要设置一些动画参数包括模型的运动轨迹、虚拟摄像机的运动等，最后根据需要为模型中添加特定的物体材料和灯光。做到了这些，电脑就能够进行自动化地计算和制作最终图片。2.1三维动画技术的应用目前，我国的三维动画技术发展时间相对较短，但在现代计算机科学技术和教育现代化发展日新月异的大环境下，它的发展已取得了重大突破，已广泛应用于很多领域，如科普和医学等。三维动画的特点是形象、准确和真实，对于抽象性和微观性物体可以直观的呈现出来，因此广泛应用于医学和科学领域。在医学领域，三维动画主要用于人体解剖、神经病学、骨科、耳鼻喉科，以直观和准确的呈现各种难以复制或难以观察到的生理和病理变化，对于理解和学习有很大的帮助。卢秋群等在设计三维耳蜗动画时，利用3DMAX技术，在具体教学中创建耳蜗动态的三维动画的逼真场景；季达峰等根据人体解剖学的知识特征，制作三维颅骨模型和动画，将颅骨形状和内部运输展现出来；《人世间》节目在科普知识中运用了大量的三维动画，如气象、天文地理、太空等。《科技博览》制作宇宙等科普知识时运用了三维动画。这些例子都代表了三维教学动画的成功运用。2.2三维动画技术在教学中的应用Classroom3项目和安妮·班福德博士组织的LearninginFutureEducation(未来学习)项目作为众所周知的三维动画，应用于教学实践中。由JTM概念公司管理的classrooms3试图在三年级使用三维课程。在将三维动画教学用在教学实践中比较让人熟知的是Classroom3项目和安妮·班福德博士组织的LearninginFutureEducation(未来学习)项目。由JTMConcepts公司开发的Classroom3项目尝试使用3D课程进行课堂教学。教师在课堂上利用三维教学动画组织教学，学生戴着3D眼镜。研究表明，由于使用了3D课程课程，学生的总体成绩提高了35%，他们的学习体验也有所改善。安妮·班福德博是一家国际教育机构的的教育负责人，他领导着未来学习项目的研究人员。为了确定3D教学实验的最有效模式，他对该项目在七个欧洲国家的应用情况进行评估，并详细分析了它对学生学习的影响。研究结果表明，通过3D教学，在一定程度上不但增强了了学生的记忆力、学习兴趣，还提高了学生的学习成绩。这表明，运用三维教学有效的促进了学习效果和教学效果，而且具有很高的实践价值。从实际角度来看，在物理课堂教学中无法呈现许多物理基本概念和原理、实验现象等等，三维动画很好的解决了这个问题。对现有文献的研究表明，我国在生物学、化学、地理、数学和物理等学科应用三维动画技术呈现逐年递增的趋势。在生物科学领域，遗传信息的翻译过程、基因表达、细胞的结构、人体内的物质运输等方面的知识都可以利用三维动画来模拟。李文通过分析生物化学特性，在教学中引入了一个利用DNA技术治疗皮肤癌的三维教学动画。在化学领域，有机化学、结构化学等应用较为广泛。陈长认为，在化学教学中，分子结构、有机反应机制等都是抽象的，需要通过三维动画提供教育支持。地理空间是地理教学的主要侧重点。为了培养学生对空间认知的研究，李春江探索了在地理教学中利用3Dmax软件进行辅助教学。空间几何领域是数学课堂教学中的侧重点。在一项探索性应用研究中，在三维技术的帮助下，张雯利用3Dmax软件制作空间几何结构，并应用于实践教学。在我们的物理学科中，学习晶体结构时，为了使学生能够直观地观察物理图像，运用了三维动画技术。在晶体结构教学的应用三维动画技术三维动画技术可以模拟原子球的各种动态累积，实现了空间结构的动态发展和演化，并向学生呈现出逼真的物理图像，使学生容易理解反应客观事物本质的特征。3.1以复式晶格中氯化钠晶格为例三维动画技术在教学中的应用氯化钠晶格虽然看似是一个简单的立方晶格，然而它实际上是一种复式的晶格。由于它的分布是在排列时每一行每一列上的钠离子和氯离子进行相间的排列，可以把钠离子和氯离子混在一起。如果把这两种物质的象形图加以比较，学生就可以看出，一种离子已经构成了面心立方晶格，而另一种离子也构成面心立方晶格，如果与前面的立方体晶格密切接触则不是很直观。因此，很难理解这样一个结构是由双面立方晶格组成的。三维动画设计思路：①钠离子和氯离子两个面心立方晶格相互接近，一个晶格的“面”与另一个晶格的“心”重合，重合区域类似于简单的立方体晶格。②其他不重合区域的离子和结构的框架被用淡出的方式遮盖；③重新搭建套构晶格结构的框架采用淡入方的式；④利用旋转氯化钠晶体结构，使得学生可以从各个角度观察。图1氯化钠晶体结构示意图图2图2是一些三维动画的静态效果图，对钠离子和氯离子分别形成三维立方晶格、氯化钠晶格结构的物理思想的直观生动表示。3.2以复式晶格中金刚石晶格为例三维动画技术在教学中的应用金刚石晶也是一种复合晶格，但它是另一种晶格，可以看作是沿其体对角线移动的一组面立方体晶格。尽管它也由两个同心立方体表面晶格组成，但金刚石晶格的结构比氯化钠晶格复杂得多。通过将这些原子与教材的插图比较，学生们可以看出，c原子组成了一个面心立方晶格，在这个面心立方晶格内部多了四个原子，对于它们也是面心立方晶格的一部分，学生很难想象，更重要的是，这四个原子的空间排列也更让学生难以弄清楚。利用三维动画模拟金刚石晶格结构，在课堂上取得了良好的教育成果，解决了课堂教学过程中遇到的一些问题。在3DMax中，对于沿体对角线面心晶格具体滑移的程度，透视图是看不到的，因此，我们结合了动画的前视图和透视视图(学生可以同时看到透视图和前视图)，以及移动时晶格的对角线。具体设计理念:①面心的两个立方体晶格重合(两个晶格的原子颜色不同以示区别)，然后沿对角线滑动四分之一；②需要保留的四个原子(滑动并留在面部网格中)以闪烁方式突出显示；③多余面心立方晶格部分逐渐消失；④金刚石晶格结构由保留的四个原子和面心立方晶格组成化学键形成；⑤旋转金刚石晶结构方便让学生在各个方面观察以及理解。金刚石晶格结构示意图图3图4图4是三维动画的一些效果图，其中，左侧和右侧分别是是透视图和前视图。面心立方晶格沿体对角线滑移了四分之一分别用“前2”和“前3”表示；“透4”和“前4”是4个原子(蓝色)在闪烁；四个半透明立方体显示为“透6”和“前6”，这样晶格中四个原子的位置就清晰明了了:假如将金刚石格分割为八个立方体，则四个原子位于顶部和底部两个层上相对的四个立方体的中心，每个立方体形成一个正四面体结构，邻近的四个原子位于四个正四面体的中心。复式晶格的基本特性在上述例子中是通过一个动态过程进行演示的，使不容易理解的抽象理论变得清楚简单，与构建主义的基本原则完全相符，即对“情境”的营造，引导学生顺利完成意义建构。学生们表示，在本课件动画播放前，这些知识点理解起来非常困难。但在动画播放后就变得很容易。有的学生表示，没有动画的帮助，一些知识点很难被学习和理解，这也表明三维动画技术对于固体物理的晶体结构教学中有着非常重要的影响。三维动画技术在固体物理学中晶体结构教学的优势对于固体物理学的研究通常是从晶体结构入手的，而对于三维晶体结构的掌握则是后续研究的依据。这部分的内容中很多概念所需要表达的空间结构非常抽象，教师很难用语言来描述，采用实物模型、幻灯片甚至使用动画模拟（如FLASH）效果都没有那么理想。这种情况的原因就由于实物模型很难构建；幻灯片所表达的平面图形无法充分的展示出晶体结构中用来描述概念的某些基本现象或其过程的物理思想；而平面动画的视觉局限性则无法在很大程度达到良好的教学效果。针对这些疑惑，有人在课堂教学中尝试引入VRML（VirtualRealityModeling）技术来对三维晶体的结构进行任意旋转、移动、缩放等操作并通过虚拟现实技术让学生从各种角度去观察三维晶体结构，不仅提高了学生的学习兴趣还取得了很好的教学效果。一般来说，VRML三维晶体结构的制作有2种方法1）在VRML软件中根据晶体结构的特点直接输入原子的坐标、空间群、对称性等参数导出；2）将文件转化为VRML文件（如3DSMAX可将MAX格式的源文件输出为VRML文件）。对于简立方体和体心立方这样简单的晶格，虚拟现实技术便于使用，但对于面心立方晶格，金刚石晶格等过于抽象的概念将虚拟现实技术引入教学则有局限性。这是主要是由于只单纯地观察由原子球所组成的固定的空间点阵，而不领会概念的物理思想，这样是无法真正理解这些概念的，而使用IE浏览器运行的VRML文件展示出来的是一个或者多个固有的三维空间结构，不能实现变形和渐变等效果来建立模型用来体现概念的物理思想。而三维动画的表现效果则要强大太多，这也就是三维动画技术能够成为解决固体物理学教学难点的锐器优势所在。在提升学生学习动力和发掘学生学习兴趣方面三维动画技术教学起到了不可或缺的作用，教学以三维动画技术为辅助，能够最大限度的提升学生掌握所需知识的速度，使学生探究和掌握物理知识的欲望得到发掘，并提升了学生运用所学知识解决生活问题的能力。三维动画技术融入教学时，学生的认知负担被大幅减轻，清除了许多思维障碍，使学生的物理形象大大拓宽。此外，三维动画可能使人们难以观察事物的运动规律，物理特性，不可见或无形的物理原理等，变成生动且易于观察的动画，进而提升了学生的注意力。从某种意义上讲，为学生创造了一个极为有利的学习环境，使他们积极参与进课堂中去，因此也就提高了教学的效果。结论在进行晶体结构的学习时采用了三维动画模拟技术，不仅让物理图像很具象，同时营造了真实的物理环境并提供给学生，尤其是金刚石结构这一内容，为了能够让学生们在各个角度都可以观察，我们同时呈现出了透视图和前视图，这使学生能够直接将复杂的抽象概念转化为易于理解和接受的物理图像。多年的教学实践证实，在晶体结构教学中广泛使用三维动画技术不仅有助于教师教学，而且有助于学生对晶体结构和某些抽象概念进行理解，这在很大程度上提高了课堂教学的质量。参考文献[1]黄大有·3DMAX3闪电通动画大师超级建模手册[M]·呼和浩特:内蒙古文化出版社,2000·[2]孟祥东,华中·VRML语