《三維動(dòng)畫技術(shù)在晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)的應(yīng)用》5400字

三維動(dòng)畫技術(shù)在晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)的應(yīng)用TOC\o"1-2"\h\u18019緒論 513031.固體物理學(xué)中的晶體結(jié)構(gòu) 5150751.1晶體結(jié)構(gòu)的建立 5241861.2在傳統(tǒng)教學(xué)中晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)方法的不足 553002.三維動(dòng)畫技術(shù)的原理 6325702.1三維動(dòng)畫技術(shù)的應(yīng)用 619112.2三維動(dòng)畫技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用 623023.三維動(dòng)畫技術(shù)在晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)的應(yīng)用 783523.1以復(fù)式晶格中氯化鈉晶格為例三維動(dòng)畫技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用 710963.2以復(fù)式晶格中金剛石晶格為例三維動(dòng)畫技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用 871924.三維動(dòng)畫技術(shù)在固體物理學(xué)中晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)的優(yōu)勢(shì) 912835.結(jié)論 103868參考文獻(xiàn) 10緒論目前，固體物理學(xué)作為最活躍的一種理論依據(jù)，應(yīng)用于凝聚態(tài)物理與新材料科學(xué)，是高等院校物理學(xué)專業(yè)開(kāi)設(shè)的一門基礎(chǔ)課程。因此，固體物理學(xué)教學(xué)意義至關(guān)重要。固體物理作為一門理論基礎(chǔ)課程，有很多的概念非常抽象不易理解，傳統(tǒng)教學(xué)中也存在很多困難，其中三維晶體結(jié)構(gòu)（包括對(duì)稱性）以及他們的布里淵區(qū)等是學(xué)生最常見(jiàn)的問(wèn)題，用傳統(tǒng)教學(xué)方式（如幻燈片和物理模型等）都很難解釋清楚。面對(duì)這種狀況，老師們即使花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，也不能滿足于教學(xué)，因此學(xué)生們對(duì)物理圖像只是一個(gè)模糊的概念，理解和掌握教材知識(shí)也就變得困難，還有可能對(duì)這門課產(chǎn)生厭學(xué)心理。學(xué)習(xí)固體物理這個(gè)課程的時(shí)候需要很強(qiáng)的空間想象力，因?yàn)樗膬?nèi)容非常難理解而且思想性很強(qiáng)，但是，傳統(tǒng)的教學(xué)方法存在一些不足，對(duì)于立體的教學(xué)情境和所需要的主觀感受無(wú)法呈現(xiàn)和表達(dá)。目前，在現(xiàn)代化教學(xué)快速發(fā)展的背景下，為了克服傳統(tǒng)教學(xué)方法的弊端，利用三維動(dòng)畫模擬技術(shù)不僅能向?qū)W生展示更真實(shí)的物理圖像，使學(xué)生更容易理解概念，而且教學(xué)過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)可以輕松有效地被解決。固體物理學(xué)中的晶體結(jié)構(gòu)1.1晶體結(jié)構(gòu)的建立晶體的微觀結(jié)構(gòu)是指在晶體中實(shí)際質(zhì)點(diǎn)(原子、離子或分子)的具體順序，也就是晶體結(jié)構(gòu)。在整個(gè)客觀物質(zhì)世界中固體物質(zhì)可以分為晶體和非晶體兩大類，大多數(shù)的晶體是合金或者是固態(tài)的金屬。晶體和非晶體之間有一個(gè)最根本的區(qū)別是晶體中的原子、離子、分子等質(zhì)點(diǎn)是有序排序（長(zhǎng)程序），但是在非晶體中，除了離它們最近的質(zhì)點(diǎn)外，這些質(zhì)點(diǎn)大都是堆積不規(guī)則（短程序）。在很多時(shí)候，金屬及其合金是在結(jié)晶狀態(tài)下使用的。能決定固態(tài)金屬的物理、力學(xué)、化學(xué)的性能的基本因素之一是晶體結(jié)構(gòu)1.2在傳統(tǒng)教學(xué)中晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)方法的不足晶體結(jié)構(gòu)、對(duì)稱性、點(diǎn)群等中是固體物理學(xué)的概念，需要更大的空間想象力才能很好的理解，而且在過(guò)去常常用舊的球模型來(lái)描述它們。在輔助教學(xué)適宜應(yīng)用這些模式，但也有一些缺點(diǎn)如這些模式數(shù)量有限，缺乏維護(hù)等。此外，有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)容屬于微觀領(lǐng)域，主要基于電子或原子進(jìn)行分析和材料的研究，通過(guò)微觀模型得出一些重要的概念和結(jié)論，大部分學(xué)生感到晦澀難懂，難以想象和難以理解。傳統(tǒng)教學(xué)的方法單一，加上許多的晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)容晦澀難懂，導(dǎo)致教師課堂教學(xué)效率較低，學(xué)生課堂學(xué)習(xí)固體物理內(nèi)容效果不理想，對(duì)學(xué)生解決問(wèn)題的能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都沒(méi)有好處。三維動(dòng)畫技術(shù)的原理三維動(dòng)畫又被稱為3d動(dòng)畫，是指由電腦設(shè)計(jì)產(chǎn)生的逼真的三維視頻場(chǎng)景或動(dòng)畫。在計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)快速的發(fā)展背景下，一種新興的技術(shù)在近年來(lái)逐步發(fā)展起來(lái)。這項(xiàng)技術(shù)為用戶創(chuàng)建一個(gè)三維虛擬的世界，即三維動(dòng)畫軟件。設(shè)計(jì)者建立模型和場(chǎng)景通過(guò)要表現(xiàn)的對(duì)象的形狀和大小，然后需要設(shè)置一些動(dòng)畫參數(shù)包括模型的運(yùn)動(dòng)軌跡、虛擬攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)等，最后根據(jù)需要為模型中添加特定的物體材料和燈光。做到了這些，電腦就能夠進(jìn)行自動(dòng)化地計(jì)算和制作最終圖片。2.1三維動(dòng)畫技術(shù)的應(yīng)用目前，我國(guó)的三維動(dòng)畫技術(shù)發(fā)展時(shí)間相對(duì)較短，但在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和教育現(xiàn)代化發(fā)展日新月異的大環(huán)境下，它的發(fā)展已取得了重大突破，已廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如科普和醫(yī)學(xué)等。三維動(dòng)畫的特點(diǎn)是形象、準(zhǔn)確和真實(shí)，對(duì)于抽象性和微觀性物體可以直觀的呈現(xiàn)出來(lái)，因此廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和科學(xué)領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，三維動(dòng)畫主要用于人體解剖、神經(jīng)病學(xué)、骨科、耳鼻喉科，以直觀和準(zhǔn)確的呈現(xiàn)各種難以復(fù)制或難以觀察到的生理和病理變化，對(duì)于理解和學(xué)習(xí)有很大的幫助。盧秋群等在設(shè)計(jì)三維耳蝸動(dòng)畫時(shí)，利用3DMAX技術(shù)，在具體教學(xué)中創(chuàng)建耳蝸動(dòng)態(tài)的三維動(dòng)畫的逼真場(chǎng)景；季達(dá)峰等根據(jù)人體解剖學(xué)的知識(shí)特征，制作三維顱骨模型和動(dòng)畫，將顱骨形狀和內(nèi)部運(yùn)輸展現(xiàn)出來(lái)；《人世間》節(jié)目在科普知識(shí)中運(yùn)用了大量的三維動(dòng)畫，如氣象、天文地理、太空等?！犊萍疾┯[》制作宇宙等科普知識(shí)時(shí)運(yùn)用了三維動(dòng)畫。這些例子都代表了三維教學(xué)動(dòng)畫的成功運(yùn)用。2.2三維動(dòng)畫技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用Classroom3項(xiàng)目和安妮·班福德博士組織的LearninginFutureEducation(未來(lái)學(xué)習(xí))項(xiàng)目作為眾所周知的三維動(dòng)畫，應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中。由JTM概念公司管理的classrooms3試圖在三年級(jí)使用三維課程。在將三維動(dòng)畫教學(xué)用在教學(xué)實(shí)踐中比較讓人熟知的是Classroom3項(xiàng)目和安妮·班福德博士組織的LearninginFutureEducation(未來(lái)學(xué)習(xí))項(xiàng)目。由JTMConcepts公司開(kāi)發(fā)的Classroom3項(xiàng)目嘗試使用3D課程進(jìn)行課堂教學(xué)。教師在課堂上利用三維教學(xué)動(dòng)畫組織教學(xué)，學(xué)生戴著3D眼鏡。研究表明，由于使用了3D課程課程，學(xué)生的總體成績(jī)提高了35%，他們的學(xué)習(xí)體驗(yàn)也有所改善。安妮·班福德博是一家國(guó)際教育機(jī)構(gòu)的的教育負(fù)責(zé)人，他領(lǐng)導(dǎo)著未來(lái)學(xué)習(xí)項(xiàng)目的研究人員。為了確定3D教學(xué)實(shí)驗(yàn)的最有效模式，他對(duì)該項(xiàng)目在七個(gè)歐洲國(guó)家的應(yīng)用情況進(jìn)行評(píng)估，并詳細(xì)分析了它對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的影響。研究結(jié)果表明，通過(guò)3D教學(xué)，在一定程度上不但增強(qiáng)了了學(xué)生的記憶力、學(xué)習(xí)興趣，還提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)。這表明，運(yùn)用三維教學(xué)有效的促進(jìn)了學(xué)習(xí)效果和教學(xué)效果，而且具有很高的實(shí)踐價(jià)值。從實(shí)際角度來(lái)看，在物理課堂教學(xué)中無(wú)法呈現(xiàn)許多物理基本概念和原理、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等等，三維動(dòng)畫很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究表明，我國(guó)在生物學(xué)、化學(xué)、地理、數(shù)學(xué)和物理等學(xué)科應(yīng)用三維動(dòng)畫技術(shù)呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)。在生物科學(xué)領(lǐng)域，遺傳信息的翻譯過(guò)程、基因表達(dá)、細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、人體內(nèi)的物質(zhì)運(yùn)輸?shù)确矫娴闹R(shí)都可以利用三維動(dòng)畫來(lái)模擬。李文通過(guò)分析生物化學(xué)特性，在教學(xué)中引入了一個(gè)利用DNA技術(shù)治療皮膚癌的三維教學(xué)動(dòng)畫。在化學(xué)領(lǐng)域，有機(jī)化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)等應(yīng)用較為廣泛。陳長(zhǎng)認(rèn)為，在化學(xué)教學(xué)中，分子結(jié)構(gòu)、有機(jī)反應(yīng)機(jī)制等都是抽象的，需要通過(guò)三維動(dòng)畫提供教育支持。地理空間是地理教學(xué)的主要側(cè)重點(diǎn)。為了培養(yǎng)學(xué)生對(duì)空間認(rèn)知的研究，李春江探索了在地理教學(xué)中利用3Dmax軟件進(jìn)行輔助教學(xué)。空間幾何領(lǐng)域是數(shù)學(xué)課堂教學(xué)中的側(cè)重點(diǎn)。在一項(xiàng)探索性應(yīng)用研究中，在三維技術(shù)的幫助下，張?chǎng)├?Dmax軟件制作空間幾何結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)。在我們的物理學(xué)科中，學(xué)習(xí)晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，為了使學(xué)生能夠直觀地觀察物理圖像，運(yùn)用了三維動(dòng)畫技術(shù)。在晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)的應(yīng)用三維動(dòng)畫技術(shù)三維動(dòng)畫技術(shù)可以模擬原子球的各種動(dòng)態(tài)累積，實(shí)現(xiàn)了空間結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)發(fā)展和演化，并向?qū)W生呈現(xiàn)出逼真的物理圖像，使學(xué)生容易理解反應(yīng)客觀事物本質(zhì)的特征。3.1以復(fù)式晶格中氯化鈉晶格為例三維動(dòng)畫技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用氯化鈉晶格雖然看似是一個(gè)簡(jiǎn)單的立方晶格，然而它實(shí)際上是一種復(fù)式的晶格。由于它的分布是在排列時(shí)每一行每一列上的鈉離子和氯離子進(jìn)行相間的排列，可以把鈉離子和氯離子混在一起。如果把這兩種物質(zhì)的象形圖加以比較，學(xué)生就可以看出，一種離子已經(jīng)構(gòu)成了面心立方晶格，而另一種離子也構(gòu)成面心立方晶格，如果與前面的立方體晶格密切接觸則不是很直觀。因此，很難理解這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)是由雙面立方晶格組成的。三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)思路：①鈉離子和氯離子兩個(gè)面心立方晶格相互接近，一個(gè)晶格的“面”與另一個(gè)晶格的“心”重合，重合區(qū)域類似于簡(jiǎn)單的立方體晶格。②其他不重合區(qū)域的離子和結(jié)構(gòu)的框架被用淡出的方式遮蓋；③重新搭建套構(gòu)晶格結(jié)構(gòu)的框架采用淡入方的式；④利用旋轉(zhuǎn)氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)，使得學(xué)生可以從各個(gè)角度觀察。圖1氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)示意圖圖2圖2是一些三維動(dòng)畫的靜態(tài)效果圖，對(duì)鈉離子和氯離子分別形成三維立方晶格、氯化鈉晶格結(jié)構(gòu)的物理思想的直觀生動(dòng)表示。3.2以復(fù)式晶格中金剛石晶格為例三維動(dòng)畫技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用金剛石晶也是一種復(fù)合晶格，但它是另一種晶格，可以看作是沿其體對(duì)角線移動(dòng)的一組面立方體晶格。盡管它也由兩個(gè)同心立方體表面晶格組成，但金剛石晶格的結(jié)構(gòu)比氯化鈉晶格復(fù)雜得多。通過(guò)將這些原子與教材的插圖比較，學(xué)生們可以看出，c原子組成了一個(gè)面心立方晶格，在這個(gè)面心立方晶格內(nèi)部多了四個(gè)原子，對(duì)于它們也是面心立方晶格的一部分，學(xué)生很難想象，更重要的是，這四個(gè)原子的空間排列也更讓學(xué)生難以弄清楚。利用三維動(dòng)畫模擬金剛石晶格結(jié)構(gòu)，在課堂上取得了良好的教育成果，解決了課堂教學(xué)過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題。在3DMax中，對(duì)于沿體對(duì)角線面心晶格具體滑移的程度，透視圖是看不到的，因此，我們結(jié)合了動(dòng)畫的前視圖和透視視圖(學(xué)生可以同時(shí)看到透視圖和前視圖)，以及移動(dòng)時(shí)晶格的對(duì)角線。具體設(shè)計(jì)理念:①面心的兩個(gè)立方體晶格重合(兩個(gè)晶格的原子顏色不同以示區(qū)別)，然后沿對(duì)角線滑動(dòng)四分之一；②需要保留的四個(gè)原子(滑動(dòng)并留在面部網(wǎng)格中)以閃爍方式突出顯示；③多余面心立方晶格部分逐漸消失；④金剛石晶格結(jié)構(gòu)由保留的四個(gè)原子和面心立方晶格組成化學(xué)鍵形成；⑤旋轉(zhuǎn)金剛石晶結(jié)構(gòu)方便讓學(xué)生在各個(gè)方面觀察以及理解。金剛石晶格結(jié)構(gòu)示意圖圖3圖4圖4是三維動(dòng)畫的一些效果圖，其中，左側(cè)和右側(cè)分別是是透視圖和前視圖。面心立方晶格沿體對(duì)角線滑移了四分之一分別用“前2”和“前3”表示；“透4”和“前4”是4個(gè)原子(藍(lán)色)在閃爍；四個(gè)半透明立方體顯示為“透6”和“前6”，這樣晶格中四個(gè)原子的位置就清晰明了了:假如將金剛石格分割為八個(gè)立方體，則四個(gè)原子位于頂部和底部?jī)蓚€(gè)層上相對(duì)的四個(gè)立方體的中心，每個(gè)立方體形成一個(gè)正四面體結(jié)構(gòu)，鄰近的四個(gè)原子位于四個(gè)正四面體的中心。復(fù)式晶格的基本特性在上述例子中是通過(guò)一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行演示的，使不容易理解的抽象理論變得清楚簡(jiǎn)單，與構(gòu)建主義的基本原則完全相符，即對(duì)“情境”的營(yíng)造，引導(dǎo)學(xué)生順利完成意義建構(gòu)。學(xué)生們表示，在本課件動(dòng)畫播放前，這些知識(shí)點(diǎn)理解起來(lái)非常困難。但在動(dòng)畫播放后就變得很容易。有的學(xué)生表示，沒(méi)有動(dòng)畫的幫助，一些知識(shí)點(diǎn)很難被學(xué)習(xí)和理解，這也表明三維動(dòng)畫技術(shù)對(duì)于固體物理的晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)中有著非常重要的影響。三維動(dòng)畫技術(shù)在固體物理學(xué)中晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)對(duì)于固體物理學(xué)的研究通常是從晶體結(jié)構(gòu)入手的，而對(duì)于三維晶體結(jié)構(gòu)的掌握則是后續(xù)研究的依據(jù)。這部分的內(nèi)容中很多概念所需要表達(dá)的空間結(jié)構(gòu)非常抽象，教師很難用語(yǔ)言來(lái)描述，采用實(shí)物模型、幻燈片甚至使用動(dòng)畫模擬（如FLASH）效果都沒(méi)有那么理想。這種情況的原因就由于實(shí)物模型很難構(gòu)建；幻燈片所表達(dá)的平面圖形無(wú)法充分的展示出晶體結(jié)構(gòu)中用來(lái)描述概念的某些基本現(xiàn)象或其過(guò)程的物理思想；而平面動(dòng)畫的視覺(jué)局限性則無(wú)法在很大程度達(dá)到良好的教學(xué)效果。針對(duì)這些疑惑，有人在課堂教學(xué)中嘗試引入VRML（VirtualRealityModeling）技術(shù)來(lái)對(duì)三維晶體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行任意旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放等操作并通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓學(xué)生從各種角度去觀察三維晶體結(jié)構(gòu)，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣還取得了很好的教學(xué)效果。一般來(lái)說(shuō)，VRML三維晶體結(jié)構(gòu)的制作有2種方法1）在VRML軟件中根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)直接輸入原子的坐標(biāo)、空間群、對(duì)稱性等參數(shù)導(dǎo)出；2）將文件轉(zhuǎn)化為VRML文件（如3DSMAX可將MAX格式的源文件輸出為VRML文件）。對(duì)于簡(jiǎn)立方體和體心立方這樣簡(jiǎn)單的晶格，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)便于使用，但對(duì)于面心立方晶格，金剛石晶格等過(guò)于抽象的概念將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入教學(xué)則有局限性。這是主要是由于只單純地觀察由原子球所組成的固定的空間點(diǎn)陣，而不領(lǐng)會(huì)概念的物理思想，這樣是無(wú)法真正理解這些概念的，而使用IE瀏覽器運(yùn)行的VRML文件展示出來(lái)的是一個(gè)或者多個(gè)固有的三維空間結(jié)構(gòu)，不能實(shí)現(xiàn)變形和漸變等效果來(lái)建立模型用來(lái)體現(xiàn)概念的物理思想。而三維動(dòng)畫的表現(xiàn)效果則要強(qiáng)大太多，這也就是三維動(dòng)畫技術(shù)能夠成為解決固體物理學(xué)教學(xué)難點(diǎn)的銳器優(yōu)勢(shì)所在。在提升學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力和發(fā)掘?qū)W生學(xué)習(xí)興趣方面三維動(dòng)畫技術(shù)教學(xué)起到了不可或缺的作用，教學(xué)以三維動(dòng)畫技術(shù)為輔助，能夠最大限度的提升學(xué)生掌握所需知識(shí)的速度，使學(xué)生探究和掌握物理知識(shí)的欲望得到發(fā)掘，并提升了學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決生活問(wèn)題的能力。三維動(dòng)畫技術(shù)融入教學(xué)時(shí)，學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)被大幅減輕，清除了許多思維障礙，使學(xué)生的物理形象大大拓寬。此外，三維動(dòng)畫可能使人們難以觀察事物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，物理特性，不可見(jiàn)或無(wú)形的物理原理等，變成生動(dòng)且易于觀察的動(dòng)畫，進(jìn)而提升了學(xué)生的注意力。從某種意義上講，為學(xué)生創(chuàng)造了一個(gè)極為有利的學(xué)習(xí)環(huán)境，使他們積極參與進(jìn)課堂中去，因此也就提高了教學(xué)的效果。結(jié)論在進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)時(shí)采用了三維動(dòng)畫模擬技術(shù)，不僅讓物理圖像很具象，同時(shí)營(yíng)造了真實(shí)的物理環(huán)境并提供給學(xué)生，尤其是金剛石結(jié)構(gòu)這一內(nèi)容，為了能夠讓學(xué)生們?cè)诟鱾€(gè)角度都可以觀察，我們同時(shí)呈現(xiàn)出了透視圖和前視圖，這使學(xué)生能夠直接將復(fù)雜的抽象概念轉(zhuǎn)化為易于理解和接受的物理圖像。多年的教學(xué)實(shí)踐證實(shí)，在晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)中廣泛使用三維動(dòng)畫技術(shù)不僅有助于教師教學(xué)，而且有助于學(xué)生對(duì)晶體結(jié)構(gòu)和某些抽象概念進(jìn)行理解，這在很大程度上提高了課堂教學(xué)的質(zhì)量。參考文獻(xiàn)[1]黃大有·3DMAX3閃電通動(dòng)畫大師超級(jí)建模手冊(cè)[M]·呼和浩特:內(nèi)蒙古文化出版社,2000·[2]孟祥東,華中·VRML語(yǔ)