MAYA三维动画在高中物理实验教学的应用

黄若彤 王晶晶 王诗琴 任若澜

摘要：随着三维技术在虚拟现实等领域的遍及运用，引起教育领域地逐步关注。本文结合MAYA三维动画教学，对实验过程进行模拟，分析并总结其优势。以物理学科——验证碰撞中的动量守恒实验为例，展现MAYA三维动画在教学的应用，从而提高教学质量。

关键词：Maya建模;物理实验;信息技术;动量守恒;

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2020）09-0169-01

1 引言

与传统的教育方式不一样的是，在当今现代信息技术飞速发展下，多媒体技术在课堂教学中的运用也如雨后春笋般快速生长，并在一定程度上得到了广泛的应用。这也说明，目前我们现在教育技术学领域需要侧重的是：如何将信息技术与实际的教学内容结合、如何将两者更加完美地运用到现实课堂中去、如何在两者的有机配合下达到理想的教学效果与预期。随着三维技术的兴起，虚拟技术作为一种新型的教学手段，其直观性、具象化等特点，为教育者提供了可交互的学习方式，提高了教与学的质量。

2 MAYA三维动画在高中物理教学的优势

2.1降低成本和资源，打破时空界限。对于学校，大量的实验设备投资较为困难，设备重复利用，老旧等缺点可见。同时实验场所固定，操作普适性低。而使用三维软件制作实验，资源占比少，操作精确，大大降低了成本和资源，打破了时空界限。

2.2脱离传统教育，提高学生学习兴趣。传统教学主要以平面展示和少量实验为主，在学习过程中，教学形式枯燥，学生理解困难。而Maya三维动画能直观、形象地对物理实验进行模拟教学，增强学生感官性。将学生学习中基于三维例如化合物分子的结构、物理碰撞等相关知识立体化，丰富了教学的展示方式，给予更强的交互感官。

2.3缩小实验误差，提高学习效率。实验过程中由于不可控因素，导致出现误差。学生得不到正确结果，理解错误。通过借助三维软件，排除实验的不稳定性，加深学生在实验过程中的理解，提高学习效率。

3 应用展示——验证碰撞中的动量守恒实验

3.1创建物理情景。在学校真实环境中，存在大班教学，空气阻力及器材问题，所以紧跟计算机时代的步伐并发挥其在教育领域的优势，运用建模动画一步步展示零误差实验，有利于学生熟悉实验步骤和记录数据，避免数据的误差。

3.2教学动画制作步骤。

（1）分析实验。在碰撞中的动量守恒实验中：

所需模型：大小相同的两小球和一个斜面。分析主体对象的运动过程，确定主动对象在运动过程中的关键位置。小球a为主体运动物体，小球b为被动运动物体。

（2）实验制作。

A.模型制作：

利用旋转，缩放功能制作斜面。通过复制得到相同的小球。利用移动工具，将小球放置在斜面上。

B.动画制作：

首先创建曲线中的EP曲线，顺势做出一条弧线，即为小球b的运动轨迹。之后，选中主体小球b，按shift键加选曲线。

选中子选项连接到运动路径，完成小球b的动画。

选中小球a，按照上述操作完成小球a路径的设置，但设置出的动画无法满足小球a，b相撞的动画效果，为解决这一问题，需固定物体在这一个时间点上的所有属性。移动时间轴，设置帧数，锁定创建一个“关键帧”。按类似方法创建其它“关键帧”。

MAYA自动填充两个相邻关键帧，让画面均匀的从上一个帧变化到第二个帧。在设置时，控制小球a和小球b两者相撞的时间，在速度编辑器中调整运动速度。得到图一所示：

（3）增添效果。

指定材质添加效果：鼠标右键选中物体给定的blinn材质。或者在渲染对话框中选hypershade，进行设置。

设置摄像机镜头：创建两点摄像机。选中目标面板，设置沿着选择对象观看完成镜头运动。同时通过使用“关键帧”设置来完成镜头转换。

最后对场景进行渲染。通过“窗口”→“渲染编辑器” →“渲染设置”，设置动画文件的格式等。

（4）后期设置。播放动画，确定制作过程无误，点击保存文件，导出制作的动画即可。

3.3实验数据分析。将a球从斜面上的某一固定点处由静止开始滚下，同时让B球在斜面末端的静止。之后a球从原来的位置由静止下落，和b球发生碰撞，记录下运动位置。a球质量为20g，b球质量为10g。

（1）实验原理：在水平面方向上，两小球发生正碰，合外力为0是满足动量守恒定律。

m1V1=m1VA+m2V2

两小球碰撞实验过程中作平抛运动，初速度运用水平射程来表示：

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）注意事项：

斜槽末端要水平

每次小球下滑要从同一高度静止下滑，保证对心碰撞

（3）数据表：

通过对小球a，b进行三次碰撞实验操作，得到的实验数据如表一所示。

（4）数据分析：在实验过程中，a球抛出点在斜面任意一处，b球在斜面顶端，最终要验证的关系式是：m1·OM+m2·（ON-2r）=m1·op

即验证得出表达式：m1·OP=m1·OM+m2·ON

4 总结

随着三维交互应用領域的不断扩张，教育领域作为人才培养基地，应用三维技术结合实验教学是一种更加双赢的方式，为了更好的适应时代科学技术的发展与提高，培养善思勤思的思维能力，将三维建模与教学改革相结合，努力探索更有效率的教学方法和新思路，使物理实验与教学内容更紧密的交互融合。

参考文献：

[1]李建荣，孔素真.虚拟现实技术在教育中的应用研究【J】.科学实验室，2014（6）：98-101

[2]许微，虚拟现实技术的国内外研究现状与发展【J】.现代商贸工业，2009（2）：279-280.

作者简介：黄若彤（2001--）女，湖北仙桃人，本科生，湖北师范大学计算机与信息工程学院数字媒体技术学生，研究方向三维游戏

通讯作者：王晶晶（1989--），女，湖北黄石人，博士，湖北师范大学计算机与信息工程学院讲师，硕士生导师，研究方向为教育技术学，新型功能材料的设计与合成

其他作者：王诗琴（1999--）女，湖北天门人，本科生，湖北师范大学计算机与信息工程学院数字媒体技术学生，研究方向影视后期

任若澜（2000--）女，湖北襄阳人，本科生，湖北师范大学计算机与信息工程学院数字媒体技术学生，研究方向微课设计