3D MAX制作生化蛋白质、核酸章节教学课件探索

曹 羲，王清河，王 亮

(承德医学院，河北承德 067000)

随着3D MAX技术迅速发展，与它结合的多媒体为中心的现代教学方式已经逐步被教学所采用。它利用计算机向学生提供生物化学所需要的各种材料和信息，通过软件中的基本体建模、多维子对象材质、mental ray渲染器及高级动画的结合，把生物化学课件中生动的动画影像、清晰的文字注解有机集成，较好地攻克了生物化学中的许多教学难题。本文对生物化学中蛋白质、核酸章节的典型课件进行设计、制作，结合实例进行分析，并深入探索生物化学中蛋白质、核酸结构的特征和应用规律,充分发挥3D MAX技术优势，把课件的制作运用、教师的主导作用和学生的主体地位三者有机地结合起来,达到传统教学手段达不到的教学效果，实现对教学的补充和辅助作用。

1 设计课件制作方案

生物化学中的一些医学结构较为复杂，我们通过3D MAX软件对一些复杂的理论、结构进行分析、制作，把难于理解的理论、公式等以逼真的动画形式表现出来，可解决常规教学中难以表达清楚的问题。在制作蛋白质、核酸结构及其功能的章节中，首先要清楚的了解书本中的重要内容，了解其重点和难点，针对这些问题利用3D MAX进行课件制作，从根本上解决和突破这些问题。在对蛋白质、核酸结构及其功能章节的课件设计中，我们制作了设计方案:

1.1 生物大分子的立体结构 利用3D MAX中“样条线”、“点线面建模”绘制生物大分子线性、环状结构及他们之间的空间位置，通过各种角度效果展示出它的立体结构盘绕成螺旋形，折叠成片层状，让学生进一步了解其有的以线性存在，有的则成球状等复杂的立体结构。

1.2 蛋白质的二级结构α-螺旋结构 利用3D MAX中的“基本体建模”、“材质”、“mental ray”，渲染出平面、三维立体简模、深度精模三种制作效果，让学生清楚地看到α-螺旋的氢键方向与螺旋长轴基本平行，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54nm。

1.3 超二级结构与蛋白质模体 利用3D MAX中的“扩展基本体建模”，主要创作出模体的空间位置及二级结构间的位置关系，让学生能更深入地了解模体的超二级结构的空间构象。

1.4 肽单元结构 利用3D MAX中的“多边形编辑模型”、“材质编辑器”、“三维动画制作”等完成肽单元螺旋结构动画演示，目的是使学生能够清晰地看到肽单元上钙原子所连的两个单键的自由旋转角度和两个相邻的肽单元平面的相对空间位置。

1.5 核苷与脱氧核苷 利用3D MAX中“扩展基本体”的球棱柱建模、颜色编辑、动画“haracter studio”对象进行制作，让同学们通过动画形式理解碱基通过糖苷键与戊糖连接，碱基可以绕糖苷键自由转动。

2 3D MAX课件的制作

2.1 模型制作

2.1.1 生物大分子的立体结构:利用3D MAX工具栏右侧“基本体建模”中的平面绘制生物大分子的片层状，用圆形绘制其球状，再用“样条线”的线绘制出生物大分子中形成的螺旋状，在顶视图、侧视图、透视图中调节其所在的空间位置进行编辑，完成生物大分子空间构像。

2.1.2 蛋白质的二级结构α-螺旋结构:在3D MAX中，运用“基本体建模”建出超二级结构:αα、βαβ、ββ超二级结构、蛋白中结合钙离子模体、锌指结构模体，调整其空间位置，完成其模型。

2.1.3 超二级结构与蛋白质模体:在3D MAX中，运用“基本体建模”中的平面绘制出不同位置的肽单元平面，用工具栏右侧中的球体绘制6个原子的模型，调整原子在肽单元平面中的相应位置，并用圆柱体绘制肽键将其相应连接，右击复制多个模型，调整各个整体模型其各自的空间位置，完成肽单元结构。

2.1.4 肽单元结构:用3D MAX中的“基本体建模”制作螺旋模型，右击选择多边形编辑修改器，在工具栏右侧点击点、线、面，根据模型的需要进行编辑，选择“顶点”子对象，在“编辑几何体”卷展栏内单击“塌陷”按钮，完成α-螺旋模型。

2.1.5 核苷与脱氧核苷:选择工具栏右侧“样条线”中的多边形绘制基本模型，选择“文本”标注模型中的化学键，用“基本体建模”中的圆柱体绘制糖苷键，调整碱基模型和戊糖模型空间位置，完成核苷与脱氧核苷的基本模型。

2.2 材质渲染 模型完成后，对以上模型逐个进行相同性质编辑。打开“材质编辑器”，单击standard按钮，打开“材质浏览器”，选择材质类型;打开“颜色选择器”对话框，对亮暗区颜色分别进行设置;在“光线追踪基本参数”卷展栏内，各项参数用于设置“光线追踪”材质的基本属性[1];在“贴图”卷展栏中，单击“折射”右侧按钮，在打开的“材质/贴图浏览器”对话框中选择折射贴图类型;将设定好的材质球指定给相应的模型。在主工具栏右侧，提供主要的渲染命令按钮，可以通过单击相应的工具按钮快速执行相应渲染命令，方便快速的调用预设的渲染设置。执行“渲染设置”命令，在要渲染的区域选择“裁剪”在“渲染帧”窗口单击保存，完成渲染。

2.3 动画制作 完成渲染后对动画效果进行制作预览在核苷与脱氧核苷的动画制作中，通过动画形式让碱基通过糖苷键与戊糖连接，碱基可以绕糖苷键自由转动。

2.3.1 动画分析:这是一个动画制作的综合案例，碱基顺时针一周旋转，糖苷键带动碱基一同旋转，当中包括动画的创建、曲线编辑器的使用、链接约束的设定，以及修改器动画制作等。

2.3.2 制作思路:首先用关键帧动画创建碱基的移动然后通过虚拟物体来制作碱基旋转一周的动作，接着利用链接约束来设定糖苷键与碱基在不同时间内的附着对象，最后利用修改器动画创建碱基围绕糖苷键自由转动的动画。

2.3.3 制作步骤:①创建关键帧动画:按下时间控制栏中的“自动关键点”按钮，开启关键帧记录动画。将时间滑块移动到100帧，将软件中的摄像机对准视图中选定对象。②设置匀速运动:调整糖苷键与碱基运动曲线，呈现匀速运动状态，打开“轨迹视图”，选择曲线运动两个端点将运动曲线变成直线，每帧的移动位置分布均匀[2]。③设置链接约束:指定好链接约束，在运动面板下展开“连接参数”卷展栏，按下“添加链接”，将时间滑块移动0帧，拾取对象。④创建修改器动画:使碱基最终达到旋转效果。按下时间控制栏中“自动关键点”按钮，在“修改”面板中加入关键帧，每变换旋转角度，将时间滑块移动到需要的关键帧，点击播放，测试效果，调整整体动画，生成AVI文件。

3 3D MAX多媒体课件在教学中应用

3.1 在医学生物化学课程教学中 目前，教师们所用的课件都是简易的二维图片制作，教师给医学生展示生物中的各个形态，多是上网获取图片或在书本上扫描单色2D图片，在授课中因为图片的单一性及分辨率的程度使医学生看到的效果只是一个角度，从而并未能使学生更好的理解知识。而我们开发的3D MAX软件课件，模拟演示生物化学中蛋白质、核酸的结构与功能，当我们在这种简单的课件中插入3D MAX制作的效果图与动画形态后，就可使生物化学中的一些不可见结构及其变化呈现在学生面前，使学生在听课中对难点、重点一目了然，加深了记忆，同样也使学生能够转换思维模式，降低思维难度，通过其观察总结规律。

3.2 在其它课程教学中 制作3D MAX多媒体课件的目的是优化课堂教学结构，提高课堂教学效率，既要有利于教师的教，又要有利于学生的学。用3D MAX软件的动画来演示，不仅能把高度抽象的知识直观显示出来，而且给学生以新、奇、异的刺激感受，激发学生的学习积极性，促使学生理解、掌握它们的本质。利用其在教学中的作用，提高教学质量，实现课堂教学最优化。

4 小结

本篇主要讲述的是3D MAX应用于生物化学中蛋白质、核酸的教学课件，但在其它课程教学中也可以使用，例如解剖学、生物学、寄生虫、临床课程等。它既有演示性，也有交互性;既是面向教学全体的以助教为重点的课件，也是基于学生个体的导学课件;既是以静态图文为特征的课件，也是以逼真动画为内容的课件。通过这些优势来使教师的授课与学生的学习在课堂中更好的结合在一起。

[1]郑东,侯婷.3ds max 8灯光、材质与渲染表现技法[M].北京:清华大学出版社，2007.30-31.

[2]王军.3ds max动画技术大全[M].第1版.北京:科海电子出版社,2006.6-7.