Maya建模技术在物理教学中的应用

边鹏

摘 要：Maya建模能够直观、形象地对物理实验进行教学，可以降低教学成本、增强实践性，教学方法新颖独特，对培养学生的学习兴趣，提高学生动手动脑的能力起到了积极的作用。文中还简单介绍了建模的方法，对利用Maya建模教学起到了抛砖引玉的作用。

关键词：Maya建模 材质网络 重力场 实现建模 材质渲染 布尔运算

技工学校在物理教学中，应用Maya软件进行建模，模拟实验的全过程，就可以使画面真实直观，便于学生理解和学习。为此，笔者阐述Maya建模技术与物理教学相结合的优势。

一、降低教学成本，增强实践性

物理是一门实验科学，教学必须以实践为基础。这种实践，一是可以借助实验室中已有的仪器教具，二是可以就地取材，但是，有些实验设备成本较高。我们采用Maya建模模拟实验的过程就可以降低教学成本，使学生能够更好地理解教材内容，对实验有更深的体会。

例如，模仿一个物体受重力作用产生自由落体的效果，将物体小球设为主动刚体，受重力作用而产生下落运动，地面设为被动刚体，同时定义小球和地面发生碰撞，给整个场景加一个重力场。小球受重力作用做自由落体运动落向地面，这时地面受到一个外力之后，Maya会自动算出球与地面发生碰撞的作用力的衰减度。这一过程完全不用设置关键帧，只要通过动力学Maya就可以自动算出结果，并与真实世界一样。

二、利用三维建模，画面真实直观

一般课件的二维动画演示只是简单的模拟，难以保证真实性和直观性，而Maya软件是仿真的3D动画制作软件，能创造一个与实际近乎相同的特性环境，其渲染之后的效果能给人造成极强的真实感。在物理教学中，Maya建模主要需要实现建模和材质渲染两方面。

1.建模方法

Maya软件所拥有的建模方法包括多边形建模、NURBS建模、细分表面建模和雕刻建模四大类。在物理教学中我们常用第一种建模方法。多边形建模是历史最悠久的，应用最为广泛的建模方法，它是由三角形和四边形的拼接而成，我们在屏幕上看到的三维模型都是由被称为“面”的相互连接的多边形组成。每个“面”有不同的尺寸和方向，通过排列这些面，可以用简单的方法建立起非常复杂的三维模型。它的优点是对点、线、面进行的编辑非常方便，能做布尔运算，可以赋予各种材质，支持Maya中的大部分画笔；不足之处是节点太多，解算需要一定的时间和空间，而且对硬件要求较高。

2.材质网络

Maya的材质网络，允许对一个物体使用多层不同性质的材质，可对物体应用可渲染的颜色、表面凹凸、透明度、反射、发光等属性。Maya的材质是基于节点的，每个节点控制着定义了材质的属性。材质具有类似于模型的层次结构和组织结构，我们创建的是相互联系的由节点组成的材质网络，所以可以对同一个物体使用多层不同性质的材质，以最大程度实现仿真的效果。比如Maya的凹凸贴图是真正的在物体表面形成凹陷和突起的效果，我们从任何角度观看都显示的是立体效果。

例如通过两个小球碰撞来演示能量守恒定律的动画制作过程。首先用多边形里的球体命令创建两个大小一样的小球和一个水平平面，使小球的空间位置刚好放置在平面上，给两个小球分别赋予金属材质和木材质。把两个小球设为主动刚体，平面设置为被动刚体，再给两个小球加上一个重力场。给其中一个小球设置一个初始速度，再将初始速度的方向指向另外一个小球。然后根据小球的不同材质设置不同的质量、静摩擦系数和动摩擦系数。而且我们还可以随时使用播放键预览动画效果。最后使用渲染工具导出，就能得到两个小球在桌面上碰撞的动画。

三、教学方法新颖，培养学生的学习兴趣

Maya建模动画可以模拟、创设生动的物理情境，真实地展示物理过程。例如利用多媒体直观、全面地展示原子彈爆炸、电动机的工作原理、导体内部自由电荷的移动等。这些展示能帮助学生理解物理规律，增强教学气氛，激发学生积极思维，调动学生学习积极性。

Maya建模动画还可以增进教与学之间的信息交流，加强信息反馈。对于不方便进行实验描述的物理现象，例如磁场、核聚变和分子运动的知识等，我们通过Maya建模可以形象地进行模拟，帮助学生形成概念、加深理解，使学生从感性认识过渡到理性认识，从而有效地突破教学难点，掌握重点。

在技校物理教学中，实施是教学的基础。Maya建模这一比较先进的教学手段，能够有效激发学生的学习热情和创新思维能力，提高教学质量。充分利用Maya建模，可以最大程度地帮助学生掌握基础知识，锻炼他们的实际操作能力，达到学校和学生双赢的目的。