原理分析型三维动画课件设计研究动画设计为例

梁婷婷

[摘要]本文研究了原理分析型三维动画课件设计相关理论，设计良好的这类课件在帮助学生认知的过程中起到了积极的作用，成为学生的认知工具，老师的教学工具。要使原理分析型三维动画课件达到理想的教学效果必须对课件进行科学的设计。

首先，要以科学的教学理论作指导；其次，要有良好的教学设计和课件结构设计。再次，动画的过程要符合事物发展的因果规律，培养学习者有严谨的科学思维过程。

本文以高中二年级物理课中“交变电流产生原理分析”为例，分析原理分析型三维动画课件设计的要点和过程。

[关键词]三维动画课件 原理分析型 教学理论 学习理论 教学设计 结构设计

目前在教学领域已经存在许多三维动画课件，它们涉及到各个学科，主要是数学，物理，化学，生物等学科，这些动画课件在技术上基本上都达到生动逼真的标准，但这些三维动画课件大多是现象模拟型的，主要是对实验现象进行数字化模拟，将真实实验中看到的现象在电脑屏幕上以三维动画的方式再次呈现。而原理分析型的三维动画课件资源却比较少见。

原理分析型课件设计需要建立在教学理论和学习理论的指导下进行。设计良好的原理分析型三维动画课件在表达逼真的具体现象的同时，能够引导学生如何加工信息，如何在思维中处理信息，通过可视化的方式有效地引导学生逐步理解具体现象与抽象规律之间的联系，培养学生的高级思维能力。

皮亚杰的建构主义学习理论中强调学习是一种能动建构过程，“知识不是通过教师传授得到的，使学习者通过意义建构的方法而获得的”。[1]知识的获得过程应同时伴随思维能力的发展。

根据理查德·E·迈耶的多媒体学习认知理论，如表1，把多媒体学习的过程分为五个步骤：选择相关的语词、选择相关的图像、组织所选择的语词、组织所选择的图像、整合以语词为基础和以图像为基础的表征。设计良好的原理分析型三维动画课件能帮助学习者对信息的选择、组织和整合。引导学生将新的知识与自己的认知结构中原有的知识建立起实质性的联系，促进学生的有意义学习倾向，避免机械学习。

表1.多媒体学习的认知理论

这里以高二物理课上教学动画“交变电流产生原理分析”三维动画课件为例来讨论原理分析型三维动画课件的设计。

二、原理分析型三维动画的教学设计

（一）“交变电流”动画课件的教学目标

知识目标：通过学习该课件理解交变电流产生的原理，与前一节所学的知识相联系，学会归纳总结。

情感目标：培养科学的思维，养成细心观察的习惯。

（二）关于“交变电流”教学内容分析

1.教学内容特点

这一知识点，是前面学过的电和磁的知识拓展及综合应用，与生活和生产有着极为密切的联系。这个知识点的实用性很强，要求学生有较高的空间想象力和逻辑思维能力。

2.教学重点

交变电流产生的原理分析，理解交变电流产生的过程

3.教学难点

应用导体切割磁感线会产生感应电流以及感应电流的方向判断方法分析交变电流产生的原理。

（三）教学对象分析

高中二年级物理学习的任务要求他们由经验性的形象思维转化为理论性的抽象思维，对于学习成绩好的学生，这一转化过程需要半个学期的时间，而对中差生需要一个学期甚至更长的时间。少部分学生的迁移能力较强，有较高的抽象思维能力，大部分学生的空间想象能力和逻辑思维不足。

高二的学习者在学习本知识点之前已经掌握了单个导体匀速切割均匀磁感线会产生感应电流的规律，能应用右手定则判断感应电流的方向。已经熟练掌握电流表的使用方法。

三、“交变电流”动画课件的结构设计

该动画课件分为三大部分，考虑到学生先前知识水平的差异课件的第二部分才真正进入新知识的介绍。由于前一节知识点对本知识点的理解起基础性作用，在第一部分动画中安排对先前知识的回顾，作为新知识点的导入部分，以此帮助学生找到新知识与原有知识点之间的切入点，这能帮助学生做到新知识与原有知识之间整合。第二部分是应用分析法分析交变电流产生的过程，共分为三个阶段。第三部分是总结前面的实验现象，在老师的辅助下得出结论。

（一）先前知识的回顾

导入新知识点的方法有很多种，根据教学内容的特点的不同选择不同的导入方法，在交变电流的产生这一原理讲解中我选择了“复习导入法”。利用物理知识点之间的联系导入新课题有利于淡化对新知识的陌生感，帮助学生将新知识纳入原有知识的结构中，从而降低了学生对知识的理解难度。在这一部分动画中，电流表，导线，单根直导体组成的回路，这是前一节学习电磁感应中的单一导体切割磁感线产生感应电动势的实验，学生对这个知识点已经掌握。在复习导入法中重点是找到新知识与原有知识之间的切入点，在这里的切入点是单一导体与矩形线圈在磁场中切割磁感线都通过右手定则来确定电流方向和在导体只有做切割磁感线运动时才产生个感应电流作为新知识与原有知识的切入点如图1、图2。这里应用闪烁两下的圆圈强调两个电流表的指针的不同变化，帮助学生选择信息。

提出问题“把直导体换成旋转的线圈会怎么样呢？”引发学生的思考，如图3。

矩形线框有四条边，各个边与磁感线的相对位置不同，总的情况分为两类，一类是与磁感线平行的边，旋转时不产生感应电流；另一类是与磁感线垂直的边，旋转时切割磁感线而产生感应电流。在这一部分分别对两种情况通过动画进行分析，帮助学生建立新知识与原有知识的联系。

（二）解释交变电流产生过程的动画设计

在这一部分画面中包括矩形线框，导线，电流表，磁极和箭头。红色箭头表示电流的方向，绿色箭头表示矩形线框单边运动的方向。

这一部分是讲解新知识的主要部分，首先是帮助学生分析磁感线方向。动画表现磁感线从N级指向S级，如图4。

根据迈耶的认知负荷理论，把负荷可分为内部来源的负荷和外部来源的负荷。内部负荷是指各个信息之间的相互影响程度。外部负荷材料的组织和呈现方式。在设计课件时应尽量减少外部负荷来减少学生的整体认知负荷。可以通过较少进入学习者视觉通道的信息量来减少外部认知符合，因为多媒体认知理论学生的视觉通道在一定时间内传输信息量是有限的，所以在设计课件时应尽量简化画面。如图5，为了利于学生观察矩形线圈旋转的过程，防止两个磁铁对视线干扰可以半透明化N级和S级磁铁。

根据教学内容，交变电流产生的过程可分为三个阶段。对新知识进行分三个阶段呈现。在学习者的认知过程中，会对知识进行分阶段的加工，在此分三个阶段是引导学生在加工信息时也相应的分为这三个阶段，这样有助于学生对知识的组织。前两阶段以教师的讲解为主，最后阶段由于基本原理与前两部分的基本原理相同，最后部分是学生应用前两部分的原理在老师的指导下，独立分析电流产生的过程。

根据对前面直导线在磁场中运动切割磁感线的情况分析可知当矩形线框旋转90度时，蓝色边切割磁感线，黄色边由于与磁感线平行，在旋转的过程中不切割磁感线，所以不产生电流。为了帮助学生选择信息，引起学习者对切割磁感线的边的注意，使用醒目颜色——亮蓝色起强调作用，在分析时只要分析蓝色边。为了下文表述方便，我用ab表示右边的蓝色边，用cd表示左边的蓝色边，如图6。用向下的绿色箭头表示ab边做弧线运动，当ab边向下做弧线运动时，箭头闪动两下，引起学生注意，帮助学生选择信息。当dc边向上做弧线运动时，我用向上的绿色箭头表示dc边运动的切线方向，如图7。这时添加右手的演示，应用右手定则判断电流的流向。用红色的闪烁箭头表示电流的流向，通过闪烁引起学生对电流流向的有意注意，如图8。分析了线框旋转90度以后提出疑问“你能总结线框从0度旋到90度时电流的流向吗？”如图9，引起学习者对刚刚的分析过程进行回忆，加深对信息短时记忆的深度。线框从90度转向180度的过程中，绿色箭头仍然指向ab边和dc边运动的切线方向。应用右手定则，判断电流方向。同上用红色的闪烁箭头表示电流的流向，通过闪烁引起学生对电流流向的有意注意，如图10。

接下来的两个阶段有利于培养学生的迁移能力。“知识迁移能力是将所学知识应用到新的情境，解决新问题时所体现出的一种素质和能力，包含对新情境的感知和处理能力、旧知识与新情境的链接能力、对新问题的认知和解决能力等层次” 。迁移能力的培养层次有三种：1、模仿性迁移训练，这种训练方法注重材料的相似性和联系性，以巩固知识培养技能；2、过度性训练，是一种分清知识之间的异同，理解在什么样的条件下结论才成立，是注重培养学生的可辨性和思路的清晰性，进一步巩固迁移能力；3、创造性训练，将所掌握的原有知识解决生活中的实际问题，培养理论联系实际的能力，让学生学会和巩固抽取信息、归纳整理、演绎特化等迁移方法，从而发展迁移能力。这一阶段的学习是模仿性迁移训练，根据原有知识——直导体在均匀磁场中运动产生电流和新知识——矩形线框在均匀磁场中从0度旋转到180度产生电流的过程分析，学生运用已学习知识分析矩形导体在均匀磁场中从180度旋转到270度和矩形导体在均匀磁场中从270度旋转到360度时电流产生的过程。提出问题“你能分析矩形线圈从180度旋转到360度的过程中产生电流的情况吗？”引起学生的思考，学生在老师的帮助下进行独立分析，如图11。

在分步介绍了交变电流产生的过程后，在课件的最后是应用归纳法总结交变电流产生的原理，提出问题“现在你能说明为什么会产生变化的电流了吗？” 引起同学们的思考，这时老师可以向同学提问，在同学回答的基础上给出答案——“在矩形线框旋转时线圈蓝色边切割磁感线产生变化的电流”，“蓝色边”三个字用红色文字，把摄像机的焦距拉进，突出显示蓝色边，帮助学习者选择。先让学生思考然后给出答案使学习者加深对知识的记忆，如图12。

四、原理分析型三维动画的设计要点

（一）原理分析型三维动画课件设计要以教学理论和学习理论为指导。

原理分析型三维动画课件设计的过程中应用到许多教学理论，并且这些理论是在不断的丰富和发展的过程中。在这里强调的主要是在动画的设计过程中不能脱离教育理论的指导。只有将计算机技术与教学技能相结合设计出的原理分析型三维动画课件才能发挥作用即引导学生思维，帮助学生认知。相反如果课件的设计者没有很好的掌握教育理论，那么设计出的课件就不能科学的符合学习者的认知规律，这相当于课件不能起到帮助学习者学习的作用。

（二）在制作原理分析型三维动画课件设计的之前应进行教学设计和课件结构设计。这一部分是决定课件质量的重要环节，其目的是要运用系统的科学的教学观点和教学方法，根据教学目标与教学对象的需要恰当的选择教学信息和方法，使课件成为教师的教学工具，学生的认知工具。教学设计主要包括教学内容、教学重点、教学难点、教学对象分析。在设计时要根据这些内容的特点制定恰当的设计方案。原理分析型三维动画课件的结构一般包括导入部分，主体部分，补充部分。在设计时可根据具体的学习目标的不同灵活安排课件的结构。

（三）注重分析解释事物发展变化过程中的因果关系，通过动画引导学生的思维过程，帮助学生在观察生动形象的具体现象时抓住其中的本质属性和规律，培养学生的抽象思维能力。

[参考文献]

[1]南国农.《信息化教育概论》高等教育出版社 2006年4月第一版

[2]（美）迈耶《多媒体学习》商务印书馆.2006年1月第一版

[3]吴建文.《深入浅出 3d max7 三维设计》中国铁路出版社 2006年1月第一版

[4]张琴珠.《计算机辅助教育》高等教育出版社.2003年12月第一版

[5]刘梓红，李子运.《课件的设计与制作》北京邮电大学出版社 2002年

[6]施良方，崔允.《教学理论：课堂教学的原理、策略与研究》华东师范大学出版社

[7]张军征.《多媒体教学软件设计与方法》科学出版社

[8]南国农，李运林.《教育传播学（第二版）》高等教育出版社 1995年5月第一版

[9]火星时代编著《3ds Max 8白金手册》北京-人民邮电出版社 2006年

[10]《皇冠基础知识手册（高中物理）》中国少年儿童新闻出版总社 中国少年儿童出版社 2006年10月第一版

[11]王军 《3ds max 动画技术大全（动画·特效篇）》兵器工业出版社 北京科海电子出版社 2006年3月第一版

（作者单位：西藏职业技术学院）