基于MAYA的化工食品类实验仿真动画研究与实践——以皮蛋中重金属铅含量的测定实验为例

张洪民，张 英，张春迎，赵 震，高 申

（1.天津渤海职业技术学院信息工程系，天津 300402；2.天津渤海职业技术学院生物与环境工程系，天津 300402）

1 化工食品类课程实验面临的问题

化工食品类学科教学活动中，一个不可或缺的重要环节就是实验，课堂教学也需要引用试验数据、试验结果，观看实验视频等，以此来提高教学的质量。而实验教学环节更是关乎着整个教学过程的质量和教学成败。化工食品类课程的教学目前还是存在着诸多问题，尤其在实验教学中更为突出。随着社会的发展和数字媒体技术的提高，提高教育教学、实验教学的可视化水平尤其重要[1-3]。

1.1 教学过程中多媒体使用单一

化学食品类课程教学过程中大多使用多媒体课件的类型，如PPT、图片、视频等，而此种形式已经难以适应目前学生的需求，学生的积极性、主动性受到制约，学生目前多为“95后”年龄段甚至“00后”年龄段，他们乐于看到动画效果，生动活泼、逼真形象的动画效果可以激发学生的学习热情，提高学生的记忆力。

1.2 实验教学演示缺乏重复性

化学食品类课程实验教学只能演示1次，多次会造成资源的浪费，小班或分组授课又受到实验室等硬件资源和实验教师资源的限制，而实验具有不重复性，学生一步没有看到，就错过了，会导致后面实验过程失败，或者咨询教师或学生，影响实验进程。使用动画仿真模拟实验过程，可以重复观看，有助于记忆，可以拖拽、跳进，对不会的知识点、不懂的步骤可以直捣黄龙，节约时间、提高效率。

1.3 实验过程存在一定危险性

实验过程存在一定危险性和毒性，部分化学食品类课程的实验涉及多种不同的化学药品，有些具有可燃性、剧毒性、腐蚀性和反应性。实验次数越少越好，成功率越高越好，实验产生的有毒物质越少越好。采用动画仿真模拟实验过程有利于提高实验成功率，可以对环境的污染降到最低[4]。

2 Maya软件制作仿真动画的特点

Maya作为世界顶级的三维动画软件，应用对象涵盖了专业的影视广告、角色动画、电影特技和仿真实验等。其功能完善、工作灵活、制作效率极高，Maya软件制作仿真动画具有形象、逼真、生动、传神、真实感极强等特点，使用Maya软件制作仿真动画可以是教学工作和实验效果更加生动、课堂效果更具有活力和动力。

3 以皮蛋中重金属铅含量的测定实验为例教学实践

皮蛋中重金属铅含量的测定是“食品卫生”课程教学项目第4部分乳、蛋类的卫生检验中的任务二，也是这部分内容的教学重点和教学难点。由于重金属铅对人体的危害较大；实验过程存在一定的危险性；火焰原子吸收测定需要的实验条件较高，有些知识点不适合理论教学，因此将这部分内容制作成微课，以便学生能够更好地学习。而在微课的制作过程中，主要应用了Maya软件制作动画，达到了栩栩如生的效果，吸引学生进行观看。

3.1 3D动画模型设计

3D动画模型的建立包括实验设备模型、实验场景模型，其中实验室设备模型可以建立1个模型库，以备今后其他仿真动画设计之用，实验过程中的操作台可以一劳永逸，制作1次即可，实验试管类模型可根据不同实验添加。其中，有刻度的模型要根据精度设计建模，给学生实验以严谨的作风。

3.2 食品中重金属铅的来源动画部分

食品中重金属铅的来源主要包括3个方面：①汽车尾气的污染；②皮蛋制作过程中重金属铅的污染；③香烟燃烧过程产生的重金属铅。为了让学生更加深入地了解重金属铅的来源，利用Maya软件制作了3个动画。

汽车尾气和吸烟有害健康仿真动画见图1。

图1 汽车尾气和吸烟有害健康仿真动画

3.3 原子吸收分光光度计的工作原理动画

根据GB 5009.12—2017，利用火焰原子吸收分光光度计对食品中重金属铅含量进行测定。在使用分光光度计前，需要掌握其工作原理，在学习的过程中，学生普遍反映教师直接讲解工作原理比较枯燥且不易理解，所以利用Maya制作了工作原理的相关动画，使学生在学习的过程中更加容易理解，为操作原子吸收分光光度计打好基础。

原子吸收分光光度计的工作原理动画见图2。

图2 原子吸收分光光度计的工作原理动画

3.4 标准溶液的配制动画

在标准溶液配制过程中，学生会由于操作过程不标准而导致试验数据的误差，甚至是操作过程的错误。如将溶液移入容量瓶的过程，部分学生操作的过程会出现以下几点问题：①转移溶液时没有使用玻璃棒引流；②使用玻璃棒的方法不够标准；③引流时将溶液倒出，造成误差。为了有效减少这些误差，避免实验过程中的错误操作，利用录像和动画相结合的方式表现标准溶液的配制过程。

配液实验动画见图3。

图3 配液实验动画

3.5 原子吸收分光光度计的操作步骤动画

由于原子吸收分光光度计在操作过程中存在一定危险性，操作不当会引起较为严重的后果且重金属铅对人体的危害较大，所以在进行真实的操作前，需要让学生了解具体的操作步骤。

主要采用关键帧动画和流体动画，其中关键帧动画在操作步骤中具有重要地位，设置操作过程中的关键帧，使用动画曲线编辑器设计关键帧的曲线，让动画更加符合实验真实效果，使用流体动画可以将实验液体流动效果更加形象逼真，有真实效果，流体的飞溅效果做成可以在布料上面炭化效果，可以让学生知道化学液体的危险性，提高安全性教学[5]。

3.6 乙炔罐使用方法

由于乙炔为易燃易爆物质，如果在实验过程中操作不当，极易发生危险，引起爆炸且打开乙炔罐的方式较为特殊。所以，在这个部分利用动画讲解乙炔罐的打开方法，避免由于学生的错误操作而发生危险。乙炔罐使用动画的难点在于火焰的颜色设置，火焰颜色的渲染效果可以使用录制的视频制作成动画演示，分层渲染使乙炔罐的操作让学生感受不同火焰，而不用浪费时间和乙炔，节约资源。

爆炸动画的实现，现实生活中和实验教学中不可能实现真实的爆炸场面，也具有危险性，使用Maya动画实现起来很容易，可以让学生体会到操作不当造成的伤害，提升学生安全意识，减少实验教学危险性发生概率。

乙炔罐使用仿真动画见图4。

图4 乙炔罐使用仿真动画

4 仿真软件发展趋势

仿真软件发展趋势之一是虚拟现实和增强现实的沉浸式体验成为今后教育教学实验教学等的发展方向，虚拟现实技术的沉浸式体验可以让学生有身临其境的感觉，将真实实验教学中无法实现的部分呈现到学生面前，达到充分的体验效果。例如，化工安全实验中火灾效果、爆炸效果、强腐蚀效果可以用虚拟现实技术实现，学生可以在其中得到安全教育，减少各种事故的发生，学生可以从各个角度观察实验过程、观看实验效果，避免了因为学生多造成拥挤或者阻挡视线的情况发生，而且可以近距离推进观看实验结果。仿真软件的发展趋势之二是线上的学习，线上方式学习将成为常态，让学生线下的被动学习变为线上的主动学习，将仿真软件放置到网上可以实现在线应用，从而促进学生学习，达到较好的学习效果[6-7]。

5 结语

化学食品类实验仿真动画的设计与制作，需要数字媒体专业动画师完成最后的动画制作，动画的真实实验要有专业的化学食品类实验教师把关，不能有丝毫的专业错误出现。利用计算机虚拟现实技术、数字媒体技术、人工智能技术等协同发展仿真动画软件，是今后化学食品类乃至其他各种学科尤其是危险系数高、难度系数大、不可复制重复性强的实验课程的发展方向。