基于3d Max的人船模型拓展式教学研究

范金灵 陶凌峰 熊珊珊 郑力纲 邓明华

摘  要 基于调查问卷，了解“人船模型”学习现状，针对模型构建不够立体化和教学方法单一的问题，利用3d Max软件构建立体人船模型，同时结合拓展式教学方法，设计“人船模型”教学策略，以期为高中物理教学提供借鉴和参考。

关键词 3d Max;高中物理;动量守恒;人船模型;拓展式教学

中图分类号：G652    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）09-0014-03

1 引言

在教育改革创新大背景下，目前国家对教师提出新的要求，教师要改变原本以自身为中心的教学模式，转而开展以学生为中心的教学活动。在传统的高中物理教学中，“人船模型”对学生来说是一个难点，加上学生的认知倾向存在偏差，故很多学生在没有生动立体化的教学模型辅助教学的情况下，无法很好地掌握该部分知识点。基于此，笔者作出进一步探究，引入“3d Max人船模型”以及探索使用拓展式教学方法，有助于学生掌握这一知识点，并且大大提高课堂效率。

拓展式教学是一种创新型的教学模式。所谓拓展式教学，是指在教育教学中不脱离教学本身的前提下，教师采用巧妙的方法，渗透特定的教学活动，让学生在知识和思维上升过程中获得解决问题的能力，即基于传统的教学法之上，采用不同方法策略，直接或间接向相关教学领域拓展的教学方法[1]。通过这种模式的教与学，将切实提高教师的教学能力与强化教师在教学中逐步走向现代化的理念，以及切实提高学生的知识拓展能力、物理思维想象能力、模型构建能力、问题解决能力和动手操作能力。

方泽在《基于合作学习的小学3D建模教学模式研究》中提到开展一系列3D建模课程来授课，是一种新颖的授课形式，旨在培养学生的空间感、对创新概念的认识感 [2]。学者周丽萍等的《物理实验中的拓展式教学探究——以汞光谱色散实验为例》一文，以知识拓展、思维拓展、生活拓展为立足点，深入阐述拓展式教学在物理实验中的可实施性，教学效果良好[3]。本文在学生已有的起点能力上使用3d Max构建人船模型，人与船的运动关系将变得清楚直观，学生空间构想力、思维能力得到培育，有助于学生认知能力需求达到教学目标预期的发展能力阶段。

2 “人船模型”学习现状分析

为了解目前高中生对“人船模型”知识点的学习情况，采用问卷调查法，所设计的问卷结构包括五大维度，分别是“人口统计学变量”“物理学习的态度”“‘人船模型学习效果”“‘人船模型教学中，教师使用教学模型情况”“未来展望”。随机抽取155名高中生参与此次调查，反馈问卷经严格筛查，保留155份有效问卷，有效率达100%。

在抽样检测的反馈数据中，截取问卷重点的几个维度并作出分析，数据如表1所示。学生以已有的认知水平作为评判标准，在“物理学习的态度”这一维度的数据分析中，可看出对物理非常感兴趣的人并不多，大多数高中生抱着完成任务的态度来学习物理，对“人船模型”这一知识点的学习并未表现出明确的动机和特别的兴趣。而在是否引入三维动态模型的调研中，期望引入的学生所占比例较大;进一步剖析，以拓展式教学模式为基础，对动量守恒的学习与探究，可改善学生对动量守恒知识点的认知倾向，从而逐渐提高学生对人船模型习题的解决能力。信息技术与教学活动相互渗透融合，师生仍倾向于传统式教学，即一般是利用平面或多媒体演示文稿讲授“人船模型”;作为创新型教学方式代表之一，拓展式教学在自然科学学科教学中具有很大的研究空间，而将拓展式教学和3d Max技术相结合引入人船模型的教学中，将会是现代教学的一个重要方向。

3 基于3d Max的人船模型构建

3d Max建模方法  結合教师在教学过程中所需要实现的动态效果，选取3d Studio Max软件，采用分步整合的方法来构建人船模型，即分别构造船模型、人模型、坐标系、水波，经过颜色渲染和动画处理后将上述模型零件整合。

步骤1：船模型。采用放样拟合变形，分别绘制船体的前视图、侧视图和顶视图;为确定顶视图区域内的放样路径，需在此区域内绘制一条直线。单击船体前视截面图过程中，步骤分别为“几何体”“复合物体”“loft”“get path”，目的是确认该模型的种类为“放样”——loft;再单击顶视图中的路径，即可构建小船的初步外形。

通过修改面板菜单下拟合对话框中的操作，可实现约束模型侧视图的功能。在拟合面板中按序单击“显示X、Y、Z轴”“获取图形”“船体各视图”“生成路径”，最后约束船模型的三视图外形。重叠放置效果的实现则需要考虑小船复制缩小后的状态是否与原模型吻合，吻合度越高的模型建构，才越有利于舱内空间的运算构建，需要考虑到布尔运算这一方法;调整细节时，模型布线趋于科学合理化为好，即所有节点进行精加工，前提是将已实现的船体转化为可编辑的多边形，节点处理的流畅度越高，模型整体越精巧美观。侧视图区域内还需绘制一条船体龙骨，此为挤出船模型的关键。

步骤2：人模型。人物建模采用多边形建模，通过多边形变形组合成一个简单的人物模型，再对其渲染上色，增加模型的生动性。选取2015年在中国上映的《小黄人大眼萌》主人公小黄人造型作为人模型，以生动活泼的造型改变按部就班的简易人模型，以此点燃学生的学习热情，也为整个人船模型增添灵动性。

从二维到三维转变的过程中会遇到许多问题。从内部因素考虑，首先，运用多边形建模，在选择面片挤压、面片缩放时，二者皆会造成当前模型变形的问题;其次，制作放样模型环节，单击fit键，在Fit Deformation窗口中却无法找到样条线。从外部因素考虑，在已有的教学资源基础上还存在诸多的约束性，需要衡量教师软件操作与应用技能是否达到一定的标准。李静在《高中生物学三维教学动画的制作与应用研究》中针对3d Max动画操作困难方面也提出，相关人员可通过参与技术培训来增强软件操作能力和熟练程度，这样的外显约束条件是本课题研究中需要关注的问题[4]。此外，教学硬件设施的完善程度、学生的认知接受能力、网络信号通畅度等，都需要教师与学生的共同适应与相互配合，才能较好解决当前所面临的问题。

使用3d Max构建人船模型  采用上述建模方法，在3d Max操作界面中打开已储存的船模型文件，找到当前需要合并的人物模型，点击确定需要导入的模型，再将两个模型导入至一个场景中，合并得到此次探究的预期模型。在原有模型的基础上实现蓝色水波的效果，颜色基调清秀爽朗，大大提高整个场景的真实性与耐看性。人船模型经典案例：设定条件为不计水对船的阻力，人和船静止于水面上;人最先处于船头，当人从船头走到船尾时，人和船相对于水面的位移变化情况，阐明在水平方向或竖直方向上动量守恒。3d Max经典人船模型如图1所示，在3d Max模型中人和船的位移分别发生直观变化。对比左右两张图，左图由一定质量的人和船两个物体构成一个系统，处于船头位置;右图显示该系统在人和船的相互作用下走至船尾，从坐标中得出在水平方向移动的距离。两图模型皆表示运动过程中受到的合外力为零，从而验证动量守恒，简记为ΔP1=-ΔP2。如图1所示，教师打开3d Max原文件，三维模型展示效果简洁明了。

4 拓展式教学策略设计

打破二维坐标画图及板书固有的授课形式，运用3d Max人船模型将现代化信息资源与课堂相联系，教师端需要预先安装此软件，安装成功后，需要熟悉该软件的基本操作，掌握其基础应用功能。除经典人船模型外，教学中可利用该软件拓展构建人船模型变形案例，供学生深度学习探究。教师在设计教学系统时，还需要一套可行的教学手段和教学思路，如图2所示。

1）打开模型文件，根据教学活动目标与学生的学习需求，让学生视觉适应3d Max人船模型，拓展到涵盖或涉及的理论。

2）根据学生特征分析，制定个性化拓展教学活动时应以学生已有的认知能力为基准点，按学生认知能力梯度，引导学生从“已知到应知再到怎知”这样具有层次感地解读3d Max人船模型。

3）教师需要牢牢把握动量守恒知识点的学习情景与任务的关键，对动量守恒知识点或相关教材进行关联性解读，强化学生知识体系，打造具有独特教学风格与认知品位的课堂。

4）实现以优带良的分组式教学模式，学生的学习方式从场依存型逐渐转变为场独立型，完成模型解读，启发学生拓展联想能力。

5）高效利用教学媒体与资源，二维模式的教学拓展到3d Max动态行径，需要与教育技术深度融合，教师要不断探究，基于现有的教学资源，使教学软硬件利用率不断提高。

6）教师及时对教学事件及教学过程进行评价，并对教学過程感悟与收获及时反思，必要条件下追踪观察学生“动量守恒”知识点吸收情况、“人船模型”拓展思维是否形成、三维目标的实现是否有准确的把握。

7）师生在教与学中相促进、共成长，最终实现知识与技能、过程与方法、情感态度与价值目标三方面的进一步拓展升华，满足教师教学需要，满足学生学习需求。

5 结语

本文主要将3d Max建模技术运用于物理“人船模型”教学中，在教学活动中采用拓展式教学。3d Max建模技术与教学相结合，通过“人船模型”的典型例题引入三维动画，在感知心理学的研究范围中，已经证明人对图像视频的感知速度远远大于对复杂文字信息的感知速度，提高学生对模型的认识和构想能力。在掌握技术后，教师可变换不同场景对不同“人船模型”习题运用三维物理模型进行拓展式教学，解决学生对物理人船模型运动过程难以构造成像的疑难，提高师生课堂参与度，有效培养学生的核心素养，同时提高学生独立自主审视问题、解决实质性问题的逻辑思考能力。

参考文献

[1]周丽萍，郭云东.拓展式教学研究的主要内容、问题与对策[J].技术与市场，2017（9）：306-307.

[2]方泽，基于合作学习的小学3D建模教学模式研究[D].济南：山东师范大学，2019.

[3]周丽萍，郭云东.物理实验中的拓展式教学探究：以汞光谱色散实验为例[J].内江师范学院学报，2017（10）：122-124.

[4]李静，高中生物学三维教学动画的制作与应用研究：以人教版必修二为例[D].西安：陕西师范大学，2017.