（教育技术学专业论文）车辆防御性驾驶培训中的三维教学动画设计研究.pdf

摘要 随着经济的快速发展，我国家庭机动车辆和驾驶员数量r 益增加，同时伴随 着交通事故的发生率高企，提高驾驶员的驾驶素养成为一个迫切需要解决的问 题，其中包括提高驾驶员的防御性驾驶( 指在驾驶过程中对可能发生的危险尽早 采取防御措施) 的意识和技能。很多驾驶培训机构已经将防御性驾驶培0 1 1 y u 为必 修课，在这类培训中，如何使学习者更容易理解驾驶过程中可能出现的危险源和 相应的防御技能，是一个需要解决的关键问题。 三维动画具有的模拟性、视觉逼真性，能够为学习者提供真实的环境，把它 应用于车辆防御性驾驶培训中，能让学习者在虚拟现实的环境中认识驾驶过程中 可能出现的危险源，更简易地学会防御。 本文以相关学习理论和视觉心理学理论为指导，研究车辆防御性驾驶培训中 三维教学动画的设计与制作，完成了认识内轮差和视觉盲区的教学动画研制，分 析了影响动画教学效果的因素，提出了设计时应注意的原则，以及制作中的关键 技术与技巧。 关键词：防御性驾驶，三维教学动画，动画设计，3 d sm a x 论文类型：应用研究 a b s t r a c t w i t ht h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h en u m b e ro fm o t o rv e h i c l ea n dd r i v e r s i si n c r e a s i n gi nc h i n a ，a c c o m p a n i e db yah i g hr a t eo ft r a f f i ca c c i d e n t so c c u r r e d ， i m p r o v i n g t h ed r i v e r sd r i v el i t e r a c yh a sb e c o m ea p r o b l e mn e e d e dt os o l v e ，i n c l u d i n g i m p r o v i n g t h ea w a r e n e s sa n ds k i l l so ft h ed r i v e r sd e f e n s i v ed r i v i n g ( d e f e n s i v ed r i v i n g m e a n st a k i n gd e f e n s i v em e a s u r e sa ss o o na sp o s s i b l eo nt h ep o s s i b l er i s ki nt h e d r i v i n gp r o c e s s ) t h et r a i n i n go fd e f e n s i v ed r i v i n gh a sb e a m e dar e q u i r e dc o u r s ei n m a n yt r a i n i n gi n s t i t u t i o n s ，h o wt om a k et h el e a r n e r se a s i e rt ou n d e r s t a n dt h ed a n g e ro f p o s s i b l es o u r c e sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gd e f e n s i v es k i l l si sak e yi s s u et ob er e s o l v e di n s u c ht r a i n i n g t h et h r e e - d i m e n s i o n a la n i m a t i o nw h i c hh a st h es i m u l a t i o na n dv i s u a lf i d e l i t yc a n p r o v i d ear e a le n v i r o n m e n tf o rl e a r n e r s a p p l i n gt h e3 da n i m a t i o ni nt h ed e f e n s i v e d r i v i n gt r a i n i n g , i tc a nm a k et h el e a r n e ru n d e r s t a n dh a z a r d sw h i c hm a yo c c u ri n d r i v i n gi nar e a le n v i r o n m e n t ，m a k i n gt h el e a r n e r se a s i e rt ol e a r nd e f e n s e t h i sa r t i c l er e l a t e st ol e a r n i n gt h e o r ya n dp s y c h o l o g i c a lt h e o r yo fv i s u a lg u i d a n c e ， r e s e a r c h e s t h ed e s i g na n dp r o d u c t i o no ft h r e e - d i m e n s i o n a la n i m a t i o nf o rv e h i c l e d e f e n s i v ed r i v i n g , c o m p l e t e dt h et e a c h i n ga n i m a t i o no ft h ed i f f e r e n c eo fr a d i u s b e t w e e ni n n e rw h e e la n db l i n dv i s i o n t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h ef a c t o ro fa f f e c t i n gt h e e f f e c to fa n i m a t i o nf o rt e a c h i n g ，p r o p o s i n gt h ep r i n c i p l e ss h o u l dp a ya t t e n t i o nw h e n d e s i g n i n ga n dk e yt e c h n i c a la n dp r o d u c t i o ns k i l l s k e y w o r d s ：d e f e n s i v ed r i v i n g ，3 da n i m a t i o nf o rt e a c h i n ga n dl e a r n i n g ，a n i m a t i o n d e s i g n ；3 d sm a x p a p e rt y p e ：a p p l i c a t i o ns t u d y 图目录 图3 1 教学设计与动画创作关系1 6 图3 - 2 场景中架设的灯光2 7 图4 - 13 d sm a x 界面图：2 9 图睨内轮差示意图3 1 图钙道路模型3 3 图“摩托车模型3 3 图钙场景模型3 4 图拍道路模型3 5 图钉卡车从远处驶来3 7 图锚卡车减速转弯3 7 图们卡车接着减速转弯，摩托车停止等待卡车转弯3 8 图4 - 1 0 发生交通事故3 图4 - 1 1 卡车行驶回放，显示卡车前后轮行驶轨迹3 9 图4 - 1 2 指出内轮差区域3 9 图4 - 1 3 场景中架设的灯光j 4 1 图4 - 1 4 摩托车正驶过十字路口4 3 图4 - 1 5 摩托车与小汽车发生碰撞4 3 图4 - 1 6 摩托车驶向十字路口4 4 图4 - 1 7 绿灯转为黄灯4 4 图4 - 1 8 小汽车司机可观察到的范围4 5 图4 - 1 9 摩托车进入小汽车的视觉盲区4 5 图4 2 0 摩托车和小汽车发生碰撞4 6 图5 1 成果截图4 9 上海师范大学硕十学位论文论文独创性声明 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表 示了谢意。 作者签名：瑚艮喜鬼日期： 洳m 咀- = 旁) 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：糨导师签名：苣安秀 日期舢n 乏 上海师范大学硕士学位论文 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 选题背景 随着经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，机动车辆开始逐渐进入人 们的家庭，驾驶员队伍日益强大。交通事故成为社会的一个重大问题。驾驶员能 否安全行车，能否防止交通事故的发生，与驾驶员的驾驶素养的好坏关系很大。 如何提高驾驶员的驾驶素养是一个迫切需要解决的问题。很多车辆驾驶培训机 构，主要侧重于技术性驾驶培训，但是仅仅技术还不够，关键的是应该培养驾驶 过程中，应该有防御性意识。培养驾驶员防御性意识，需要让驾驶员明白在在驾 驶的过程中需要如何去预防交通事故的发生。但是作为车辆的防御性驾驶，并不 是交通事故分析，是未雨绸缪。如何让驾驶者很好的认识并防范交通事故的发生 呢? 这是一个需要解决的问题。如果可以让驾驶过程中可能出现的危险呈现在驾 驶者的面前，这样会很有效地帮助驾驶员培养防御性驾驶素养。采取什么样的方 式去呈现呢? 怎么样去呈现呢? 如何去设计呢? 这些都是需要研究解决的问题。 1 2 三维教学动画的设计现状 1 2 1 三维教学动画定义 三维教学动画是以相关教学理论、学习理论为指导，应用到教学、学习中的 三维动画。从用户与动画进行交互的程度分，三维教学动画分为视频类三维教学 动画和交互类三维教学动画。视频类三维教学动画，学习者只能根据需要进行暂 停、播放、快放和慢放等，但不能在动画的过程中改变观看角度、改变动画的顺 序等。交互类三维教学动画，学习者可以通过键盘或鼠标与动画里的物体互动。 本文所提到的动画是“视频类三维教学动画 。 1 2 2 三维教学动画的应用需求 三维教学动画已经在医疗、军事、科普上应用非常的广泛，例如微孔载药 冠脉支架三维教学动画，该动画采用3 d 动画技术形象表达了微孔载药冠脉支 架的工作原理，使人们直接清晰地了解到支架在人体内工作的全过程，有助于患 者配合治疗，并帮助医生和医学生直观学习、提高专业素养。三维教学动画因其 第1 章绪论上海师范大学硕十学位论文 形象直观、表现力丰富深受教师和学习者喜爱。对于学习者而言，不仅可以提高 学习者的学习兴趣，还可以帮助学习者更好地理解学习内容；对于教师而言，三 维教学动画解决了有些用其他教学辅助手段不易解决的问题。 1 2 3 三维教学动画设计现状 笔者在收集三维教学动画的过程中，以及分析这些三维教学动画发现，现有 的三维教学动画相对较少，并且设计制作水平参差不齐，主要存在以下这些问题： ( 1 ) 三维教学动画的教学设计存在缺陷 用于教学的三维动画，首先必须考虑其教学价值或助学效果。有些动画对教 学需求没有进行有效分析，滥用仿真模拟，浪费资源，甚至干扰或阻碍学习者抽 象思维智能的培养；有些动画仅局限于过程的模拟，虽然能帮助学习者观察了解 这些过程中的现象，但无助于对其内在机理的理解；有的动画呈现学习内容的序 列设计不够合理，会增加学习者的认知负荷，从而影响学习者的认知加工和意义 建构。 ( 2 ) - 维教学动画在制作上的缺陷 三维教学动画是集教育性、艺术性于一体的教学资源，美观的画面能够激发 学习者学习的兴趣，使学习者更容易进入学习状态。有些动画制作粗糙，色彩设 计不合理，模型不规范，画面布局不恰当，清晰度不足，或者动态过程生硬、不 流畅，速度节奏不当等等，都会导致种种不良视觉效果，直接影响学习者的收看 欲望和学习效果；有些教学动画追求画面的绚丽，使学习者将过多的注意力集中 于画面的观赏，干扰了学习内容的认知加工。 1 3 研究的目的和意义 本研究通过对车辆防御性驾驶培训中所需教学动画的设计与制作实践，探索 三维教学动画在研制过程中怎样避免上文所述问题的产生，及怎样恰当地应用三 维技术才能真正发挥它的助学作用等问题，总结三维教学动画的设计制作要素和 原则，为更多优秀教学动画的涌现抛砖引玉。同时对提高车辆防御性驾驶培训的 质量和效率，从而促进交通安全具有现实意义。 上海师范大学硕十学位论文第l 章绪论 1 4 研究思路及研究方法 1 4 1 研究思路 通过查阅大量的资料，深入分析车辆防御性驾驶培训的教学内容和教学需 求，确定需要研制的教学动画的主题，应用相关学习理论指导设计和制作实践， 并总结应遵循的设计思路和设计原则，以及在制作过程中的技术要素。 1 4 2 研究方法 在本文中主要采用了文献研究法、访谈调查法。 文献研究法 文献研究法，是研究者最常用的一种研究方法。文献是人们在长期实践过程 中积累起来的研究成果，通过查阅文献可以了解他人在相关领域的研究成果，以 扩大眼界、启迪思维，避免重复劳动。在确定了研究主题后，笔者查阅了大量 与研究相关的资料：杂志、图书、期刊、硕博士论文、视频等，结合自己的研究 主题和实践开展了自己的研究。文献主要的内容包括：三维教学动画方面的文献、 学习理论方面的文献、车辆防御性驾驶方面的文献、多媒体设计制作方面的文献、 3 d sm a x 制作软件方面的文献等。 访谈调查法 调查研究法是在科学方法论和教育理论的指导下，通过运用问卷、访谈、测 量等科学方式，有目的、有计划地搜集有关教育问题或教育现状的资料，从而获 得关于教育现象的科学事实，并形成关于教育现象的科学认识的一种研究方法 。笔者通过对驾驶培训机构的一线驾驶教练的访谈，了解三维教学动画的需求， 以及在教学中遇到的问题；与一起制作车辆防御性驾驶视频教程的合作者和相关 专家深入沟通如何将三维动画与教学结合起来；与驾驶员的访谈，了解驾驶员对 车辆防御性驾驶的了解应用程度。 1 5 文章结构 本文一共分为五章： 第一章，主要阐述本文的研究背景及其研究目的和意义。并指出了在本文的 林清丽基于认知负荷理论的三维教学动画设计嗍上海：上海师范大学教育技术系，2 0 0 7 h t t p ：w w w y h e d u c o m c m s d a t a h t m l d o c 2 0 0 3 - 1 2 1 1 2 5 8 3 6 i n d e x h t m l 第1 章绪论 上海师范大学硕士学位论文 写作过程中采用的研究方法。 第二章，主要阐述了本文研究综述以及理论基础。详细的介绍了什么是防御 性驾驶，防御性驾驶培训中遇到的主要问题，相关的理论基础以及制作三维教学 动画的关键技术 第三章，三维教学动画的设计。简要阐述了三维动画的特点、三维动画设计 的影响因素、制作流程以及三维教学动画的设计过程。 第四章，防御性驾驶培训中所需的两个三维教学动画案例的设计与制作。在 第二章和第三章的基础上，针对防御性驾驶培训中的需求，进行两个三维教学动 画案例的设计制作。 第五章，总结与展望。对本文的创新点和成果做了总结，提出不足以及今后 的展望。 一4 一 上海师范大学硕士学位论文第2 章研究综述以及理论基础 第2 章研究综述以及理论基础 2 1 防御性驾驶 车辆是由驾驶员操作行驶在道路上，交通发生意外事故与车辆和驾驶员自身 是不开的。由于驾驶员认知错误或操作错误均可能导致交通事故意外发生。根据 国内外文献研究统计表明，交通事故的发生绝大多数是由于驾驶员人为疏忽造成 的，这类人为疏忽的与驾驶员车辆驾驶技术直接相关，换句话说，大多数交通事 故的发生是可以由预防而避免发生的。驾驶员主动防御交通事故的发生，就是本 文中提及的防御性驾驶。 2 1 1 车辆防御性驾驶简介 防御性驾驶强调的是以人的认知为主轴的用路概念，驾驶员不仅要注意驾驶 环境状况，更应从目视、耳听的察觉，积极主动地进一步预测接下来可能发生意 外的情境，进而采取相关的必要措施防止交通事故的发生的一种驾驶行为。 常见的车辆防御性驾驶包括驾驶前准备，驾驶过程中可能发生的交通事故的 预判。驾驶前要对车辆做详细的检查，比如车辆的刹车灵不灵，照射灯是否有问 题等等。通过对车辆的检查避免因车辆本身的问题发生交通事故。在驾驶的过程 中，一定要眼观六路耳听八方，对可能发生的危险严密关注。最有效的防御性驾 驶是减速，再减速。当速度很低的时候，驾驶员本身可以有更多的时间去准备应 对险情，即使发生了事故由于车速慢，受到的伤害也会降低很多。不同的车辆、 不同的环境可能发生的危险是不同的。就以二轮摩托车为例，当行驶在城市街道 的时候，驶过有停放的车辆的时候，这时候要减速，防止停放的车辆突然打开车 门发生意外。二轮车辆行驶到有十字路口的时候，要注意进入其他车辆的视觉盲 区，要注意进入大卡车的内轮差区域等等。 2 1 2 车辆防御性驾驶目的 防御性驾驶是一种预测危险、进而远离危险的种驾驶哲学。防御性驾驶不 仅要求自身车辆避免造成危险，同时还要主动的去发现其他车辆可能会造成的危 险源并积极的避免危险。这样不仅使自身避免了引起危险，对于因他人的引起的 危险也能由预判而避免涉入其可能导致的危险。防御性驾驶不仅是安全自己，也 第2 章研究综述以及理论基础上海师范大学硕士学位论文 是安全他人，如果每个人都有防御性驾驶的意识，交通事故将会很少发生。 防御性驾驶，并不是技巧性驾驶，而是为了防止事故的发生进行，对可能发 生交通事故的情形做出预判，并积极的去避让。防御性驾驶和真正的学习驾驶技 术不一样，后者是摸得着，看的见的，可以亲身体会的到。但是防御性驾驶对于 可能产生的危险源，也只是进行预判，然后避免。那么在培训教学的过程中，如 何去合理呈现这可能发生的危险源，让驾驶者认识并进而去避免呢? 这正是本文 研究三维教学动画在车辆防御性驾驶培训上应用的意义所在。 2 2 理论基础 2 2 1 戴尔的经验之塔理论的指导意义 戴尔的经验之塔理论是由美国教育学家戴尔在1 9 4 6 年出版的视听教学法 中被正式提出来的。该理论将人获取的各种经验分为三类，分别是直接的经验、 间接的经验、抽象的经验。直接的经验是间接的应验和间接的经验的基础，人在 学习的过程中总是从直接的经验最终上升到抽象的经验。连接最底层和最高层的 经验之间是间接的经验。戴尔认为直接从直接的经验上升到抽象的经验比较困 难，这时需要间接的经验作为桥梁，以便帮助学习者顺利的过渡到抽象的经 验。戴尔的经验之塔理论中提及到的间接经验主要有广播、录音、照片、幻灯、 电影、电视、参观展览、见习、旅行、观摩示范。其中视听媒体起到了非常重 要的作用，不仅能为学习者提供必要的感性材料，容易理解和记忆，又便于借助 于解说从具体的画面上升到抽象的概念和理论，是有效的学习手段。 根据戴尔经验之塔理论，作观摩演示用的动画要突出重点难点，角色动作要 准确传达意图，动画创意要符合认知规律，防止对学生造成错误的导向。场景和 道具要适合特定教学内容。在设计制作中模拟实际学习生活环境，可以帮助学生 很快地进入学习氛围，并获得知识的积累。 2 2 2 建构主义理论 建构主义( c o n s t r i l c t i o n i s m ) 是认知心理学派中的一个分支，是行为主义发展到 认知主义以后的进一步发展。建构主义提出了学习环境中四大要素：情景、协作、 冉位游戏化教育软件中三维动画的研究与实现【d 】i t 1 1 1 四川师范大学教育技术学，2 0 0 8 6 一 上海师范大学硕士学位论文 第2 章研究综述以及理论基础 对话、意义建构。其中，学习环境中的情景必须有利于学习者对所学内容的意义 建构，也就是说在建构主义学习环境中教学设计要考虑到有利于学习者建构意义 的情景的创设问题。建构主义认为，学习总是与一定的社会文化背景想联系的， 在实际情景下进行学习，可以使学习者利用原有认知结构中的有关经验去同化当 前学习到的知识。因此，基于建构主义理论创设的情景要尽可能真实，这是因为 真实不仅拥有认知上的价值，更在于真实的情景最接近学习者的生活体验，能调 动学习者全部的感受力和过去生活得来的经验去探讨和发现问题。在某种意义 上，情景创设的真实性的程度也决定了学习者对学习主体认知和意义建构的程 度。 2 2 3 认知负荷理论 认知负荷理论是由澳大利亚教育心理学家j o h ns w e l l e r 等人在2 0 世纪8 0 年 代提出来的，其关注学习者在学习过程中产生的认知负荷，研究如何通过教学设 计优化总的认知负荷，从而促进学习者学习。认知负荷理论的理论基础主要是工 作记忆有限加工容量的假设和图式理论。认知负荷理论认为：学习是一个复杂的 认知加工过程，主要发生在工作记忆中，而工作记忆的容量是有限的，它只能同 时处理5 到9 个信息块，学习者能否有效学习受着工作记忆容量的限制。当学习 活动所需的认知资源超过了学习工作的记忆容量，就会引起认知资源的分配不 均，学习者很难同时加工多种来源的信息，从而影响学习者进行有意义建构。认 知负荷理论的另一个理论基础是图式理论。一个图式可以存贮大量的信息，知识 正是以图式的方式存储于长时记忆的。在不断的学习过程中，学习者利用长时记 忆中的图式对信息加工、整合，从而增大了每个信息块的信息量，减少了信息块 的块数，这样就利于弥补工作记忆容量有限的缺陷。 s w e l l e r 认为认知负荷主要有三类：内在认知负荷理论、外在认知负荷理 论和相关认知负荷理论。 ( 1 ) 内在认知负荷是由学习内容和学习者二者共同决定的。学习内容的所 包含的智力复杂程度不同，认知负荷不同。当学习者的专业技能水平一定时，若 学习内容难度较低时，学习者认知加工时，需要的工作记忆资源较少，内在认知 负荷就低。若学习内容难度较高时，学习者的工作记忆需要同时处理的信息块就 多，内在认知负荷就高。内在认知负荷还与学习者相关，同样的学习内容，对于 第2 章研究综述以及理论基础 上海师范大学硕七学位论文 不同的学习者产生的内在认知负荷是不同的，对专业知识技能水平高的学习者， 由于已经获得了同化学习内容中的元素的自动化的图式，认知加工时，需要的工 作记忆就少，从而产生较少的认知负荷；而对于专业知识技能水平不高的学习者， 在认知加工时，需要关注学习内容中更多的不同的元素，这样需要的工作记忆就 多，从而产生较多的认知负荷。学习者学习时产生认知负荷是不可避免的，我们 需要做的就是通过良好的教学设计来有效地降低内在认知负荷。 ( 2 ) 外在认知负荷与学习内容的组织和呈现方式有关。不恰当的学习内容 组织和呈现会使学习者花费精力去从事与图式或自动化没有直接关系的活动，从 而产生外在认知负荷。不合理的教学设计会占用有限的认知资源从而干扰学习， 增加外在认知负荷。由于外在认知负荷是由不良的教学设计引起来的，所以在组 织和呈现学习内容时要合理设计，尽量减少外在认知负荷对学习的干扰。这里需 要注意的是，对于内在认知负荷高的情况下研究外在认知负荷具有较高的价值。 因为，内在认知负荷较低时，一般情况下，总的认知负荷不会超过工作记忆，学 习者进行学习活动可以顺利进行。当内在认知负荷较高时，减少外在认知负荷的 教学设计才会更有效。 ( 3 ) 相关认知负荷 相关认知负荷是指学习者将工作记忆能量投入更深层的图式建构和存储，以 及对学习活动的监控和对学习策略关注时产生的认知负荷。虽然这样的认知加工 增加了学习者工作记忆的认知负荷，它促进了学习者进行深加工，这样反而会促 进学习的。相关认知负荷也是由于教学设计引起的。教学设计的本质就是由外在 认知负荷向相关认知负荷转变，增加学习者相关认知负荷，当然必须的保证在学 习者的记忆容量范围之内。 在学习者学习的过程中，这三种认知负荷理论是共同存在的，他们是一种相 加的关系。但三者相加的结果不能超过学习者记忆工作容量，否则就会造成认知 负荷超载。为了获得高效的认知，总的认知负荷在学习者的工作记忆容量范围之 内，应最大限度地降低内在认知负荷和外在认知负荷，减少对学习的干扰，于此 同时，应增加相关认知负荷优化促进学习。 一8 一 上海师范大学硕十学位论文第2 章研究综述以及理论基础 2 2 4 视觉心理学理论与三维教学动画 视觉心理学是在格式塔心理学的基础上发展起来的。人们通过各种感官来感 知事物的，根据有关调查显示，各种感官获取的信息有8 3 是来自视觉。格式塔 心理学认为虽然知觉经验来自外在刺激，各个刺激可能是分散的，但是人们得到 的直觉却是有组织的整体。那是因为外在的各个刺激是相互作用，大脑会根据以 往的经验将这些外在刺激进行最优组合，进而构造成整体的。这种组合很有可能 来自真实世界中某个物体的有关方面，所以在三维教学动画里面的模型应参考我 们现实生活中的环境。 在视觉认知上，人类接收外界的信息首先就要对所知觉的事物产生注意。所 以在三维教学动画设计的时候要充分考虑如何引起学习者的注意，根据预期的教 学目标合理设计，使学习者接受信息并主动认知加工从而达到教学目的。 视觉心理学对三维教学动画模拟的艺术设计也有着指导作用。通过对学习内 容合理设计呈现，如利用文字提示，化静为动等方式，刺激学习者以引起他们的 注意，让学习者积极主动参与学习。但是在制作的过程中不能一味的追求技术和 好看的效果，应该简洁呈现，防止增加学习者的外在认知负荷，分散学习者的注 意力。在不同的场景也可以采用不同的空间结构和不同的色彩以改变学习者的视 觉环境。 2 3 三维教学动画创作的关键技术和相关术语简介 三维动画制作的流程包括前期策划、编写动画剧本、进行美术设计( 场景设 计、角色设计) 、场景及角色建模、设置动画、架设灯光以及材质贴图、渲染输 出、后期编辑等过程。在制作三维教学动画的过程中主要涉及到三个关键技术， 他们分别是建模技术、动画技术和渲染技术。在本文中我们主要使用的3 d sm a x 这款软件制作三维教学动画，因此以上三种关键技术根据3 d sm a x 展开阐述。 2 3 1 建模技术 建模是指在三维场景中创建二维或三维模型。模型是三维场景的主体，没有 优质的模型，所有的效果都无从谈起。三维模型是由点、线、面组成的，建模方 法主要有四类，分别是：参数化几何体与样条曲线建模、复合对象建模、表面细 分建模、p a t c h 与n u r b s 高级建模等。在本文中主要用到以下常见的建模方法： 第2 章研究综述以及理论基础上海师范大学硕+ 学位论文 2 3 1 1 创建和编辑参数化几何体 3 d sm a x 提供了标准几何体、扩展几何体、建筑专用模型等内置的参数化几 何模型，我们可以通过参数设置和调整直接创建，这是3 d sm a x 中最基本、最简 单的建模方法。同时通过对内置模型的编辑，可以形成各种非常复杂的模型。 2 3 1 2 二维图形建模 二维图形建模是指由任意样条曲线和规则几何图形组成的曲线图形，通过编 辑修改器形成三维模型。另一方面样条线可以作为动画的路径，也可以作为放样 建模和n u r b s 建模所需要的元素。二维图形建模中最常用的是挤压建模、车削 建模。 ( 1 ) 挤压建模 挤压建模是先用二维图形画出剖面图，然后让其延法线方向伸展从而生成三 维物体。这种模型的特点是横截面保持不变，厚度是可以调整的； ( 2 ) 车削建模 现实生活中很多物体都是轴对称的物体或者部分结构是轴对称的，比如柱 子、玻璃杯、饮料瓶等等。在3 d sm a x 里就是用车削建模的方式来完成的，车削 建模的思路就是首先在二维空间利用样条线画出剖面图，然后为其添加车削修改 器，设置相应的参数。该修改器可以让剖面图沿着指定的中心轴旋转，从而生成 一个对称的三维模型。 2 3 1 3 复合对象建模 复合物体是指各种建模类型的组合形体。或者说把已有的三维物体组合成新 的三维物体。复合物体生成的方法有变形、连接、布尔、形体合并、放样等。最 常用的两个复合对象建模方法是布尔建模和放样建模。 ( 1 ) 布尔建模 布尔建模就是对两个或多个相交的物体通过布尔运算，删除原物体的某些局 部，合并余下部分而生成另一个新物体。布尔运算有差、并、交集运算。 ( 2 ) 放样建模横截面 放样建模是把一个或多个横截面沿着制定的路径排列，连接这些横截面的轮 廓而生成三维物体。其基本元素是路径和截面图形。在放样的过程中通过路径和 截面图形的变化可以生成复杂的模型，在三维造型中应用十分广泛。 上海师范大学硕士学位论文第2 章研究综述以及理论基础 2 3 1 4 高级建模级建模 在3 d sm a x 里常见的有四种高级建模技术：网格或多边形建模、面片建模、 n u r b s 建模。在本文中主要运用到多边形建模。 多边形建模是一种很常用的建模方式，几乎所有的物体都可以转换成可编辑 多边形。通过对它的点、线、面的编辑得到任意模型，适合创建形状复杂的模型， 但对空间控制能力要求较高。 2 3 1 5 置换贴图建模 这是一种特殊的建模方法，它是通过对物体表面进行置换贴图达到建模的效 果，它以图片的灰度为依据，模型上对应图片亮度值越高的部分凸起程度越高， 而对应图片黑色的部分不凸起。这样大大简化了复杂模型的建模。 不论是采用哪种建模方法，一定要注意模型点面数，在不影响模型视觉效果 的情况下，要尽量减少点面数，因为点面数越多会导致计算量急剧增大，甚至无 法运行。通常情况下为了尽量减少点面数我们可以采用如下方法： 做简模 删除看不见的面 在建立模型时，为了提高贴图的利用率，为了降低点面数，看不见的地方可 以删除 对于复杂的造型，可以用贴图或实景照片来替代建模。 为了得到更好的效果与更高效的运行速度，可以用面片替代复杂的模型， 然后靠贴图来表现复杂的结构。 2 3 2 动画制作技术 在三维场景中，所有的物体几乎都可以设置为动画。3 d sm a x 提供了很多工 具用于帮助设置场景动画。制作动画的种类有：变换动画、变形动画、角色动画、 粒子系统动画、动力学模拟动画、摄像机动画等。下面是几种常见的动画： ( 1 ) 变换动画 变换动画是指对三维场景中物体进行移动、缩放、旋转的几何变换操作，从 而产生的动画效果。这类动画的一个显著特点就是物体的形状没有发生变化，仅 仅是物体的大小和在场景中的相对位置发生了变换。制作变换动画一般采用关键 第2 章研究综述以及理论基础上海师范大学硕士学位论文 帧技术设置动画，通过在不同时间点上，对物体分别进行不同的变换操作，并记 录下来，最后由电脑计算生成动画。 ( 2 ) 粒子系统 在现实中，我们常常会看到烟雾、喷泉、雨水、云彩、泡沫等等，这些现象 的共同特点是体积很小，形状相似，数量很多，形态一直在变化，用常规的建模 然后为其设置动画的方法不易实现。3 d sm a x 提供了粒子系统，一个粒子系统里 可以设置任意数量形状、行为相似，但仍有细小差别的微小对象。制作者正是通 过调整粒子系统的相应控制参数，如生命周期、运动轨迹、初始速度等参数，系 统自动生成动画，这里不需要几何造型，而是利用系统提供的的各种粒子类型。 这样就弥补了传统动画难以模拟复杂自然现象的缺陷。 ( 3 ) 角色动画 角色动画主要指的是人物或动物动画，是三维制作中的核心技术。生物体不 仅形状不规则，而且要随着运动而变形。能够制作精彩的角色动画是每一个动画 制作人的理想和奋斗目标，3 d sm a x 系统为制作者提供了角色动画系统c h a r a c t e r s t u d i o ，c h a r a c t e rs t u d i o 为制作三维角色动画提供专业的工具，使制作者能够快速 而轻松地为角色添加骨骼及创建整套的动画控制装备。c h a r a c t e rs t u d i o 包含三个 组件。b i p e d 、p h y s i q u e 和群组。 ( 4 ) 动力学模拟 动力学模拟是通过动力学控件为模型赋予物理属性( 如质量、弹性系数、摩 擦系数等) ，并通过设置风或重力、浮力、旋转力矩等来模拟物体的动力学现象， 获得符合物理规律的逼真动画。 ( 5 ) 摄像机动画 摄像机动画又称镜头动画，是利用系统提供的摄像机，通过设置其位置或各 种参数( 如焦距) 的改变使镜头画面发生改变，从而产生动画的效果。摄像机轨 迹的变化可以通过关键帧技术为其设置，也可以将其绑定在物体上实现路径动 画。 2 3 3 渲染技术 渲染是指将三维数据生成二维图像的过程。在三维场景建好以后，利用软件 提供的渲染算法，将所设置的灯光、所应用的材质，以及环境设置等对模型产生 上海师范人学硕十学位论文 第2 章研究综述以及理论基础 的视觉效果进行整合计算，输出为影像。渲染的时候制作者可以“渲染类型 任 意指定将要渲染场景的部分，提高工作效率。3 d sm a x 自身带了两个渲染器： 默认扫描线渲染器和m e n t a lr a y 渲染器。这两渲染器比较起来后者更为强大些， 主要因为m e n t a lr a y 使制作者不用“手工 而通过光能传递来模拟复杂的间接照 明效果。现在3 d sm a x 2 0 1 0 已经将m e n t a lr a y 设黄为默认的渲染器。除了上述系 统自带的2 个渲染器，3 d sm a x 还支持其他的渲染器，如巴西渲染器、v r a y 渲染 器、f i n a l r e n d e r 渲染器等等。它们各有千秋，譬如现在气势如日中天的v r a y 渲 染器，其渲染单帧效果图比较好，但是动画渲染却不如m e n t a lr a y 渲染器，因为 v r a y 渲染器不支持体积焦散；m e n t a lr a y 渲染器的材质比v r a y 渲染器的全面； v r a y 渲染器中的阴影在动画中容易闪动。 通常，要根据实际需求来选择相应的渲染器，在制作高质量的效果图时v r a y 渲染器就更好些，制作动画时选择m e n t a lr a y 渲染器就更好些。在选择好渲染后 再进行布光和设计材质，因为每个渲染器都有其自己特定的材质。渲染其实就是 3 d 意义上的“显像”，渲染能力的提高不仅要求制作者熟悉掌握软件，还要熟悉 布光、构图、光的原理、相机的设置等等，最关键的是艺术素养的提高。 第3 章三维教学动画设计上海师范大学硕十学位论文 第3 章三维教学动画的设计 3 1 三维教学动画的特点、作用 3 1 1 三维教学动画的特点 动画的产生是基于人类视觉暂留现象，是将许多有微小差异的画面连续快速 地播放使人感觉画面动了起来。动画的种类繁多，按照空间的分类，可以分为二 维和三维动画。三维动画是在计算机虚拟的三维空间中，搭建场景以及角色对象， 赋予场景及角色对象材质和贴图，设置合理的光照效果并摄像场景中对象的动画 过程，完成后由计算机生成并输出，产生三维视觉影像。三维教学动画是三维动 画的一种类型。 ( 1 ) 三维动画与二维动画的区别 二维动画的画面创作空间是二维的，主要是利用透视、遮挡等方法画出场景 的空间立体感，也就是常说的“假三维”。而三维( 3 d ) 动画是使用三维动画制 作软件来制作动画图像，是在软件提供的虚拟三维空间中完成创作的，图像的空 间透视感和光影效果等深度信息都由软件根据用户的设置准确计算的，因此可以 达到以假乱真的影像效果。并且三维动画场景里的元素可以反复使用，比如我们 在场景里创建的一辆汽车，可以随意变换位置角度，它在任意时刻的不同状态都 由程序准确计算，而不用重新创建。但是在二维动画里，物体的状态显著改变时 往往需要重新创建。 ( 2 ) 三维动画与实拍的教学类视频的区别 实拍的视频，是通过摄像机直接记录真实世界中对象的景象或运动变化过 程。而三维动画影像是人工制作的。它相对于实拍的教学视频而言，更容易根据 教学目标排除不必要的干扰信息，更容易根据实际需求通过多个镜头去表达教学 信息，而且虚拟摄像机的拍摄不会像真实摄像机那样受到很多局限。 3 1 2 三维教学动画在安全驾驶培训中的作用 ( 1 ) 情境再现 根据学习者的学习习惯，在真实的场景中更易掌握知识，要想体现真实的场 景，通过摄影机拍摄制成视频那是再好不过了，但是做为防御性驾驶教材，很多 上海师范大学硕士学位论文第3 章三维教学动画设计 突发性过程是用摄影机拍摄不到的，因此可以借助三维动画来对这些情境和过程 进行仿真模拟。 在车辆防御性驾驶培训的教学过程中，常常会有警示教育这一部分，通过剖 析已发生的交通事故，让学习者掌握安全驾驶技巧以及注意事项，起到警示作用。 交通事故是突发现象，现实中不可能通过摄像机按照教育目的拍摄素材，视频的 获取仅仅依靠马路上的架设的监视摄像头，有些路段没有摄像头就无法拍摄，真 实安全交通事故再现受到很多的局限。即使拍摄下来也仅仅是事故发生的过程， 现场的干扰信息往往远远多于有用的教学信息，分析阐释事故原因还是主要通过 言语表述，使学习者难以理解，这些都会给教学带来一定的困难。利用三维教学 动画的“虚拟真实性再现安全交通事故发生的场景、过程，可以排除各种干扰 信息，通过多个位置和角度的虚拟摄像机拍摄同一过程，便于解析事故发生的原 因，使学习者充分理解危险源，达到警示教育的目的。 ( 2 ) 抽象概念、规则的学习 安全防御性驾驶最好的防御手段就是，遵守交通规则，低速驾驶，及时避开 易发生交通事故的区域。基本驾驶培训中涉及到的概念、相关规则的掌握情况会 对后续上路的安全驾驶起到重要作用。因此，这部分内容是教学内容的重点，同 时也是难点。然而，概念、规则又常常以定义的方式呈现，抽象程度较高，枯燥 乏味，学习者文化程度参差不齐，在学习中往往感到困难。我们利用三维动画的 优势，针对学习者对概念、规则理解上可能产生的误区进行设计，直观地表达概 念和规则，帮助学习者突破思维中的难点，使受教育程度不同的学习者都能轻松 地理解和掌握。 ( 3 ) 情感态度的形成，激发学习的兴趣 三维教学动画不仅有利于帮助学习者掌握知识内容，养成科学的思维方式， 还有利于在潜移默化中影响学习者对学习的态度和良好的学习习惯，培养学习者 的自学能力。学习者最好的老师就是学习兴趣，学习兴趣是构成学习动机中最现 实、最活跃的成分，其可以促进学习者激发对学习内容的积极专研，促进学习者 自主研究。 3 2 影响三维教学动画设计的因素分析 第3 章三维教学动画设计上海师范大学硕士学位论文 3 2 1 教学设计与动画创作 三维教学动画不仅仅用于简单的仿真演示，更应该成为帮助学习者进行知识 建构的工具。所以，应以帮助学习者进行有效的认知加工为目标进行设计与制作。 下图为教学设计与动画创作的相互关系： 翌 ：too-_l-。1 ； l 教学疑谤l ；l - _ i _ _ _ _ - _ i - - _ 。i 一 辫 感 ”一”圣”“”w ? 一- - - - - - - - ，t t 一一i 一，t 。一- ，： 瓣煳1 i 倍裁上融斌1i l 役玲，f 一j 津孰 | 教学臻t , i 7 啪释 i 学露缱 分l 努鞭 勰弓 嫒毒 ；4 _ 一_ ( 薹笋裂黟 - 一。， 、”，o ， 。 ；。，j 图3 1 教学设计与动画创作关系 从图中我们可以清晰地看出教学设计与动画创作是相辅相成的，其中教学设 计是导向，动画创作是目标，教学设计的好与坏直接影响动画创作的方向。 教学设计这一大部分主要包括三个部分即：教学目标与内容分析、学习者特 征分析以及认知引导设计，前两者的分析是为后者做好铺垫。动画创作包括两个 部分即：动画剧本和分镜头剧本，动画剧本是由一个个分镜头剧本组合在一起的。 下面我们将详细阐述分析影响三维教学动画设计的内在和外在因素。 3 2 2 影响三维教学动画设计的因素分析 在上一章中，我们详细的阐述了相关教学理论，在上节中我们简单的分析了 教学设计与动画创作的相互关系，从教学设计和动画创作中的各个环节中，我们 不难得出三维教学动画在设计制作过程中应考虑的因素。 三维教学动画的最终目的是为了促进学习者进行有意义学习的。所以，三维 教学动画的设计应符合学习者的认知规律，为学习者提供思维加工的帮助，让学 习者积极有效地对学习内容进行知识加工。 上海师范大学硕士学位论文 第3 章三维教学动画设计 3 2 2 1 内在因素分析 教学设计作为动画创作的导向，自然而然学习内容、学习者是影响三维教学 动画的内在因素。是否使用三维教学动画以及如何设计三维教学动画是由学习内 容和学习者的知识水平所决定的。若学习内容对学习者没有太大的难度，学习者 完全可以自己主动加工完成知识建构，就完全没有必要使用三维教学动画予以帮 助。反之，若学习内容对学习者来说理解掌握有一定的难度，存在一定的困难， 这时我们就有必要使用良好的三维教学动画来帮助学习者。 ( 1 ) 学习内容 学习内容的种类繁多，学习者对学习内容的认知能力程度主要是由学习内容 的属性引起的。并不是所有的学习内容都适合三维教学动画予以辅助教学，那些 对于学习者在原有认知结构的基础上就容易理解的学习内容，或者学习内容包含 的信息量不是很大的时候，不需要投入较多的认知资源，这时就不是很有必要通 过三维教学动画辅助教学，