用3DS MAX制作物质结构三维动画探索.doc

用3DS MAX制作物质结构三维动画探索成都市玉林中学 刘继红用3DS MAX制作物质结构三维动画探索四川省成都市玉林中学 刘继红物质结构属于微观世界，其抽象性是它难点，传统的课堂讲解法是提高教学效果的最大障碍，就是配合一些静态模型展示其教学效果也不尽人意。而三维动画的“三维”和“动画”两点能最大限度地提高学生的学习兴趣，发展学生空间想象能力，突破教学难点。在CAI课件中，若用三维动画来模拟物质的结构、微粒间的相互转化、化学实验等都能取得很好的效果。我近年来利用DS MAX制作了近百个三维动画，积累了一些经验与同行交流。一、 用 制作物质结构三维动画的优越性、 是一个制作三维动画的专业软件，其功能强大、表现力丰富，利用其强大的功能可模拟中学化学中几乎所有的物质结构及微粒间的各种变化过程。、 用三维动画模拟微粒的变形、放缩、透明度变化以及展示物质结构中的每一个细节等都是常规模型无法取代的。、 所制得的动画可渲染成动画或等格式的图片文件，这些文件有很强的通用性，极易供其它课件设计软件调用。二、 选题及动画设计根据中学化学物质结构的教学需要，结合 软件的特点，我选择了如下知识点设计成动画脚本。序号分类选题动画设计（要点）1原子结构部分原子的结构球体经旋转分割开，可见大球体的中心有由几个小球体聚在一起形成的原子核。电子云的概念在一小球体周围有云雾状物质，要求云雾状物有明显的动感。电子云及伸展方向三个纺锤形物体在空间、三个方向逐渐聚集在一起，然后进行整体旋转。电子的自旋两个小球在空间不规则运动，在运动的同时应明显看出两个小球在自转，且自转方向相反。SP3 、SP、SP杂化过程在电子云的三个伸展方向模型中心设置一球体，然后纺锤形物体和球体同时变形，形成SP3 、SP、SP杂化轨道。未变形的纺锤体可变为透明或半透明体。2化学键部分离子键的形成过程一大一小两球体在逐渐靠近时，大球体中有一很小的亮点移动到小球体内，同时大球体变小，小球体变大，最后两球体靠在一起（相切）。共价键的概念有动感的两电子云逐渐靠近，最后云雾部分重叠。键的形成两个相互垂直的纺锤体表示氧原子的两个轨道，两个球体表示氢原子的电子云，两个球体试着从各方向与纺锤体重叠，最后重叠于、轴方向。乙烯、乙炔中键及、丁二烯、苯中大键的形成展示碳原子的杂化轨道和P轨道，几个碳原子慢慢靠近，先看到杂化轨道两两正向重叠，然后轨道从侧面重叠在一起。最后旋转整体模型，以便从各个方向观察它。可再显示表示氢原子的球体与杂化轨道重叠的情况。铵根离子中配位键的形成显示氨分子中氮原子的四个不等性的杂化轨道，其中三条轨道与三个表示氢原子的球重叠，然后另一个表示氢离子的小球靠近余下的一个杂化轨道，同时小球逐渐变大并与杂化轨道重叠，改变键角形成正四面体结构。金属键的形成几十个球体不规则排列，从各球体中有小亮点移动出来，同时球体变小；小亮点在球体间自由运动，全部球体呈紧密堆积并有规律排列。金属的延展性几十个小球紧密堆积并有规律排列，有小亮点在球体间自由运动。显示小球间相对运动（层间滑动、位置互换等）。金属的导热性几十个小球紧密堆积并有规律排列，有小亮点在球体间自由运动。显示一酒精灯火焰对小球加热，火焰附近的小球变为红色，红色以此为中向各方向扩散，同时较多的小亮点以火焰为中心向各方向扩散。3分子结构部分水、二氧化碳、三氟化硼、乙烯、乙炔、丁二烯、苯、乙醇、乙醛、乙酸建立各分子的比例模型，将模型绕、轴旋转，以便从各方向观察模型，再将比例模型中的球体变小，并呈现出表示化学键的小棍，即由比例模型变形为球棍模型。其中的键由半透明的柱体来模拟。氨、白磷、甲烷建立各分子的比例模型，模型中的各小球呈半透明，可观察到表示化学键的小棍，将模型绕、轴旋转，以便从各方向观察模型，再将一个（正）四面体慢慢嵌入比例模型中。一氯甲烷、二氯甲烷建立甲烷的球棍模型，用表示氯原子的球移向其中的氢原子小球，同时表示共价键的小棍变长，得到一（二）氯甲烷的球棍模型。将球棍模型旋转观察之后，各小球变大，其模型变形为比例模型。环已烷建立环已烷椅式的球棍模型，旋转观察后慢慢变形为船式结构。丁烷建立丁烷的球棍模型，依次旋转各碳碳键，从而展示丁烷中碳原子的各种相对位置关系。4晶体结构部分氯化钠建立氯化钠的晶体模型，旋转观察后，从模型中慢慢分离出一最小结构单元进行旋转。氯化铯显示一个氯化铯的晶胞，显示一个氯离子周围有八个铯离子，再显示一个氯化铯的晶胞并移动与前一个晶胞联在一起，再显示两个相联的氯化铯晶胞并移动与前面的结构联在一起，再显示四个相联的氯化铯晶胞并移动与前面的结构联在一起，可观察一个铯离子周围有八个氯离子。金刚石显示一个甲烷的球棍模型，再将三个甲烷的球棍模型相联的网状结构逐渐移动，使它与前一个甲烷的球棍模型联在一起，再显示由六个甲烷的球棍模型相联的网状结构移动与前面所得的模型联在一起，从而形成金刚石的结构模型，再进行旋转以便观察。干冰在一个半透明的立方体的顶点和面心上放置二氧化碳分子，旋转、放大或缩小模型。石墨建立模型进行旋转以便观察。三、 动画的实现、 建模： 有丰富的建模方法用来制作各种模型。（）物质结构中最常用的小球、圆柱体、多面体、环状物等可直接调用基本物体，略加修改其参数即可。（）简单的不规则物体的制作：如电子云中的纺锤形的建立，可先调用一个球，然后在轴方向上拉伸，再用修改面板中的锥度工具调整，最后复制一个所得模型调整其位置可得表示电子云的纺锤形；也可先建立一个纺锤形的剖面图，将其中心对齐进行旋转也可得到三维模型，金属的导热性中使用的酒精灯，我就用了此法制作，效果很好；在晶体结构的造型中，有大量重复出现的球、棍，对其放置的位置也有一定的要求，若一个一个地做就很麻烦，我们可使用批量复制、镜象复制等手段来制作。（）对于更复杂一些的物体，可采用放样造型、曲面造型来制作。如杂化中涉及电子云变为杂化轨道的变型动画，为了便于控制其变化过程，我就使用了放样造型；为了使一个课件有一个漂亮的欢迎界面，我用 .版中的曲面造型制作了一个我校的象征性雕塑的模拟动画。、 移动、旋转的使用： 中建模形成的物体可沿、轴进行旋转和移动，并可把这些变化过程记录成动画。物质结构动画制作中的分子模型、晶体结构模型等都是由一些基本物体（如球、圆柱等）通过旋转、移动组合而成。得到整个模型后还可对模型进行旋转、移动，并把这些组合、变化过程根据教学要求记录成动画，以便于学生观察。、 变形动画的制作：在模拟物质的形成过程、轨道的杂化过程、微粒间的相互转化时使用变形动画效果较好。（）把基本物体的参数改变过程记录成动画，可模拟原子变为离子时微粒半径大小变化、比例模型变形为球棍模型、显示或隐藏物质结构中需要强调的部分。（）把物质结构中的各基本单元进行旋转、移动并记录动画可模拟各种物质结构的变化过程。如环已烷中船式结构与椅式结构间的转化、丁烷中键的旋转引起的结构变化、晶体结构中各基本单元的组合过程等。（）把平面图形经过旋转形成三维对称物体的过程记录成动画，可展示物质的内部结构。如原子的内部结构。（）利用 中的复合物体功能可制作很复杂的变形动画。如杂化过程是由一个电子云和三个电子云变形成为四个杂化轨道，且电子云的伸展方向同时发生变化，整个过程可先建立二至三个关键帧模型，然后用复合物体功能制作成变形动画。、 材质编辑器的妙用：（）要想观看物体的内部结构，可利用材质编辑器把物体设置成半透明物体，并设定其发光强度、高光范围等选项，使所得模型晶莹透明。调整透明度参数，还可随时使物体部分或全部显示或隐藏。（）把材质编辑器中的颜色变化记录为动画并赋予给模型或灯光，用于强调显示结构中的重点部分。（）利用材质编辑器给模型贴图。如电子的自旋动画若直接让小球自旋，不易观察清楚，若给小球贴上一个不对称图形，其旋转方向就极易观察了。在分子的极性模型中，可给小球贴上代表原子所带电荷种类的“”、“”符号图。我们还可以将贴图贴于背景上，美化界面。、 跟踪摄影：对于晶体结构等较复杂的物体，若想观察其细节，可在场境中建立一目标式摄像机，移动和旋转摄像机，并在摄像机视图中把变化过程记录为动画，这样就能随心所欲地观察物质结构的细微部分，再把摄像机与被观察的物体联结在一起即可实现跟踪摄影。、 粒子系统的使用：金属中的电子运动导致了金属有导电性和导热性，但这些电子的数量大，运动也不规则，若一个电子一个电子地制作就很麻烦，我们可建立一个或几个粒子发射器，设定其粒子数量、发射时间及发射方式等参数即可真实地模拟其运动过程。用粒子系统适用于制作微粒数量大、运动规律不明显的物体的运动过程。、 燃烧及雾的巧用：巧妙设置燃烧和雾效果的参数可模拟电子云、分子间的作用力、大键等。如把燃烧效果中的火焰颜色设为白色（亮区）和蓝色（暗区），并把火焰清晰度和燃烧程度值设小，加上风向等外界影响后所得到的有动感的电子云动画象“带负电荷的云雾笼罩在原子核周围”，非常逼真。四、 动画的