论文部分内容阅读
摘 要：本文以dx2-y2轨道在八面体场中演示动画课件制作为例，介绍了利用3Ds Max三维动画制作软件，开发中级无机化学课程晶体场理论内容课件的实践。经过教学实践检验，利用3Ds Max软件开发的CAI课件表现出直观诠释抽象内容的突出优势，有利于学生把握抽象理论的精髓，提高学习效率。
关键词：3Ds Max软件 晶体场理论 课件开发
中图分类号：G434 文献标识码：B 文章编号：1673-8454（2008）19-0085-03
3Ds Max软件是当前流行的三维动画制作软件之一。该软件将运动状态的设定简化为对起始状态和终止状态的定义（即关键帧），制作三维动画时只需要做出运动的关键点的场景，利用每个关键帧画面的视觉残留，就可获得流畅的、富有表现力的动画。[1] 运用3Ds Max制作的动画可输出为适用于大多数播放器的格式，适用于Windows或XP平台，因而得以广泛使用。在教育领域，3Ds Max动画可插入ppt等主流多媒体文件，能与教学活动有机结合，是一个突出的优点。
中级无机化学是针对化学专业三年级本科生开设的一门专业基础课，具有很强的综合性，需要学生准确无误地把握关键的概念和理论。[2] 在教学中，晶体场理论是一个重点，也是一个难点。学生在学习时，碰到的障碍常常是不能正确理解5个d轨道与配体之间分布的方向关系，因此不能正确理解由于中心离子与配体之间排斥作用的差异而导致的d轨道能量分裂，为后续学习留下隐患。笔者曾经采用Flash等工具软件制作过二维动画课件，但是实践表明，二维的工具要表达三维的思想，总有些力不从心。因此，笔者进而探索利用3Ds Max软件制作三维动画的优势，设计、制作晶体场理论内容的教学演示动画，帮助学生克服学习障碍，达到教学目的。
一、课件设计
以dx2-y2轨道在八面体场中为例，笔者确定了晶体场理论演示动画课件的设计思想：表示d轨道和6个配体各自在三维空间中分布的方向性；表示配体与d轨道之间的空间关系；表示排斥力不等。为了突出d轨道和配体的相对位置，配合设置图形的旋转。通过这样的三维动画可以清楚地表现出配合物的中心离子d轨道发生能级分裂的根源，是配体在中心离子周围排布的方向性，其造成配体与中心离子d轨道之间的排斥作用不等，从而有效地帮助学生克服学习障碍，从本质上把握晶体场理论的精髓。[3]
为了达到上述目的，课件制作分为d轨道模型、d轨道置于笛卡儿坐标系、配体分布、定义颜色、设置动画、渲染输出这几个步骤。
二、d轨道模型制作
打开3Ds Max软件，进入工作界面。工作界面默认的四个视窗分别是左上角的顶视窗（Top）、右上角的前视窗（Front）、左下角的左视窗（Left）和右下角的透视窗（Perspective），分别代表四个视角。
首先创建d轨道的四个瓣。通过创建一个球体，对其进行压缩拉伸制得一个瓣。选择“创建”→“几何体”→“球体”，在任意一个视窗中建立球体模型。将鼠标光标移动到该视窗的中部，按住鼠标左键并拖动光标，建成一个球体模型。此时，四个视窗中都同时出现该球体。单击任一视窗中的球体并单击“修改”，即可修改球体Sphere01的属性（半径等）。
选中球体，选择“修改器列表”的黑三角按钮→“对象空间修改器”→“FFD 3×3×3”→“＋”→“控制点”→“选择并均匀缩放”。点击球体，出现一个三角形坐标。在球体外按着鼠标左键并拖动鼠标，使虚线框选中球体的下部，因此三角形坐标位于球体下部。沿三角坐标的某一方向拖动鼠标，三角形内模型非常明显地变形。按照需要分别沿X、Y坐标方向拖动，使球体下部变小，得到一个瓣状模型。
通过各视窗观察并进行调整，使瓣状模型对称（一般只看顶、前、左视窗，透视窗由于视角的缘故，较少在建模中使用）。在“修改器列表”中除“FFD 3×3×3”以外的选项中选择“选择并均匀缩放”。选中瓣状体，点击“镜像”→“镜像轴”→“Y”→“克隆当前选择”→“复制”→确定，得到复制版瓣状体Sphere02。选择“工具栏”→“选择并移动”，沿着－y轴方向移动，使两个瓣状体相接形成纺锤形。重复上面的步骤，复制出d轨道的四瓣模型。在使4个瓣状对齐时，通过滑动鼠标上的滚轮，将视图放大或缩小。
三、将d轨道置于笛卡儿坐标系
以细长的圆柱体代表坐标轴。经“创建”→“几何体”→“圆柱体”，在“修改列表”→“参数”中修改参数。经“选择并移动”使圆柱体与d轨道中心对齐。必须注意，这里的对齐是指四个视窗都对齐，而不是仅仅在其中一个视窗中对齐。通过“镜像”→“选择并移动”→“选择并旋转”，制成三根互相垂直的圆柱体分别代表x、y、z轴，并与d轨道中心重合。经“几何体”→“圆锥体”，创建一个底面半径比坐标轴横截面半径稍大的圆锥体，用于表示坐标轴的正方向。
经“创建”→“图形”→“文本”，输入“X”，将光标移至某一视窗，单击鼠标左键，得文字“X”。选定文字X，经“修改器列表”→“倒角”→“倒角值”→“级别1”的高度设为3.0，得到三维文字“X”。再经“选择并移动”→“选择并旋转”，使之靠近坐标轴正方向上的圆锥体。用同样的方法制作三维文字Y、Z。
将以上视图内的对象全部选定，选择“工具栏”→“组”→“成组”，得到组合的模型，方便下面的操作。
四、制作分布在d轨道周围的6个配体
用球体表示分布在d轨道周围的配体。打开“创建”→“几何体”→“球体”，创建一个新的球体，其大小可与制作d轨道的球体有所区别。选中该球体，使用“工具栏”→“镜像”，复制5遍，得到6个表示配体的球。使用“工具栏”→“选择并移动”，使6个配体分别位于d轨道的±x、±y、±z轴方向（见图1）。注意在配体与d轨道之间为运动留出空间。坐标轴的长度可以解组后调整。
五、定义颜色
将光标放在“工具栏”的空白处，单击“材质编辑器”。将光标移到任一圆球上，单击“漫反射”→“颜色选择器：漫反射颜色”，通过移动色调窗口或自定义数字来选择颜色。
d轨道的位相有正、负之分，所以需要两种截然不同的颜色，笔者选择了橙色和蓝色。笛卡儿坐标是判断方位的辅助工具，其方向标志需要十分醒目。笔者将坐标轴设置为灰色，坐标轴箭头定义为鲜红色，文字X、Y、Z则设为稍微偏白一些的红色。配体的颜色设置为比坐标轴更深的灰色。
为了使渲染效果更好，可以经“材质编辑器”→“反射高光”→“高光级别”和“光泽度”进行调整，使得材质看起来更为立体、美观，效果见图2。
六、设置动画
为了清楚地展示d轨道与将6个配体在空间分布的方向性，动画设计为：（1）出现笛卡儿坐标中的d轨道；（2）出现配体；（3）旋转；（4）配体向中心d轨道运动；（5）出现6个配体形成的八面体；（6）闪烁；（7）旋转。
设置动画，就是设置关键帧的位置。软件默认的时间轴长度只有100帧，需要先调整时间轴的长度。将底部的“动画控制区”→“时间配置”→“动画”→“结束时间”设置为700。
动作（1）和（2）：按“ctrl＋鼠标左键”全部选定6个配体。单击鼠标右键，选择“属性”→“对象属性”→“渲染控制”→“可见性”，将参数设为“0.0”，使6个配体隐去。保持6个配体全选，单击时间轴下方“自动关键点”，使之变红。移动时间滑轮至“20”处，再同上操作将可见性设定为“1.0”。此时设定了两个关键帧，一个处在“0帧”，可见性为0.0，一个处在“20帧”，可见性为1.0。软件默认0－20帧内是两个状态之间的渐变。若要缩短渐变时间，可将处在“0帧”的关键点后移到“18帧”上。设定关键帧后要单击“自动关键点”使之变灰，以免错误记录。
动作（3）：将d轨道和6个配体成组，经“自动关键点”→“旋转”，使模型旋转足够角度后静止。
动作（4）：将时间滑块后移至“100帧”，单击“自动关键点”，选择1个配体，选择“工具栏”→“选择并移动”，将配体沿着坐标轴向着d轨道移动一段距离。其余5个配体同样设置，注意让6个配体与坐标原点等距。再全选6个配体，将“0帧”上的关键帧后移到“25帧”，使得配体先出现、后移动。
动作（5）：打开“创建”→“几何体”→“四棱锥”，将光标移到顶视窗，按住鼠标左键并移动，创建一个新的四棱锥，在“参数”→“宽度”、“深度”、“高度”进行调整，使四棱锥能连上各个配体。打开“修改器列表”→“晶格”→“支柱”→“半径”，设定为2.0。再通过“镜像”将晶格复制。设置可见性，让它出现一段时间后消失。
动作（6）：由于±x和±y轴方向上的配体与d轨道迎头相碰，这两个方向上的配体比±z轴方向上的配体更靠近d轨道，这个空间关系是导致d轨道能级分裂的根本原因，也是教学动画要展示的重点。笔者采用了设置±x和±y轴方向上的配体与d轨道同时闪烁的方法来强调这一特点。
将时间滑块移至“120帧”，单击“自动关键点”，选定±x和±y轴方向上的配体与d轨道，可见性设置为“0.0”。依次设置“118帧”的可见性为“1.0”，“140帧”的可见性为“1.0”，“138帧”可见性为“0.0”。将这四个关键帧全选，按住“shift＋鼠标左键”向右移动，得到复制关键帧。复制多次，就可营造出闪烁的效果。
动作（7）：确定设置的关键帧准确无误后，将视图内所有元素成组。选择“500帧”→“自动关键点”→“选择并旋转”，旋转模型，使学生看清空间关系。注意将“0帧”的关键点后移到“400帧”上，使对象从“400帧”时开始旋转而不是从“0帧“开始。
七、渲染输出
单击“主菜单”→“渲染”→“环境”→“环境和效果”→“背景颜色”，在颜色选择器中调节白度，将背景颜色由默认的黑色改为所需要的颜色。进入“渲染”→“渲染”→“渲染场景：默认扫描线渲染器”。选择“时间输出”→“活动时间段”，如果只需要输出图像，选择“单帧”。将面板下拉，在“渲染输出”→“文件”→“渲染输出文件”，设置文件名与保存路径。一般“保存类型”设置为“AVI文件（*.avi）”，单击“文件名”→“保存”→“AVI文件压缩设置”→“XviD MPEG-4 Codec”→“确定”。再单击“渲染场景：默认扫描线渲染器”→“渲染”，即开始渲染。
至此，dx2-y2轨道在八面体场中的三维动画教学课件制作完毕。经教学实践证明，基于3Ds Max开发的课件，具有有效地帮助学生理解和掌握抽象理论的优势，非常有利于提高教学效率。
参考文献：
[1]李绍勇，王玉，李乐乐.3Ds Max 9中文版三维动画制作范例导航[M].北京:清华大学出版社,2007.
[2]朱文祥.中级无机化学[M].北京:高等教育出版社,2004.
[3]王明召.中级无机化学学习指导[M].北京：高等教育出版社,2007.
关键词：3Ds Max软件 晶体场理论 课件开发
中图分类号：G434 文献标识码：B 文章编号：1673-8454（2008）19-0085-03
3Ds Max软件是当前流行的三维动画制作软件之一。该软件将运动状态的设定简化为对起始状态和终止状态的定义（即关键帧），制作三维动画时只需要做出运动的关键点的场景，利用每个关键帧画面的视觉残留，就可获得流畅的、富有表现力的动画。[1] 运用3Ds Max制作的动画可输出为适用于大多数播放器的格式，适用于Windows或XP平台，因而得以广泛使用。在教育领域，3Ds Max动画可插入ppt等主流多媒体文件，能与教学活动有机结合，是一个突出的优点。
中级无机化学是针对化学专业三年级本科生开设的一门专业基础课，具有很强的综合性，需要学生准确无误地把握关键的概念和理论。[2] 在教学中，晶体场理论是一个重点，也是一个难点。学生在学习时，碰到的障碍常常是不能正确理解5个d轨道与配体之间分布的方向关系，因此不能正确理解由于中心离子与配体之间排斥作用的差异而导致的d轨道能量分裂，为后续学习留下隐患。笔者曾经采用Flash等工具软件制作过二维动画课件，但是实践表明，二维的工具要表达三维的思想，总有些力不从心。因此，笔者进而探索利用3Ds Max软件制作三维动画的优势，设计、制作晶体场理论内容的教学演示动画，帮助学生克服学习障碍，达到教学目的。
一、课件设计
以dx2-y2轨道在八面体场中为例，笔者确定了晶体场理论演示动画课件的设计思想：表示d轨道和6个配体各自在三维空间中分布的方向性；表示配体与d轨道之间的空间关系；表示排斥力不等。为了突出d轨道和配体的相对位置，配合设置图形的旋转。通过这样的三维动画可以清楚地表现出配合物的中心离子d轨道发生能级分裂的根源，是配体在中心离子周围排布的方向性，其造成配体与中心离子d轨道之间的排斥作用不等，从而有效地帮助学生克服学习障碍，从本质上把握晶体场理论的精髓。[3]
为了达到上述目的，课件制作分为d轨道模型、d轨道置于笛卡儿坐标系、配体分布、定义颜色、设置动画、渲染输出这几个步骤。
二、d轨道模型制作
打开3Ds Max软件，进入工作界面。工作界面默认的四个视窗分别是左上角的顶视窗（Top）、右上角的前视窗（Front）、左下角的左视窗（Left）和右下角的透视窗（Perspective），分别代表四个视角。
首先创建d轨道的四个瓣。通过创建一个球体，对其进行压缩拉伸制得一个瓣。选择“创建”→“几何体”→“球体”，在任意一个视窗中建立球体模型。将鼠标光标移动到该视窗的中部，按住鼠标左键并拖动光标，建成一个球体模型。此时，四个视窗中都同时出现该球体。单击任一视窗中的球体并单击“修改”，即可修改球体Sphere01的属性（半径等）。
选中球体，选择“修改器列表”的黑三角按钮→“对象空间修改器”→“FFD 3×3×3”→“＋”→“控制点”→“选择并均匀缩放”。点击球体，出现一个三角形坐标。在球体外按着鼠标左键并拖动鼠标，使虚线框选中球体的下部，因此三角形坐标位于球体下部。沿三角坐标的某一方向拖动鼠标，三角形内模型非常明显地变形。按照需要分别沿X、Y坐标方向拖动，使球体下部变小，得到一个瓣状模型。
通过各视窗观察并进行调整，使瓣状模型对称（一般只看顶、前、左视窗，透视窗由于视角的缘故，较少在建模中使用）。在“修改器列表”中除“FFD 3×3×3”以外的选项中选择“选择并均匀缩放”。选中瓣状体，点击“镜像”→“镜像轴”→“Y”→“克隆当前选择”→“复制”→确定，得到复制版瓣状体Sphere02。选择“工具栏”→“选择并移动”，沿着－y轴方向移动，使两个瓣状体相接形成纺锤形。重复上面的步骤，复制出d轨道的四瓣模型。在使4个瓣状对齐时，通过滑动鼠标上的滚轮，将视图放大或缩小。
三、将d轨道置于笛卡儿坐标系
以细长的圆柱体代表坐标轴。经“创建”→“几何体”→“圆柱体”，在“修改列表”→“参数”中修改参数。经“选择并移动”使圆柱体与d轨道中心对齐。必须注意，这里的对齐是指四个视窗都对齐，而不是仅仅在其中一个视窗中对齐。通过“镜像”→“选择并移动”→“选择并旋转”，制成三根互相垂直的圆柱体分别代表x、y、z轴，并与d轨道中心重合。经“几何体”→“圆锥体”，创建一个底面半径比坐标轴横截面半径稍大的圆锥体，用于表示坐标轴的正方向。
经“创建”→“图形”→“文本”，输入“X”，将光标移至某一视窗，单击鼠标左键，得文字“X”。选定文字X，经“修改器列表”→“倒角”→“倒角值”→“级别1”的高度设为3.0，得到三维文字“X”。再经“选择并移动”→“选择并旋转”，使之靠近坐标轴正方向上的圆锥体。用同样的方法制作三维文字Y、Z。
将以上视图内的对象全部选定，选择“工具栏”→“组”→“成组”，得到组合的模型，方便下面的操作。
四、制作分布在d轨道周围的6个配体
用球体表示分布在d轨道周围的配体。打开“创建”→“几何体”→“球体”，创建一个新的球体，其大小可与制作d轨道的球体有所区别。选中该球体，使用“工具栏”→“镜像”，复制5遍，得到6个表示配体的球。使用“工具栏”→“选择并移动”，使6个配体分别位于d轨道的±x、±y、±z轴方向（见图1）。注意在配体与d轨道之间为运动留出空间。坐标轴的长度可以解组后调整。
五、定义颜色
将光标放在“工具栏”的空白处，单击“材质编辑器”。将光标移到任一圆球上，单击“漫反射”→“颜色选择器：漫反射颜色”，通过移动色调窗口或自定义数字来选择颜色。
d轨道的位相有正、负之分，所以需要两种截然不同的颜色，笔者选择了橙色和蓝色。笛卡儿坐标是判断方位的辅助工具，其方向标志需要十分醒目。笔者将坐标轴设置为灰色，坐标轴箭头定义为鲜红色，文字X、Y、Z则设为稍微偏白一些的红色。配体的颜色设置为比坐标轴更深的灰色。
为了使渲染效果更好，可以经“材质编辑器”→“反射高光”→“高光级别”和“光泽度”进行调整，使得材质看起来更为立体、美观，效果见图2。
六、设置动画
为了清楚地展示d轨道与将6个配体在空间分布的方向性，动画设计为：（1）出现笛卡儿坐标中的d轨道；（2）出现配体；（3）旋转；（4）配体向中心d轨道运动；（5）出现6个配体形成的八面体；（6）闪烁；（7）旋转。
设置动画，就是设置关键帧的位置。软件默认的时间轴长度只有100帧，需要先调整时间轴的长度。将底部的“动画控制区”→“时间配置”→“动画”→“结束时间”设置为700。
动作（1）和（2）：按“ctrl＋鼠标左键”全部选定6个配体。单击鼠标右键，选择“属性”→“对象属性”→“渲染控制”→“可见性”，将参数设为“0.0”，使6个配体隐去。保持6个配体全选，单击时间轴下方“自动关键点”，使之变红。移动时间滑轮至“20”处，再同上操作将可见性设定为“1.0”。此时设定了两个关键帧，一个处在“0帧”，可见性为0.0，一个处在“20帧”，可见性为1.0。软件默认0－20帧内是两个状态之间的渐变。若要缩短渐变时间，可将处在“0帧”的关键点后移到“18帧”上。设定关键帧后要单击“自动关键点”使之变灰，以免错误记录。
动作（3）：将d轨道和6个配体成组，经“自动关键点”→“旋转”，使模型旋转足够角度后静止。
动作（4）：将时间滑块后移至“100帧”，单击“自动关键点”，选择1个配体，选择“工具栏”→“选择并移动”，将配体沿着坐标轴向着d轨道移动一段距离。其余5个配体同样设置，注意让6个配体与坐标原点等距。再全选6个配体，将“0帧”上的关键帧后移到“25帧”，使得配体先出现、后移动。
动作（5）：打开“创建”→“几何体”→“四棱锥”，将光标移到顶视窗，按住鼠标左键并移动，创建一个新的四棱锥，在“参数”→“宽度”、“深度”、“高度”进行调整，使四棱锥能连上各个配体。打开“修改器列表”→“晶格”→“支柱”→“半径”，设定为2.0。再通过“镜像”将晶格复制。设置可见性，让它出现一段时间后消失。
动作（6）：由于±x和±y轴方向上的配体与d轨道迎头相碰，这两个方向上的配体比±z轴方向上的配体更靠近d轨道，这个空间关系是导致d轨道能级分裂的根本原因，也是教学动画要展示的重点。笔者采用了设置±x和±y轴方向上的配体与d轨道同时闪烁的方法来强调这一特点。
将时间滑块移至“120帧”，单击“自动关键点”，选定±x和±y轴方向上的配体与d轨道，可见性设置为“0.0”。依次设置“118帧”的可见性为“1.0”，“140帧”的可见性为“1.0”，“138帧”可见性为“0.0”。将这四个关键帧全选，按住“shift＋鼠标左键”向右移动，得到复制关键帧。复制多次，就可营造出闪烁的效果。
动作（7）：确定设置的关键帧准确无误后，将视图内所有元素成组。选择“500帧”→“自动关键点”→“选择并旋转”，旋转模型，使学生看清空间关系。注意将“0帧”的关键点后移到“400帧”上，使对象从“400帧”时开始旋转而不是从“0帧“开始。
七、渲染输出
单击“主菜单”→“渲染”→“环境”→“环境和效果”→“背景颜色”，在颜色选择器中调节白度，将背景颜色由默认的黑色改为所需要的颜色。进入“渲染”→“渲染”→“渲染场景：默认扫描线渲染器”。选择“时间输出”→“活动时间段”，如果只需要输出图像，选择“单帧”。将面板下拉，在“渲染输出”→“文件”→“渲染输出文件”，设置文件名与保存路径。一般“保存类型”设置为“AVI文件（*.avi）”，单击“文件名”→“保存”→“AVI文件压缩设置”→“XviD MPEG-4 Codec”→“确定”。再单击“渲染场景：默认扫描线渲染器”→“渲染”，即开始渲染。
至此，dx2-y2轨道在八面体场中的三维动画教学课件制作完毕。经教学实践证明，基于3Ds Max开发的课件，具有有效地帮助学生理解和掌握抽象理论的优势，非常有利于提高教学效率。
参考文献：
[1]李绍勇，王玉，李乐乐.3Ds Max 9中文版三维动画制作范例导航[M].北京:清华大学出版社,2007.
[2]朱文祥.中级无机化学[M].北京:高等教育出版社,2004.
[3]王明召.中级无机化学学习指导[M].北京：高等教育出版社,2007.