3D MAX制作生化蛋白質、核酸章節教學課件探索

曹 羲，王清河，王 亮

(承德醫學院，河北承德 067000)

隨著3D MAX技術迅速發展，與它結合的多媒體為中心的現代教學方式已經逐步被教學所采用。它利用計算機向學生提供生物化學所需要的各種材料和信息，通過軟件中的基本體建模、多維子對象材質、mental ray渲染器及高級動畫的結合，把生物化學課件中生動的動畫影像、清晰的文字注解有機集成，較好地攻克了生物化學中的許多教學難題。本文對生物化學中蛋白質、核酸章節的典型課件進行設計、制作，結合實例進行分析，并深入探索生物化學中蛋白質、核酸結構的特征和應用規律,充分發揮3D MAX技術優勢，把課件的制作運用、教師的主導作用和學生的主體地位三者有機地結合起來,達到傳統教學手段達不到的教學效果，實現對教學的補充和輔助作用。

1 設計課件制作方案

生物化學中的一些醫學結構較為復雜，我們通過3D MAX軟件對一些復雜的理論、結構進行分析、制作，把難于理解的理論、公式等以逼真的動畫形式表現出來，可解決常規教學中難以表達清楚的問題。在制作蛋白質、核酸結構及其功能的章節中，首先要清楚的了解書本中的重要內容，了解其重點和難點，針對這些問題利用3D MAX進行課件制作，從根本上解決和突破這些問題。在對蛋白質、核酸結構及其功能章節的課件設計中，我們制作了設計方案:

1.1 生物大分子的立體結構 利用3D MAX中“樣條線”、“點線面建?！崩L制生物大分子線性、環狀結構及他們之間的空間位置，通過各種角度效果展示出它的立體結構盤繞成螺旋形，折疊成片層狀，讓學生進一步了解其有的以線性存在，有的則成球狀等復雜的立體結構。

1.2 蛋白質的二級結構α-螺旋結構 利用3D MAX中的“基本體建?！?、“材質”、“mental ray”，渲染出平面、三維立體簡模、深度精模三種制作效果，讓學生清楚地看到α-螺旋的氫鍵方向與螺旋長軸基本平行，每3.6個氨基酸殘基螺旋上升一圈，螺距為0.54nm。

1.3 超二級結構與蛋白質模體 利用3D MAX中的“擴展基本體建模”，主要創作出模體的空間位置及二級結構間的位置關系，讓學生能更深入地了解模體的超二級結構的空間構象。

1.4 肽單元結構 利用3D MAX中的“多邊形編輯模型”、“材質編輯器”、“三維動畫制作”等完成肽單元螺旋結構動畫演示，目的是使學生能夠清晰地看到肽單元上鈣原子所連的兩個單鍵的自由旋轉角度和兩個相鄰的肽單元平面的相對空間位置。

1.5 核苷與脫氧核苷 利用3D MAX中“擴展基本體”的球棱柱建模、顏色編輯、動畫“haracter studio”對象進行制作，讓同學們通過動畫形式理解堿基通過糖苷鍵與戊糖連接，堿基可以繞糖苷鍵自由轉動。

2 3D MAX課件的制作

2.1 模型制作

2.1.1 生物大分子的立體結構:利用3D MAX工具欄右側“基本體建?！敝械钠矫胬L制生物大分子的片層狀，用圓形繪制其球狀，再用“樣條線”的線繪制出生物大分子中形成的螺旋狀，在頂視圖、側視圖、透視圖中調節其所在的空間位置進行編輯，完成生物大分子空間構像。

2.1.2 蛋白質的二級結構α-螺旋結構:在3D MAX中，運用“基本體建?！苯ǔ龀壗Y構:αα、βαβ、ββ超二級結構、蛋白中結合鈣離子模體、鋅指結構模體，調整其空間位置，完成其模型。

2.1.3 超二級結構與蛋白質模體:在3D MAX中，運用“基本體建?！敝械钠矫胬L制出不同位置的肽單元平面，用工具欄右側中的球體繪制6個原子的模型，調整原子在肽單元平面中的相應位置，并用圓柱體繪制肽鍵將其相應連接，右擊復制多個模型，調整各個整體模型其各自的空間位置，完成肽單元結構。

2.1.4 肽單元結構:用3D MAX中的“基本體建?！敝谱髀菪Ｐ?，右擊選擇多邊形編輯修改器，在工具欄右側點擊點、線、面，根據模型的需要進行編輯，選擇“頂點”子對象，在“編輯幾何體”卷展欄內單擊“塌陷”按鈕，完成α-螺旋模型。

2.1.5 核苷與脫氧核苷:選擇工具欄右側“樣條線”中的多邊形繪制基本模型，選擇“文本”標注模型中的化學鍵，用“基本體建?！敝械膱A柱體繪制糖苷鍵，調整堿基模型和戊糖模型空間位置，完成核苷與脫氧核苷的基本模型。

2.2 材質渲染 模型完成后，對以上模型逐個進行相同性質編輯。打開“材質編輯器”，單擊standard按鈕，打開“材質瀏覽器”，選擇材質類型;打開“顏色選擇器”對話框，對亮暗區顏色分別進行設置;在“光線追蹤基本參數”卷展欄內，各項參數用于設置“光線追蹤”材質的基本屬性[1];在“貼圖”卷展欄中，單擊“折射”右側按鈕，在打開的“材質/貼圖瀏覽器”對話框中選擇折射貼圖類型;將設定好的材質球指定給相應的模型。在主工具欄右側，提供主要的渲染命令按鈕，可以通過單擊相應的工具按鈕快速執行相應渲染命令，方便快速的調用預設的渲染設置。執行“渲染設置”命令，在要渲染的區域選擇“裁剪”在“渲染幀”窗口單擊保存，完成渲染。

2.3 動畫制作 完成渲染后對動畫效果進行制作預覽在核苷與脫氧核苷的動畫制作中，通過動畫形式讓堿基通過糖苷鍵與戊糖連接，堿基可以繞糖苷鍵自由轉動。

2.3.1 動畫分析:這是一個動畫制作的綜合案例，堿基順時針一周旋轉，糖苷鍵帶動堿基一同旋轉，當中包括動畫的創建、曲線編輯器的使用、鏈接約束的設定，以及修改器動畫制作等。

2.3.2 制作思路:首先用關鍵幀動畫創建堿基的移動然后通過虛擬物體來制作堿基旋轉一周的動作，接著利用鏈接約束來設定糖苷鍵與堿基在不同時間內的附著對象，最后利用修改器動畫創建堿基圍繞糖苷鍵自由轉動的動畫。

2.3.3 制作步驟:①創建關鍵幀動畫:按下時間控制欄中的“自動關鍵點”按鈕，開啟關鍵幀記錄動畫。將時間滑塊移動到100幀，將軟件中的攝像機對準視圖中選定對象。②設置勻速運動:調整糖苷鍵與堿基運動曲線，呈現勻速運動狀態，打開“軌跡視圖”，選擇曲線運動兩個端點將運動曲線變成直線，每幀的移動位置分布均勻[2]。③設置鏈接約束:指定好鏈接約束，在運動面板下展開“連接參數”卷展欄，按下“添加鏈接”，將時間滑塊移動0幀，拾取對象。④創建修改器動畫:使堿基最終達到旋轉效果。按下時間控制欄中“自動關鍵點”按鈕，在“修改”面板中加入關鍵幀，每變換旋轉角度，將時間滑塊移動到需要的關鍵幀，點擊播放，測試效果，調整整體動畫，生成AVI文件。

3 3D MAX多媒體課件在教學中應用

3.1 在醫學生物化學課程教學中 目前，教師們所用的課件都是簡易的二維圖片制作，教師給醫學生展示生物中的各個形態，多是上網獲取圖片或在書本上掃描單色2D圖片，在授課中因為圖片的單一性及分辨率的程度使醫學生看到的效果只是一個角度，從而并未能使學生更好的理解知識。而我們開發的3D MAX軟件課件，模擬演示生物化學中蛋白質、核酸的結構與功能，當我們在這種簡單的課件中插入3D MAX制作的效果圖與動畫形態后，就可使生物化學中的一些不可見結構及其變化呈現在學生面前，使學生在聽課中對難點、重點一目了然，加深了記憶，同樣也使學生能夠轉換思維模式，降低思維難度，通過其觀察總結規律。

3.2 在其它課程教學中 制作3D MAX多媒體課件的目的是優化課堂教學結構，提高課堂教學效率，既要有利于教師的教，又要有利于學生的學。用3D MAX軟件的動畫來演示，不僅能把高度抽象的知識直觀顯示出來，而且給學生以新、奇、異的刺激感受，激發學生的學習積極性，促使學生理解、掌握它們的本質。利用其在教學中的作用，提高教學質量，實現課堂教學最優化。

4 小結

本篇主要講述的是3D MAX應用于生物化學中蛋白質、核酸的教學課件，但在其它課程教學中也可以使用，例如解剖學、生物學、寄生蟲、臨床課程等。它既有演示性，也有交互性;既是面向教學全體的以助教為重點的課件，也是基于學生個體的導學課件;既是以靜態圖文為特征的課件，也是以逼真動畫為內容的課件。通過這些優勢來使教師的授課與學生的學習在課堂中更好的結合在一起。

[1]鄭東,侯婷.3ds max 8燈光、材質與渲染表現技法[M].北京:清華大學出版社，2007.30-31.

[2]王軍.3ds max動畫技術大全[M].第1版.北京:科海電子出版社,2006.6-7.