Maya建模技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用

邊鵬

摘 要：Maya建模能夠直觀、形象地對物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，可以降低教學(xué)成本、增強(qiáng)實(shí)踐性，教學(xué)方法新穎獨(dú)特，對培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦的能力起到了積極的作用。文中還簡單介紹了建模的方法，對利用Maya建模教學(xué)起到了拋磚引玉的作用。

關(guān)鍵詞：Maya建模 材質(zhì)網(wǎng)絡(luò) 重力場 實(shí)現(xiàn)建模 材質(zhì)渲染 布爾運(yùn)算

技工學(xué)校在物理教學(xué)中，應(yīng)用Maya軟件進(jìn)行建模，模擬實(shí)驗(yàn)的全過程，就可以使畫面真實(shí)直觀，便于學(xué)生理解和學(xué)習(xí)。為此，筆者闡述Maya建模技術(shù)與物理教學(xué)相結(jié)合的優(yōu)勢。

一、降低教學(xué)成本，增強(qiáng)實(shí)踐性

物理是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，教學(xué)必須以實(shí)踐為基礎(chǔ)。這種實(shí)踐，一是可以借助實(shí)驗(yàn)室中已有的儀器教具，二是可以就地取材，但是，有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本較高。我們采用Maya建模模擬實(shí)驗(yàn)的過程就可以降低教學(xué)成本，使學(xué)生能夠更好地理解教材內(nèi)容，對實(shí)驗(yàn)有更深的體會(huì)。

例如，模仿一個(gè)物體受重力作用產(chǎn)生自由落體的效果，將物體小球設(shè)為主動(dòng)剛體，受重力作用而產(chǎn)生下落運(yùn)動(dòng)，地面設(shè)為被動(dòng)剛體，同時(shí)定義小球和地面發(fā)生碰撞，給整個(gè)場景加一個(gè)重力場。小球受重力作用做自由落體運(yùn)動(dòng)落向地面，這時(shí)地面受到一個(gè)外力之后，Maya會(huì)自動(dòng)算出球與地面發(fā)生碰撞的作用力的衰減度。這一過程完全不用設(shè)置關(guān)鍵幀，只要通過動(dòng)力學(xué)Maya就可以自動(dòng)算出結(jié)果，并與真實(shí)世界一樣。

二、利用三維建模，畫面真實(shí)直觀

一般課件的二維動(dòng)畫演示只是簡單的模擬，難以保證真實(shí)性和直觀性，而Maya軟件是仿真的3D動(dòng)畫制作軟件，能創(chuàng)造一個(gè)與實(shí)際近乎相同的特性環(huán)境，其渲染之后的效果能給人造成極強(qiáng)的真實(shí)感。在物理教學(xué)中，Maya建模主要需要實(shí)現(xiàn)建模和材質(zhì)渲染兩方面。

1.建模方法

Maya軟件所擁有的建模方法包括多邊形建模、NURBS建模、細(xì)分表面建模和雕刻建模四大類。在物理教學(xué)中我們常用第一種建模方法。多邊形建模是歷史最悠久的，應(yīng)用最為廣泛的建模方法，它是由三角形和四邊形的拼接而成，我們在屏幕上看到的三維模型都是由被稱為“面”的相互連接的多邊形組成。每個(gè)“面”有不同的尺寸和方向，通過排列這些面，可以用簡單的方法建立起非常復(fù)雜的三維模型。它的優(yōu)點(diǎn)是對點(diǎn)、線、面進(jìn)行的編輯非常方便，能做布爾運(yùn)算，可以賦予各種材質(zhì)，支持Maya中的大部分畫筆；不足之處是節(jié)點(diǎn)太多，解算需要一定的時(shí)間和空間，而且對硬件要求較高。

2.材質(zhì)網(wǎng)絡(luò)

Maya的材質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，允許對一個(gè)物體使用多層不同性質(zhì)的材質(zhì)，可對物體應(yīng)用可渲染的顏色、表面凹凸、透明度、反射、發(fā)光等屬性。Maya的材質(zhì)是基于節(jié)點(diǎn)的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)控制著定義了材質(zhì)的屬性。材質(zhì)具有類似于模型的層次結(jié)構(gòu)和組織結(jié)構(gòu)，我們創(chuàng)建的是相互聯(lián)系的由節(jié)點(diǎn)組成的材質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，所以可以對同一個(gè)物體使用多層不同性質(zhì)的材質(zhì)，以最大程度實(shí)現(xiàn)仿真的效果。比如Maya的凹凸貼圖是真正的在物體表面形成凹陷和突起的效果，我們從任何角度觀看都顯示的是立體效果。

例如通過兩個(gè)小球碰撞來演示能量守恒定律的動(dòng)畫制作過程。首先用多邊形里的球體命令創(chuàng)建兩個(gè)大小一樣的小球和一個(gè)水平平面，使小球的空間位置剛好放置在平面上，給兩個(gè)小球分別賦予金屬材質(zhì)和木材質(zhì)。把兩個(gè)小球設(shè)為主動(dòng)剛體，平面設(shè)置為被動(dòng)剛體，再給兩個(gè)小球加上一個(gè)重力場。給其中一個(gè)小球設(shè)置一個(gè)初始速度，再將初始速度的方向指向另外一個(gè)小球。然后根據(jù)小球的不同材質(zhì)設(shè)置不同的質(zhì)量、靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)。而且我們還可以隨時(shí)使用播放鍵預(yù)覽動(dòng)畫效果。最后使用渲染工具導(dǎo)出，就能得到兩個(gè)小球在桌面上碰撞的動(dòng)畫。

三、教學(xué)方法新穎，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

Maya建模動(dòng)畫可以模擬、創(chuàng)設(shè)生動(dòng)的物理情境，真實(shí)地展示物理過程。例如利用多媒體直觀、全面地展示原子彈爆炸、電動(dòng)機(jī)的工作原理、導(dǎo)體內(nèi)部自由電荷的移動(dòng)等。這些展示能幫助學(xué)生理解物理規(guī)律，增強(qiáng)教學(xué)氣氛，激發(fā)學(xué)生積極思維，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

Maya建模動(dòng)畫還可以增進(jìn)教與學(xué)之間的信息交流，加強(qiáng)信息反饋。對于不方便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)描述的物理現(xiàn)象，例如磁場、核聚變和分子運(yùn)動(dòng)的知識(shí)等，我們通過Maya建模可以形象地進(jìn)行模擬，幫助學(xué)生形成概念、加深理解，使學(xué)生從感性認(rèn)識(shí)過渡到理性認(rèn)識(shí)，從而有效地突破教學(xué)難點(diǎn)，掌握重點(diǎn)。

在技校物理教學(xué)中，實(shí)施是教學(xué)的基礎(chǔ)。Maya建模這一比較先進(jìn)的教學(xué)手段，能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新思維能力，提高教學(xué)質(zhì)量。充分利用Maya建模，可以最大程度地幫助學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)，鍛煉他們的實(shí)際操作能力，達(dá)到學(xué)校和學(xué)生雙贏的目的。