三維動畫技術在固體物理學教學中的應用

馬志軍 梁 坤

（1.湖北大學化學化工學院，湖北 武漢430062；2.湖北大學材料科學與工程學院，湖北 武漢430062）

0 引言

固體物理學是材料物理和電子科學技術專業的一門重要的基礎理論課程,它研究的是固體微觀的原子、電子結構與宏觀物理性質之間的相互關系及其變化規律。當今最活躍的凝聚態物理與新材料科學都與固體物理學緊密相連。因此,固體物理學的教學有著十分重要的地位。但固體物理學在傳統教學方面存在很多的困難[1]。比如在晶體結構中，六角密堆積與面心立方密排，金剛石與氯化鈉的復式晶格，以及晶體的宏觀對稱性等；在能帶理論中面心立方與體心立方的第一布里淵區等，采用傳統教學方式（如幻燈和實物模型）都難以講述清楚。在這些問題上，教師費盡口舌也無法使自己感覺教學滿意，其結果是：學生得不到一個清晰的物理圖象，即感性認識難以形成和得到豐富，學生也就難以理解教材和掌握知識，甚至喪失學習固體物理學的興趣。傳統教學方式遇到如此困難的原因是，固體物理學是一門思想性很強，內容很抽象的課程，學習這門課程需要很強的空間想象力，而傳統方式不能提供三維的教學情境和所需要的感性材料?；趥鹘y教學方式的局限性和現代教學發展的趨勢，采用計算機輔助教學特別是三維動畫模擬能有效地解決教學過程中的重點與難點[2-4]。

本文以復式晶格中氯化鈉和金剛石為例，簡述三維動畫技術在固體物理學教學中的應用。

1 氯化鈉晶格

氯化鈉晶格看起來像一個簡單立方晶格，但每一行每一列上Na+和Cl-是相間排列的，因此是一種復式晶格，它可以看成是Na+和Cl-兩個面心立方晶格套構而成的。對照教材插圖，學生可以很清楚看到其中一種離子構成了面心立方晶格，對于另一種也構成面心立方晶格并且與前面的晶格穿插在一起則不是很直觀。因此對“由兩個面心立方套構而成”不是很容易理解。

三維動畫設計思路：

①Na+和Cl-兩個面心立方晶格由遠靠近，至一個晶格的“面”與另一個晶格的“心”重合，重合（套構）區域類似簡立方晶格；

②以淡出方式隱去其他非重合區域的離子和結構框架；

③以淡入方式重建套構晶格結構框架；

④旋轉氯化鈉晶格結構以便學生全方位觀察。

圖1是三維動畫的一些幀的效果圖，很直觀形象地表示了“Na+和Cl-分別構成面心立方晶格，氯化鈉晶格結構由這兩種晶格套構而成”這一物理思想。

圖1 氯化鈉晶格結構形成示意圖

2 金剛石晶格

金剛石晶格結構是另外一種形式的復式晶格，它可以看成是面心立方晶格沿其體對角線滑移1/4套構而成。盡管也是兩個面心立方晶格套構而成的，但相對氯化鈉晶格結構來說，金剛石結構要復雜得多。對照教材插圖，學生可以發現C原子組成了一個面心立方晶格，在這個面心立方晶格內部多了四個原子，對于這四個原子也是面心立方晶格的一部分學生是難以想象的（相對而言氯化鈉晶格結構的另一種離子也構成面心立方晶格顯然容易理解些），至于這四個原子的空間位置排列學生也更是難以弄清楚。

針對教學上的困難，采用三維動畫模擬金剛石晶格結構的形成取得了很好的教學效果?？紤]到在3D Max中采用透視圖是看不出沿體對角線面心晶格具體滑移多少的情況，我們就在采用透視圖的基礎上結合了前視圖同時進行動畫展示（學生可同步看到透視和前視效果），并在晶格滑移過程中顯示了體對角線。具體設計思路是：

①兩個面心立方晶格重合在一起（兩個晶格原子顏色不同以示區別），然后沿其體對角線滑移1/4；

②需要保留的四個原子（滑移后留在面心晶格內）閃爍予以強調；

③面心立方晶格多余的部分淡出而消失；

④保留的四個原子與面心立方晶格組成化學鍵形成金剛石晶格結構；

⑤旋轉金剛石晶格結構以便學生全方位觀察。

圖2是三維動畫的一些效果圖，其中左側是透視圖，右側是對應的前視圖。“前2“和“前3”表示了面心立方晶格沿其體對角線滑移了1/4；“透4”和“前4”是四個原子（藍色）在閃爍；“透5”和“前5”即形成了金剛石結構；“透6”和“前6”出現了四個半透明的立方體，從而可以很清楚地看出晶格內部四個原子的位置：如果把金剛石晶格分為8塊立方體，則這四個原子位于上下兩層相對的四個立方體的中心，且每個原子與最近鄰的四個原子構成正四面體結構，它們分別位于四個正四面體的中心。

圖2 金剛石晶格結構形成示意圖

以上實例通過動態的過程展示了復式晶格的概念，使得抽象的理論變得形象直觀，學生易于理解和掌握，符合建構主義創設“情境”幫助學生完成意義建構的原理[5]。在課件的試用期間，學生反映這些知識點在動畫播放之前學習起來非常吃力，但動畫播放后則變得輕松易懂，還有學生說如果沒有動畫的幫助一些知識幾乎是無法弄懂的，這說明了三維動畫技術在固體物理教學中起到了十分重要的作用。

3 結論

在固體物理學的計算機輔助教學中，采用三維動畫動態模擬晶格結構，形象直觀，給學生創造了很真實的物理情境。特別是金剛石結構，我們同步展示了透視圖和前視圖，使學生能同步從多角度觀察，從而可以把復雜抽象的概念轉化為可輕松接受的物理圖像。多年的教學實踐證明，三維動畫技術在固體物理學教學中的應用一方面使教師的教學變得輕松，另一方面非常容易讓學生掌握晶格結構和理解一些抽象的概念，極大地提高了課堂教學效率。

［1］黃昆，韓汝琦.固體物理學[M].北京：高等教育出版社，1988.

［2］馬志軍，章天金，張柏順.面心立方晶格第一布里淵區的三維動畫模擬[J].湖北大學學報：自然科學版，2006,28(4):382-384.

［3］章天金，馬志軍，江娟.密排晶格結構的計算機輔助教學[J].長春師范學院學報：自然科學版，2006,25(6):33-34.

［4］章天金，馬志軍，江娟,等.三維動畫技術在固體物理學教學中的應用[J].沈陽師范大學學報：自然科學版，2007,25(4):454-456.

［5］耿炎.基于建構主義學習理論的CAI系統設計原則[J].華北航天工業學院學報，2000,10(3):1-3.