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三維動畫技術(shù)在固體物理學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用
作者：心閱讀者 日期：2017-8-28 字體：[大] [中] [小]
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【摘 要】以氯化鈉和金剛石復(fù)式晶格為例，在計算機(jī)輔助教學(xué)中采用三維動畫的形式動態(tài)地模擬它們的結(jié)構(gòu)，解決了固體物理學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)中遇到的困難。
【關(guān)鍵詞】三維動畫;固體物理學(xué);應(yīng)用
引言
固體物理學(xué)是材料物理和電子科學(xué)技術(shù)專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)理論課程，它研究的是固體微觀的原子、電子結(jié)構(gòu)與宏觀物理性質(zhì)之間的相互關(guān)系及其變化規(guī)律。當(dāng)今最活躍的凝聚態(tài)物理與新材料科學(xué)都與固體物理學(xué)緊密相連。因此，固體物理學(xué)的教學(xué)有著十分重要的地位。但固體物理學(xué)在傳統(tǒng)教學(xué)方面存在很多的困難[1]。比如在晶體結(jié)構(gòu)中，六角密堆積與面心立方密排，金剛石與氯化鈉的復(fù)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(qū)等，采用傳統(tǒng)教學(xué)方式（如幻燈和實(shí)物模型）都難以講述清楚。在這些問題上，教師費(fèi)盡口舌也無法使自己感覺教學(xué)滿意，其結(jié)果是：學(xué)生得不到一個清晰的物理圖象，即感性認(rèn)識難以形成和得到豐富，學(xué)生也就難以理解教材和掌握知識，甚至喪失學(xué)習(xí)固體物理學(xué)的興趣。傳統(tǒng)教學(xué)方式遇到如此困難的原因是，固體物理學(xué)是一門思想性很強(qiáng)，內(nèi)容很抽象的課程，學(xué)習(xí)這門課程需要很強(qiáng)的空間想象力，而傳統(tǒng)方式不能提供三維的教學(xué)情境和所需要的感性材料。基于傳統(tǒng)教學(xué)方式的局限性和現(xiàn)代教學(xué)發(fā)展的趨勢，采用計算機(jī)輔助教學(xué)特別是三維動畫模擬能有效地解決教學(xué)過程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)[2-4]。
本文以復(fù)式晶格中氯化鈉和金剛石為例，簡述三維動畫技術(shù)在固體物理學(xué)教學(xué)中的應(yīng)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(fù)式晶格，它可以看成是Na+和Cl-兩個面心立方晶格套構(gòu)而成的。對照教材插圖，學(xué)生可以很清楚看到其中一種離子構(gòu)成了面心立方晶格，對于另一種也構(gòu)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(gòu)而成”不是很容易理解。
三維動畫設(shè)計思路：
①Na+和Cl-兩個面心立方晶格由遠(yuǎn)靠近，至一個晶格的“面”與另一個晶格的“心”重合，重合（套構(gòu)）區(qū)域類似簡立方晶格;
②以淡出方式隱去其他非重合區(qū)域的離子和結(jié)構(gòu)框架;
③以淡入方式重建套構(gòu)晶格結(jié)構(gòu)框架;
④旋轉(zhuǎn)氯化鈉晶格結(jié)構(gòu)以便學(xué)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(gòu)成面心立方晶格，氯化鈉晶格結(jié)構(gòu)由這兩種晶格套構(gòu)而成”這一物理思想。
圖1 氯化鈉晶格結(jié)構(gòu)形成示意圖
2 金剛石晶格
金剛石晶格結(jié)構(gòu)是另外一種形式的復(fù)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(gòu)而成。盡管也是兩個面心立方晶格套構(gòu)而成的，但相對氯化鈉晶格結(jié)構(gòu)來說，金剛石結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多。對照教材插圖，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)C原子組成了一個面心立方晶格，在這個面心立方晶格內(nèi)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(xué)生是難以想象的（相對而言氯化鈉晶格結(jié)構(gòu)的另一種離子也構(gòu)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(xué)生也更是難以弄清楚。
針對教學(xué)上的困難，采用三維動畫模擬金剛石晶格結(jié)構(gòu)的形成取得了很好的教學(xué)效果。考慮到在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(chǔ)上結(jié)合了前視圖同時進(jìn)行動畫展示（學(xué)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(shè)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(qū)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(nèi)）閃爍予以強(qiáng)調(diào);
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(xué)鍵形成金剛石晶格結(jié)構(gòu);
⑤旋轉(zhuǎn)金剛石晶格結(jié)構(gòu)以便學(xué)生全方位觀察。
圖2是三維動畫的一些效果圖，其中左側(cè)是透視圖，右側(cè)是對應(yīng)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(lán)色）在閃爍;“透5”和“前5”即形成了金剛石結(jié)構(gòu);“透6”和“前6”出現(xiàn)了四個半透明的立方體，從而可以很清楚地看出晶格內(nèi)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(gòu)成正四面體結(jié)構(gòu)，它們分別位于四個正四面體的中心。
圖2 金剛石晶格結(jié)構(gòu)形成示意圖
以上實(shí)例通過動態(tài)的過程展示了復(fù)式晶格的概（下轉(zhuǎn)第80頁）（上接第48頁）念，使得抽象的理論變得形象直觀，學(xué)生易于理解和掌握，符合建構(gòu)主義創(chuàng)設(shè)“情境”幫助學(xué)生完成意義建構(gòu)的原理[5]。在課件的試用期間，學(xué)生反映這些知識點(diǎn)在動畫播放之前學(xué)習(xí)起來非常吃力，但動畫播放后則變得輕松易懂，還有學(xué)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(shù)在固體物理教學(xué)中起到了十分重要的作用。
3 結(jié)論
在固體物理學(xué)的計算機(jī)輔助教學(xué)中，采用三維動畫動態(tài)模擬晶格結(jié)構(gòu)，形象直觀，給學(xué)生創(chuàng)造了很真實(shí)的物理情境。特別是金剛石結(jié)構(gòu)，我們同步展示了透視圖和前視圖，使學(xué)生能同步從多角度觀察，從而可以把復(fù)雜抽象的概念轉(zhuǎn)化為可輕松接受的物理圖像。多年的教學(xué)實(shí)踐證明， 三維動畫技術(shù)在固體物理學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用一方面使教師的教學(xué)變得輕松，另一方面非常容易讓學(xué)生掌握晶格結(jié)構(gòu)和理解一些抽象的概念，極大地提高了課堂教學(xué)效率。
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