三维动画技术在固体物理学教学中的应用

马志军 梁 坤

（1.湖北大学化学化工学院，湖北 武汉430062；2.湖北大学材料科学与工程学院，湖北 武汉430062）

0 引言

固体物理学是材料物理和电子科学技术专业的一门重要的基础理论课程,它研究的是固体微观的原子、电子结构与宏观物理性质之间的相互关系及其变化规律。当今最活跃的凝聚态物理与新材料科学都与固体物理学紧密相连。因此,固体物理学的教学有着十分重要的地位。但固体物理学在传统教学方面存在很多的困难[1]。比如在晶体结构中，六角密堆积与面心立方密排，金刚石与氯化钠的复式晶格，以及晶体的宏观对称性等；在能带理论中面心立方与体心立方的第一布里渊区等，采用传统教学方式（如幻灯和实物模型）都难以讲述清楚。在这些问题上，教师费尽口舌也无法使自己感觉教学满意，其结果是：学生得不到一个清晰的物理图象，即感性认识难以形成和得到丰富，学生也就难以理解教材和掌握知识，甚至丧失学习固体物理学的兴趣。传统教学方式遇到如此困难的原因是，固体物理学是一门思想性很强，内容很抽象的课程，学习这门课程需要很强的空间想象力，而传统方式不能提供三维的教学情境和所需要的感性材料。基于传统教学方式的局限性和现代教学发展的趋势，采用计算机辅助教学特别是三维动画模拟能有效地解决教学过程中的重点与难点[2-4]。

本文以复式晶格中氯化钠和金刚石为例，简述三维动画技术在固体物理学教学中的应用。

1 氯化钠晶格

氯化钠晶格看起来像一个简单立方晶格，但每一行每一列上Na+和Cl-是相间排列的，因此是一种复式晶格，它可以看成是Na+和Cl-两个面心立方晶格套构而成的。对照教材插图，学生可以很清楚看到其中一种离子构成了面心立方晶格，对于另一种也构成面心立方晶格并且与前面的晶格穿插在一起则不是很直观。因此对“由两个面心立方套构而成”不是很容易理解。

三维动画设计思路：

①Na+和Cl-两个面心立方晶格由远靠近，至一个晶格的“面”与另一个晶格的“心”重合，重合（套构）区域类似简立方晶格；

②以淡出方式隐去其他非重合区域的离子和结构框架；

③以淡入方式重建套构晶格结构框架；

④旋转氯化钠晶格结构以便学生全方位观察。

图1是三维动画的一些帧的效果图，很直观形象地表示了“Na+和Cl-分别构成面心立方晶格，氯化钠晶格结构由这两种晶格套构而成”这一物理思想。

图1 氯化钠晶格结构形成示意图

2 金刚石晶格

金刚石晶格结构是另外一种形式的复式晶格，它可以看成是面心立方晶格沿其体对角线滑移1/4套构而成。尽管也是两个面心立方晶格套构而成的，但相对氯化钠晶格结构来说，金刚石结构要复杂得多。对照教材插图，学生可以发现C原子组成了一个面心立方晶格，在这个面心立方晶格内部多了四个原子，对于这四个原子也是面心立方晶格的一部分学生是难以想象的（相对而言氯化钠晶格结构的另一种离子也构成面心立方晶格显然容易理解些），至于这四个原子的空间位置排列学生也更是难以弄清楚。

针对教学上的困难，采用三维动画模拟金刚石晶格结构的形成取得了很好的教学效果。考虑到在3D Max中采用透视图是看不出沿体对角线面心晶格具体滑移多少的情况，我们就在采用透视图的基础上结合了前视图同时进行动画展示（学生可同步看到透视和前视效果），并在晶格滑移过程中显示了体对角线。具体设计思路是：

①两个面心立方晶格重合在一起（两个晶格原子颜色不同以示区别），然后沿其体对角线滑移1/4；

②需要保留的四个原子（滑移后留在面心晶格内）闪烁予以强调；

③面心立方晶格多余的部分淡出而消失；

④保留的四个原子与面心立方晶格组成化学键形成金刚石晶格结构；

⑤旋转金刚石晶格结构以便学生全方位观察。

图2是三维动画的一些效果图，其中左侧是透视图，右侧是对应的前视图。“前2“和“前3”表示了面心立方晶格沿其体对角线滑移了1/4；“透4”和“前4”是四个原子（蓝色）在闪烁；“透5”和“前5”即形成了金刚石结构；“透6”和“前6”出现了四个半透明的立方体，从而可以很清楚地看出晶格内部四个原子的位置：如果把金刚石晶格分为8块立方体，则这四个原子位于上下两层相对的四个立方体的中心，且每个原子与最近邻的四个原子构成正四面体结构，它们分别位于四个正四面体的中心。

图2 金刚石晶格结构形成示意图

以上实例通过动态的过程展示了复式晶格的概念，使得抽象的理论变得形象直观，学生易于理解和掌握，符合建构主义创设“情境”帮助学生完成意义建构的原理[5]。在课件的试用期间，学生反映这些知识点在动画播放之前学习起来非常吃力，但动画播放后则变得轻松易懂，还有学生说如果没有动画的帮助一些知识几乎是无法弄懂的，这说明了三维动画技术在固体物理教学中起到了十分重要的作用。

3 结论

在固体物理学的计算机辅助教学中，采用三维动画动态模拟晶格结构，形象直观，给学生创造了很真实的物理情境。特别是金刚石结构，我们同步展示了透视图和前视图，使学生能同步从多角度观察，从而可以把复杂抽象的概念转化为可轻松接受的物理图像。多年的教学实践证明，三维动画技术在固体物理学教学中的应用一方面使教师的教学变得轻松，另一方面非常容易让学生掌握晶格结构和理解一些抽象的概念，极大地提高了课堂教学效率。

［1］黄昆，韩汝琦.固体物理学[M].北京：高等教育出版社，1988.

［2］马志军，章天金，张柏顺.面心立方晶格第一布里渊区的三维动画模拟[J].湖北大学学报：自然科学版，2006,28(4):382-384.

［3］章天金，马志军，江娟.密排晶格结构的计算机辅助教学[J].长春师范学院学报：自然科学版，2006,25(6):33-34.

［4］章天金，马志军，江娟,等.三维动画技术在固体物理学教学中的应用[J].沈阳师范大学学报：自然科学版，2007,25(4):454-456.

［5］耿炎.基于建构主义学习理论的CAI系统设计原则[J].华北航天工业学院学报，2000,10(3):1-3.