基于MAYA的化工食品類實(shí)驗(yàn)仿真動(dòng)畫研究與實(shí)踐
——以皮蛋中重金屬鉛含量的測定實(shí)驗(yàn)為例

張洪民，張 英，張春迎，趙 震，高 申

（1.天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，天津 300402；2.天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院生物與環(huán)境工程系，天津 300402）

1 化工食品類課程實(shí)驗(yàn)面臨的問題

化工食品類學(xué)科教學(xué)活動(dòng)中，一個(gè)不可或缺的重要環(huán)節(jié)就是實(shí)驗(yàn)，課堂教學(xué)也需要引用試驗(yàn)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)結(jié)果，觀看實(shí)驗(yàn)視頻等，以此來提高教學(xué)的質(zhì)量。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)更是關(guān)乎著整個(gè)教學(xué)過程的質(zhì)量和教學(xué)成敗?；な称奉愓n程的教學(xué)目前還是存在著諸多問題，尤其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中更為突出。隨著社會(huì)的發(fā)展和數(shù)字媒體技術(shù)的提高，提高教育教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可視化水平尤其重要[1-3]。

1.1 教學(xué)過程中多媒體使用單一

化學(xué)食品類課程教學(xué)過程中大多使用多媒體課件的類型，如PPT、圖片、視頻等，而此種形式已經(jīng)難以適應(yīng)目前學(xué)生的需求，學(xué)生的積極性、主動(dòng)性受到制約，學(xué)生目前多為“95后”年齡段甚至“00后”年齡段，他們樂于看到動(dòng)畫效果，生動(dòng)活潑、逼真形象的動(dòng)畫效果可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生的記憶力。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示缺乏重復(fù)性

化學(xué)食品類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能演示1次，多次會(huì)造成資源的浪費(fèi)，小班或分組授課又受到實(shí)驗(yàn)室等硬件資源和實(shí)驗(yàn)教師資源的限制，而實(shí)驗(yàn)具有不重復(fù)性，學(xué)生一步?jīng)]有看到，就錯(cuò)過了，會(huì)導(dǎo)致后面實(shí)驗(yàn)過程失敗，或者咨詢教師或?qū)W生，影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。使用動(dòng)畫仿真模擬實(shí)驗(yàn)過程，可以重復(fù)觀看，有助于記憶，可以拖拽、跳進(jìn)，對不會(huì)的知識點(diǎn)、不懂的步驟可以直搗黃龍，節(jié)約時(shí)間、提高效率。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程存在一定危險(xiǎn)性

實(shí)驗(yàn)過程存在一定危險(xiǎn)性和毒性，部分化學(xué)食品類課程的實(shí)驗(yàn)涉及多種不同的化學(xué)藥品，有些具有可燃性、劇毒性、腐蝕性和反應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)次數(shù)越少越好，成功率越高越好，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的有毒物質(zhì)越少越好。采用動(dòng)畫仿真模擬實(shí)驗(yàn)過程有利于提高實(shí)驗(yàn)成功率，可以對環(huán)境的污染降到最低[4]。

2 Maya軟件制作仿真動(dòng)畫的特點(diǎn)

Maya作為世界頂級的三維動(dòng)畫軟件，應(yīng)用對象涵蓋了專業(yè)的影視廣告、角色動(dòng)畫、電影特技和仿真實(shí)驗(yàn)等。其功能完善、工作靈活、制作效率極高，Maya軟件制作仿真動(dòng)畫具有形象、逼真、生動(dòng)、傳神、真實(shí)感極強(qiáng)等特點(diǎn)，使用Maya軟件制作仿真動(dòng)畫可以是教學(xué)工作和實(shí)驗(yàn)效果更加生動(dòng)、課堂效果更具有活力和動(dòng)力。

3 以皮蛋中重金屬鉛含量的測定實(shí)驗(yàn)為例教學(xué)實(shí)踐

皮蛋中重金屬鉛含量的測定是“食品衛(wèi)生”課程教學(xué)項(xiàng)目第4部分乳、蛋類的衛(wèi)生檢驗(yàn)中的任務(wù)二，也是這部分內(nèi)容的教學(xué)重點(diǎn)和教學(xué)難點(diǎn)。由于重金屬鉛對人體的危害較大；實(shí)驗(yàn)過程存在一定的危險(xiǎn)性；火焰原子吸收測定需要的實(shí)驗(yàn)條件較高，有些知識點(diǎn)不適合理論教學(xué)，因此將這部分內(nèi)容制作成微課，以便學(xué)生能夠更好地學(xué)習(xí)。而在微課的制作過程中，主要應(yīng)用了Maya軟件制作動(dòng)畫，達(dá)到了栩栩如生的效果，吸引學(xué)生進(jìn)行觀看。

3.1 3D動(dòng)畫模型設(shè)計(jì)

3D動(dòng)畫模型的建立包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備模型、實(shí)驗(yàn)場景模型，其中實(shí)驗(yàn)室設(shè)備模型可以建立1個(gè)模型庫，以備今后其他仿真動(dòng)畫設(shè)計(jì)之用，實(shí)驗(yàn)過程中的操作臺可以一勞永逸，制作1次即可，實(shí)驗(yàn)試管類模型可根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)添加。其中，有刻度的模型要根據(jù)精度設(shè)計(jì)建模，給學(xué)生實(shí)驗(yàn)以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)。

3.2 食品中重金屬鉛的來源動(dòng)畫部分

食品中重金屬鉛的來源主要包括3個(gè)方面：①汽車尾氣的污染；②皮蛋制作過程中重金屬鉛的污染；③香煙燃燒過程產(chǎn)生的重金屬鉛。為了讓學(xué)生更加深入地了解重金屬鉛的來源，利用Maya軟件制作了3個(gè)動(dòng)畫。

汽車尾氣和吸煙有害健康仿真動(dòng)畫見圖1。

圖1 汽車尾氣和吸煙有害健康仿真動(dòng)畫

3.3 原子吸收分光光度計(jì)的工作原理動(dòng)畫

根據(jù)GB 5009.12—2017，利用火焰原子吸收分光光度計(jì)對食品中重金屬鉛含量進(jìn)行測定。在使用分光光度計(jì)前，需要掌握其工作原理，在學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生普遍反映教師直接講解工作原理比較枯燥且不易理解，所以利用Maya制作了工作原理的相關(guān)動(dòng)畫，使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中更加容易理解，為操作原子吸收分光光度計(jì)打好基礎(chǔ)。

原子吸收分光光度計(jì)的工作原理動(dòng)畫見圖2。

圖2 原子吸收分光光度計(jì)的工作原理動(dòng)畫

3.4 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制動(dòng)畫

在標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過程中，學(xué)生會(huì)由于操作過程不標(biāo)準(zhǔn)而導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，甚至是操作過程的錯(cuò)誤。如將溶液移入容量瓶的過程，部分學(xué)生操作的過程會(huì)出現(xiàn)以下幾點(diǎn)問題：①轉(zhuǎn)移溶液時(shí)沒有使用玻璃棒引流；②使用玻璃棒的方法不夠標(biāo)準(zhǔn)；③引流時(shí)將溶液倒出，造成誤差。為了有效減少這些誤差，避免實(shí)驗(yàn)過程中的錯(cuò)誤操作，利用錄像和動(dòng)畫相結(jié)合的方式表現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制過程。

配液實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫見圖3。

圖3 配液實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫

3.5 原子吸收分光光度計(jì)的操作步驟動(dòng)畫

由于原子吸收分光光度計(jì)在操作過程中存在一定危險(xiǎn)性，操作不當(dāng)會(huì)引起較為嚴(yán)重的后果且重金屬鉛對人體的危害較大，所以在進(jìn)行真實(shí)的操作前，需要讓學(xué)生了解具體的操作步驟。

主要采用關(guān)鍵幀動(dòng)畫和流體動(dòng)畫，其中關(guān)鍵幀動(dòng)畫在操作步驟中具有重要地位，設(shè)置操作過程中的關(guān)鍵幀，使用動(dòng)畫曲線編輯器設(shè)計(jì)關(guān)鍵幀的曲線，讓動(dòng)畫更加符合實(shí)驗(yàn)真實(shí)效果，使用流體動(dòng)畫可以將實(shí)驗(yàn)液體流動(dòng)效果更加形象逼真，有真實(shí)效果，流體的飛濺效果做成可以在布料上面炭化效果，可以讓學(xué)生知道化學(xué)液體的危險(xiǎn)性，提高安全性教學(xué)[5]。

3.6 乙炔罐使用方法

由于乙炔為易燃易爆物質(zhì)，如果在實(shí)驗(yàn)過程中操作不當(dāng)，極易發(fā)生危險(xiǎn)，引起爆炸且打開乙炔罐的方式較為特殊。所以，在這個(gè)部分利用動(dòng)畫講解乙炔罐的打開方法，避免由于學(xué)生的錯(cuò)誤操作而發(fā)生危險(xiǎn)。乙炔罐使用動(dòng)畫的難點(diǎn)在于火焰的顏色設(shè)置，火焰顏色的渲染效果可以使用錄制的視頻制作成動(dòng)畫演示，分層渲染使乙炔罐的操作讓學(xué)生感受不同火焰，而不用浪費(fèi)時(shí)間和乙炔，節(jié)約資源。

爆炸動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)實(shí)生活中和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不可能實(shí)現(xiàn)真實(shí)的爆炸場面，也具有危險(xiǎn)性，使用Maya動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)起來很容易，可以讓學(xué)生體會(huì)到操作不當(dāng)造成的傷害，提升學(xué)生安全意識，減少實(shí)驗(yàn)教學(xué)危險(xiǎn)性發(fā)生概率。

乙炔罐使用仿真動(dòng)畫見圖4。

圖4 乙炔罐使用仿真動(dòng)畫

4 仿真軟件發(fā)展趨勢

仿真軟件發(fā)展趨勢之一是虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的沉浸式體驗(yàn)成為今后教育教學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)等的發(fā)展方向，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸式體驗(yàn)可以讓學(xué)生有身臨其境的感覺，將真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中無法實(shí)現(xiàn)的部分呈現(xiàn)到學(xué)生面前，達(dá)到充分的體驗(yàn)效果。例如，化工安全實(shí)驗(yàn)中火災(zāi)效果、爆炸效果、強(qiáng)腐蝕效果可以用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，學(xué)生可以在其中得到安全教育，減少各種事故的發(fā)生，學(xué)生可以從各個(gè)角度觀察實(shí)驗(yàn)過程、觀看實(shí)驗(yàn)效果，避免了因?yàn)閷W(xué)生多造成擁擠或者阻擋視線的情況發(fā)生，而且可以近距離推進(jìn)觀看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。仿真軟件的發(fā)展趨勢之二是線上的學(xué)習(xí)，線上方式學(xué)習(xí)將成為常態(tài)，讓學(xué)生線下的被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)榫€上的主動(dòng)學(xué)習(xí)，將仿真軟件放置到網(wǎng)上可以實(shí)現(xiàn)在線應(yīng)用，從而促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)，達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果[6-7]。

5 結(jié)語

化學(xué)食品類實(shí)驗(yàn)仿真動(dòng)畫的設(shè)計(jì)與制作，需要數(shù)字媒體專業(yè)動(dòng)畫師完成最后的動(dòng)畫制作，動(dòng)畫的真實(shí)實(shí)驗(yàn)要有專業(yè)的化學(xué)食品類實(shí)驗(yàn)教師把關(guān)，不能有絲毫的專業(yè)錯(cuò)誤出現(xiàn)。利用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)字媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)等協(xié)同發(fā)展仿真動(dòng)畫軟件，是今后化學(xué)食品類乃至其他各種學(xué)科尤其是危險(xiǎn)系數(shù)高、難度系數(shù)大、不可復(fù)制重復(fù)性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課程的發(fā)展方向。