3D Max建模在醫學物理學課程中的應用案例分析

黃翠鶯,李發波,陳曉青,鄭海波

(福建醫科大學 文理藝術學院,福建 福州 350122)

3D Max是一種用于三維動畫渲染和制作的軟件．憑借其強大的功能板塊、簡便的操作、豐富的插件素材等特點,被廣泛應用于工業設計、建筑設計、三維動畫、多媒體制作領域[1,2]．因其獨特的三維動態展示和可堆疊建模功能可以對復雜過程進行直觀地展示,3D Max建模被越來越多的應用于課程的改革和開發．相比于傳統教學資源,三維教學資源可以直觀地展現抽象模型,再現模型的動態變化過程,便于學生對復雜結構建立清晰、完整的認知[3,4]．三維建模在教學中的應用主要包括三維圖片、動畫以及借助三維場景虛擬仿真、渲染等手段還原真實場景．例如,三維可視化模型在胸外科和肝臟結構解剖教學應用中,顯著提高了學生的參與度和知識點掌握度,在大學課程中的應用效果得到很好的驗證[5,6]．

醫學物理學課程包含許多抽象的概念模型和復雜的數學推導,部分教學內容涉及三維空間、動態過程和微觀結構等,利用傳統的靜態教學方式很難直觀演示．近年來,醫學物理學課程普遍存在授課學時減少和課堂人數增加等問題[7,8]．并且,由于儀器設備、環境、時間、空間等限制,很多內容無法開展課堂演示和實驗室實驗．這些也增加了學生學習醫學物理學課程的難度[9,10]．本文選擇了醫學物理學課程中的光的雙縫干涉、振動方程的推導以及眼睛的屈光不正和矯正三個教學案例,基于3D Max軟件構建三維模型,根據原理公式和參數進行了動畫模擬,并對課堂教學過程進行了設計．本研究把物理現象和本質生動地演繹出來,提高學生對知識的接受度,為醫學物理學課堂教學改革提供新方案．

1 醫學物理學課程問卷調查與分析

本研究采取問卷調查法調研醫學物理學課程學習情況．選取福建醫科大學2021級臨床醫學和口腔醫學專業學生作為問卷調查對象,共計發放問卷210份,有效回收206份,有效問卷回收率98%,結果分析如下.

一半以上(51.46%)的調查對象認為部分醫學物理學課程內容比較抽象難懂,動態模型演示、課堂演示實驗、三維立體模型解說這三個途徑作為抽象內容可視化引入課堂被大部分調查對象認可(圖1a)．雖然課堂演示實驗可以有效提高學習質量,但是如果在100人以上的大課堂進行現場演示實驗,有83.01%的調查對象認同如果坐在后排會因為觀察不清楚而影響學習效果．相比現場演示實驗,65.53%的調查對象認為在100人以上課堂更適合三維動態模型演示．

(a) 調查對象認為抽象內容可視化最有效果的方式

在已授課程中,調查對象認為波動光學、靜電場、幾何光學、振動波動這些章節內容更為抽象(圖1b)．針對調查對象選擇的難理解章節中最難理解的內容(圖1c),本研究選擇了光的雙縫干涉實驗光路、振動方程的推導、眼睛的屈光不正和矯正為講解案例．

2 模型構建及教學設計

2.1 楊氏雙縫干涉實驗模型

波動光學章節以光的波動性質為基礎,主要學習光的干涉、衍射、偏振等物理概念、定律和規律等抽象內容．其中,楊氏雙縫干涉是光具有波動性的基礎實驗之一,傳統的教學方法是利用疊加原理推導出光強分布公式,然后通過展示干涉條紋分布曲線或者干涉條紋圖像來輔助教學．大部分學生對公式中的縫寬、雙縫到光屏之間的距離以及二者之間的數量級差異缺乏空間概念．同時對光的波長、裝置參數對干涉條紋位置、間距的影響沒有直觀的認識,授課效果欠佳．

本研究采用3D Max軟件構建雙縫干涉實驗儀立體模型(圖2),能夠將實驗設備及效果在課堂上進行直觀清晰的呈現．雙縫干涉實驗儀立體模型主要由光具座、光源、透鏡、光闌、濾光片、單縫、雙縫、遮光筒、加長管、測量頭等組成．此模型制作簡單,首先在場景中創建標準幾何體(長方體、圓柱體、球體),將其轉換為可編輯多邊形,然后對照雙縫干涉實驗儀實物圖,根據實物參數比例進行建模．透鏡、遮光筒、加長管、測量頭以及其中的螺絲等零部件主要是以尺寸不同的圓柱體進行布爾邏輯并集組合創建．濾光片、單縫、雙縫等同樣用此方法進行組合．

(a) 無濾光片下,白光干涉圖樣

光闌模型是利用布爾邏輯差集操作呈現中間透光效果,在制作模型時注意細節處理．通過添加網格平滑修改器對多邊形對象進行光滑和細化處理．光源中燈罩的制作:首先需要繪制燈罩邊緣輪廓樣條線,將其轉化為可編輯樣條線.然后選中所有頂點轉化為角點,最后添加車削修改器,移動軸位置即可創建燈罩模型．其它非標準幾何體,例如環形支架、光具座兩端固定支座等,需要先畫出平面圖形剖面,再添加擠壓修改器,調整數值即可完成．構建出虛擬實體是創建模型的基礎,為了使模型更加寫實必須賦予適合的材質,并借助燈光設計．賦予模型材質要根據設備實物的材料和質地給表體加貼圖,例如,光具座、遮光筒、加長管等賦予金屬材質貼圖,呈現金屬光澤．光具座和螺旋測微器上的表面刻度是給模型添加標尺貼圖．最后通過渲染使物體表面顯示出不同的質地和色彩．

2.2 簡諧振動模型

振動與波動章節延續了部分力學內容,同時也是后續學習光學、電磁學、聲學等章節的理論基礎．但是,由于該知識點理論性強,要求學生具備良好的高等數學和力學課程基礎,學習效果并不理想．因此,如何對該定律和公式的抽象理論內容進行更直觀、生動地展示,是該章節內容教學改革和創新的重點．

本研究以簡諧振動的運動方程推導為例進行了簡諧振動動態模擬實驗的3D Max建模(圖3)．具體建模步驟如下:先畫出底座截面樣條線,添加擠出修改器,設置參數即可獲得底座模型．大部分不規則幾何體,例如卷軸紙模型、彈簧限位架的構建都可以應用擠出修改器進行構建．模型中左右對稱分立的不規則支撐軸、彈簧末端固定的圓柱形繪圖工具等,可以繪制相應模型邊緣輪廓樣條線,然后添加車削修改器進行構建．此外,在三維建模時為了呈現逼真實體效果,模型邊緣需要呈現一定的圓滑度．例如,頂板、固定螺母模型都是繪制出其俯視平面輪廓樣條線后,添加倒角修改器并設置倒角面板參數,獲得邊緣平滑效果．

彈簧的構建需要新建幾何體,選擇動力學對象-彈簧,設置彈簧參數,同時選擇綁定到對象軸,分別拾取底座和頂板作為固定對象,便于后續添加彈簧振動的動畫效果．此外,卷軸紙上畫出的三角函數圖像也需要借助路徑變形修改器添加動畫效果:繪制路徑,新建圖形選擇“Max Creation Graph”,對象類型為“Sin Wave”,在其面板上設置三角函數圖像的周期、頻率和振幅等參量．然后新建小圓柱體并添加路徑變形綁定修改器,拾取三角函數作為路徑對象,設置相應的變形方向和拉伸量即可．

最后,模型創建完成需要進行動畫編輯．時間幀設置600幀,默認幀速率24幀．每100幀設置一個關鍵幀,每個關鍵幀位置需要設置彈簧振子的位置以及線條的延伸位置(圓柱體路徑變形修改器的拉伸量參數)．動畫的設置完成后經過幀渲染,就可以獲得動畫視頻．

利用三維動態模型結合問題驅動方式,學生能夠更容易理解并掌握簡諧振動方程的物理意義和求解思路,省略了復雜的數學推導．此外,三維動畫模擬實驗相較于課堂實物演示實驗,省去了一些大體積昂貴的實驗設備,不需要考慮實驗環境條件和調試實驗儀器耗費的時間．在人數較多的大課堂上可以使所有同學均可清晰地觀察到實驗細節．

2.3 眼睛的屈光不正和矯正模型

幾何光學教學內容包括多種復雜光路圖,尤其是講授共軸球面系統,例如眼睛的屈光不正和矯正、光學器件(放大鏡、顯微鏡)工作原理,不同的成像條件需要適時修改成像光路圖．脫離實踐和實驗,僅依靠板書或者圖像進行講解很難達到良好的授課效果．因此,設計動畫視頻輔助教學,可化微觀為直觀,拓展多元化教學形式同時顯著提高課堂效率．

以典型的屈光不正眼——近視眼的矯正為例,首先制作簡化的眼球模型(圖4a),包括角膜、瞳孔、虹膜、晶狀體、視網膜、玻璃體．畫球體轉化為可編輯多邊形,然后選取一部分球冠狀面,在元素層級下選擇分離,再選擇以克隆對象分離作為角膜模型．未分離的球冠面選擇頂點進行壓縮作為眼球的瞳孔和虹膜．這里需要借助UVW展開修改器,選擇投影下的平面貼圖Z軸,接著打開UV編輯器選擇工具下的渲染UVW模板,改變高寬參數導出渲染模板．最后將瞳孔和虹膜的材質用Photoshop等軟件貼入模板相應位置,再賦予給球冠面即可．球體剩余部分賦予貼圖作為玻璃體．晶狀體的制作是利用球體添加FFD修改器,按軸壓縮成扁平球體．同樣利用FFD修改器將圓柱體上拉伸下壓縮,去掉上底面,加上殼修改器即可構建水杯模型．后續可以將水杯模型轉化為可編輯多邊形,選中側面兩個面利用擠出、橋接修改器構建杯耳．最后添加平滑修改器完善水杯形狀．

圖4 近視眼成像效果及矯正原理動畫示意圖

動畫編輯過程如下:時間幀設置1 200幀,默認幀速率24幀．分別在關鍵幀位置設置成像圖片透明度,晶狀體和透鏡形狀、水杯的位置．光線的動畫同樣借助路徑變形綁定修改器,新建小圓柱體并添加路徑變形綁定修改器,在關鍵幀位置設置相應的變形方向和拉伸量即可完成制作．

三維動畫生動演繹了近視眼形成—遠點變近—凹透鏡矯正的整個過程．如圖4所示,正常眼睛在不經過調節時,平行光進入剛好可以在視網膜上成清晰的像,稱為正視眼(圖4b)．正視眼的遠點(能看清的最遠距離)在無窮遠處．如果眼睛的晶狀體曲率半徑變小或者眼球前后直徑變長,無窮遠處物的像就會落在視網膜的前方,形成典型的屈光不正眼——近視眼(圖4c)．近視眼患者的遠點變成了眼前的有限距離位置(圖4d)．位于遠點以外的物體在視網膜上只能呈現模糊的像．近視眼患者可以通過配戴凹透鏡進行視力矯正．佩戴眼鏡后,如果矯正度數不夠,此時無窮遠處的物體經過凹透鏡之后會在物體的同一側成正立的縮小的虛像．若像點的位置不在近視眼裸眼遠點位置,根據共軸球面系統成像原理,最后在視網膜上也只能形成模糊的像(圖4e)．只有當凹透鏡的焦度增大,無窮遠處的物體經過凹透鏡后成的虛像像點位置逼近裸眼的遠點時,近視眼患者視力矯正成功(圖4f)．

教師通過動畫層層鋪墊、層層深入演示矯正過程,整個知識框架上下連貫,授課過程清晰生動,可以顯著提高學生的理解效率．后期教師可以給動畫配備語音講解和字幕,做成微課,上傳至學習通等線上授課軟件,學生的學習可以不受時間和空間限制,有效促進線上線下相結合的教學方式改革．此外,物理學在醫學應用中經常需要引入復雜的臟器結構及模型,三維模型及動畫為其課程內容的優化提供了方向．有利于學生在掌握物理學的基礎上實現知識體系的優化應用．

3 總結

本研究通過調查問卷法,篩選了醫學物理學課程中較為抽象的三個知識節點,分別介紹了如何利用3D Max軟件構建楊氏雙縫干涉實驗、簡諧振動、眼睛的屈光不正和矯正模型．通過設計3D Max模型并應用于課堂教學,使得抽象物理過程具象化,拓展多元化教學形式的同時提高教學質量．在物理實驗、復雜方程推導、動態模型演示等教學應用中具有明顯優勢,對高校醫學物理學及其他相關學科教學具有較高的使用價值和推廣意義．