3ds Max制作三维动画在有机化学课件中的应用

第25卷第5期

2008年5月28日

Computers and Applied Chemistry

3ds Max制作三维动画在有机化学课件中的应用

杨发福：张建生

(福建师范大学化学与材料学院，福建，福州，数五字多换替)

摘要；以模拟制作环己烷构象翻转过程和电环化反应机理为例，较详细介绍利用3d$ Max 8软件制作三维动画模拟有机化学 中分子的构象及其变化、化学键的断裂和生成、化学反应立体化学的变化过程等。这些三维动画立体感强，动感流畅，生动形 象，易于理解，便于记忆。

关键词：有机化学；三维动画；CAI； 3ds Max

中图分类号：0642

文献标识码：B

文章编号：数五字多换替(2008)05-631 -634

The application of 3 ds Max animations in courseware of organic chemistry

Yang Fafu and Zhang Jiansheng

(College of Chemistry and Materials Science, Fujian Normal Universityt Fuzhou, 数五字多换替, Fujian, China)

Abstract： Taking the processes of ring-flip of cyclohexane and the mechanism of pericyclic reactions as examples, the method of mak・ ing 3ds Max 加・dimensional animations were introduced to simulate the changing of conformation, the breaking and creating of chemical bonds, the changing of stereochemistry in organic chemical reaction, etc. These 加-dimensional animations were not only vivid and fluent but also easily for comprehension and memory.

Key words： organic chemistry, 3D animated cartoon, CAI, 3ds Max

Yang FF and Zhang JS. The application of 3ds Max animations in courseware of organic chemistry. Computers and Applied Chemistry, 2008 , 25(5) ：631 -634.

1引言

有机化学是研究有机化合物的纽成、结构、性质及其变 化规律的一门科学，内容涉及有机物的微观结构、分子模型、 右机反应机理等。这些内容抽象不易理解，故要求学生有一 定的空间想象力，是有机化学教学中的重点、难点“⑵。

二维动画是近年来随若计算机技术的发展而产生的一 种新兴技术。由于其梢确性、真实性和无限的可操作性，目 前被广泛用于医学、教育、军事、娱乐等诸多领域。它立体感 强，动感而流畅，很多用平面方式难以表达清楚的立体结构、 变化过程（如：有机化学反应机理）等抽象槪念，都可以用三 维动画形象地演绎岀来⑴。

近年来随若计算机辅助教学的发展，陆续已开发出一些 带有三维动画性质的化学CAI课件可以使用。刘军、张翼、 杨岛文等先后报道利用3ds Max3. 0和4.0制作一些简单的

•••维动画，模拟、SN2、El、E2和手性结构等简单的立体 结构与机理，但囿于由于硕软件的限制，制作的动画较为简 单牛硬，立体感勺流畅感不够强，不如说更接近二维动 幽后来软硬件技术的升级，以及3ds Max软件的更新 换代，现已可利于制作一些更为复杂的立体化学结构变化和 反应历程。我们在教学中利用最新版本Autodesk 3ds Max 8

简体中文版SP3,制作了一系列的有机反应机理和龙体结构 变化过程的二维动画模拟，包括环己烷构象翻转、手性结构、 SN,、SU ,E,尼、苯环亲核取代、按基加成过程、酯水解.Cope 消去、霍夫曼重排、电环化反应等。本文以制作环己烷构象 翻转过程和电环化反应机理的模拟三维动画为例，较为详细 介绍制作方法，利用三维动画生动、直观地表现/有机化学 中分子的构象及其变化，化学键的断裂和生成，化学反应过 程立体化学的变化等过程，使教与学都更具形象性、生动性 和趣味性，加深学生对相关知识的理解和记忆。

2三维动画的制作软件介绍

2.1软件介绍

3ds Max是Autodesk公司岀品的最流行的壬维动画制 作软件，它提供了强大的基于Windows平台的实时三维建 模、濱染和动画设计等功能，町以在虚拟的三维场景中创建 出精美的模型，并输出图像和视频动画文件，许多卓越的电 脑图像与动画制作，都采用3ds Max软件，广告、影视、工业 设计、多媒体制作及工程可视化领域已非常普遍。基于3ds Max的图像处理技术简化图像处理的复杂过程，在三维动画 制作方面发挥着巨大的作用，目前它的新版本是Autodesk

收積日期：2007-09-01 ；修回日期:2008X）1-26

墓金资助：福建省有机化学精品课桎立项建设项冃和福建师范大学有机化学教改与优质教材教案项目 作者简介：杨发福（】976—）,教授，博士，研究方向，超分子与应用化学.

3ds Max 8,本文就使用这一版本⑶。

2.2系统配置要求

软件要求:Windows XP Professional ( SP2 )或更高版本; Windows XP Home ( SP2 ) ； Windows2000 ( SfM )或更高版本； Internet Explore 6； DirectX 9 或 OpenGL® o

硬件要求：Intel Pentium DI 500 MHz 或 AMD 500 MHz 以 上的CPU；512 MB RAM和500MB硬盘空间(推荐1 GB RAM 和2 GB硬盘空间)；支持1024 x768 ,16位真彩的64 MB显存 的显卡，支持OpenGL和DirectD硬件计算(推荐支持1024 x 768.32位真彩的256 MB显卡的显卡)；普通光驱⑺。

3 动画设计思路

3.1有机分子建模

三维的建模方式有多种，鉴于有机化学分子的球棍模 型多为规则的几何体，则可以将分子模型分解为若干个单纯 的几何体，分别创建这些简单的几何体，然后依据分子的空 间结构在场景中将分子组装起来，再使用务种修改编辑器修 改模型，最后使用材质编辑器以赋予分子模型，再修改后就 完成了有机分子的建模。

例如：甲烷分子的建模

Fig. 1 The special structure of methane with frame symbol.

图1使用框架标示出甲烷的空间结构

(1) 创建2个正方体，一个的边长是另一个的2倍，将它 们重叠放在一起并赋予线框材质(如图1),并用4条样条线 连接2个正方体中的5个圆点(图I中圆圈处)，形成一个四 面体的框架。

(2) 在5个顶点处绘制5个球，并用大小区分出C原子 和H原子，将4条样条线复合成复合对象，形成基本的分子 模型。

Fig. 2 Modeling of polygon.

图2多边形建模

(3)删除辅助线框，用材质编辑器赋子分子模型不同的 材质贴图，并对材质添加UVW贴图修改编辑器修改贴图效 果，完成分子建模。

Fig. 3 Finish modeling.

图3完成建模

3.2动画制作与播放

使用主工具栏中的移动、旋转、缩放等工具，调整分子模 型并使用自动关键点时时记录，结合设置关键点来手动记录 动画过程，使用轨迹视图-曲线编辑器来修改动画，动画可进 行微调或设置动画曲线。通过可见性渐变来演示化学键的 形成与断裂。动画制作完成后还需将其生成AVI格式的文 件存舗，以便于观看及敏敏词换替课件中演示。它可用一般的媒体 播放器如 Realplayer、Media player 播放，可用 Premiere 等多 媒体软件编辑，并可作为影片文件敏敏词换替Powerpoint等格式的 课件中。

4环己烷构象翻转三维动画及效果

椅式构象是环己烷最稳定的构象，因此，在讨论取代环 己烷的构象分析时，主要考虑椅式构象。椅式构象环己烷中 有4个碳原子在同一平面上，其余2个碳原子分别在这一平 面的上面和下面，C・H键都在相邻的2个碳原子上交叉式的 位置。椅式构象中C・H键分为两类，与分子的对称轴平行 的叫做直立键或a键，与直立键成109。28,角的叫做平伏键 或e键，如图4(l)o

0)

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^7^

(4)

Fig. 4 Some key frames of reversal of cyclohexane with chair conformation.

图4椅式构象环己烷的翻转三维动画过程的几个关键祯

环己烷分子可以由一个椅式构象翻转成为另一个椅式 构象，原来的a键变成e键，e键则变成a键。图4是三维动 画模拟环己烷翻转过程中的几个关键祯。（I）椅式构象； （2）是翻转过程中环上6个碳原子处于同一平面，环张力最 大的构象；（3）继续翻转逐渐形成另•一椅式构象的过程；（4） 完全翻转成另一种椅式构象。

有机化学教材中只用简单的二维平面图来表示环己烷 的构象（如图5）,空间立体感不足，学生较难理解。本文运 用形象生动立体感强的三维动画演示，制造岀强烈的视觉效 果，再加上老师课堂上的讲解，即便于学生理解，又加深了学 生记忆。

⑵

Fig. 5 The scheme of reversal of cyclohexane in teaching material. 图5有机化学教材中的环己烷翻转图解

5电环化反应机理动画及效果

5.1 （Z,E）-2,4-B二烯热作用顺旋反应

在线型共純体系的两端，由2个tt电子生成一个新的a 键或其逆反应都称为电环化反应。如：（Z,E）-2,4-己二烯分 子等。热作用电环化反应中，2,4-己二烯要转化成3,4-二甲 基环丁烯必须往C2和C,间形成。键，要求C?和C, 2个原 子分别绕C「C,和C,-C＜键旋转，同时C?和C,上p轨道逐

（3）

Fig. 6 Some key frames of conrotatory of electrocyclization reaction.

图6电环化反应顺旋过程三维动画的几个关键祯 渐转化成s『杂化轨道，互相璽叠生成＜r键。C2-C3和G-E 的旋转可能有两种方式：一种是向同一方向旋转，称为顺旋； 一种是向相反方向旋转，称为对旋。

顺旋时,C?的p轨道或轨道与C,的p轨道或轨 道始终保持对称性，在2个s『轨道距离最近时，轨道相位 相同，重叠最大，形成（T键。图6展示电环化反应顺旋过程 三维动画的几个关键祯：（1）为（乙忙）・2,4・己二烯分子的构 象；（2）为顺旋过程中的构象截面；（3）为顺旋完毕，相位相 同（图中颜色相同）的轨道形成。键。

5.2 （Z,E）-2,4-B二烯热作用下对旋反应

対旋时，两个SP3轨道接近时，相位相反，不能形成a 键，是对称性禁阻的途径。（Z,E）・2,4■己二烯在热作用下能 顺旋形成顺-3,4-二甲基环丁烯，而在对旋过程中是禁阻 的。如图7所示，对旋过程不管朝上还是朝下旋，始终是两 个相位不同（图中颜色不同来表示）的轨道互相靠近，所以 无法形成新的。键，是对称性禁阻的。

教材中一般用简单的二维平面图来描述电环化反应机 理（图8）,空间毫无立体感可言。通过形象生动的三维动画 模拟，反应中分子的空间立体结构变化不仅表现完美，还可 以从不同的角度观察反应过程，教师讲解“顺旋”、“对旋"等

概念轻松，学生更易于理解和记忆，提高教学效率。

H CH3 H CH3

H CH, H CH,

H CHj H CH,

Fig. 7 Some key frames of prohibition of eleclrocyclization reaction. 图7电环化反应对旋禁阻过程三维动画的几个关键祯

对称忤禁阻

对称性禁阳

不反应

不反戚

Fig. 8 The scheme of electrocyclization reaction in teaching material. 图8教材中电环化反应图解

6 结语

与以往的三维动画相比，本文利用最新Autodesk 3ds Max 8版本制作的三维动画，立体感强，动感流畅，生动形 象，易于理解，便于记忆。所制作的三维动画既可作为单独. 课件在课堂讲解中播放，也可敏敏词换替到其它电子教案或课件中 播放。通过计算机三维动画模型的制作和使用，我们深切 地体会到三维动画是多媒体课堂教学中一种十分有效的辅 助教学手段。但是只能是一种辅助教学手段，能够帮助教师 讲好，学生理解好即町。利用多媒体技术辅助教学时，教师 不能仅当电脑操作人员，必须与学生交流，形成互动。.优秀 教师必须把各种新技术结合到教学中来，待别是利用么媒体 辅助教学来改善教学质量，使教与学的活动由枯燥乏味变得 生动有趣，培养学生的学习兴趣。

References

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中文参考文献

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