3D модель в учебном процессе: выбираем программу для создания

Размещено на http://www.allbest.ru/

3D модель в учебном процессе: выбираем программу для создания

Коваленко Т.А.

Груздева В. С.

Аннотация

В статье рассматривается использование 3D -моделей в учебном процессе и выбор подходящей программы для их создания. Проводится обзор существующих программ по 3D моделированию, выбираются 3 программы, производится анализ их преимуществ и недостатков на основе процесса создания в каждой программе 3D-модели строения вируса covid-19 и предлагаются рекомендации по выбору программы для внедрения в учебный процесс. 3d моделирование учебный компьютер

Ключевые слова: 3D моделирование, 3D-модель, учебный процесс, вирус covid-19, технологии, компьютер.

Abstract: This article discusses the use of 3D models in the educational process and the choice of a suitable program for their creation. An overview of existing 3D modeling programs is conducted, 3 programs are selected, their advantages and disadvantages are analyzed based on the process of creating a 3D model of the structure of the covid-19 virus in each program, and recommendations are offered on choosing a program for implementation in the educational process.

Keywords: 3D modeling, 3D model, educational process, covid-19 virus, technology, computer.

Компьютерные технологии прочно вошли в нашу жизнь, благодаря разнообразию и доступности программного и аппаратного обеспечения.

Так, современный компьютер и специальные программы позволяют создавать любые модели в трёхмерном пространстве, что дает возможность продемонстрировать внешний и внутренний вид объекта с максимальной реалистичностью. Этот процесс называется 3D моделированием. Трёхмерные модели широко используются в медицинской промышленности, в строительстве, машиностроении, в видеоиграх, киноиндустрии и т. д.[1] Такую технологию необходимо шире применять и в школах для облегчения учебного процесса как самих учеников, так и преподавателей. Имеющиеся наглядные пособия на бумажных носителях изрядно устарели. Материальные модели для обучения дорогостоящие, их перечень ограничен, они быстро приходят в негодность при использовании на уроках. Тогда как трёхмерные компьютерные модели эффективнее, нагляднее, долговечнее.

Существует множество программ для трёхмерного моделирования, предназначенных для разных уровней навыка, с различными функциями, специализацией. Качество 3D модели оценивается, прежде всего, её реалистичностью и функциональностью, именно на это необходимо ориентироваться при выборе программы.

Я считаю актуальным изучить и сравнить наиболее популярные бесплатные компьютерные программы для создания трёхмерных моделей, для оценки удобства их использования и качества по степени реалистичности готовой модели. Конечно, существуют рейтинги программ по отзывам пользователей. Но именно сравнительного анализа очень мало. Таким образом, существует объективная необходимость в изучении и сравнении программ для трёхмерного моделирования. Я решила создать в трёх выбранных программах 3D модель строения вируса covid-19, которую впоследствии можно использовать в качестве наглядного пособия на уроках биологии.

Существует множество программ для трёхмерного моделирования. Всех их можно разделить на несколько категорий по разным признакам.

По цене:

• бесплатные

• платные (каждый месяц/год вносится определённая плата за право пользования программой)

По уровню пользователя:

• для профессионалов

• для любителей

• для новичков

По платформе (среда выполнения). Существуют программы, которые уже встроены в операционную систему компьютера (Windows, macOS, Linux), при этом нет необходимости их скачивания. Также существуют программы, которые размещены в Интернете, из них часть можно скачать на компьютер, а некоторыми можно пользоваться только онлайн.

Но все программы для работы в трёхмерной среде разделяют на четыре основных типа:

1. САПР системы - программы, предназначенные для использования инженерами и проектировщиками. С их помощью можно создавать чертежи объектов. [2]

2. Программы для полигонального моделирования - программы, предназначенные для художественных и промышленных дизайнеров. В них можно смоделировать абсолютно всё. [2]

3. Программы для трёхмерной лепки - эта категория программ предназначена для более творческих задач. С их помощью можно создать модели с невероятной реалистичностью, например модель персонажа с детализацией вплоть до мелких морщин. [2]

4. Конструкторы - программы для создания моделей из имеющихся в системе объектов. [2]

Так как передо мной стоит задача найти оптимальную программу для моделирования, свой выбор я буду производить исходя из финансовой доступности (бесплатные) и уровню сложности (новичок/любитель).

Для создания модели строения вируса covid -19 мне подойдут только программы полигонального моделирования и конструктор, поскольку программы для трёхмерной лепки требуют профессиональный уровень подготовки, а САПР системы не подходят по функционалу.

После моделирования объектов в трёх программах, путём сравнения степени реалистичности моделей и сложности их создания, мною будет сделан выбор самой оптимальной программы.

Чтобы эффективно противостоять любой новой вирусной инфекции, необходимо узнать, в том числе, её строение и ключевые структуры. О вирусе covid-19 мир впервые узнал в декабре 2019 года. Первые электронные фотографии, которые показывают структуру вируса covid-19, появились в феврале 2020 года. Они были сделаны с помощью сканирующих и просвечивающих электронных микроскопов.

Вирус covid-19 имеет сферическую форму и покрыт шипами, которые позволяют вирусу связываться со здоровыми клетками и заражать их. Шипы - это белки, всего их 4 вида. Именно эти белковые шипы придают вирусу форму короны, вследствие чего он получил название «коронавирус». Под внешней оболочкой (мембрана) вируса содержится ядро, внутри которого находится линейная несегментированная однонитевая РНК (рибонуклеиновая кислота), которую «обматывает» длинный белок спиральной структуры. [3, 4]

Вирус covid-19 очень мал. По его электронным фотографиям учеными были сделаны наглядные картинки. На основании этих картинок я буду создавать трёхмерную модель строения вируса, при этом буду стремиться воссоздать его как можно детальнее, с учётом возможности программы.

Для наглядности изображение будет выполнено в ложных цветах.

Программы для трёхмерного моделирования я выбирала из числа бесплатных для полигонального моделирования и конструкторов. Так как опыта в создании 3D моделей у меня мало, я выбирала программы для новичков и любителей. Среди таких программ существуют программы, содержащие обучающие инструкции по их работе. А также программы, в которых таких инструкций нет, и чтобы научиться в них работать, необходимо самостоятельно найти дополнительную информацию в Интернете. Поскольку вся информация по работе в программах доступна, я не рассматривала данный критерий при выборе. Для большей объективности выбора оптимальной программы я решила попробовать моделировать в программах разных платформ. При выборе программы из вышеуказанных категорий я изучала описание программы, ее возможности, а также имеющиеся в Интернете рейтинги.

В итоге я выбрала следующие бесплатные программы:

• Blender 2.93 - полигональная программа, которую необходимо скачать на компьютер;

• TinkerCAD - конструктор, который можно использовать только онлайн, содержит обучающую инструкцию;

• Paint 3D - конструктор, который встроен в операционную систему Windows, установленную на компьютер.

3D модель строения вируса covid-19 я буду создавать по картинкам, выбранным в Интернете, и описаниям к ним. Вирус covid-19 состоит из внешней оболочки (мембрана), на которой располагаются белковые шипы 4 -х видов, а внутри содержится ядро с однонитевой РНК и длинным внутренним белком спиральной структуры. (Рисунок 1) Поэтому для большей наглядности строения вируса, необходимо показать его в разрезе, то есть при моделировании нужно использовать полусферы. Все составляющие вируса 867

(белковые шипы - спайковый белок, нуклеокапсидный белок, мембранный белок, оболочечный белок; РНК, длинный внутренний белок) я буду создавать из простых фигур, имеющихся в каждой программе - цилиндр, конус, сфера, а также использовать имеющиеся функции в программах для их соединения и какого-либо изменения. Для удобства последующего сравнения полученных моделей я буду использовать одинаковые цвета для определённых объектов в модели.

Рисунок 1. Строение вируса covid-19 [4, с. 19]

Создание 3D модели в программе Blender 2.93

Blender 2.93 - полигональная программа, которую необходимо скачать на компьютер. С её помощью можно создать абсолютно любой объект в трёхмерном пространстве. Данная программа включает в себя такие функции как моделирование, скульптинг («лепка» объекта), анимация, монтаж видео, создание 2D анимации.[5] В Blender 2.93 существуют различные режимы, в которых можно редактировать объект. Основные три режима:

- объективный, в нём можно непосредственно выбирать модели и применять к ним модификаторы (добавление какой-либо характеристики объекту);

- редактирования, в нём возможно изменять полигональную сетку (совокупность вершин, рёбер и граней, которые составляют фигуру и

определяют её форму в трёхмерном пространстве) объекта, тем самым изменяя его первоначальную форму;

- скульптинга, в нём мы можем работать с объектом как с глиной, тем самым «лепить» различные модели.

В данной программе также присутствуют различные пространства, в которых мы можем добавлять текстуры объектам, анимировать их, монтировать видео и многое другое. Существующие модификаторы в Blender 2.93 подразделяются на модификаторы генерации, деформации и физики. Модификаторы генерации изменяют как объект, так и его полигональную сетку. Модификаторы деформации изменяют модель посредством её сгибания, скручивания и т. п. Модификаторы физики используются для анимации, так как работают с физикой объекта (например, чтобы вручную не создавать рябь на воде, можно воспользоваться данными модификаторами, и программа сама создаст нужную структуру на поверхности воды, то есть добавит физику объекту). Довольно сложно самостоятельно разобраться в работе программы, из-за чего необходимо обращаться за помощью в интернет.

Рисунок 2. 3D модель строения вируса covid-19, созданная в Blender

2.93, с подписями

Общее время моделирования строения вируса covid-19 в программе Blender 2.93 составило 5 часов. (Рисунок 2).

Создание 3D модели в программе TinkerCAD

TinkerCAD - конструктор, который можно использовать только онлайн. Для использования данной программы требуется регистрация на сайте, после чего вы сможете начать работать в ней. Конструктор содержит в себе обучающую инструкцию, благодаря которой новичок с лёгкостью сможет научиться работать в программе. Данный конструктор оптимизирован для 3D печати. [5]

В TinkerCAD имеются не только основные трёхмерные фигуры (цилиндр, куб, сфера, конус и др.), в ней так же есть уже готовые 3D модели, к примеру, модель тыквы, слона, гаечного ключа, самолёта, кресла и многое другое. Данное разнообразие моделей позволяет не только самостоятельно моделировать трёхмерные объекты, но и без особых усилий создавать трёхмерные изображения. Но при всём разнообразии готовых моделей в конструкторе отсутствует функция, необходимая мне для моделирования белка внутри ядра коронавируса - спираль, сомкнутая в кольцо. Кроме того, в программе невозможно показать фактуру объектов.

Рисунок 3. 3D модель строения вируса covid-19, созданная в TinkerCAD, с подписями

Общее время моделирования строения вируса covid-19 в программе TinkerCAD составило 2,5 часа. (Рисунок 3)

Создание 3D модели в программе Paint 3D

Paint 3D - графический редактор, который встроен в операционную систему Windows, установленную на компьютер. Одна из задач данного редактора - работа в трёхмерной графике, поэтому программа также является конструктором. В Paint 3D нет обучающей инструкции, но работа в ней понятна для новичка вследствие простого интерфейса и небольшого количества функций. Для редактирования изображений используются элементы главного меню программы. Так, в меню имеется кнопка «Трёхмерные фигуры» для создания для создания 3D моделей. При переходе в трёхмерное пространство программа предлагает имеющиеся фигуры, всего их 15 - объекты (сфера, куб и др.) и модели (люди, животные). Недостающие фигуры можно нарисовать при выборе функции «трёхмерная кисть», которая позволяет нарисовать любой объект в 2D пространстве, а программа преобразует данный рисунок в трёхмерный объект. Среди геометрических фигур уже имеется необходимая нам полусфера, но отсутствует функция, необходимая для моделирования белка внутри ядра коронавируса - спираль, сомкнутая в кольцо. Кроме того, все объекты гладкие и невозможно показать их фактуру.

Рисунок 4. 3D модель строения вируса covid-19, созданная в программе Paint 3D, с подписями

Общее время моделирования строения вируса covid-19 в программе Paint 3D составило 2 часа. (Рисунок 4)

Для того чтобы выбрать программу, которая может эффективно применяться для создания 3D моделей, используемых в учебном процессе, необходимо сравнить как сами программы, так и получившиеся модели.

Сравнивать программы я буду по критериям, которые, по моему мнению, определяют удобство и простоту использования. (Таблица 1)

Таблица 1.

Сравнение выбранных программ по 3D моделированию

Анализируя полученные данные, я делаю вывод, что наиболее удобной и простой в использовании, но с достаточными функциями и возможностями создания большого разнообразия 3D моделей, является программа TinkerCAD.

Для сравнения получившихся моделей я буду использовать критерии, которые, по моему мнению, определяют реалистичность и сложность создания 3D модели строения вируса covid-19. (Таблица 2)

Таблица 2