淺談3D打印技術(shù)在高中生物教學中的應用 論文

淺談3D打印技術(shù)在高中生物教學中的應用摘要：利用

3D

one

軟件設計并打印

DNA

的

3D

模型，并以此為例剖析

3D

打印

技術(shù)在生物教學中應用策略及價值。關鍵詞：

DNA

3D

模型

應用

《普通高中生物學課程標準（2017版）》以生物學核心素養(yǎng)作為宗旨，包括生命觀念、

科學思維、科學探究和社會責任四個維度，通過任務式教學，對學生自主創(chuàng)新精神和理論實踐能力進行訓練。建模作為一種有效的建構(gòu)式學習方式，有助于學生生物核心素養(yǎng)

[1][2]

培養(yǎng)，是高中生物學課程內(nèi)容的一個重要組成部分。3D打印技術(shù)主要是通過設計軟件建構(gòu)一個數(shù)字化模型，利用3D打印機打印出成品

模型，將這些數(shù)字化模型直接進行產(chǎn)品實物化，其核心內(nèi)容是模型的結(jié)構(gòu)設計和模型化建構(gòu)的過程。3D打印技術(shù)因其具有多學科的通用性和模型建構(gòu)的靈活性，為落實模型

建構(gòu)及核心素養(yǎng)培養(yǎng)提供一種全新的實踐手段和發(fā)展路徑。一、何為3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)（英語：3Dprinting），即一種快速成形技術(shù)，以數(shù)字化模型文件為基礎，

運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。利用3D設計軟件建構(gòu)模型，輸出的數(shù)字文件（STL文件）經(jīng)軟件數(shù)據(jù)處理后，利用3D打印機

打印出來，得到的成品模型即為3D模型。二、高中生物3D模型設計

專業(yè)的3D建模軟件有AutoCAD、3DsMax等，此類軟件功能復雜，專業(yè)性較強，不適合一線教師等非專業(yè)設計人員。目前常用的非專業(yè)

3D

軟件包括

3D

one、IME3D

等，

下面就簡單介紹一下筆者利用3Done軟件設計DNA模型的過程。1、脫氧核苷酸模型設計

使用

3Done

軟件中草圖繪制、特征造型命令下“多邊形”、“拉伸”、“預制文字”等工具繪制脫氧核糖、四種含氮堿基及相關連接鍵；使用基本實體工具繪制球體代表磷

酸。利用組合編輯命令將各部分組合起來，構(gòu)成四種脫氧核苷酸，如圖1。

1

圖12、脫氧核苷酸鏈模型設計

選擇基本實體命令繪制半徑為2mm圓柱體表示磷酸二酯鍵，利用磷酸二酯鍵將多個脫氧核苷酸連接，構(gòu)成DNA單鏈，如圖2。

圖23、DNA雙鏈模型設計

根據(jù)堿基互補配對原則，設計出與圖2DNA單鏈互補的DNA的另一條單鏈，并用氫鍵（基本實體命令繪制半徑1.5mm

圓柱體表示氫鍵）將兩條單鏈上的堿基連接，形

成DNA雙鏈，如圖3。

圖34、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型設計

使用特殊功能命令下“扭曲”工具，對圖3模型進行扭曲處理，獲得DNA

的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，如圖4。

圖4利用3Done軟件設計DNA模型的具體過程可掃下圖二維碼查看。

3

三、3D打印技術(shù)在生物教學中應用策略3D打印技術(shù)在生物教學中的應用既可利用3D成品模型輔助教學，亦可基于3D設

計軟件進行模型建構(gòu)教學?，F(xiàn)以DNA3D模型為例，簡要分析一下。、基于3D模型的探究式教學

DNA成品模型教學可圍繞DNA的發(fā)現(xiàn)過程，通過模型建構(gòu)進行探究式教學。具體教學思路如下：

1創(chuàng)設情境

DNA指紋技術(shù)3D模型建構(gòu)1：脫氧核苷酸

3D模型建構(gòu)2：DNA單鏈

DNA結(jié)構(gòu)模型建

構(gòu)3D模型建構(gòu)3：DNA雙鏈

3D模型建構(gòu)4：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

DNA結(jié)構(gòu)特點分

析3D模型分析總結(jié)：

DNA分子結(jié)構(gòu)特點4

2、基于3D設計軟件的模型建構(gòu)教學

引導學生利用所學DNA分子結(jié)構(gòu)特點，嘗試運用3Done軟件，通過項目化教學，建構(gòu)DNA的3D模型，并撰寫模型設計過程，以此加深學生對DNA結(jié)構(gòu)特點的理解。

具體教學思路如下：創(chuàng)設情境，新課引入

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建構(gòu)DNA結(jié)構(gòu)特點分析

3Done軟件建構(gòu)DNA的3D模型

脫氧核苷酸DNA單鏈

DNA雙鏈DNA雙螺旋結(jié)

構(gòu)四、3D打印技術(shù)在生物教學中的價值

1、激發(fā)學生興趣

在教學過程中，理論知識的學習往往是枯燥乏味的，無法真正激發(fā)學生學習興趣，導致學習效率低下。

將3D打印技術(shù)運用到生物教學中，能有效激發(fā)學生學習興趣。例如在《DNA分子的結(jié)構(gòu)》教學中，引導學生利用3D打印模型，圍繞

DNA的發(fā)現(xiàn)過程，通過模型建構(gòu)

5

進行探究教學，學生通過對自己所構(gòu)建的DNA模型進行分析，總結(jié)得出DNA主要的結(jié)構(gòu)特點；亦可引導學生利用所學

DNA

分子結(jié)構(gòu)特點，嘗試運用

3D

one

軟件，建構(gòu)

DNA

的3D模型，這樣不僅能有效鞏固學生課堂所學知識，還能提高學生學習興趣及建模能力。

2、落實核心素養(yǎng)

生命觀念是生物學特有的核心素養(yǎng)，以概念的形式呈現(xiàn)。教材呈現(xiàn)的生物概念是科學家經(jīng)過長期的實證而得出來的研究結(jié)果，如若學生對這些概念的形成發(fā)展過程不了

解，將很難掌握抽象化的概念。通過對模型的構(gòu)建過程，帶領學生重溫科學家對某一概念的研究發(fā)展歷程，進而理解相關生物學概念，最終形成結(jié)構(gòu)與功能觀。例如通過DNA

結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，使學生了解

DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點，進而理解

DNA具有穩(wěn)定性、特異性、多樣性，并與DNA

的功能（遺傳物質(zhì)，能攜帶遺傳信息）聯(lián)系起來，樹立結(jié)

構(gòu)與功能觀，落實新課標對生命觀念的要求。在利用3Done軟件建構(gòu)DNA模型時，學生需要對DNA的大小比例及具體結(jié)構(gòu)等

細節(jié)進行設計并撰寫建模具體步驟。模型構(gòu)建過程也不是一帆風順的，會遇到許多實際問題，如

DNA

雙螺旋結(jié)構(gòu)不能穩(wěn)定呈現(xiàn)、設計的模型無法準確打印等，這都需要學生

根據(jù)出現(xiàn)的問題去分析原因、找出解決方案。整個建模的過程能極大的促進學生科學思維的形成及科學探究能力的提升。

3、提高創(chuàng)新能力

除課堂教學外，課后學生可嘗試將自己感興趣的生物模型設計制作成3D模型，例如蛋白質(zhì)模型、生物膜結(jié)構(gòu)模型等；或根據(jù)自己的理解對已有的3D模型進行改造。在

整個模型建構(gòu)的過程中，學生將所學的理論知識應用在實踐中，在做的過程中進一步拓展學生知識體系，鍛煉思維能力，提高創(chuàng)新能力。

參考文獻[1]中華人民共和國教育部編制：《普通高中生物學課程標準》，人民教育出版社，2017年版。

[2]

劉恩山：《生命觀念是生物學學科核心素養(yǎng)的標志》，《生物學通報》，2018

年第

53

卷第

1

期。[3]

張雪花：《利用

3D

打印技術(shù)建構(gòu)生物學模型的初探》，《新課程》，2019

年第

07

期。

[4]

宋美奈、李方正：《3D

打印技術(shù)在生物膜