淺談3D打印技術(shù)在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用 論文

淺談3D打印技術(shù)在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用摘要：利用

3D

one

軟件設(shè)計(jì)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(xué)中應(yīng)用策略及價(jià)值。關(guān)鍵詞：

DNA

3D

模型

應(yīng)用

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

科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任四個(gè)維度，通過(guò)任務(wù)式教學(xué)，對(duì)學(xué)生自主創(chuàng)新精神和理論實(shí)踐能力進(jìn)行訓(xùn)練。建模作為一種有效的建構(gòu)式學(xué)習(xí)方式，有助于學(xué)生生物核心素養(yǎng)

[1][2]

培養(yǎng)，是高中生物學(xué)課程內(nèi)容的一個(gè)重要組成部分。3D打印技術(shù)主要是通過(guò)設(shè)計(jì)軟件建構(gòu)一個(gè)數(shù)字化模型，利用3D打印機(jī)打印出成品

模型，將這些數(shù)字化模型直接進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)物化，其核心內(nèi)容是模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型化建構(gòu)的過(guò)程。3D打印技術(shù)因其具有多學(xué)科的通用性和模型建構(gòu)的靈活性，為落實(shí)模型

建構(gòu)及核心素養(yǎng)培養(yǎng)提供一種全新的實(shí)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(yǔ)：3Dprinting），即一種快速成形技術(shù)，以數(shù)字化模型文件為基礎(chǔ)，

運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。利用3D設(shè)計(jì)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(jī)

打印出來(lái)，得到的成品模型即為3D模型。二、高中生物3D模型設(shè)計(jì)

專(zhuān)業(yè)的3D建模軟件有AutoCAD、3DsMax等，此類(lèi)軟件功能復(fù)雜，專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，不適合一線教師等非專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員。目前常用的非專(zhuān)業(yè)

3D

軟件包括

3D

one、IME3D

等，

下面就簡(jiǎn)單介紹一下筆者利用3Done軟件設(shè)計(jì)DNA模型的過(guò)程。1、脫氧核苷酸模型設(shè)計(jì)

使用

3Done

軟件中草圖繪制、特征造型命令下“多邊形”、“拉伸”、“預(yù)制文字”等工具繪制脫氧核糖、四種含氮堿基及相關(guān)連接鍵；使用基本實(shí)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(lái)，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(shè)計(jì)

選擇基本實(shí)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(gè)脫氧核苷酸連接，構(gòu)成DNA單鏈，如圖2。

圖23、DNA雙鏈模型設(shè)計(jì)

根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，設(shè)計(jì)出與圖2DNA單鏈互補(bǔ)的DNA的另一條單鏈，并用氫鍵（基本實(shí)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(shè)計(jì)

使用特殊功能命令下“扭曲”工具，對(duì)圖3模型進(jìn)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(shè)計(jì)DNA模型的具體過(guò)程可掃下圖二維碼查看。

3

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

計(jì)軟件進(jìn)行模型建構(gòu)教學(xué)?，F(xiàn)以DNA3D模型為例，簡(jiǎn)要分析一下。、基于3D模型的探究式教學(xué)

DNA成品模型教學(xué)可圍繞DNA的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，通過(guò)模型建構(gòu)進(jìn)行探究式教學(xué)。具體教學(xué)思路如下：

1創(chuàng)設(shè)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(diǎn)分

析3D模型分析總結(jié)：

DNA分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)4

2、基于3D設(shè)計(jì)軟件的模型建構(gòu)教學(xué)

引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)DNA分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，嘗試運(yùn)用3Done軟件，通過(guò)項(xiàng)目化教學(xué)，建構(gòu)DNA的3D模型，并撰寫(xiě)模型設(shè)計(jì)過(guò)程，以此加深學(xué)生對(duì)DNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的理解。

具體教學(xué)思路如下：創(chuàng)設(shè)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(diǎn)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(xué)中的價(jià)值

1、激發(fā)學(xué)生興趣

在教學(xué)過(guò)程中，理論知識(shí)的學(xué)習(xí)往往是枯燥乏味的，無(wú)法真正激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率低下。

將3D打印技術(shù)運(yùn)用到生物教學(xué)中，能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。例如在《DNA分子的結(jié)構(gòu)》教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生利用3D打印模型，圍繞

DNA的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，通過(guò)模型建構(gòu)

5

進(jìn)行探究教學(xué)，學(xué)生通過(guò)對(duì)自己所構(gòu)建的DNA模型進(jìn)行分析，總結(jié)得出DNA主要的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；亦可引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)

DNA

分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，嘗試運(yùn)用

3D

one

軟件，建構(gòu)

DNA

的3D模型，這樣不僅能有效鞏固學(xué)生課堂所學(xué)知識(shí)，還能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及建模能力。

2、落實(shí)核心素養(yǎng)

生命觀念是生物學(xué)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(xué)家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)證而得出來(lái)的研究結(jié)果，如若學(xué)生對(duì)這些概念的形成發(fā)展過(guò)程不了

解，將很難掌握抽象化的概念。通過(guò)對(duì)模型的構(gòu)建過(guò)程，帶領(lǐng)學(xué)生重溫科學(xué)家對(duì)某一概念的研究發(fā)展歷程，進(jìn)而理解相關(guān)生物學(xué)概念，最終形成結(jié)構(gòu)與功能觀。例如通過(guò)DNA

結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，使學(xué)生了解

DNA分子結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)，進(jìn)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(lái)，樹(shù)立結(jié)

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

細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)并撰寫(xiě)建模具體步驟。模型構(gòu)建過(guò)程也不是一帆風(fēng)順的，會(huì)遇到許多實(shí)際問(wèn)題，如

DNA

雙螺旋結(jié)構(gòu)不能穩(wěn)定呈現(xiàn)、設(shè)計(jì)的模型無(wú)法準(zhǔn)確打印等，這都需要學(xué)生

根據(jù)出現(xiàn)的問(wèn)題去分析原因、找出解決方案。整個(gè)建模的過(guò)程能極大的促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的形成及科學(xué)探究能力的提升。

3、提高創(chuàng)新能力

除課堂教學(xué)外，課后學(xué)生可嘗試將自己感興趣的生物模型設(shè)計(jì)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(duì)已有的3D模型進(jìn)行改造。在

整個(gè)模型建構(gòu)的過(guò)程中，學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用在實(shí)踐中，在做的過(guò)程中進(jìn)一步拓展學(xué)生知識(shí)體系，鍛煉思維能力，提高創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)[1]中華人民共和國(guó)教育部編制：《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，人民教育出版社，2017年版。

[2]

劉恩山：《生命觀念是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的標(biāo)志》，《生物學(xué)通報(bào)》，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(xué)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