浅谈3D打印技术在高中生物教学中的应用 论文

浅谈3D打印技术在高中生物教学中的应用摘要：利用

3D

one

软件设计并打印

DNA

的

3D

模型，并以此为例剖析

3D

打印

技术在生物教学中应用策略及价值。关键词：

DNA

3D

模型

应用

《普通高中生物学课程标准（2017版）》以生物学核心素养作为宗旨，包括生命观念、

科学思维、科学探究和社会责任四个维度，通过任务式教学，对学生自主创新精神和理论实践能力进行训练。建模作为一种有效的建构式学习方式，有助于学生生物核心素养

[1][2]

培养，是高中生物学课程内容的一个重要组成部分。3D打印技术主要是通过设计软件建构一个数字化模型，利用3D打印机打印出成品

模型，将这些数字化模型直接进行产品实物化，其核心内容是模型的结构设计和模型化建构的过程。3D打印技术因其具有多学科的通用性和模型建构的灵活性，为落实模型

建构及核心素养培养提供一种全新的实践手段和发展路径。一、何为3D打印技术

3D打印技术（英语：3Dprinting），即一种快速成形技术，以数字化模型文件为基础，

运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。利用3D设计软件建构模型，输出的数字文件（STL文件）经软件数据处理后，利用3D打印机

打印出来，得到的成品模型即为3D模型。二、高中生物3D模型设计

专业的3D建模软件有AutoCAD、3DsMax等，此类软件功能复杂，专业性较强，不适合一线教师等非专业设计人员。目前常用的非专业

3D

软件包括

3D

one、IME3D

等，

下面就简单介绍一下笔者利用3Done软件设计DNA模型的过程。1、脱氧核苷酸模型设计

使用

3Done

软件中草图绘制、特征造型命令下“多边形”、“拉伸”、“预制文字”等工具绘制脱氧核糖、四种含氮碱基及相关连接键；使用基本实体工具绘制球体代表磷

酸。利用组合编辑命令将各部分组合起来，构成四种脱氧核苷酸，如图1。

1

图12、脱氧核苷酸链模型设计

选择基本实体命令绘制半径为2mm圆柱体表示磷酸二酯键，利用磷酸二酯键将多个脱氧核苷酸连接，构成DNA单链，如图2。

图23、DNA双链模型设计

根据碱基互补配对原则，设计出与图2DNA单链互补的DNA的另一条单链，并用氢键（基本实体命令绘制半径1.5mm

圆柱体表示氢键）将两条单链上的碱基连接，形

成DNA双链，如图3。

图34、DNA双螺旋结构模型设计

使用特殊功能命令下“扭曲”工具，对图3模型进行扭曲处理，获得DNA

的双螺旋结构模型，如图4。

图4利用3Done软件设计DNA模型的具体过程可扫下图二维码查看。

3

三、3D打印技术在生物教学中应用策略3D打印技术在生物教学中的应用既可利用3D成品模型辅助教学，亦可基于3D设

计软件进行模型建构教学。现以DNA3D模型为例，简要分析一下。、基于3D模型的探究式教学

DNA成品模型教学可围绕DNA的发现过程，通过模型建构进行探究式教学。具体教学思路如下：

1创设情境

DNA指纹技术3D模型建构1：脱氧核苷酸

3D模型建构2：DNA单链

DNA结构模型建

构3D模型建构3：DNA双链

3D模型建构4：DNA双螺旋结构

DNA结构特点分

析3D模型分析总结：

DNA分子结构特点4

2、基于3D设计软件的模型建构教学

引导学生利用所学DNA分子结构特点，尝试运用3Done软件，通过项目化教学，建构DNA的3D模型，并撰写模型设计过程，以此加深学生对DNA结构特点的理解。

具体教学思路如下：创设情境，新课引入

DNA双螺旋结构模型的建构DNA结构特点分析

3Done软件建构DNA的3D模型

脱氧核苷酸DNA单链

DNA双链DNA双螺旋结

构四、3D打印技术在生物教学中的价值

1、激发学生兴趣

在教学过程中，理论知识的学习往往是枯燥乏味的，无法真正激发学生学习兴趣，导致学习效率低下。

将3D打印技术运用到生物教学中，能有效激发学生学习兴趣。例如在《DNA分子的结构》教学中，引导学生利用3D打印模型，围绕

DNA的发现过程，通过模型建构

5

进行探究教学，学生通过对自己所构建的DNA模型进行分析，总结得出DNA主要的结构特点；亦可引导学生利用所学

DNA

分子结构特点，尝试运用

3D

one

软件，建构

DNA

的3D模型，这样不仅能有效巩固学生课堂所学知识，还能提高学生学习兴趣及建模能力。

2、落实核心素养

生命观念是生物学特有的核心素养，以概念的形式呈现。教材呈现的生物概念是科学家经过长期的实证而得出来的研究结果，如若学生对这些概念的形成发展过程不了

解，将很难掌握抽象化的概念。通过对模型的构建过程，带领学生重温科学家对某一概念的研究发展历程，进而理解相关生物学概念，最终形成结构与功能观。例如通过DNA

结构模型的构建，使学生了解

DNA分子结构的主要特点，进而理解

DNA具有稳定性、特异性、多样性，并与DNA

的功能（遗传物质，能携带遗传信息）联系起来，树立结

构与功能观，落实新课标对生命观念的要求。在利用3Done软件建构DNA模型时，学生需要对DNA的大小比例及具体结构等

细节进行设计并撰写建模具体步骤。模型构建过程也不是一帆风顺的，会遇到许多实际问题，如

DNA

双螺旋结构不能稳定呈现、设计的模型无法准确打印等，这都需要学生

根据出现的问题去分析原因、找出解决方案。整个建模的过程能极大的促进学生科学思维的形成及科学探究能力的提升。

3、提高创新能力

除课堂教学外，课后学生可尝试将自己感兴趣的生物模型设计制作成3D模型，例如蛋白质模型、生物膜结构模型等；或根据自己的理解对已有的3D模型进行改造。在

整个模型建构的过程中，学生将所学的理论知识应用在实践中，在做的过程中进一步拓展学生知识体系，锻炼思维能力，提高创新能力。

参考文献[1]中华人民共和国教育部编制：《普通高中生物学课程标准》，人民教育出版社，2017年版。

[2]

刘恩山：《生命观念是生物学学科核心素养的标志》，《生物学通报》，2018

年第

53

卷第

1

期。[3]

张雪花：《利用

3D

打印技术建构生物学模型的初探》，《新课程》，2019

年第

07

期。

[4]

宋美奈、李方正：《3D

打印技术在生物膜