高中生物学3D打印物理模型资源开发

摘要

新时代需要具有问题解决能力和创造能力的创新型人才，工程学因在设计、创意、实践等方面的育人价值已成为国际基础教育课程改革的趋势。我国颁布的《普通高中生物学课程标准（2017版）》以核心素养为宗旨，注重创新精神和实践能力的培养，倡导通过工程学任务开展教学。模型与建模作为一种有效的学习方式，有助于培养学生生物学核心素养，提高工程设计能力，是高中生物学课程内容的一个重要组成部分。但目前在模型建构教学中，普遍存在重形成具体化模型结果、轻建构思维过程的现象，且教学资源缺乏，降低了实际教学中模型建构的有效性。3D打印技术因其多学科的通用性和模型建构的灵活性，为落实模型建构与工程学教学及核心素养培养提供了新的方法和途径。 本文在调查分析现有生物模型现状及特点的基础上，基于生物学结构与功能的生命观念，利用3D打印技术开展生物物理模型建构的实践研究，以培养学生模型建构能力和科学思维能力，开发出适用于高中生物教学的3D打印生物物理模型。 通过对现有资源分析表明，许多生物模型三维立体感和整体性不足，已有的3D打印生物模型多以静态模型为主，并存在结构表征不当、科学性错误等问题，不利于生物教学中学生能力的培养，甚至误导学生形成错误的生命观念。 基于科学性、相似性、简明性、灵活性和艺术性的开发原则，制定了包括模型表征对象分析、3D建模方案设计、123D Design软件建模、3D打印成品及评价修改的3D打印生物建模开发流程。针对微观结构放大类、生物化学结合类、形状替代类和数学思维具象类4种不同物理模型类型，开发构建了5个3D打印生物物理模型资源：蛋白质结构模型、真核细胞结构模型、生物膜流动镶嵌模型、DNA结构模型和减数分裂过程模型。在这些模型基础上拓展延伸，进一步开发出有丝分裂和减数分裂综合模型、DNA复制模型和基因指导蛋白合成模型等3D模型。同时，阐述各3D模型建构方法和使用方法，并提出教学建议。本研究将3D打印技术运用于高中生物物理模型开发，不仅丰富了生物物理模型资源，也为开展模型和模型建构教学，促进学生创新思维和工程设计能力提供教学参考。

目录

1前言

1.1 研究背景

1.1.1 工程学融入生物教学利于创新型人才培养，指向生物课程改革的需求

1.1.2 模型与建模利于培养学生生命观念和科学思维，使课程标准落实到具体教学活动中

1.1.3 3D打印技术将工程学与模型建构结合，推动建模教学有效开展

1.2 研究现状

1.2.1生物模型的发展历程

1.2.4 工程学教学

1.2.2 生物物理模型及模型建构教学的作用

1.2.3 生物模型建构教学

1.2.5 3D打印技术原理及特点

1.2.6 3D打印技术在教学中的应用

1.3 研究目的和意义

1.4 研究内容

1.5 研究方法

1.5.1 文献研究法

1.5.2 案例分析法

1.5.3 实践法

1.5.4 访谈调查法

2 理论概述

2.1 概念界定

2.1.1 模型与物理模型

2.1.2 生物模型

2.1.3 模型建构

2.1.4 3D打印技术和3D模型

2.1.5 3D模型

2.2理论基础

2.2.1 认知学习理论

2.2.2 建构主义理论

2.2.3 经验之塔理论

2.2.4 “从做中学”理论

3 现有生物物理模型研究

3.1 生物模型分析

3.1.1 购置生物模型

3.1.2 自制生物物理模型

3.2 3D打印技术制作的生物模型研究

3.2.1 案例一：动植物细胞3D模型

3.2.2 案例二：生物膜3D模型

3.2.3 案例三：物质跨膜运输方式3D过程模型

3.2.4 案例四：有丝分裂3D模型

3.2.5 案例五：DNA双螺旋3D模型

3.3 讨论

4 3D打印生物模型的开发及利用

4.1 3D打印生物模型的开发原则

4.1.1 科学性原则

4.1.2 相似性原则

4.1.3 简明性原则

4.1.4 灵活性原则

4.1.5 艺术性原则

4.2 生物物理模型分类及3D打印模型内容选择

4.2.1 生物物理模型分类

4.2.2 3D打印物理模型内容选择

4.3 3D打印技术建模软件选取

4.4 3D打印生物模型的开发流程

4.4.1 模型的表征对象

4.4.2 设计3D建模方案

4.4.3 3D模型建构及打印

4.4.4 3D模型评价及修改

4.5 3D打印生物模型开发利用案例

4.5.1 蛋白质3D结构模型开发利用案例

4.5.2 真核细胞3D模型开发利用案例

4.5.3 生物膜3D模型开发利用案例

4.5.4 DNA 3D模型开发利用案例

4.5.5 减数分裂过程3D模型开发利用案例

4.6 3D打印生物模型优化与延伸

4.6.1 3D模型整合，延伸适用范围

4.6.2 3D模型拓展，新模型开发

4.6.3 “头脑风暴”教学，创意开发

4.7 讨论

4.7.1 重视生物物理模型建构过程

4.7.2 3D打印生物物理模型资源开发

4.7.3 3D打印生物物理模型建构的实际应用

4.7.4 3D打印生物物理模型的组织教学

5 结论与展望

5.1 结论

5.2不足与展望

参考文献

附录

附录一 3D模型师生访谈提纲

附录二 蛋白质结构模型资料（部分）

附录三 细胞结构模型资料（部分）

附录四 生物膜的流动镶嵌模型资料（部分）

附录五 DNA双螺旋结构模型资料（部分）

附录六 减数分裂模型资料（部分）

附录七 基因指导蛋白质合成过程模型资料（部分）

致谢

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