3D打印技術在初中生物教學中的應用

孫菲

摘? 要 首先提出研究目的及意義，接著闡述理論基礎，對3D打印技術與生物學科教學的融合進行深入探究，同時提出利用3D打印技術打印生物分層結構的一般步驟，以期為初中生物教學提供借鑒和參考。

關鍵詞 3D打印技術;初中生物;教學模型;立體化教具;數字化建模

中圖分類號：G633.91? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）13-0029-03

1 前言

在初中生物教學中，常常會遇到一些專業概念，且學生日常接觸不多，比如DNA。在講解這些知識時，教師有時候很難描述，這時如果有一個具體的模型輔助教學，那么對于教師來說就會輕松很多，特別是對于一些具有復雜構造的物體，比如器官、細胞等。假如有可以拆卸的模型輔助講解，那么教師就能夠對其結構進行詳細全面的講解，這對于學生理解所學知識具有極大幫助。

人們對知識的構建都是主動的，只有積極主動地參與對知識的構建，才能夠取得良好的效果。運用3D打印技術可以為學生進行知識構建提供一種學習環境，很好地幫助學生構建知識，同時幫助學生加速對知識的獲取。

2 研究目的及意義

滿足個性化、少量化的教具需求? 在傳統生物教學中，教師大都只能借助語言來描述某些生物知識，但是語言的表現力是有限的，學生光聽教師口頭上講，很難對知識產生深刻理解。雖然后來也出現一些輔助教學的方式，比如制作PPT、教學圖以及視頻等，但是這些方式有一個共同的缺點，就是不具備互動功能，學生只能被動接受知識。后來研究發現，只有模型才能夠解決上述問題，通過模型，學生可以親自觀察自己想觀察的位置，這時候的記憶會更加深刻、牢固。以前學校要定制模型必須事先聯系制造廠，然后廠商再一步步地將模型制作出來，最后郵寄給學校，整個過程可以說非常漫長。現在有了3D打印技術，可以實時將模型打印出來，既方便又經濟。

制作可視化立體教具和學具? 3D打印技術是一項非常精密的制造技術，可以通過點、線、面三位一體的方式來制作模型，而以往廠商制作的模型大多只停留在外形的層面，根本無法制作出精細的內部結構。3D打印技術不同，它是通過軟件來進行三維建模，將材料融化后通過精密的噴嘴按照設定好的程序逐層打印模型，這使得任何想要制作的模型都可以被精確地打印出來。這項技術使教學模型的可視化成為現實。

3 理論基礎

美國著名心理學家、教育家、哲學家杜威認為，人們要想對所學習的知識有比較深刻的印象和理解，那么就必須親自參與到實驗中來，通過自己動手實踐不斷發現問題，然后在解決問題的過程中不斷理解、驗證以及鞏固自己學到的相關知識。只有經歷了“做”的過程，學習的知識才能夠真正轉化為自己的知識。通過3D打印技術制作相關的教學模型，在生物課上，學生可以親手拆卸模型并進行觀察，這充分體現了杜威的教學理念，學生拆卸模型的過程就是在參與做的過程，這種形式非常受學生歡迎，效果也比較明顯。

其實3D打印技術和生物學教學相結合就是一種“做中學”的教學模式，教師通過3D打印機實時地將生物的結構模型打印出來配合自己的講解，同時可以讓學生對模型進行拆卸操作。一般來說，在上課之前，教師先拋出若干問題，然后讓學生通過自己對模型進行拆卸和觀察來找到答案，這比傳統教學方式更讓學生印象深刻。

4 3D打印與生物學科教學的融合

3D打印原理? 在基本原理上，3D打印技術其實和傳統的平面打印機沒有什么區別，只是在使用的材料以及打印的空間上有所不同。在3D打印技術中，使用的材料不是墨水，而是像ABS塑料、樹脂以及特制的金屬粉末甚至是陶瓷等。通過將3D打印機和計算機連接，計算機就能夠控制3D打印機按照事先設計好的3D模型進行打印。在打印過程中，3D打印機先將材料加熱融化，然后一層一層地對模型進行打印。3D打印機的做法相比于傳統制造業“做減法”的制造方法更省材料，也沒有形狀上的限制。

3D打印過程? 目前來講，3D打印要經過四個階段，分別是建模、分層、打印以及后期的打磨處理。

1）設計階段。這個過程也就是對要設計的物體進行數字建模，可以使用專業的軟件進行設計。假如有參考物，還可以直接將模型掃描到計算機上，然后經過簡單處理就能使用了。

2）分層切割。一般3D打印機都自帶切片軟件，可以將3D模型自上而下切成很薄的片段。

3）打印階段。這一階段打印機按照順序將軟件中的模型逐層打印。

4）后期處理。就目前來講，由于打印機自身精度的問題，打印出的物件表面會略顯粗糙，因此需要進行細微的打磨修整才能夠使用。

數字化建模? 在3D打印的四個階段中，最重要的一個步驟就是物體的3D建模了。模型建得好不好，會影響到后期打印成型的結果。很多沒有經驗的人設計出的模型在打印的時候經常出現脫落等嚴重問題，其原因就是設計的時候沒有考慮周全。3D打印的模型一般需要按照一定的順序來設計，這是模型設計成敗的關鍵。無論做何種模型，一般的思路是先對物體的整體結構進行設計，然后逐步精細化。市面上的建模軟件很多，具體采用哪一種因人而異，影響不是很大，關鍵是要學會建模的思想。

生物建模的一般方法

1）觀察構圖。生物模型的打印過程和普通物品的打印過程沒有什么區別，都要經過建模、切片、打印和后期處理四個過程。但是在生物建模中，由于生物本身的結構比較復雜，具有很多的結構層次，因此，如何進行建模以利于后期的打印成型是最為關鍵的問題，也是主要要解決的問題。對于生物的外形可以直接通過掃描獲得，但是生物內部的構造則需要進行設計。一般設計師可以利用軟件將內部的結構畫出來，再轉換成3D模型進行打印;或者可以將各個內部結構拆分出來分別進行打印，在全部打印完成之后再進行組合，但是這種方法的缺點是消耗的時間比較多，不適合大批量的打印。3D打印建模也不是一項簡單的技術，必須具有豐富的經驗才能夠將其設計好，因此，新手需要多加練習以便更好地掌握。

2）3D建模根據生物的結構真實還原3D模型，應注意：模型結構必須封閉;適當增加厚度以便于打磨;物體模型必須為流形;注意方向正確性;模型的尺寸不能超過機器可以打印的范圍;模型最薄的地方不能比打印機最小能夠打印的厚度小，否則可能出現異常;45°法則;物品需要底座;預留容差度。

3）切片打印。將模型文件導入后，進行切片參數設置。這里需要注意以下幾個參數。

①打印材料。一般打印機可以選擇打印的耗材，在打印機附送的軟件中，找到耗材設置的地方進行相應設置即可。此步驟選擇的材料一定要和實際使用的耗材匹配。

②底墊。軟件中可以根據模型的情況來選擇相應的底座，一般有無底墊、有底墊和防翹底墊三個選項可以選擇。

③支撐結構類型。根據模型的重量可以選擇網、線、柱、樹四種支撐結構。

④打印質量。一般軟件可以選擇打印物品的分辨率，分為高、中、低三個檔次，根據需要進行選擇即可。

5 打印生物分層結構的一般步驟

3D打印最常用的是分層打印方式，即對于已經經過切片處理的生物模型按照自下而上的順序進行逐層打印。在對結構復雜的生物進行打印的時候，可以按照其結構的層次分成多個部位分別進行打印，也可以將所有的結構整合到一個模型中一起打印，但是一起打印的時候要注意各部位之間有足夠的間隙，避免打印的時候黏合在一起而影響打印的質量。在模型切片的時候可以自動將其切分為厚度相同的打印層。所有設置好之后就可以打印了。比如通過3D打印制作雞蛋模型時，可以將雞蛋模型分成殼、蛋清和蛋黃三個結構層次分別打印;對于桃子的打印，可以按照果皮、果肉以及果核分別進行打印

案例1：采用分層結構打印雞蛋（細胞）。

1）學習目標：學會使用“草圖”進行實體的繪制以及通過3D打印分層方式制作一個雞蛋。

2）觀察實物：獲取一個雞蛋并進行觀察，注意其內部的結構特點。

3）建模：①制作雞蛋基體;②建模。

4）切片。將前期建好的雞蛋模型導入3D打印機的切片軟件之中，對其進行分層切片處理，然后將切好的模型導出來。由于設計的時候是按照整個雞蛋模型來建立的，因此，要想進行分層打印，必須分別將蛋殼、蛋白和蛋黃的模型挑出來進行打印。挑出相關切片后將其保存為相應的格式，最后將制作好的軟件模型保存在SD卡中，需要使用的時候直接將SD卡插入打印機即可進行打印。

5）打印：將SD卡插入打印機即可進行打印。

6）后期處理：一般剛取出的模型有必要進行修整。

案例2：3D打印桃子的分層結構。桃子的打印過程和雞蛋的打印過程基本一致。

6 結語

通過將3D打印模型應用于實際教學，筆者總結出心得。相對于傳統的教學模式，借助3D模型教學比口頭講述更吸引人，特別是對于好奇心很強的中學生來講更是如此。一般學生在拿到模型之后都會認真進行觀察，由于3D打印模型十分逼真，學生看完之后幾乎忘了這是模型，通過觀察生物模型幾乎相當于接觸到實際的物體。這種教學模式擺脫了傳統教學模式的限制，帶給學生強大的視覺沖擊力，對其形成牢固的記憶很有幫助。事實證明，生物模型能夠讓學生產生深刻印象，不少觀察過模型的學生表示，自己對當時的情形還記憶猶新，可見模型教學的效果是非常顯著的。很多學生表示，通過模型，對于所學知識有了新的理解。通過讓學生自己動手對模型進行組裝和拆卸，不僅能夠加深學生對知識的理解，而且能夠鍛煉學生的動手能力。同時，這種教學模式本身就是一種創新，有效推動了初中生物教育教學改革。

由于3D打印技術對使用者的計算機技術有一定要求，因此，對于教師的計算機素養要求較高，也要求教師具備較強的動手能力。3D打印技術的運用目前還存在比較大的缺陷，比如沒有形成穩定的市場，在國內普及率還不高，懂得相應技術的人才奇缺等。筆者相信，隨著3D打印技術的不斷發展，教師計算機素養的不斷提高，將3D打印技術應用于初中生物教學中，一定會推動初中生物教學更好地發展。■

參考文獻

[1]瑞士研發出新3D打印技術：30秒完成打印，可用于醫學及生物學領域[J].塑料科技，2020，48（2）：140.

[2]汪華.3D打印技術在初中生物學教學中的應用[J].生物學通報，2019，54（8）：38-40.

[3]汪華.3D打印技術在新型生物學教具創制中的應用[J].高校生物學教學研究：電子版，2019，9（2）：54-57.