STEAM教育理念下的生物3D模型課件的制作
——以《T2噬菌體模型》為例

譚惠婷

(廣東省開平市開僑中學(xué) 529300)

隨著STEAM教育理念不斷滲透，將科學(xué)知識(shí)、高新技術(shù)、工程設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)思維緊密結(jié)合的3D設(shè)計(jì)和打印技術(shù)成為創(chuàng)新教育的主流，這也為3D制作在高中生物教學(xué)課件上的運(yùn)用提供有力的技術(shù)支撐.

一、理論依據(jù)——STEAM教育理念

STEAM是結(jié)合科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、藝術(shù)(Arts)、數(shù)學(xué)(Mathematics)的跨領(lǐng)域綜合素質(zhì)教育.它的核心是跨學(xué)科的融合，強(qiáng)調(diào)解決任何問題都不可能只依靠單一學(xué)科知識(shí)，而是多學(xué)科之間的相互滲透，相互支撐，相互補(bǔ)充，共同發(fā)展.

二、生物3D模型課件的制作需要STEAM跨學(xué)科的思想支撐

3D建模是利用三維制作軟件通過虛擬三維空間構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的模型.生物3D模型課件的制作主體就是進(jìn)行3D建模，其過程就是利用3D 軟件從X，Y，Z軸三個(gè)維度構(gòu)建出逼真、生動(dòng)的立體化教學(xué)模型，這也是生物學(xué)科與信息技術(shù)融合的體現(xiàn)；3D建模不是簡(jiǎn)單的模型的繪制，由于立足于教學(xué)，其構(gòu)建的模型具備科學(xué)性，如比例是否合理，各部分位置是否正確，而這些都是需要運(yùn)用數(shù)學(xué)思維來計(jì)算模型各部分之間的空間位置；如需要進(jìn)行實(shí)體打印，還需要考慮工程因素；又如模型課件能否吸引學(xué)生注意力，這也涉及到藝術(shù)方面的知識(shí).

三、STEAM教育理念指導(dǎo)下的生物3D模型課件的制作思路

1.教學(xué)需求分析

噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)是《DNA是主要的遺傳物質(zhì)》中的第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，了解T2噬菌體結(jié)構(gòu)有助于學(xué)生更好理解實(shí)驗(yàn)過程，更清楚遺傳物質(zhì)是什么.

2.STEAM制作列表構(gòu)建(見表1)

表1

3.3DOne模型建模

T2噬菌體由頭部和棒狀尾部構(gòu)成，頭部呈正20面體，尾部由尾管、尾鞘、基盤、尾釘和尾絲等部分構(gòu)成，3D建模重點(diǎn)是將這幾部分制作出來.

(1)頭部建模.為了建模準(zhǔn)確，設(shè)定r0為10mm，得出r=13.0902mm，計(jì)算好數(shù)值開始對(duì)頭部建模：

①選擇草圖工具中的正多邊形命令，畫一個(gè)中心點(diǎn)為原點(diǎn)(0，0)，邊數(shù)為3，外接圓半徑為10的正三角形.

②創(chuàng)建一個(gè)六面體，用作參照體，將其中一頂點(diǎn)放在原點(diǎn)位置，中心點(diǎn)(-10，10，0)，設(shè)置高為13.0902.

③使用直線命令，以六面體正側(cè)面為參考面，以正六面體的一邊繪制一條高13.0902的直線，刪除六面體后剩下的這條高就是內(nèi)接圓半徑r.

④利用放樣命令，以高的頂點(diǎn)進(jìn)行放樣，制作一個(gè)三棱錐.

⑤選擇鏡像命令.選擇一個(gè)向上的面鏡像，按確定，繼續(xù)向上鏡像三次，直到出現(xiàn)一條直線.

⑥利用圓形陣列命令，全選所有基體，沿著直線方向設(shè)置陣列個(gè)數(shù)為5，按確定，一個(gè)正20面體完成.

(2)尾部建模.T2噬菌體尾部主要為棒狀結(jié)構(gòu)，由尾管、尾鞘、基盤、尾釘和尾絲等部分構(gòu)成，所以主要以圓柱體為建模主體.

①尾管和尾鞘的建模.選擇圓柱體命令，選擇“兩者之間”，選中正二十面體底部頂點(diǎn)處，再點(diǎn)擊出現(xiàn)圓柱體后按確定，返回圓柱體參數(shù)界面設(shè)置合適參數(shù).同理，利用圓錐體命令，選擇“曲率中心”，點(diǎn)擊圓柱體底面，繪制一個(gè)上半徑為3，下部半徑為5，高為6的圓錐.調(diào)整好位置后再選擇圓柱體命令，選擇“曲率中心”，點(diǎn)擊錐體底面，繪制一個(gè)半徑為6，高為-55的圓柱體.選擇圓柱的最底面為繪制平面，繪制一個(gè)圓心(0，0)，半徑為6.5的圓，再選擇拉伸命令，輸入拉伸距離-0.5，按確定.選中剛剛拉伸的圓柱體，選擇陣列命令，方向(-0，0，1)，陣列個(gè)數(shù)為45，距離為54.8，按確定.至此，尾管和尾鞘建模完畢.

②基盤建模.選擇草圖工具畫一個(gè)半徑為16的圓，向下拉伸長(zhǎng)度為3.

③尾釘建模.利用圓形命令，在適當(dāng)位置畫一個(gè)半徑為2的草圖，確定后再拉伸到適當(dāng)長(zhǎng)度.再選擇陣列命令中的圓形陣列，陣列個(gè)數(shù)設(shè)置為8.

④尾絲建模.選擇直線命令，在基盤邊緣位置找好參考平面，繪制三條直線，按確定，但不退出草圖界面，再選擇鏈狀圓角命令，全選三條直線，將半徑設(shè)置為5.確定后退出草圖，利用圓形命令，在剛剛繪制的草圖上畫一個(gè)半徑為1.5的圓，確定后退出草圖.使用掃掠命令，輪廓選圓，路徑選直線，制作出尾絲效果.通過移動(dòng)命令，將尾絲移動(dòng)到基盤內(nèi).再選擇尾絲底面，向下拉伸高度為10，拔模角度為-6.然后全選尾絲進(jìn)行圓形陣列，個(gè)數(shù)8個(gè).

最后利用材質(zhì)渲染工具對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行渲染美化.

利用3DOne制作生物3D模型課件進(jìn)行教學(xué)優(yōu)勢(shì)明顯：

(1)3D模型具有立體、逼真的特征，相比平面模型更能使學(xué)生印象深刻；

(2)3D模型是數(shù)字資源，可以長(zhǎng)期保存，避免因老化，磨損，人為損壞等因素造成的重復(fù)購(gòu)置，減少學(xué)校經(jīng)費(fèi)開支；

(3)3D模型可以利用3D打印機(jī)進(jìn)行實(shí)體打印，教學(xué)靈活度更高.

總之，在STEAM教育理念指導(dǎo)下，依照教學(xué)需求分析，STEAM制作列表構(gòu)建，3Done建模的制作思路，制作出來的生物3D模型立體、逼真，能替代平面課件和實(shí)體模型用作教學(xué)，達(dá)到很好的教學(xué)效果.