運用123D Design 軟件構建高中生物學模型

胡雙芳 曹玉峰 黎興

案例背景

利用計算機軟件可根據細胞形狀和結構，將細胞建模成3D 模型，然后將模型輸入3D 打印機，將其打印出來[1]。研究表明，利用生物墨水材料對細胞進行建模與3D 打印，在復雜組織再生和器官再造中具有廣闊的應用前景[2]。當前，建模及3D 打印技術與高中課堂的融合已有許多先例，難點在于如何進行充分融合[3-4]，也鮮有案例涉及建模與打印技術與高中生物課堂相融合。123D Design 安裝簡單，使用方便，不需要專業知識，可為用戶免費創建3D 模型，能與市場上的大多數3D 打印機模型實現無縫銜接。高中《生物學》中有許多闡釋生物微觀世界的模型，比如真核細胞模型、生物膜模型、DNA 雙螺旋模型、物質跨膜主動運輸模型等，利用合適的建模軟件對組織或細胞結構進行精確建模，是進行打印的前提條件。

本案例從高中生物學模型構建典型案例入手，基于STEAM 教育理念設計教學環節，通過123D Design 軟件對高中生物學模型的建構進行探討與實踐，為中學師生將信息化技術使用在模型建構上提供參考。

案例內容

教學目標

模型建構有助于學生對生物學概念的理解，基于STEAM教育理念的跨學科理念與教學方式不僅能有效激發學生的學習興趣，還能培養學生的動手操作能力與跨學科素養。

教學環節

STEAM 教學之發現問題——123D Design軟件是否可以用于生物模型的建構？播放科學家打印出首顆人造心臟的科學突破性事件，探討基于123D Design軟件的3D打印技術在生物領域的應用。

STEAM 教學之提出假設——通過適當的解構與分析，123D Design 軟件可用于生物模型的建構教材分析 根據高中《生物學》人教版教材：細胞膜的流動鑲嵌模型認為，細胞膜主要由磷脂分子和蛋白質分子構成。通過對科學史的回顧，請學生對細胞膜流動鑲嵌模型進行復述，包括基本骨架、蛋白質、糖被即糖蛋白或糖脂。根據生物薄膜的流動鑲嵌模型，通常細胞膜厚度為7 ～ 8 nm，結構包括磷脂雙分子層、蛋白質、糖蛋白，以及糖類與脂類分子合成的糖脂在細胞膜表面。

123D Design 操作界面介紹 如圖1 所示，打開軟件后，會看到應用菜單，藍色網格部分是建模區域。圖中數字3 所指位置為指令菜單區域，數字4 所指位置可以從不同角度觀察圖像，數字6 所指區域可調整模型參數。

STEAM 教學之科學求證——通過123D Design軟件實踐進行初步求證

設計與制作模型 在建模過程中，需要了解所需構造模型的基本結構，然后解構模型，簡化生物學模型，設計構造模型所需的基本元件（單位），對各基本元件之間的關系進行辨析，并將各基本元件按照相互關系連接起來。在建構形象替代類模型的過程中，可采用相似的形狀替代各部件，比如用圓形表示親水頭部，兩條長尾表示疏水尾。應注意不同生物膜的厚度會有所不同，如圖2 所示，這里以紅細胞細胞膜的厚度為例，為41 ～ 48?[5]。

完善與修改123D Design 模型 ①修改與調整參數：通過分享與討論，比較不同學生設計的模型，教師針對出現的問題提出在模型建構中的數學問題，促進學生思維的發展。請學生討論：簡化過程中需要注意什么？為什么把磷脂畫成圓形？為什么將蛋白質分子的體積設置得更大？

比例縮放過程中需要注意什么？若是制作模型的過程中，參數設置過大或過小，將會導致何種結果？②檢驗與修補：通過細胞膜的實驗數據，整理基本元件及尺寸，填寫基本元件及尺寸表（表1）。

STEAM 教學之得出結論——3D 打印完成模型制作，總結活動主要流程

采用123D Design 軟件繪制磷脂分子、糖脂、糖蛋白、細胞膜流動鑲嵌模型圖，如圖3 所示，展示活動成果，如圖4 所示。

STEAM 教學之反思分享——123D Design 與3D打印在生物模型構建中的注意事項

本案例依托于校本課程，基于高一年級學生的生物學科知識水平，組織生物建模活動，加深學生對生物學基本概念的理解。通過學生自評、互評與教師評價，交流123DDesign 與3D 打印在構建生物模型過程中的注意事項。教師針對存在的問題提問，促進學生思維發展。

應用與反思

優點

123D 系列有6 款工具， 包括 123D Catch，123DCreature，123D Design，123D Make，123D Sculpt 及Tinckercad，在編輯3D 模型上具備強大的功能和廣泛的應用，比如陣列、群組、布林運算等。123DDesign 打破了常規專業CAD軟件從草圖生成三維模型的建模方法，提供了一些簡單的三維圖形，通過對這些簡單圖形的堆砌和編輯生成復雜形狀。因此，123D Design 對初學者較為友好，安裝簡單，操作方便，可應用于高中《生物學》教學中多個模型制作。

局限性

學生對123D Design 軟件比較陌生，雖然分發了簡要教程，便于學生較快掌握基本的操作知識，但學生對基本知識的遷移能力仍然存在差距。比如：有的學生很快畫好了磷脂分子模型，但未通過123D Design 視圖中的不同角度觀察，導致磷脂分子模型中的圓形親水頭和圓柱形疏水尾并未緊密結合，導致立體模型構建失敗，可通過123D Design 視圖中的不同角度觀察立體模型，采用軟件中的“合并”功能，將兩部分連接起來，防止打印出的實物零散。因此，應根據學生的理解水平，設置由簡單到復雜的階梯型任務，在學生掌握基本操作的基礎上逐步構建模型。

123D Design 的不規則曲線繪制時采用的是多線段繪制功能，這一功能對初學者來說較難掌握，需要較長時間的練習，因而，對不規則圖形進行建模的難度較高。另外，由于打印完的實物難以修補，建模階段精確的參數設置至關重要，比如在設計過程中，要提前在不同元件中預留結合的位點，以便各部件后期的順利拼接。

參考文獻

[1] You Shangting， Xiang Yi， Hwang Henry H， et al. High cell densityand high-resolution 3D bioprinting for fabricating vascularizedtissues[J]. Science Advances， 2023， 9（8）：e7923.

[2] Feng Boshi， Zhang Meng， Qin Chen， et al. 3D printing of conch-likescaffolds for guiding cell migration and directional bone growth[J].Bioactive Materials， 2023（22）： 127-140.

[3] 林國.3D 動畫技術支持的高中物理建模與教學實踐[J]. 高考，2021，411（25）：23-24.

[4] 徐文.3D 打印技術與高中化學融合的教學設計與實踐效果[J]. 教育傳播與技術，2022，32（6）：72-76.

[5] Himbert Sebastian and Maikel C Rheinst?dter. Structural andmechanical properties of the red blood cells cytoplasmic membraneseen through the lens of biophysics[J]. Frontiers in Physiology，2022， 13： 953257.