3D打印技術在中學生物學教學中的應用

中圖分類號：G633.91文獻標識碼：B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》以下簡稱《課程標準》）明確指出，教學過程重實踐是普通高中生物學課程中的基本理念之一，高度關注學生在學習過程中的實踐經歷，旨在通過探究性學習活動或完成工程學任務，深化學生對生物學概念的理解，提升其應用知識的能力。目前，生物學概念教學普遍通過圖片和視頻等多媒體手段展示生物結構或現象，以此輔助學生對概念的理解。然而，這種相對單一的教學方式可能在某種程度上限制了學生科學思維能力與動手能力的發展。

在此背景下，3D打印技術的引入為生物學教學提供了新的視角。該技術能夠將抽象的生物學概念具象化為實體模型，這與《課程標準》強調的工程學設計及模型構建的教學理念高度契合。在教學實踐中，教師通過引導學生自主設計并制作3D模型，幫助學生構建知識體系，在探究活動中加深對知識的理解；同時，這一教學方法還能顯著提升學生的觀察分析能力、動手操作能力以及創新意識，促進學生形成建模思維，從而更有效地實現生物學學科核心素養的培養目標。

13D打印技術概述

3D打印技術以計算機智能設計與制造為基礎，首先通過計算機設計出三維模型，再利用激光束、熱熔噴嘴等技術手段，將粉末狀金屬、塑料等材料分層堆積、粘連疊加，最終制造出實體物品，實現虛擬三維模型向實體物品的轉化。

3D打印技術在各行各業中展現出廣泛的應用前景。在教育領域，尤其是教育教學層面，3D打印技術同樣展現出其獨特的價值。然而，盡管3D打印技術在多個學科領域已有成功應用案例，但將其應用于生物學教學的相關研究卻相對匱乏[2][3]究其原因，3D打印技術的復雜性可能是制約其在生物學教學中普及的重要因素之一。因此，開發簡易、操作便捷的3D打印技術對于生物學教師而言顯得尤為迫切。此舉不僅有助于降低技術應用的門檻，使更多生物學教師能夠輕松掌握并有效應用3D打印技術于教學實踐中，還能進一步推動3D打印技術在中學生物學教學領域的普及與推廣，從而推動生物學教學方式的革新與進步。

23D打印技術在生物學教學中的應用價值

2.1提高學生生物學學科核心素養

3D打印技術能夠實現模型的可視化、生動化和形象化，使得微觀且難以直觀理解的結構清晰地展現在學生面前。這一技術特性不僅顯著加深了學生對物質結構的認知，還為功能特性的學習奠定了堅實基礎。例如，學生能夠通過3D打印技術制作細胞膜的結構模型，在這一過程中學生能夠全面理解細胞膜的結構特征和功能，明確物質流、信息流與能量流之間的關系，進而促進結構與功能觀、物質與能量觀、穩態與平衡觀等生命觀念的形成與發展。

在構建3D打印生物模型的過程中，學生不斷修正和優化模型，有助于培養科學思維。學生明確任務并展開合作探討，形成利用工程學設計解決問題的意識，培養合作交流的能力，提升科學探究能力。學生將平面圖轉化為立體的作品，激發學習生物學的興趣，在實踐操作中培養實踐能力和創造能力。

2.2為中學生物學教師的跨學科教學提供思路

3D打印技術以STEM教育理念為指導、模型設計和模型構建為核心，將生物學模型的構建與工程設計相結合，開發學生的設計思維，實現了復雜科學概念的“實物化\"呈現，進而促進了科學、技術和工程學三者的深度融合。這一過程不僅培養了學生的創造力，還通過跨學科知識的融合，開創了一種全新的多學科交叉學習模式。

在完成細胞結構相關理論的學習后，學生運用簡易的3D打印技術自主制作相關細胞模型，形成可視化的學習作品。在模型制作的過程中，學生加深對細胞結構的認識，形成更為全面和深入的認知。通過跨學科知識的篩選與整合，學生的創造性和探究能力得到了顯著提升，認知水平也進一步提高。

3D打印技術在生物學教學中的簡易操作，是基于解決實際問題的目標而實施的跨學科學習活動，為生物學與其他學科的融合提供了一種創新思路。這一應用不僅培養了學生的綜合應用能力與創新實踐能力，還為學生從校園學習到未來職業生涯的過渡搭建了堅實的橋梁，有助于學生在復雜多變的社會環境中更好地適應與發展。

33D打印技術在生物學教學中的應用實例

3.1大單元教學構建“細胞的基本結構\"概念模型

“細胞的基本結構”是人教版普通高中教科書《生物學·必修1·分子與細胞》（以下簡稱“教材\"）第3章的內容，包含“細胞膜的結構與功能”“細胞器之間的分工合作”和“細胞核的結構與功能\"3節內容。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》以下簡稱《課程標準》強調內容聚焦大概念，倡導課程內容結構化，單元教學應注重整體性、系統性與邏輯性。

教師在講授本節內容時，可以采用大單元教學的方式來構建概念模型，借助概念圖將零散、瑣碎的生物學知識串聯起來，形成結構化的知識框架，從而實現知識的整體化和系統化。

在自主構建概念的過程中，學生需對知識進行發散、聯想、整合與梳理，按照知識的內在邏輯進行搭建，以強化對概念之間聯系的理解和記憶，實現知識的遷移與應用，并達到思維可視化的效果。教師應引導學生用系統化的視角認識細胞，探討細胞各組分如何既相對獨立又緊密聯系。

盡管3D打印技術能夠精準地根據細胞各部分的內部結構構建出獨立、具體的模型，但如何將這些零散的模型整合成一個整體以實現細胞結構的全面呈現，已成為一個亟待解決的問題。因此，在利用3D打印技術輔助教學時，教師需注重模型間的邏輯關聯與整體布局，以全面、準確地反映細胞結構的復雜性與系統性。

3.23D打印技術構建“細胞的基本結構\"物理模型

學生在充分學習并掌握細胞的基本結構相關知識后，對于知識的理解仍較為抽象。鑒于此，本文引入3D打印技術，旨在通過簡單操作將抽象概念具體化，促進學生對知識的有效內化。

筆者使用的3D打印機具有精度高、穩定性高、操作簡便及直觀性強等優點。該打印機采用熱塑性高分子材料——聚乳酸（PLA）作為打印介質，運用熔融沉積成型（FDM）技術進行細胞三維模型的打印。FDM技術通過加熱高分子材料，由噴嘴擠出并逐層堆積，最終形成實體物品。在三維建模環節，筆者使用3DOnePlus軟件。以下將詳細闡述在3DOnePlus軟件中設計細胞模型，并使用FDM技術進行打印的過程。

3.2.1三維建模

筆者以構建細胞器中的葉綠體和線粒體結構模型為例，介紹構建細胞器三維模型的簡易操作方法。3DOnePlus軟件的通用操作步驟如表1所示。

葉綠體的主要結構包含內外兩層膜和圓餅狀的類囊體構成的基粒，基粒和基粒之間的空隙充滿了葉綠體基質。使用3DOnePlus軟件對葉綠體進行三維建模的簡易操作步驟如表2所示。

線粒體包含內外兩層膜，其中內膜向內折疊形成嵴，嵴的周圍充滿了線粒體基質，線粒體內膜上有多種與有氧呼吸相關的酶。使用3DOnePlus軟件對線粒體進行三維建模的簡易操作步驟如表3所示。

3.2.2 切片打印

首先使用3D打印機配套的切片軟件將預先設計好的STL文件轉換為G代碼，以便3D打印機能夠識別并逐層打印。切片過程中，需根據實際需求調整打印參數，包括打印速度、填充密度以及支撐結構等，以期獲得更理想的打印效果。隨后，將優化好的G代碼文件導入3D打印機，開始打印。打印完成后，需要對模型執行一系列后處理工作，包括清洗、去除支撐結構以及打磨等，以進一步提升模型表面的光滑程度。

4展望

遵循上述簡易操作流程，師生能夠實現標準模型的3D打印制作。在熟練掌握3D建模軟件的基礎上，學生不僅能夠基于生物學知識自主設計出更具創意的模型，還能通過構建模型表達個人見解，這既契合了工程學教育發展的趨勢，也滿足了創新人才培養的需求。將3D打印技術融人生物學建模教學，是一次跨學科融合的積極探索。如何在現有學科整合的基礎上，進一步融合數學、藝術等多學科元素，設計出更具教育價值與實際意義的工程學設計活動，將是未來教學實踐中值得教育工作者深人探究的課題。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）M.北京：人民教育出版社，2020.

[2]武麗俠，徐華曉.3D打印技術賦能視障學生直觀教學—以生物教學應用為例J].安徽教育科研，2022（24）：113-115.

[3]沈方圓.基于翻轉課堂模式的中學生物實驗教學——以“制作與觀察洋蔥鱗片葉內表皮細胞臨時裝片”為例[J].中學生物學，2022，38（7）：54-56.