汪 華（深圳外國語學(xué)校 廣東深圳 518028）

1 研究目的及意義

1.1 滿足個(gè)性化、少量化的教具需求 在初中生物學(xué)教學(xué)中，利用直觀教具可提高教學(xué)效果，例如PPT、模型、掛圖和視頻等，但其中形象直觀的立體教具相對(duì)較少，且由專門的教學(xué)設(shè)備制作機(jī)構(gòu)制作發(fā)行，需提前預(yù)定、批量采購，且更新較慢。利用3D打印技術(shù)快速成型、個(gè)性化定制的特點(diǎn)，師生可方便地自行制作和打印一些教具和學(xué)具，滿足現(xiàn)實(shí)教學(xué)的需求，突破教學(xué)手段和設(shè)施的局限，為課堂教學(xué)提供良好的技術(shù)支撐和豐富的效果選擇。

1.2 制作可視化立體教具和學(xué)具 利用3D打印技術(shù)打印細(xì)胞、組織和器官的分層結(jié)構(gòu)，而非僅走馬觀花似地打印生物結(jié)構(gòu)的外形輪廓，可以打破圖形的束縛，立體呈現(xiàn)某些抽象、難以展示的結(jié)構(gòu)，可反復(fù)拆裝［1］，且結(jié)實(shí)耐用，較好體現(xiàn)3D打印技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的深度融合［2］。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 建構(gòu)主義 建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)知識(shí)是學(xué)生主動(dòng)獲得的，不是由教師傳播的，教師的作用是幫助和促進(jìn)這種建構(gòu)。建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)對(duì)知識(shí)的建構(gòu)是主動(dòng)的、有意義 的［3］。3D打 印技 術(shù)提供了一種學(xué)習(xí)環(huán)境（技術(shù)），它不是建構(gòu)的目標(biāo)。建構(gòu)的目標(biāo)是教學(xué)目標(biāo)，學(xué)生對(duì)教學(xué)目標(biāo)的建構(gòu)不是完成教學(xué)目標(biāo)，而是自己完成有意義的建構(gòu)，而有意義的建構(gòu)就是圍繞教學(xué)目標(biāo)所提出的圍繞必須掌握的基本概念、基本原理等進(jìn)行建構(gòu)。

2.2 做中學(xué)、體驗(yàn)式學(xué)習(xí) 杜威的相關(guān)教學(xué)理論認(rèn)為，“從做中學(xué)”即“從活動(dòng)中學(xué)”“從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)”［4］。杜威認(rèn)為，人們印象深刻的知識(shí)往往是從“做”中習(xí)得的?！白觥本褪腔顒?dòng)、實(shí)踐，在動(dòng)手操作中不斷獲取經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)的積累過程就是知識(shí)的增長過程，這樣獲得的知識(shí)是經(jīng)久不忘的。3D打印與學(xué)科教學(xué)融合，改變了學(xué)習(xí)情境，提供了“做”的機(jī)會(huì)。學(xué)生天性喜歡動(dòng)手，喜歡變化的環(huán)境。3D打印技術(shù)的介入，帶來了新技術(shù)、新體驗(yàn)，自然會(huì)受到學(xué)生的歡迎。

基于3D打印的生物學(xué)學(xué)習(xí)是一種任務(wù)和問題驅(qū)動(dòng)下的“做中學(xué)”［5］。用3D打印的生物結(jié)構(gòu)效果如何？利用3D打印學(xué)習(xí)生物學(xué)概念有何優(yōu)點(diǎn)？怎樣利用3D打印技術(shù)打印生物結(jié)構(gòu)？這些問題可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)并實(shí)踐，通過親手“做”，親自探究，將抽象的概念通過3D打印變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，利于學(xué)生理解概念。

3 3D打印與生物學(xué)科教學(xué)的融合

3.1 3D打印原理 3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同，但打印的材料完全不同，是塑料、樹脂、粉末狀金屬、陶瓷、砂等（本研究使用的是線圈狀的PLA），打印出來的是立體模型。與電腦連接后，通過電腦控制，打印機(jī)將打印材料加熱融化形成流體，最后流體經(jīng)過導(dǎo)入的控制程序在底盤上一層一層地疊加形成模型，最終將計(jì)算機(jī)上的平面設(shè)計(jì)圖變成立體模型。相比傳統(tǒng)制造業(yè)的“做減法”，3D打印是“做加法”，所以浪費(fèi)更少、成本更低、設(shè)計(jì)更自由。

3.2 3D打印過程 3D打印的過程分為設(shè)計(jì)（建模）、分層切片、打印、后期處理4 個(gè)階段［6］。

1）設(shè)計(jì)階段：主要是3D 建模。在建模軟件方面，既有專業(yè)化商業(yè)建模軟件，例如Solid Works、Creo 2.0 等，也有豐富的免費(fèi)建模軟件，例如Sketch Up、Blender、3D One、Tinker CAD、123D 等。

2）分層切割：打印機(jī)配備的專業(yè)切片軟件將模型切分成一層層的薄片。

3）打印階段：3D打印機(jī)讀取文件信息，對(duì)分切的每層進(jìn)行構(gòu)建，逐層累積打印。

4）后期處理：由于設(shè)計(jì)及機(jī)器本身的精度問題，打印出來的模型較粗糙，需對(duì)模型進(jìn)行剝離和必要的修整，才能使模型最終完成。

3.3 數(shù)字化建模 3D打印的步驟包括觀察、建模（構(gòu)圖）、切片和打印，其中，建模是關(guān)鍵。3D打印的一般建模方法，其操作是按步驟逐步進(jìn)行，模型也是逐步構(gòu)建，順序是關(guān)鍵。例如若為雞蛋建模，先建球體；若為水杯建模，先建圓柱體；若為一朵花建模，有些人習(xí)慣先做花瓣，有些人則先做葉子?？傊?，須先對(duì)一個(gè)生物結(jié)構(gòu)建模有完整的思路，才能建立較復(fù)雜的模型。建模方法因人而異，只有學(xué)會(huì)了軟件基本功能的使用，進(jìn)行嘗試，才能逐步學(xué)會(huì)建模。本研究所用的軟件是3D One。

3.4 生物建模的一般方法

3.4.1 觀察構(gòu)圖 與3D打印的一般過程相似，將3D打印技術(shù)應(yīng)用到生物結(jié)構(gòu)模型的打印中，同樣需要構(gòu)圖、建模、切片、打印4 個(gè)步驟。

生物模型一般都是較為復(fù)雜、有層次的，根據(jù)生物結(jié)構(gòu)構(gòu)建生物模型，不僅要觀察模型表面，還要了解生物體的結(jié)構(gòu)層次。1）關(guān)于對(duì)稱：除了一些輻射對(duì)稱、左右對(duì)稱的低等動(dòng)物外，很少有完全對(duì)稱的。為了美觀，一般設(shè)計(jì)都會(huì)考慮到對(duì)稱。2）關(guān)于比例：一般生物建模都以1∶1 的比例構(gòu)圖，還原模型的真實(shí)性，所以要注意標(biāo)本中各部分的比例。3）關(guān)于節(jié)奏：節(jié)奏把握實(shí)際就是對(duì)各要素、各參數(shù)“度”的微妙把握，打印模型才“像”，需要靠實(shí)踐獲得經(jīng)驗(yàn)。4）整體性與協(xié)調(diào)性：3D 建模猶如相冊(cè)構(gòu)圖需進(jìn)行排版設(shè)計(jì)，形式要美，布局要合理，整體應(yīng)協(xié)調(diào)，需多實(shí)踐才能掌握個(gè)中奧秘。

3.4.2 3D 建模 根據(jù)生物的結(jié)構(gòu)真實(shí)還原3D模型，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）物體模型必須為封閉的。2）給模型增加厚度。3）物體模型必須為流形。4）正確的法線方向。5）物體模型最大尺寸比3D打印機(jī)可打印的最大尺寸小。6）物體模型的最小厚度是打印機(jī)能打印的最小壁厚，否則會(huì)出現(xiàn)失敗或者錯(cuò)誤。一般最小厚度為2 mm，3D打印機(jī)不同，數(shù)據(jù)還會(huì)有變化。7）45 度法則。8）設(shè)計(jì)打印底座。9）預(yù)留容差度。

3.4.3 切片打印 將模型文件導(dǎo)入后,進(jìn)行切片參數(shù)的設(shè)置。這里需要注意以下幾個(gè)參數(shù)：1）打印材料。點(diǎn)開下拉菜單，會(huì)有不同材料的選項(xiàng)，根據(jù)所用耗材進(jìn)行選擇。需注意的是，不同耗材的選擇將會(huì)導(dǎo)致其他的參數(shù)發(fā)生變化。2）底墊。在底墊參數(shù)設(shè)置中有無底墊、底墊、防翹邊底墊3 個(gè)選項(xiàng)可選，根據(jù)需要選合適的底墊。3）支撐結(jié)構(gòu)類型。有網(wǎng)格、線、樹和柱4 種類型可選，大多數(shù)情況下選擇線型支撐。相對(duì)其他3 種類型，線性更易拆取模型。4）打印質(zhì)量。有5 個(gè)選項(xiàng)可選（低質(zhì)量、中等質(zhì)量、高質(zhì)量、最高質(zhì)量和自定義），一般選擇高質(zhì)量進(jìn)行打印。自定義選項(xiàng)可以設(shè)置模型層高、填充率和邊緣寬度3 個(gè)參數(shù)，打印質(zhì)量越高，時(shí)間越長，模型的品質(zhì)越好。5）外殼打印速度。默認(rèn)選擇是50 mm／s，打印速度過快，模型的品質(zhì)會(huì)受到較大的影響。

4 打印生物分層結(jié)構(gòu)的一般步驟

分層打印，即將需打印的結(jié)構(gòu)剖開分析，每一個(gè)部件都是可以獨(dú)立打印的，如果需要在同一整個(gè)模型中打印，則必須在每個(gè)實(shí)體之間設(shè)立一定的間距。此外，實(shí)體模型完成后進(jìn)行切片處理分層操作，將整個(gè)模型分為厚度相等的等數(shù)量層，這樣3D打印機(jī)就可以按照這樣的路徑自行打印了。例如雞卵的分層結(jié)構(gòu)模型，就是將雞卵結(jié)構(gòu)剖開分析，包括卵殼、卵白、卵黃等。

學(xué)習(xí)植物果實(shí)的結(jié)構(gòu)，可用3D打印技術(shù)打印分層結(jié)構(gòu)，例如打印桃，需要將桃的果實(shí)解剖分析，分為外果皮、中果皮、內(nèi)果皮等。但無論如何，分層打印最后還是要經(jīng)過構(gòu)圖、建模、切片、打印幾個(gè)過程。本文以3D打印雞卵和桃果實(shí)的分層結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說明。

案例1：3D打印雞卵（細(xì)胞）分層結(jié)構(gòu)。

1）學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)習(xí)利用參考幾何體確定位置和方向的方法；利用“基礎(chǔ)實(shí)體”“草圖繪制”制作實(shí)體的方法；學(xué)習(xí)“實(shí)體分割”，掌握其技巧；利用所學(xué)的知識(shí)制作一個(gè)雞卵。

2）觀察實(shí)物：以雞卵為例，先觀察實(shí)物（注意小心別打碎）雞卵，再結(jié)合圖片，仔細(xì)觀察雞卵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

3）建模：①制作雞卵基體（按照1∶2 比例）；②建模后，為雞卵上色。

4）切片：打開3D 建模軟件（3D One），導(dǎo)入雞卵模型文件，由于要分層打印，需將文件逐個(gè)分開導(dǎo)出。首先保存雞卵卵殼，將雞卵其余的結(jié)構(gòu)刪掉。文件導(dǎo)出成stl 格式，保存在專門的文件夾中。打開切片軟件（cura），導(dǎo)入剛保存的雞卵模型stl文件。設(shè)置參數(shù)，點(diǎn)擊保存，文件格式為gcode，文件保存在sd 卡上，將sd 卡插到3D打印機(jī)即可打印模型。

5）打?。捍蛴r(shí)間較長，但可根據(jù)打印物的大小、長短、厚薄進(jìn)行適度調(diào)整，打印機(jī)上會(huì)顯示調(diào)整后的打印時(shí)間。

6）后期處理：若打印的模型較粗糙，需對(duì)模型進(jìn)行剝離和必要的修整（圖1）。

圖1 雞卵分層打印結(jié)構(gòu)圖

案例2：3D打印桃（果實(shí)）的分層結(jié)構(gòu)。

同理，打印桃的分層結(jié)構(gòu)（圖2）、菜豆種子和玉米種子的結(jié)構(gòu)，都遵循這樣的規(guī)律，即先觀察所要打印物體的實(shí)物或?qū)嵨飯D，圖示必須要有詳細(xì)、清晰的結(jié)構(gòu)，然后建模，建模必須先建基體，比例是1∶2 或1∶1，視具體而定。建好模以后上色、切片、打印。

圖2 桃（果實(shí)）的3D 分層打印結(jié)構(gòu)

5 反思與展望

學(xué)生關(guān)于利用3D 技術(shù)打印生物分層結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)生物學(xué)概念的個(gè)人心得分享如下：

學(xué)生1：拿到雞卵成品之后，仔細(xì)端詳著這個(gè)從書本走出來的模型，仿佛手中活躍著一個(gè)新的生命。人們都說，只有通過接觸這個(gè)世界才能感受到這個(gè)世界的真實(shí)存在。由原來文字填鴨式的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成可觸摸的立體3D 結(jié)構(gòu)，不僅在視覺感官上有沖擊，更是對(duì)整個(gè)未來學(xué)習(xí)方式的升華。

學(xué)生2：通過分層打印雞卵結(jié)構(gòu)，讓我直觀了解了平時(shí)不太注意到的地方，卵殼、卵白、卵殼膜、卵黃、胚盤及氣室等，就像自己是一個(gè)造物者，而不是一個(gè)純粹的欣賞者，雞卵結(jié)構(gòu)是怎樣的、大小比例如何全都印刻在腦海中。

學(xué)生3：之前經(jīng)歷了太多直接照搬書本上的知識(shí)，這個(gè)3D打印的雞卵模型，讓我切實(shí)感受到了什么才是對(duì)事物的根本理解，這種解剖式地了解一件事物能讓我了解更多的知識(shí),而不僅是停留在表面。

實(shí)踐證明，利用3D打印技術(shù)打印某些教具，設(shè)計(jì)個(gè)性化的教學(xué)模型，讓學(xué)生觀察、觸摸和組裝這些教具和學(xué)具，可豐富教學(xué)手段，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力，體現(xiàn)教學(xué)相長的原則。

但是，3D打印技術(shù)的應(yīng)用要求師生有較高的信息素養(yǎng)、較強(qiáng)的動(dòng)手能力和基本的工程素養(yǎng)。3D打印技術(shù)在中學(xué)大規(guī)模應(yīng)用還存在以下瓶頸：研究不深入、不系統(tǒng)；建模、切片等軟件操作方面有一定的難度；打印材料、質(zhì)量、時(shí)間等制約了它進(jìn)入常規(guī)課堂與課堂融合。

此外，目前的3D打印教具無法體現(xiàn)生物器官那種漸進(jìn)性和層次感的自然顏色，例如桃的外果皮紅綠相間那種生動(dòng)鮮明的顏色，相信以后隨著技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)該可以得到逐步改進(jìn)。