3D打印技術(shù)在初中生物教學(xué)中的應(yīng)用

孫菲

摘? 要 首先提出研究目的及意義，接著闡述理論基礎(chǔ)，對(duì)3D打印技術(shù)與生物學(xué)科教學(xué)的融合進(jìn)行深入探究，同時(shí)提出利用3D打印技術(shù)打印生物分層結(jié)構(gòu)的一般步驟，以期為初中生物教學(xué)提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞 3D打印技術(shù);初中生物;教學(xué)模型;立體化教具;數(shù)字化建模

中圖分類號(hào)：G633.91? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）13-0029-03

1 前言

在初中生物教學(xué)中，常常會(huì)遇到一些專業(yè)概念，且學(xué)生日常接觸不多，比如DNA。在講解這些知識(shí)時(shí)，教師有時(shí)候很難描述，這時(shí)如果有一個(gè)具體的模型輔助教學(xué)，那么對(duì)于教師來(lái)說(shuō)就會(huì)輕松很多，特別是對(duì)于一些具有復(fù)雜構(gòu)造的物體，比如器官、細(xì)胞等。假如有可以拆卸的模型輔助講解，那么教師就能夠?qū)ζ浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)全面的講解，這對(duì)于學(xué)生理解所學(xué)知識(shí)具有極大幫助。

人們對(duì)知識(shí)的構(gòu)建都是主動(dòng)的，只有積極主動(dòng)地參與對(duì)知識(shí)的構(gòu)建，才能夠取得良好的效果。運(yùn)用3D打印技術(shù)可以為學(xué)生進(jìn)行知識(shí)構(gòu)建提供一種學(xué)習(xí)環(huán)境，很好地幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)，同時(shí)幫助學(xué)生加速對(duì)知識(shí)的獲取。

2 研究目的及意義

滿足個(gè)性化、少量化的教具需求? 在傳統(tǒng)生物教學(xué)中，教師大都只能借助語(yǔ)言來(lái)描述某些生物知識(shí)，但是語(yǔ)言的表現(xiàn)力是有限的，學(xué)生光聽(tīng)教師口頭上講，很難對(duì)知識(shí)產(chǎn)生深刻理解。雖然后來(lái)也出現(xiàn)一些輔助教學(xué)的方式，比如制作PPT、教學(xué)圖以及視頻等，但是這些方式有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是不具備互動(dòng)功能，學(xué)生只能被動(dòng)接受知識(shí)。后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，只有模型才能夠解決上述問(wèn)題，通過(guò)模型，學(xué)生可以親自觀察自己想觀察的位置，這時(shí)候的記憶會(huì)更加深刻、牢固。以前學(xué)校要定制模型必須事先聯(lián)系制造廠，然后廠商再一步步地將模型制作出來(lái)，最后郵寄給學(xué)校，整個(gè)過(guò)程可以說(shuō)非常漫長(zhǎng)?，F(xiàn)在有了3D打印技術(shù)，可以實(shí)時(shí)將模型打印出來(lái)，既方便又經(jīng)濟(jì)。

制作可視化立體教具和學(xué)具? 3D打印技術(shù)是一項(xiàng)非常精密的制造技術(shù)，可以通過(guò)點(diǎn)、線、面三位一體的方式來(lái)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(wú)法制作出精細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)不同，它是通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行三維建模，將材料融化后通過(guò)精密的噴嘴按照設(shè)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(lái)。這項(xiàng)技術(shù)使教學(xué)模型的可視化成為現(xiàn)實(shí)。

3 理論基礎(chǔ)

美國(guó)著名心理學(xué)家、教育家、哲學(xué)家杜威認(rèn)為，人們要想對(duì)所學(xué)習(xí)的知識(shí)有比較深刻的印象和理解，那么就必須親自參與到實(shí)驗(yàn)中來(lái)，通過(guò)自己動(dòng)手實(shí)踐不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，然后在解決問(wèn)題的過(guò)程中不斷理解、驗(yàn)證以及鞏固自己學(xué)到的相關(guān)知識(shí)。只有經(jīng)歷了“做”的過(guò)程，學(xué)習(xí)的知識(shí)才能夠真正轉(zhuǎn)化為自己的知識(shí)。通過(guò)3D打印技術(shù)制作相關(guān)的教學(xué)模型，在生物課上，學(xué)生可以親手拆卸模型并進(jìn)行觀察，這充分體現(xiàn)了杜威的教學(xué)理念，學(xué)生拆卸模型的過(guò)程就是在參與做的過(guò)程，這種形式非常受學(xué)生歡迎，效果也比較明顯。

其實(shí)3D打印技術(shù)和生物學(xué)教學(xué)相結(jié)合就是一種“做中學(xué)”的教學(xué)模式，教師通過(guò)3D打印機(jī)實(shí)時(shí)地將生物的結(jié)構(gòu)模型打印出來(lái)配合自己的講解，同時(shí)可以讓學(xué)生對(duì)模型進(jìn)行拆卸操作。一般來(lái)說(shuō)，在上課之前，教師先拋出若干問(wèn)題，然后讓學(xué)生通過(guò)自己對(duì)模型進(jìn)行拆卸和觀察來(lái)找到答案，這比傳統(tǒng)教學(xué)方式更讓學(xué)生印象深刻。

4 3D打印與生物學(xué)科教學(xué)的融合

3D打印原理? 在基本原理上，3D打印技術(shù)其實(shí)和傳統(tǒng)的平面打印機(jī)沒(méi)有什么區(qū)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(shù)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(guò)將3D打印機(jī)和計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)就能夠控制3D打印機(jī)按照事先設(shè)計(jì)好的3D模型進(jìn)行打印。在打印過(guò)程中，3D打印機(jī)先將材料加熱融化，然后一層一層地對(duì)模型進(jìn)行打印。3D打印機(jī)的做法相比于傳統(tǒng)制造業(yè)“做減法”的制造方法更省材料，也沒(méi)有形狀上的限制。

3D打印過(guò)程? 目前來(lái)講，3D打印要經(jīng)過(guò)四個(gè)階段，分別是建模、分層、打印以及后期的打磨處理。

1）設(shè)計(jì)階段。這個(gè)過(guò)程也就是對(duì)要設(shè)計(jì)的物體進(jìn)行數(shù)字建模，可以使用專業(yè)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。假如有參考物，還可以直接將模型掃描到計(jì)算機(jī)上，然后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理就能使用了。

2）分層切割。一般3D打印機(jī)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(jī)按照順序?qū)④浖械哪Ｐ椭饘哟蛴　?/p>

4）后期處理。就目前來(lái)講，由于打印機(jī)自身精度的問(wèn)題，打印出的物件表面會(huì)略顯粗糙，因此需要進(jìn)行細(xì)微的打磨修整才能夠使用。

數(shù)字化建模? 在3D打印的四個(gè)階段中，最重要的一個(gè)步驟就是物體的3D建模了。模型建得好不好，會(huì)影響到后期打印成型的結(jié)果。很多沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的人設(shè)計(jì)出的模型在打印的時(shí)候經(jīng)常出現(xiàn)脫落等嚴(yán)重問(wèn)題，其原因就是設(shè)計(jì)的時(shí)候沒(méi)有考慮周全。3D打印的模型一般需要按照一定的順序來(lái)設(shè)計(jì)，這是模型設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。無(wú)論做何種模型，一般的思路是先對(duì)物體的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后逐步精細(xì)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(guān)鍵是要學(xué)會(huì)建模的思想。

生物建模的一般方法

1）觀察構(gòu)圖。生物模型的打印過(guò)程和普通物品的打印過(guò)程沒(méi)有什么區(qū)別，都要經(jīng)過(guò)建模、切片、打印和后期處理四個(gè)過(guò)程。但是在生物建模中，由于生物本身的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，具有很多的結(jié)構(gòu)層次，因此，如何進(jìn)行建模以利于后期的打印成型是最為關(guān)鍵的問(wèn)題，也是主要要解決的問(wèn)題。對(duì)于生物的外形可以直接通過(guò)掃描獲得，但是生物內(nèi)部的構(gòu)造則需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般設(shè)計(jì)師可以利用軟件將內(nèi)部的結(jié)構(gòu)畫出來(lái)，再轉(zhuǎn)換成3D模型進(jìn)行打印;或者可以將各個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)拆分出來(lái)分別進(jìn)行打印，在全部打印完成之后再進(jìn)行組合，但是這種方法的缺點(diǎn)是消耗的時(shí)間比較多，不適合大批量的打印。3D打印建模也不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的技術(shù)，必須具有豐富的經(jīng)驗(yàn)才能夠?qū)⑵湓O(shè)計(jì)好，因此，新手需要多加練習(xí)以便更好地掌握。

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：模型結(jié)構(gòu)必須封閉;適當(dāng)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(guò)機(jī)器可以打印的范圍;模型最薄的地方不能比打印機(jī)最小能夠打印的厚度小，否則可能出現(xiàn)異常;45°法則;物品需要底座;預(yù)留容差度。

3）切片打印。將模型文件導(dǎo)入后，進(jìn)行切片參數(shù)設(shè)置。這里需要注意以下幾個(gè)參數(shù)。

①打印材料。一般打印機(jī)可以選擇打印的耗材，在打印機(jī)附送的軟件中，找到耗材設(shè)置的地方進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置即可。此步驟選擇的材料一定要和實(shí)際使用的耗材匹配。

②底墊。軟件中可以根據(jù)模型的情況來(lái)選擇相應(yīng)的底座，一般有無(wú)底墊、有底墊和防翹底墊三個(gè)選項(xiàng)可以選擇。

③支撐結(jié)構(gòu)類型。根據(jù)模型的重量可以選擇網(wǎng)、線、柱、樹四種支撐結(jié)構(gòu)。

④打印質(zhì)量。一般軟件可以選擇打印物品的分辨率，分為高、中、低三個(gè)檔次，根據(jù)需要進(jìn)行選擇即可。

5 打印生物分層結(jié)構(gòu)的一般步驟

3D打印最常用的是分層打印方式，即對(duì)于已經(jīng)經(jīng)過(guò)切片處理的生物模型按照自下而上的順序進(jìn)行逐層打印。在對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生物進(jìn)行打印的時(shí)候，可以按照其結(jié)構(gòu)的層次分成多個(gè)部位分別進(jìn)行打印，也可以將所有的結(jié)構(gòu)整合到一個(gè)模型中一起打印，但是一起打印的時(shí)候要注意各部位之間有足夠的間隙，避免打印的時(shí)候黏合在一起而影響打印的質(zhì)量。在模型切片的時(shí)候可以自動(dòng)將其切分為厚度相同的打印層。所有設(shè)置好之后就可以打印了。比如通過(guò)3D打印制作雞蛋模型時(shí)，可以將雞蛋模型分成殼、蛋清和蛋黃三個(gè)結(jié)構(gòu)層次分別打印;對(duì)于桃子的打印，可以按照果皮、果肉以及果核分別進(jìn)行打印

案例1：采用分層結(jié)構(gòu)打印雞蛋（細(xì)胞）。

1）學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)會(huì)使用“草圖”進(jìn)行實(shí)體的繪制以及通過(guò)3D打印分層方式制作一個(gè)雞蛋。

2）觀察實(shí)物：獲取一個(gè)雞蛋并進(jìn)行觀察，注意其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

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(dǎo)入3D打印機(jī)的切片軟件之中，對(duì)其進(jìn)行分層切片處理，然后將切好的模型導(dǎo)出來(lái)。由于設(shè)計(jì)的時(shí)候是按照整個(gè)雞蛋模型來(lái)建立的，因此，要想進(jìn)行分層打印，必須分別將蛋殼、蛋白和蛋黃的模型挑出來(lái)進(jìn)行打印。挑出相關(guān)切片后將其保存為相應(yīng)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(shí)候直接將SD卡插入打印機(jī)即可進(jìn)行打印。

5）打印：將SD卡插入打印機(jī)即可進(jìn)行打印。

6）后期處理：一般剛?cè)〕龅哪Ｐ陀斜匾M(jìn)行修整。

案例2：3D打印桃子的分層結(jié)構(gòu)。桃子的打印過(guò)程和雞蛋的打印過(guò)程基本一致。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將3D打印模型應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)，筆者總結(jié)出心得。相對(duì)于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，借助3D模型教學(xué)比口頭講述更吸引人，特別是對(duì)于好奇心很強(qiáng)的中學(xué)生來(lái)講更是如此。一般學(xué)生在拿到模型之后都會(huì)認(rèn)真進(jìn)行觀察，由于3D打印模型十分逼真，學(xué)生看完之后幾乎忘了這是模型，通過(guò)觀察生物模型幾乎相當(dāng)于接觸到實(shí)際的物體。這種教學(xué)模式擺脫了傳統(tǒng)教學(xué)模式的限制，帶給學(xué)生強(qiáng)大的視覺(jué)沖擊力，對(duì)其形成牢固的記憶很有幫助。事實(shí)證明，生物模型能夠讓學(xué)生產(chǎn)生深刻印象，不少觀察過(guò)模型的學(xué)生表示，自己對(duì)當(dāng)時(shí)的情形還記憶猶新，可見(jiàn)模型教學(xué)的效果是非常顯著的。很多學(xué)生表示，通過(guò)模型，對(duì)于所學(xué)知識(shí)有了新的理解。通過(guò)讓學(xué)生自己動(dòng)手對(duì)模型進(jìn)行組裝和拆卸，不僅能夠加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，而且能夠鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。同時(shí)，這種教學(xué)模式本身就是一種創(chuàng)新，有效推動(dòng)了初中生物教育教學(xué)改革。

由于3D打印技術(shù)對(duì)使用者的計(jì)算機(jī)技術(shù)有一定要求，因此，對(duì)于教師的計(jì)算機(jī)素養(yǎng)要求較高，也要求教師具備較強(qiáng)的動(dòng)手能力。3D打印技術(shù)的運(yùn)用目前還存在比較大的缺陷，比如沒(méi)有形成穩(wěn)定的市場(chǎng)，在國(guó)內(nèi)普及率還不高，懂得相應(yīng)技術(shù)的人才奇缺等。筆者相信，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，教師計(jì)算機(jī)素養(yǎng)的不斷提高，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于初中生物教學(xué)中，一定會(huì)推動(dòng)初中生物教學(xué)更好地發(fā)展。■

參考文獻(xiàn)

[1]瑞士研發(fā)出新3D打印技術(shù)：30秒完成打印，可用于醫(yī)學(xué)及生物學(xué)領(lǐng)域[J].塑料科技，2020，48（2）：140.

[2]汪華.3D打印技術(shù)在初中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].生物學(xué)通報(bào)，2019，54（8）：38-40.

[3]汪華.3D打印技術(shù)在新型生物學(xué)教具創(chuàng)制中的應(yīng)用[J].高校生物學(xué)教學(xué)研究：電子版，2019，9（2）：54-57.