3D打印技术在初中生物教学中的应用

孙菲

摘  要 首先提出研究目的及意义，接着阐述理论基础，对3D打印技术与生物学科教学的融合进行深入探究，同时提出利用3D打印技术打印生物分层结构的一般步骤，以期为初中生物教学提供借鉴和参考。

关键词 3D打印技术;初中生物;教学模型;立体化教具;数字化建模

中图分类号：G633.91    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）13-0029-03

1 前言

在初中生物教学中，常常会遇到一些专业概念，且学生日常接触不多，比如DNA。在讲解这些知识时，教师有时候很难描述，这时如果有一个具体的模型辅助教学，那么对于教师来说就会轻松很多，特别是对于一些具有复杂构造的物体，比如器官、细胞等。假如有可以拆卸的模型辅助讲解，那么教师就能够对其结构进行详细全面的讲解，这对于学生理解所学知识具有极大帮助。

人们对知识的构建都是主动的，只有积极主动地参与对知识的构建，才能够取得良好的效果。运用3D打印技术可以为学生进行知识构建提供一种学习环境，很好地帮助学生构建知识，同时帮助学生加速对知识的获取。

2 研究目的及意义

满足个性化、少量化的教具需求  在传统生物教学中，教师大都只能借助语言来描述某些生物知识，但是语言的表现力是有限的，学生光听教师口头上讲，很难对知识产生深刻理解。虽然后来也出现一些辅助教学的方式，比如制作PPT、教学图以及视频等，但是这些方式有一个共同的缺点，就是不具备互动功能，学生只能被动接受知识。后来研究发现，只有模型才能够解决上述问题，通过模型，学生可以亲自观察自己想观察的位置，这时候的记忆会更加深刻、牢固。以前学校要定制模型必须事先联系制造厂，然后厂商再一步步地将模型制作出来，最后邮寄给学校，整个过程可以说非常漫长。现在有了3D打印技术，可以实时将模型打印出来，既方便又经济。

制作可视化立体教具和学具  3D打印技术是一项非常精密的制造技术，可以通过点、线、面三位一体的方式来制作模型，而以往厂商制作的模型大多只停留在外形的层面，根本无法制作出精细的内部结构。3D打印技术不同，它是通过软件来进行三维建模，将材料融化后通过精密的喷嘴按照设定好的程序逐层打印模型，这使得任何想要制作的模型都可以被精确地打印出来。这项技术使教学模型的可视化成为现实。

3 理论基础

美国著名心理学家、教育家、哲学家杜威认为，人们要想对所学习的知识有比较深刻的印象和理解，那么就必须亲自参与到实验中来，通过自己动手实践不断发现问题，然后在解决问题的过程中不断理解、验证以及巩固自己学到的相关知识。只有经历了“做”的过程，学习的知识才能够真正转化为自己的知识。通过3D打印技术制作相关的教学模型，在生物课上，学生可以亲手拆卸模型并进行观察，这充分体现了杜威的教学理念，学生拆卸模型的过程就是在参与做的过程，这种形式非常受学生欢迎，效果也比较明显。

其实3D打印技术和生物学教学相结合就是一种“做中学”的教学模式，教师通过3D打印机实时地将生物的结构模型打印出来配合自己的讲解，同时可以让学生对模型进行拆卸操作。一般来说，在上课之前，教师先抛出若干问题，然后让学生通过自己对模型进行拆卸和观察来找到答案，这比传统教学方式更让学生印象深刻。

4 3D打印与生物学科教学的融合

3D打印原理  在基本原理上，3D打印技术其实和传统的平面打印机没有什么区别，只是在使用的材料以及打印的空间上有所不同。在3D打印技术中，使用的材料不是墨水，而是像ABS塑料、树脂以及特制的金属粉末甚至是陶瓷等。通过将3D打印机和计算机连接，计算机就能够控制3D打印机按照事先设计好的3D模型进行打印。在打印过程中，3D打印机先将材料加热融化，然后一层一层地对模型进行打印。3D打印机的做法相比于传统制造业“做减法”的制造方法更省材料，也没有形状上的限制。

3D打印过程  目前来讲，3D打印要经过四个阶段，分别是建模、分层、打印以及后期的打磨处理。

1）设计阶段。这个过程也就是对要设计的物体进行数字建模，可以使用专业的软件进行设计。假如有参考物，还可以直接将模型扫描到计算机上，然后经过简单处理就能使用了。

2）分层切割。一般3D打印机都自带切片软件，可以将3D模型自上而下切成很薄的片段。

3）打印阶段。这一阶段打印机按照顺序将软件中的模型逐层打印。

4）后期处理。就目前来讲，由于打印机自身精度的问题，打印出的物件表面会略显粗糙，因此需要进行细微的打磨修整才能够使用。

数字化建模  在3D打印的四个阶段中，最重要的一个步骤就是物体的3D建模了。模型建得好不好，会影响到后期打印成型的结果。很多没有经验的人设计出的模型在打印的时候经常出现脱落等严重问题，其原因就是设计的时候没有考虑周全。3D打印的模型一般需要按照一定的顺序来设计，这是模型设计成败的关键。无论做何种模型，一般的思路是先对物体的整体结构进行设计，然后逐步精细化。市面上的建模软件很多，具体采用哪一种因人而异，影响不是很大，关键是要学会建模的思想。

生物建模的一般方法

1）观察构图。生物模型的打印过程和普通物品的打印过程没有什么区别，都要经过建模、切片、打印和后期处理四个过程。但是在生物建模中，由于生物本身的结构比较复杂，具有很多的結构层次，因此，如何进行建模以利于后期的打印成型是最为关键的问题，也是主要要解决的问题。对于生物的外形可以直接通过扫描获得，但是生物内部的构造则需要进行设计。一般设计师可以利用软件将内部的结构画出来，再转换成3D模型进行打印;或者可以将各个内部结构拆分出来分别进行打印，在全部打印完成之后再进行组合，但是这种方法的缺点是消耗的时间比较多，不适合大批量的打印。3D打印建模也不是一项简单的技术，必须具有丰富的经验才能够将其设计好，因此，新手需要多加练习以便更好地掌握。

2）3D建模根据生物的结构真实还原3D模型，应注意：模型结构必须封闭;适当增加厚度以便于打磨;物体模型必须为流形;注意方向正确性;模型的尺寸不能超过机器可以打印的范围;模型最薄的地方不能比打印机最小能够打印的厚度小，否则可能出现异常;45°法则;物品需要底座;预留容差度。

3）切片打印。将模型文件导入后，进行切片参数设置。这里需要注意以下几个参数。

①打印材料。一般打印机可以选择打印的耗材，在打印机附送的软件中，找到耗材设置的地方进行相应设置即可。此步骤选择的材料一定要和实际使用的耗材匹配。

②底垫。软件中可以根据模型的情况来选择相应的底座，一般有无底垫、有底垫和防翘底垫三个选项可以选择。

③支撑结构类型。根据模型的重量可以选择网、线、柱、树四种支撑结构。

④打印质量。一般软件可以选择打印物品的分辨率，分为高、中、低三个档次，根据需要进行选择即可。

5 打印生物分层结构的一般步骤

3D打印最常用的是分层打印方式，即对于已经经过切片处理的生物模型按照自下而上的顺序进行逐层打印。在对结构复杂的生物进行打印的时候，可以按照其结构的层次分成多个部位分别进行打印，也可以将所有的结构整合到一个模型中一起打印，但是一起打印的时候要注意各部位之间有足够的间隙，避免打印的时候黏合在一起而影响打印的质量。在模型切片的时候可以自动将其切分为厚度相同的打印层。所有设置好之后就可以打印了。比如通过3D打印制作鸡蛋模型时，可以将鸡蛋模型分成壳、蛋清和蛋黄三个结构层次分别打印;对于桃子的打印，可以按照果皮、果肉以及果核分别进行打印

案例1：采用分层结构打印鸡蛋（细胞）。

1）学习目标：学会使用“草图”进行实体的绘制以及通过3D打印分层方式制作一个鸡蛋。

2）观察实物：获取一个鸡蛋并进行观察，注意其内部的结构特点。

3）建模：①制作鸡蛋基体;②建模。

4）切片。将前期建好的鸡蛋模型导入3D打印机的切片软件之中，对其进行分层切片处理，然后将切好的模型导出来。由于设计的时候是按照整个鸡蛋模型来建立的，因此，要想进行分层打印，必须分别将蛋壳、蛋白和蛋黄的模型挑出来进行打印。挑出相关切片后将其保存为相应的格式，最后将制作好的软件模型保存在SD卡中，需要使用的时候直接将SD卡插入打印机即可进行打印。

5）打印：将SD卡插入打印機即可进行打印。

6）后期处理：一般刚取出的模型有必要进行修整。

案例2：3D打印桃子的分层结构。桃子的打印过程和鸡蛋的打印过程基本一致。

6 结语

通过将3D打印模型应用于实际教学，笔者总结出心得。相对于传统的教学模式，借助3D模型教学比口头讲述更吸引人，特别是对于好奇心很强的中学生来讲更是如此。一般学生在拿到模型之后都会认真进行观察，由于3D打印模型十分逼真，学生看完之后几乎忘了这是模型，通过观察生物模型几乎相当于接触到实际的物体。这种教学模式摆脱了传统教学模式的限制，带给学生强大的视觉冲击力，对其形成牢固的记忆很有帮助。事实证明，生物模型能够让学生产生深刻印象，不少观察过模型的学生表示，自己对当时的情形还记忆犹新，可见模型教学的效果是非常显著的。很多学生表示，通过模型，对于所学知识有了新的理解。通过让学生自己动手对模型进行组装和拆卸，不仅能够加深学生对知识的理解，而且能够锻炼学生的动手能力。同时，这种教学模式本身就是一种创新，有效推动了初中生物教育教学改革。

由于3D打印技术对使用者的计算机技术有一定要求，因此，对于教师的计算机素养要求较高，也要求教师具备较强的动手能力。3D打印技术的运用目前还存在比较大的缺陷，比如没有形成稳定的市场，在国内普及率还不高，懂得相应技术的人才奇缺等。笔者相信，随着3D打印技术的不断发展，教师计算机素养的不断提高，将3D打印技术应用于初中生物教学中，一定会推动初中生物教学更好地发展。■

参考文献

[1]瑞士研发出新3D打印技术：30秒完成打印，可用于医学及生物学领域[J].塑料科技，2020，48（2）：140.

[2]汪华.3D打印技术在初中生物学教学中的应用[J].生物学通报，2019，54（8）：38-40.

[3]汪华.3D打印技术在新型生物学教具创制中的应用[J].高校生物学教学研究：电子版，2019，9（2）：54-57.