三維模型及其動畫在生物教學設計中的應用

王佳

摘 要：在教育改革的時代背景下，多媒體技術在學科教學領域的應用越來越廣泛。三維模型及其動畫作為一種新興的教育教學輔助手段，因其具備形象、直觀、趣味性強等特點，也逐漸被人們應用到教學實際中。以人教版高中生物教材“遺傳與進化”第5章第1節“基因突變和基因重組”為例，將三維模型及其動畫與教學設計相結合，能更好地幫助學生主動構建知識，能有效降低學生的認知負荷，優化課堂教學。

關鍵詞：三維模型；動畫；教學設計；生物教學；基因突變；基因重組

在當今這個信息化的社會中，多媒體技術在人們的學習、工作和生活的各個領域中都被充分而廣泛地使用著。多媒體技術不僅改變了人們獲取信息、處理信息和使用信息的方式，還使得人們的學習方式發生了重大的改變。隨著20世紀90年代教育信息化概念的提出，信息技術在教育領域的發展非常迅猛。多媒體計算機、多媒體軟件、多媒體網絡等信息技術手段已經成為現代教學過程中不可或缺的組成部分。三維模型及其動畫作為一種新興的教育教學輔助手段，也被逐漸應用到教學過程中，其具備形象、直觀、趣味性強等特點，能夠進一步改善人們的認知方式，改善教育信息的傳播方式。

一、三維模型及其動畫簡介

三維模型是指用計算機或者其他視頻設備顯示物體，顯示的物體既可以是虛構的物體，也可以是現實的實體。本文所指的三維模型是指用計算機進行建構的。

三維動畫的制作是建立在三維模型的建構的基礎上。三維動畫的制作流程是首先利用三維動畫軟件建立一個虛擬的世界，在虛擬世界里構建三維模型及場景，再賦予模型特定的材質，然后設計模型運行的軌跡，虛擬攝像機的位置，打上燈光，最后渲染完成，就生成了三維動畫。

目前在國內較為普遍的應用于三維建模、動畫制作和渲染的軟件之一為3ds Max。雖然其應用范圍廣泛，但是界面復雜、操作難度很大，不適合在高中一線教學中進行推廣應用。由Corel公司開發的一款名為Corel Motion Studio 3D的三維軟件，界面直觀，輔助面板簡單，容易上手，適合專業基礎比較薄弱的人員使用，而且其具備豐富的模板和粒子特效，直接套用就可以做出豐富多彩而且非常專業的三維動畫，完全可以滿足高中生物課堂教學的需要。因而下面實例中應用的3D軟件為Corel Motion Studio 3D。

二、三維模型及其動畫在生物教學設計中應用的優勢

利用三維模型及其動畫可以在教學中創設更為復雜的問題情境，從而可以開拓學生的視野，突破學生的想象局限，對于啟發學生構建三維空間模型、培養學生的三維想象能力與抽象邏輯思維能力是非常有效的。

高中生物教學中的部分內容，例如，細胞的代謝、遺傳的基本規律與細胞學基礎、生命活動的調節等，由于與學生的實際生活經驗有所差距，并且非常微觀、抽象，因而學生學習起來具有一定困難，而教師講授起來也缺乏良好、有效的資源與技術支持。為了將這部分知識情境化、具象化，讓學生有能力通過主動建構過程理解并掌握這部分知識，在教學中合理利用三維模型及其動畫就顯得很有必要。

三維模型及其動畫在揭示微觀的現象、抽象的概念及原理時可以將其以可視化的方式呈現出來，能夠揭示出外在現象與內在規律之間的邏輯聯系，能夠幫助學生透過現象剝離出本質，從而突破思維上的障礙，拓展學生思維的廣度和深度。

三、三維模型及其動畫在生物教學設計中的應用實例

下面以“基因突變和基因重組”一節為案例，進行三維動畫在教學設計中的應用研究。

（一）教材分析及學情分析

“基因突變和基因重組”一節是人教版高中生物教材必修二“遺傳與進化”第5章“基因突變及其他變異”第1節的內容。必修二前四章，從分子水平闡述了遺傳規律、基因的本質、基因的位置、基因的復制和表達過程，即從本質上闡述了基因是如何穩定遺傳的。第五章則從變異的本質入手進行闡述，既是前四章的延續，又為后面學習進化的理論打下基礎。

基因突變和基因重組屬于生物可遺傳變異的來源之一。這部分內容非常微觀、抽象，學生學習起來難度很大，主要困難在于學生不能將變異與相關的細胞學基礎相結合，缺乏在三維空間上將基因與染色體結合起來的想象力與經驗。而這部分知識在高考中又屬于重點考查的內容，經常出現將變異與細胞分裂結合起來考查其基本原理的題目。基于以上原因，嘗試設計有關基因突變和基因重組的細胞學基礎的動畫，從變異的發生機理角度，幫助學生理解相關概念與原理，主動構建知識，從而改變學生在以往的學習過程中由于知識呈現方式的限制而形成的二維空間的定式思維，促進學生思維上的轉變。

（二）三維模型及其動畫設計

1.三維模型構建

根據教學內容的要求，主要需要構建以下三維模型：細胞（如圖1）、染色體（如圖2）。在后面的不同動畫中，上述模型需要根據要求復制不同的數量，調整色彩、大小、透明度、扭轉程度等參數。

2.三維動畫設計

本節一共需要設計三個教學動畫，分別是基因突變、基因重組中的自由組合方式、基因重組中的交叉互換方式。

第一個教學動畫是基因突變動畫設計：首先呈現細胞和內部的染色體，此時的染色體沒有復制，還沒有姐妹染色單體，同時隱藏DNA及文字說明，旋轉展示整個細胞（如圖2）。然后拉近細胞，拉近染色體，使染色體逐漸消失，DNA逐漸出現（如圖3）。DNA出現以后，也先旋轉一圈整體展示，然后完成DNA的正常復制。DNA正常復制后，將正常的DNA分子縮小拉到屏幕左上方，在屏幕的中間繼續展示DNA的異常復制。基因突變的時候，DNA的異常復制會出現堿基對的替換、增添和缺失三種情況，依次展示相應的DNA分子，展示完后縮小拉到屏幕右側。最后，讓DNA消失，再呈現復制后的染色體。先讓正常的DNA逐漸消失，帶有基因D和d的染色體逐漸出現；再讓基因突變的DNA逐漸消失，帶有基因D和d的染色體逐漸出現。

第二個教學動畫是自由組合導致的基因重組，設計內容為：利用兩個相同的細胞同時展示減數分裂過程，直觀地對比非同源染色體上的非等位基因的自由組合情況，因而需要復制雙份模型進行展示（如圖5）。首先展示減數第一次分裂的間期，染色體經過復制具有姐妹染色單體，新復制出的染色單體上的基因與原來的相同。然后進入減數第一次分裂的前期，其主要特征是同源染色體聯會形成四分體。由非同源染色體的自由組合導致的非等位基因的重新組合發生在減數第一次分裂的后期，兩個細胞分別展示兩種不同的重組方式。最終，兩個細胞分別經過減數第二次分裂，共產生8個4種類型的配子。

第三個教學動畫是交叉互換導致的基因重組。在減數分裂形成四分體的時期，位于同源染色體上的等位基因會隨著非姐妹染色單體的交換而交換，從而導致姐妹染色單體上的基因重組。這個教學動畫的設計可以基于上一個動畫，首先將原動畫中的其中一個細胞去掉，只保留一個細胞。然后將染色體的一條姐妹染色單體進行修改，將顏色調整為一半紅色，一半綠色。由于Corel Motion Studio 3D軟件自帶的模板不能實現一個模型上賦予兩種顏色，因而為了制作染色單體的不同顏色效果，可以利用Windows 7系統自帶的畫圖軟件先畫出雙色框，然后再通過“屬性面板”中的“材質”選項來實現修改顏色的效果。修改完成后的減數第一次分裂前期染色單體交叉互換呈現畫面。最終，減數第二次分裂結束后，一個精原細胞共產生4個4種配子。

三維模型及其動畫在高中生物教學設計中的應用效果非常好，具有生動、形象、提高學生學習興趣、活躍課堂學習氣氛等優點，在輔助學生理解抽象的概念、掌握原理的內涵和外延方面具有比二維動畫更大的作用，能更好地幫助學生主動構建知識，能有效降低學生的認知負荷，優化課堂教學。

在當今教育改革的時代背景下，信息技術與學科教學的結合將越來越緊密。希望更多生物教師及信息技術研究人員能意識到三維模型及其動畫在教學設計應用中的廣闊天地，進而投入研究和開發中去。endprint