3D虛擬仿真技術在高中生物模型構建中的應用

【摘 要】在生物教學中讓學生利用3D虛擬仿真軟件構建生物模型，不僅能夠將微觀的物質、動態的變化過程更形象的呈現出來，加深學生對所學知識的記憶、理解，提高學生學習生物的興趣，而且也能引導學生進行發散思維，提高學生的探究能力和分析解決問題的能力。此外，也比現實中構建模型更易操作，更有趣味，提高了課堂有效性。

【關鍵詞】學科整合3D虛擬仿真技術 生物模型構建

一、3D虛擬仿真技術與生物學科整合的研究背景

2001年，教育部在《基礎教育課程改革綱要（試行）》中提出：“大力推進信息技術在教學過程中的普遍應用，促進信息技術與學科課程的整合，逐步實現教學內容的呈現方式、學生的學習方式、教師的教學方式和師生互動方式的變革，充分發揮信息技術的優勢，為學生的學習和發展提供豐富多彩的教育環境和有力的學習工具。”隨著科學技術的不斷發展，現代教育技術已逐漸滲透于各學科教學中，這也必將引起教學觀念、教學內容、尤其是教學手段的巨大變革。

幾年來，筆者在生物教學過程中深刻的體會到，生物學是一門偏重微觀的科學。平常，雖然老師講解詳細，教材圖片豐富，但是學生要真正理解掌握起來還是非常困難，經常把一些知識記混，或記不住，也總覺得生物學知識顯得那么瑣碎、零亂。比如在講細胞減數分裂，這過程很是抽象，劃分的時期多，每個時期也各具不同特點，學生記憶起來非常的困難。再如講DNA分子的結構時，脫氧核苷酸由三個組成成分，這三種物質到底是怎么構成DNA雙螺旋結構的，學生總很難理解。諸如此類的例子還有很多。怎么幫助學生解決這一類難題呢？

筆者在教學研究中發現，如果能讓學生自己動手構建模型，那么學生理解和記憶起來就非常的容易了，并且不容易記錯。

模型指的是人們為了某種特定目的而對認識對象所作的一種簡化的概括性的描述。以實物或圖畫形式直觀的表達認識對象的特征，這種模型就是物理模型。物理模型包括靜態的結構模型和動態的過程模型。它們最顯著的特點是形象直觀。但是，物理模型的構建要在現實生活中讓學生完成會比較難實現，主要原因是理想材料不易獲得，構建的效果不理想，學生興趣不高。

二、3D虛擬仿真技術與生物學科整合的優勢

經研究發現，信息技術中的3D虛擬仿真技術具有身臨其境的模擬、超時空的鏈接、超大的信息量等特點。學生利用3D虛擬仿真軟件制作模型，方便、易操作，可以輕松幫助我們完成構建模型的目標。在生物教學中讓學生利用3D虛擬仿真軟件構建生物模型，不僅能夠將微觀的物質、動態的變化過程更形象的呈現出來，加深學生對所學知識的記憶、理解，而且也能引導學生進行發散思維，提高學生的探究能力，學會科學研究的基本方法。此外，這種構建方式也比現實中構建模型更易操作，更有趣味，效果更加直觀形象，提高了課堂有效性。

本文中構建生物模型采用蘿卜圈公司的IrobotQ 3D仿真軟件，這款軟件具有真實的3D效果，多樣化的搭建模塊，簡單的圖形化編程方式，它特有的網絡競技形式可以實現家校互連、在線競賽，取得寓教于樂的效果，具有良好的教育有效性。

三、利用IrobotQ 3D仿真軟件構建生物模型的實例

打開IrobotQ 3D仿真軟件，并利用事先注冊好的賬號登錄系統，點擊進入“模型搭建窗口”后，在安裝塊項目內系統自帶了不同類型、顏色、大小安裝塊

1、制作生物膜模型

生物膜的結構模型示意圖作為人教版《分子與細胞》生物必修1的“封面人物”，歷年高考都有涉及到一些相關內容的考察，由此可見其地位在教學中的重要性。為了加深學生對生物膜分子組成和空間結構特點的認識，不妨引導學生試構建一個流動鑲嵌模型，能有效的達到教學的目的。

在IrobotQ 3D仿真軟件的“模型搭建窗口”內，選擇半徑1.5個單位的紅色圓球作為磷脂分子的頭部，3個單位高度的黃色圓柱安裝柱作為磷脂分子尾部，寬、厚、長分別為3、0.5、8個單位的灰色安裝板及圓形安裝板拼裝成為蛋白質分子，長、寬、高均為3個單位的綠色立方體安裝板及綠色安裝塊組裝成糖類。將若干紅色圓球和黃色圓安裝柱相連并排列在一個水平面上，這樣就做好了“磷脂單分子層”。

2、制作DNA分子結構的模型

在人教版《遺傳與進化》模塊中的《DNA分子的結構》一節，重在引導學生模仿科學家構建DNA分子結構的模型。構建模型前，學生需先掌握DNA分子結構的特點：第一DNA分子由兩條反向平行的脫氧核苷酸長鏈盤旋而成。第二DNA分子中脫氧核糖和磷酸通過磷酸二酯鍵交替連接，排列在外側，構成基本骨架。第三DNA分子兩條鏈上的堿基按照補配對原則兩兩配對，并且以氫鍵連接。之后才能分小組開始構建模型。

構建模型時，DNA的結構模型采用藍色圓形底板代表脫氧核糖，高度為3個單位的深藍色圓形安裝柱代表磷酸二脂鍵，半徑為1個單位的綠色圓球代表磷酸分子，分別用高度為3個單位的紅色、黃綠色、灰色、綠色方形安裝柱代表不同堿基。

3、建構減數分裂過程的模型

學生動手建構減數分裂過程中染色體形態變化的模型，屬于動態的物理模型。減數分裂過程中學生最難掌握的就是染色體的行為變化，還有對同源染色體、姐妹染色單體等名詞的概念比較模糊。模型構建能強化學生對減數分裂過程染色體規律變化的觀念和印象，為學生進一步獲取系統知識確立了前提條件，達到對減數分裂本質深層次認識的目的。

模型建構完畢，要留時間給學生進行展示，并讓學生指出他們在相應的模型建構上的特點，教師要對學生的模型進行審核，指出其錯誤或不足之處，我們制作模型，宗旨就是為了加深對書本知識的理解，所以學生對模型制作的錯誤之處，肯定是對書本上的某一知識的理解有欠缺。

四、利用3D虛擬仿真技術構建生物模型在教學中的意義

面對一個新的模型制作任務，學生需要對書本知識充分的理解，并要查閱相關的資料，以掌握模型對象的特征。初步建構完模型后，為了完善自己的設計，還需要進一步審查模型的科學性和美觀性，以及他的可保存性，并在此基礎上進行進一步修改完善，從而力求客觀真實反映認識對象的特征。通過反復調整結構，逐步完善的教學活動，學生的創新和實踐能力也得到了很大的提高。 利用3D仿真虛擬軟件的編程功能，可以讓生物模型運動起來，對生物模型變化過程進行仿真模擬，既提高學生學習生物的興趣，又有利于培養和提高學生分析和解決問題的能力，和較嚴密的邏輯思維能力，從而提升學生的信息素養和技術素養。