3D打印技術在初中生物學教學中的應用

汪 華（深圳外國語學校 廣東深圳 518028）

1 研究目的及意義

1.1 滿足個性化、少量化的教具需求 在初中生物學教學中，利用直觀教具可提高教學效果，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較少，且由專門的教學設備制作機構制作發行，需提前預定、批量采購，且更新較慢。利用3D打印技術快速成型、個性化定制的特點，師生可方便地自行制作和打印一些教具和學具，滿足現實教學的需求，突破教學手段和設施的局限，為課堂教學提供良好的技術支撐和豐富的效果選擇。

1.2 制作可視化立體教具和學具 利用3D打印技術打印細胞、組織和器官的分層結構，而非僅走馬觀花似地打印生物結構的外形輪廓，可以打破圖形的束縛，立體呈現某些抽象、難以展示的結構，可反復拆裝［1］，且結實耐用，較好體現3D打印技術與學科教學的深度融合［2］。

2 理論基礎

2.1 建構主義 建構主義強調知識是學生主動獲得的，不是由教師傳播的，教師的作用是幫助和促進這種建構。建構主義強調對知識的建構是主動的、有意義 的［3］。3D打 印技 術提供了一種學習環境（技術），它不是建構的目標。建構的目標是教學目標，學生對教學目標的建構不是完成教學目標，而是自己完成有意義的建構，而有意義的建構就是圍繞教學目標所提出的圍繞必須掌握的基本概念、基本原理等進行建構。

2.2 做中學、體驗式學習 杜威的相關教學理論認為，“從做中學”即“從活動中學”“從經驗中學”［4］。杜威認為，人們印象深刻的知識往往是從“做”中習得的。“做”就是活動、實踐，在動手操作中不斷獲取經驗，經驗的積累過程就是知識的增長過程，這樣獲得的知識是經久不忘的。3D打印與學科教學融合，改變了學習情境，提供了“做”的機會。學生天性喜歡動手，喜歡變化的環境。3D打印技術的介入，帶來了新技術、新體驗，自然會受到學生的歡迎。

基于3D打印的生物學學習是一種任務和問題驅動下的“做中學”［5］。用3D打印的生物結構效果如何？利用3D打印學習生物學概念有何優點？怎樣利用3D打印技術打印生物結構？這些問題可引導學生進行設計并實踐，通過親手“做”，親自探究，將抽象的概念通過3D打印變為現實，利于學生理解概念。

3 3D打印與生物學科教學的融合

3.1 3D打印原理 3D打印機與普通打印機工作原理基本相同，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，打印機將打印材料加熱融化形成流體，最后流體經過導入的控制程序在底盤上一層一層地疊加形成模型，最終將計算機上的平面設計圖變成立體模型。相比傳統制造業的“做減法”，3D打印是“做加法”，所以浪費更少、成本更低、設計更自由。

3.2 3D打印過程 3D打印的過程分為設計（建模）、分層切片、打印、后期處理4 個階段［6］。

1）設計階段：主要是3D 建模。在建模軟件方面，既有專業化商業建模軟件，例如Solid Works、Creo 2.0 等，也有豐富的免費建模軟件，例如Sketch Up、Blender、3D One、Tinker CAD、123D 等。

2）分層切割：打印機配備的專業切片軟件將模型切分成一層層的薄片。

3）打印階段：3D打印機讀取文件信息，對分切的每層進行構建，逐層累積打印。

4）后期處理：由于設計及機器本身的精度問題，打印出來的模型較粗糙，需對模型進行剝離和必要的修整，才能使模型最終完成。

3.3 數字化建模 3D打印的步驟包括觀察、建模（構圖）、切片和打印，其中，建模是關鍵。3D打印的一般建模方法，其操作是按步驟逐步進行，模型也是逐步構建，順序是關鍵。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，有些人習慣先做花瓣，有些人則先做葉子。總之，須先對一個生物結構建模有完整的思路，才能建立較復雜的模型。建模方法因人而異，只有學會了軟件基本功能的使用，進行嘗試，才能逐步學會建模。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 觀察構圖 與3D打印的一般過程相似，將3D打印技術應用到生物結構模型的打印中，同樣需要構圖、建模、切片、打印4 個步驟。

生物模型一般都是較為復雜、有層次的，根據生物結構構建生物模型，不僅要觀察模型表面，還要了解生物體的結構層次。1）關于對稱：除了一些輻射對稱、左右對稱的低等動物外，很少有完全對稱的。為了美觀，一般設計都會考慮到對稱。2）關于比例：一般生物建模都以1∶1 的比例構圖，還原模型的真實性，所以要注意標本中各部分的比例。3）關于節奏：節奏把握實際就是對各要素、各參數“度”的微妙把握，打印模型才“像”，需要靠實踐獲得經驗。4）整體性與協調性：3D 建模猶如相冊構圖需進行排版設計，形式要美，布局要合理，整體應協調，需多實踐才能掌握個中奧秘。

3.4.2 3D 建模 根據生物的結構真實還原3D模型，應注意以下幾點：

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打印機可打印的最大尺寸小。6）物體模型的最小厚度是打印機能打印的最小壁厚，否則會出現失敗或者錯誤。一般最小厚度為2 mm，3D打印機不同，數據還會有變化。7）45 度法則。8）設計打印底座。9）預留容差度。

3.4.3 切片打印 將模型文件導入后,進行切片參數的設置。這里需要注意以下幾個參數：1）打印材料。點開下拉菜單，會有不同材料的選項，根據所用耗材進行選擇。需注意的是，不同耗材的選擇將會導致其他的參數發生變化。2）底墊。在底墊參數設置中有無底墊、底墊、防翹邊底墊3 個選項可選，根據需要選合適的底墊。3）支撐結構類型。有網格、線、樹和柱4 種類型可選，大多數情況下選擇線型支撐。相對其他3 種類型，線性更易拆取模型。4）打印質量。有5 個選項可選（低質量、中等質量、高質量、最高質量和自定義），一般選擇高質量進行打印。自定義選項可以設置模型層高、填充率和邊緣寬度3 個參數，打印質量越高，時間越長，模型的品質越好。5）外殼打印速度。默認選擇是50 mm／s，打印速度過快，模型的品質會受到較大的影響。

4 打印生物分層結構的一般步驟

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

學習植物果實的結構，可用3D打印技術打印分層結構，例如打印桃，需要將桃的果實解剖分析，分為外果皮、中果皮、內果皮等。但無論如何，分層打印最后還是要經過構圖、建模、切片、打印幾個過程。本文以3D打印雞卵和桃果實的分層結構為例進行說明。

案例1：3D打印雞卵（細胞）分層結構。

1）學習目標：學習利用參考幾何體確定位置和方向的方法；利用“基礎實體”“草圖繪制”制作實體的方法；學習“實體分割”，掌握其技巧；利用所學的知識制作一個雞卵。

2）觀察實物：以雞卵為例，先觀察實物（注意小心別打碎）雞卵，再結合圖片，仔細觀察雞卵的結構特點。

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），導入雞卵模型文件，由于要分層打印，需將文件逐個分開導出。首先保存雞卵卵殼，將雞卵其余的結構刪掉。文件導出成stl 格式，保存在專門的文件夾中。打開切片軟件（cura），導入剛保存的雞卵模型stl文件。設置參數，點擊保存，文件格式為gcode，文件保存在sd 卡上，將sd 卡插到3D打印機即可打印模型。

5）打印：打印時間較長，但可根據打印物的大小、長短、厚薄進行適度調整，打印機上會顯示調整后的打印時間。

6）后期處理：若打印的模型較粗糙，需對模型進行剝離和必要的修整（圖1）。

圖1 雞卵分層打印結構圖

案例2：3D打印桃（果實）的分層結構。

同理，打印桃的分層結構（圖2）、菜豆種子和玉米種子的結構，都遵循這樣的規律，即先觀察所要打印物體的實物或實物圖，圖示必須要有詳細、清晰的結構，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）的3D 分層打印結構

5 反思與展望

學生關于利用3D 技術打印生物分層結構學習生物學概念的個人心得分享如下：

學生1：拿到雞卵成品之后，仔細端詳著這個從書本走出來的模型，仿佛手中活躍著一個新的生命。人們都說，只有通過接觸這個世界才能感受到這個世界的真實存在。由原來文字填鴨式的結構轉變成可觸摸的立體3D 結構，不僅在視覺感官上有沖擊，更是對整個未來學習方式的升華。

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

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

實踐證明，利用3D打印技術打印某些教具，設計個性化的教學模型，讓學生觀察、觸摸和組裝這些教具和學具，可豐富教學手段，培養學生的創新能力和動手能力，體現教學相長的原則。

但是，3D打印技術的應用要求師生有較高的信息素養、較強的動手能力和基本的工程素養。3D打印技術在中學大規模應用還存在以下瓶頸：研究不深入、不系統；建模、切片等軟件操作方面有一定的難度；打印材料、質量、時間等制約了它進入常規課堂與課堂融合。

此外，目前的3D打印教具無法體現生物器官那種漸進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鮮明的顏色，相信以后隨著技術的進步，應該可以得到逐步改進。