基于STEM項目新冠病毒拼圖模型設(shè)計制作與思考

袁珍珍 林潔微 劉美玲 胡繼飛

（廣東第二師范學(xué)院 廣東廣州 510303）

一、引言

生物模型建構(gòu)就是在研究生物事實時，為了方便學(xué)生理解而抽離出來的一種實物形式或思維過程，提供其發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的方法。在生物教學(xué)中增加模型建構(gòu)過程可以在掌握知識的同時，發(fā)展學(xué)生的邏輯思維能力和科學(xué)探究能力[1]。新課程改革中的《高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》指出為了讓學(xué)生更好地理解和掌握教學(xué)內(nèi)容，在教學(xué)中要重視學(xué)生的實踐環(huán)節(jié)，力求為學(xué)生提供更多的實踐機(jī)會[2-3]。2020年新型冠狀肺炎疫情，學(xué)生對于新型冠狀病毒的結(jié)構(gòu)都不甚清楚，側(cè)面映射出生物安全教育和生命教育的必要性[4]。因此，本著stem教育理念，我們利用廢棄快遞箱作為主要材料來構(gòu)建新冠病毒主體模型，以組成部分為配件，通過拼圖制作整體生物模型。并以此為例開展中小學(xué)新冠病毒模型的制作，讓學(xué)生以“第一人稱”設(shè)計并制作一套模型拼圖，從而使中小學(xué)生在拼圖中，激發(fā)自身對生物學(xué)的興趣；讓高中生自己學(xué)會模型構(gòu)建，來加深對知識點的理解和記憶，提升中小學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)，使學(xué)生對微觀世界物質(zhì)的結(jié)構(gòu)能夠詳細(xì)直觀地理解。

二、新冠病毒拼圖模型融合STEM教育理念

（一）STEM教育內(nèi)涵

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineer）和數(shù)學(xué)（Math）的簡稱，強(qiáng)調(diào)學(xué)科的融合[5]，旨在打破學(xué)科領(lǐng)域之間的邊界，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和問題解決能力[6]。目前，STEM教育在21世紀(jì)人才培養(yǎng)中發(fā)揮著重要力量，成為各學(xué)校關(guān)注的重點。2016年我國發(fā)布《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，強(qiáng)調(diào)“有條件的地區(qū)要積極探索信息技術(shù)在‘眾創(chuàng)空間’、跨學(xué)科學(xué)習(xí)和創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應(yīng)用”[7]。因此，這也就說明我們對于學(xué)生的培養(yǎng)不能只停留在知識面的培養(yǎng)，最重要的是對學(xué)生進(jìn)行德智體美以及自主學(xué)習(xí)和動手實踐能力的綜合性的培養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展[8]。

（二）本項目中STEM教育的體現(xiàn)

構(gòu)建者利用廢棄快遞箱作為主要材料來構(gòu)建3D結(jié)構(gòu)拼圖模型，以組成部分為配件，通過拼圖制作整體生物模型。讓學(xué)生通過閱讀、收集材料等應(yīng)用有關(guān)知識來分析制作拼圖形式生物模型，有利于培養(yǎng)學(xué)生的建模思維和建模能力。

利用廢棄的紙箱，構(gòu)建新冠肺炎輪廓模型。在動手操作的過程中，鍛煉學(xué)生的拼裝能力。

模型展示所用的模型首先采用了3D技術(shù)和打印機(jī)來打印零件，運用了模型構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)以及3D打印的技術(shù)。利用廢棄的紙箱等材料制作并組裝模型，這是一個連續(xù)、有計劃、有組織的過程。

根據(jù)查閱的資料，選擇合適的比例與材料創(chuàng)建模型。病毒的模型主體的大小測量、零件的大小以及角度都涉及學(xué)生的數(shù)學(xué)思維。

三、新冠病毒拼圖模型設(shè)計制作項目過程

（一）3D建模設(shè)計制作新冠病毒小部件模型

參考張佳星[9]等人通過冷凍電鏡斷層成像技術(shù)重構(gòu)新冠病毒全分子結(jié)構(gòu)及楊海龍[10]等人對新冠病毒刺突蛋白及其受體結(jié)構(gòu)與作用的研究，利用3D建模軟件建構(gòu)新冠病毒結(jié)構(gòu)中各小部件的模型。

首先，根據(jù)模型樣式圖，選擇各部件的粗略形狀（如圓柱形、正方體、球體等）如圖1所示；

圖1 病毒模型3D建構(gòu)過程圖

其次，利用工程學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)知識，根據(jù)模型實際形狀，對粗略形狀的角度、大小進(jìn)行調(diào)整，使其與模型樣式一致，最后利用美術(shù)學(xué)知識對各部件進(jìn)行顏色等外觀美化（如圖2所示）。

圖2 病毒各部件3D模型建構(gòu)圖

最后將建構(gòu)的模型輸出的數(shù)字文件（STL格式）經(jīng)切片軟件數(shù)據(jù)處理后，再用3D打印機(jī)打印，即可得到新冠病毒小部件3D模型。

（二）回收廢棄紙箱設(shè)計制作新冠病毒主體模型

基于廢物利用、環(huán)境保護(hù)理念，本設(shè)計過程中通過回收廢舊紙箱進(jìn)行設(shè)計制作新冠病毒主體模型，結(jié)合工程技術(shù)學(xué)、數(shù)學(xué)、科學(xué)、美術(shù)等學(xué)科知識建構(gòu)球體模型，并設(shè)計球體上分布的各部件插入孔徑大小。

圖3 病毒主體模型

（三）美化拼圖模型

將設(shè)計制作好的新冠病毒主體模型、各部件模型進(jìn)行拼裝成完整的新冠病毒模型。最后對其進(jìn)行外觀設(shè)計美化。

圖4 病毒整體拼圖模型

四、模型制作注意事項

（一）圖形設(shè)計方面

圖形設(shè)計時注意根據(jù)模型主體的厚度，設(shè)計各小部分的比例，使得整個圖形比例分配適合，美化模型。

（二）制作過程方面

制作各個小部件時，可以使用可塑性較強(qiáng)的材料（如輕黏土、廢棄紙巾等）；使用3D模型建構(gòu)各部件需注意調(diào)節(jié)部件的角度，使其拼裝時角度吻合，縫隙較小。

五、新課程背景下新冠病毒拼圖模型建構(gòu)的應(yīng)用

（一）拼圖模型在教學(xué)中應(yīng)用

基于建模等理性思維的科技實踐活動，為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、創(chuàng)新實踐、問題解決等能力提供有效載體[11-12]。在生物學(xué)中，諸如新冠病毒此類的微觀生物，比較抽象復(fù)雜，通過模型的制作，發(fā)揮學(xué)生主體、教師引導(dǎo)的作用，可讓學(xué)生通過參與模型制作。在多重感官的共同參與下，以“第一人稱感覺”深入并理解生物微觀世界的知識，以達(dá)到化抽象為具體，化復(fù)雜為簡單的教學(xué)效果，培養(yǎng)探索未知事物的好奇心，激發(fā)其對生物的興趣。

（二）拼圖模型其他方面的應(yīng)用

本課題設(shè)計制作新冠病毒模型，將規(guī)范模型制作出來供使用者參考，可用于學(xué)校開展科技創(chuàng)新實踐活動、社區(qū)新冠科普教育活動，并可將其開發(fā)出來作為兒童益智玩具。通過拆分講解新冠拼圖模型，使得人們了解新冠病毒的結(jié)構(gòu)特點、作用途徑，并宣傳健康防護(hù)知識。

六、結(jié)束語與反思

在如今的課程和社會需求的大環(huán)境中，要求教師們要采用多元化的教學(xué)方式。教師可以多留意生物模型的制作與應(yīng)用。此次項目的新冠肺炎病毒制作過程比較簡單，教師可以在家中搜集材料，在教學(xué)的過程中展示。學(xué)生也可以將其當(dāng)成預(yù)習(xí)方式，在學(xué)習(xí)了解之后當(dāng)作復(fù)習(xí)方式，在動手操作中提高學(xué)習(xí)能力。

在模型制作上，因為是第一次接觸模型制作，在模型構(gòu)建方面可能有所不足，但正因為是開創(chuàng)者，給未來的研究者們提供了改進(jìn)的空間；在模型的適用對象方面，本團(tuán)隊的設(shè)計意圖是面向小學(xué)、初中和高中的學(xué)生，但是其實對于面向小學(xué)學(xué)生的模型應(yīng)用策略設(shè)計方面還不夠完善，有待改進(jìn)。