基于3ds Max的高中生物學(xué)動態(tài)三維模型的開發(fā)及應(yīng)用

摘要：高中生物學(xué)中涉及許多微觀、復(fù)雜的生物體結(jié)構(gòu)或細(xì)胞水平的生物學(xué)實驗，學(xué)生僅憑文字描述或平面圖片難以實現(xiàn)深入理解。相比傳統(tǒng)的文字和圖片而言，依托于信息技術(shù)資源開發(fā)的動態(tài)三維模型可以更加直觀地展現(xiàn)生物體的立體結(jié)構(gòu)及動態(tài)變化過程，便于學(xué)生深入理解。動態(tài)三維模型的開發(fā)能豐富和完善課程資源，提升教師的信息化素養(yǎng)。將動態(tài)三維模型應(yīng)用于教學(xué)中，一方面能改進(jìn)課堂教學(xué)方式，提高教學(xué)效率，同時培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)、拓展學(xué)科視野；另一方面能服務(wù)于線上和線下的教學(xué)活動，更加適應(yīng)多元化的教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式。

關(guān)鍵詞：3ds Max；三維模型；高中生物學(xué)

高中生物學(xué)科的內(nèi)容與初中相比更加微觀和抽象，許多生物體結(jié)構(gòu)或生物學(xué)實驗是在細(xì)胞或分子水平的微觀現(xiàn)象，學(xué)生不易建立起直觀印象，只能死記硬背，缺乏對生命現(xiàn)象的科學(xué)認(rèn)識。對于抽象思維剛剛發(fā)展起來的高中生而言，想要通過書本上的文字材料和圖片透徹地理解微觀的生命活動現(xiàn)象是十分困難的，在此基礎(chǔ)上很難培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究的學(xué)科核心素養(yǎng)。因此，高中生物教師需要一種將微觀、抽象的知識轉(zhuǎn)化為具體直觀的、可視的技術(shù)來輔助教學(xué)[1]。

信息技術(shù)的快速發(fā)展為生物學(xué)課堂提供了諸如圖片、視頻、模擬實驗等豐富多彩的教學(xué)資源[2]。但是教師在搜集網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資料的過程中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)很多資源缺乏科學(xué)性，知識點不完整、不清晰，或與自己的講解脫節(jié)；國外的三維動畫制作精良，但不一定符合我國高中階段教材和課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求。基于此現(xiàn)狀，教師可以充分利用信息技術(shù)資源，自主開發(fā)適合教學(xué)的生物學(xué)動態(tài)三維模型。動態(tài)三維模型可以對生物體微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維仿真，并從宏觀上再現(xiàn)其動態(tài)變化過程[3]。便于學(xué)生更加直觀、立體地認(rèn)識和感知事物，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。本文以人教版高中生物學(xué)“噬菌體侵染細(xì)菌”的實驗為例，闡述基于3ds Max軟件的動態(tài)三維模型的開發(fā)和應(yīng)用。

一、生物學(xué)動態(tài)三維模型的開發(fā)

（一）生物學(xué)動態(tài)三維模型

三維模型是利用計算機三維制作軟件通過虛擬三維空間構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型[4]。即從長、寬、高三個維度的數(shù)據(jù)構(gòu)建出逼真、生動的立體化模型。依托于計算機技術(shù)的生物學(xué)動態(tài)三維模型可以更加直觀地展現(xiàn)生物體的立體結(jié)構(gòu)及動態(tài)變化過程。常用的三維模型開發(fā)工具有3ds Max、C4D、3DOne等計算機軟件，其開發(fā)出的三維模型更加適應(yīng)多樣化的信息載體，便于通過網(wǎng)絡(luò)媒體傳播和保存。3ds Max軟件可根據(jù)實際需求構(gòu)建相對真實和有層次的空間效果[5]。其操作簡單、功能完備，制作流程簡潔高效。

（二）動態(tài)三維模型的開發(fā)流程

基于3ds Max軟件開發(fā)動態(tài)三維模型首先要對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行需求分析，針對需要三維模型輔助教學(xué)的內(nèi)容，設(shè)計三維模型的建模思路，按照建模思路在3ds Max軟件中完成初步建模、優(yōu)化處理和渲染處理，若創(chuàng)建的三維模型能滿足教學(xué)需求，則可以保存使用，若在此基礎(chǔ)上需要三維模型動態(tài)化則配合軟件中的“動畫控制區(qū)”實現(xiàn)模型動態(tài)化，生成動態(tài)三維模型。

二、基于3ds Max軟件的動態(tài)三維模型開發(fā)實例

（一）教學(xué)需求分析

“噬菌體侵染細(xì)菌”的實驗選取自人教版高中生物學(xué)教材，必修2《遺傳與進(jìn)化》第3章第1節(jié)DNA是主要的遺傳物質(zhì)。該實驗是利用放射性同位素標(biāo)記技術(shù)探究T2噬菌體的遺傳物質(zhì)，為DNA是主要的遺傳物質(zhì)提供實驗證據(jù)。該探究實驗步驟之間的邏輯關(guān)系緊密，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)對本節(jié)內(nèi)容核心概念的要求為遺傳信息控制生物性狀，并代代相傳。圍繞核心概念，學(xué)生能概述遺傳信息主要編碼在DNA分子上，即DNA是主要的遺傳物質(zhì)。因此，本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)重點在于闡明DNA是主要遺傳物質(zhì)的原因和實驗探索過程。

對于抽象思維和邏輯推理能力剛發(fā)展起來的高一學(xué)生，僅憑課本的文字描述和圖片無法深入理解噬菌體侵染細(xì)菌的實驗原理及科學(xué)探究過程。根本原因在于噬菌體侵染大腸桿菌的過程是動態(tài)變化的過程，在此基礎(chǔ)上還要用同位素標(biāo)記法分析實驗探究過程和實驗結(jié)果。因此本節(jié)課的教學(xué)難點在于噬菌體侵染細(xì)菌實驗的原理和過程。為突破該教學(xué)難點，使用動態(tài)三維模型進(jìn)行演示和講解，有助于學(xué)生更加直觀地認(rèn)識和分析該過程。

（二）設(shè)計三維模型

T2噬菌體由頭部和復(fù)合尾部構(gòu)成，頭部呈20面體，尾部由頸部、尾領(lǐng)、尾管、尾鞘、基盤和尾絲等結(jié)構(gòu)組成[6]。噬菌體的頭部和尾部的外殼是由蛋白質(zhì)構(gòu)成的，頭部內(nèi)含DNA。大腸桿菌是兩端鈍圓的短桿菌。根據(jù)二者形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征制定的建模思路見表1。

（三）制作動態(tài)三維模型

1.制作噬菌體和大腸桿菌的三維模型

根據(jù)初步建模分析表利用出噬菌體頭部、尾部、DNA以及大腸桿菌外形四個部分，并用移動工具將噬菌體的三部分在適當(dāng)位置組合成一個整體。其中“尾鞘”和“尾絲”兩部分需要在初步建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化處理，使用“可編輯多邊形”功能將螺旋線變立體以代表尾鞘，將圓柱體的底面旋轉(zhuǎn)一定角度，使用“擠出”功能做出彎曲的圓柱體以代表尾絲，利用“工具”欄中的“陣列”功能制作出對稱的六條尾絲。模型優(yōu)化處理后，外形結(jié)構(gòu)已大致接近實物，但為了方便觀察噬菌體的DNA，需要對噬菌體頭部進(jìn)行渲染處理。使用“材質(zhì)編輯器”降低頭部的不透明度，即可觀察到內(nèi)部的DNA。最終制作出的噬菌體三維模型如圖2所示。

2.制作噬菌體侵染細(xì)菌的動態(tài)三維模型

噬菌體侵染大腸桿菌的過程包括吸附、注入、合成、組裝、釋放五個階段，該動態(tài)過程可以使用動畫控制區(qū)中的“自動關(guān)鍵點”，配合“選擇并移動、旋轉(zhuǎn)、縮放”等工具，實現(xiàn)圖形的位移；通過調(diào)節(jié)對象屬性中的可見性實現(xiàn)圖形的消失和出現(xiàn)。制作好的動態(tài)三維模型可以通過渲染操作輸出avi格式的視頻文件，便于儲存與傳播[7]。

三、動態(tài)三維模型在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

（一）應(yīng)用方向

三維模型作為物理模型的一種，是以三維立體圖形的形式直觀地表達(dá)對象的特征。生物學(xué)動態(tài)三維模型的開發(fā)可以參考以下幾個方向。

①微觀、復(fù)雜的生物體或生物體結(jié)構(gòu)，如病毒、細(xì)胞膜、細(xì)胞器的基本結(jié)構(gòu)等。三維模型可以將其主要特征直觀地展現(xiàn)出來，幫助學(xué)生加深印象。②抽象的生命活動過程，如細(xì)胞有氧呼吸的三個階段、基因表達(dá)的過程、興奮在神經(jīng)元之間的傳遞等。動態(tài)三維模型可以實現(xiàn)微觀生命活動的宏觀化、動態(tài)化的變化過程，幫助學(xué)生深入理解和分析。③復(fù)雜的科學(xué)探究實驗，如分泌蛋白的合成與運輸、噬菌體侵染細(xì)菌的實驗等。動態(tài)三維模型可以展現(xiàn)探究實驗的過程，幫助學(xué)生理解實驗原理、分析實驗結(jié)果以及得出實驗結(jié)論，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

（二）應(yīng)用方式

①在課堂上以多媒體課件或微課形式呈現(xiàn)動態(tài)三維模型，亦可以通過網(wǎng)絡(luò)共享給其他教師參考使用。

②將動態(tài)三維模型加工制作成精品微課輔助學(xué)生課前或課后的線上學(xué)習(xí)或教師線上教學(xué)使用，更加適應(yīng)多元化的學(xué)習(xí)方式和教學(xué)方式。

③使用3D打印機將三維模型打印成實物模型供學(xué)生學(xué)習(xí)。實物模型可重復(fù)利用、可拆卸組裝，幫助學(xué)生建立感性認(rèn)識，為學(xué)生提供多種途徑感受生物學(xué)的魅力，拓展學(xué)科視野。與此同時，通過3D打印機打印的模型相比手工模型更具科學(xué)性。

（三）應(yīng)用優(yōu)勢

1.突破教學(xué)難點，培養(yǎng)核心素養(yǎng)

基于高中生物學(xué)科的特點，在教學(xué)中應(yīng)用動態(tài)三維模型可以有效地突破教學(xué)難點。學(xué)生能直觀清晰地認(rèn)識生物體的結(jié)構(gòu)，深入理解科學(xué)探究實驗過程，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、科學(xué)思維等學(xué)科核心素養(yǎng)。動態(tài)三維模型相比平面圖形更加立體和生動，能展現(xiàn)連續(xù)變化的過程，加深學(xué)生的直觀印象，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。

2.豐富和完善課程資源，提升教師的信息化素養(yǎng)

依托于現(xiàn)代信息技術(shù)開發(fā)的生物學(xué)動態(tài)三維模型，是新型的多媒體課程資源，其優(yōu)勢是傳統(tǒng)的二維圖片無法比擬的。教師通過開發(fā)和應(yīng)用動態(tài)三維模型，一方面豐富了課堂教學(xué)活動，提高教學(xué)效率，另一方面提升了信息化素養(yǎng)，提高綜合能力。

3.適用于多元化的教學(xué)方式或?qū)W習(xí)方式

將動態(tài)三維模型進(jìn)一步加工成精品微課，線上線下的課堂上均可使用，同時還可以服務(wù)于學(xué)生課后的自主學(xué)習(xí)，更加適應(yīng)多元化的教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式。同時，三維模型是數(shù)字資源，便于網(wǎng)絡(luò)傳播和保存，相比普通的實物模型，不存在因老化和磨損造成的重復(fù)購置，減少學(xué)校開支[7] 。

四、結(jié)束語

依托于現(xiàn)代信息技術(shù)開發(fā)的生物學(xué)動態(tài)三維模型，是新型的多媒體課程資源，幫助教師突破教學(xué)難點，提高教學(xué)效率。課程資源不僅影響教師的教學(xué)過程和方式，也影響學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和方式，是決定課程目標(biāo)是否能有效達(dá)成的重要因素；充分利用信息技術(shù)開發(fā)課程資源，可在一定程度上減少實物耗材或?qū)ο嚓P(guān)場地條件的依賴[2]。一方面改進(jìn)課堂教學(xué)方式，提高課堂效率；另一方面更加適應(yīng)多元化的教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式。

3ds Max軟件操作簡潔高效，容易上手，教師可以積極運用信息技術(shù)資源來輔助教學(xué)，幫助學(xué)生通過多種途徑感知生物學(xué)的魅力，拓展學(xué)科視野，發(fā)展核心素養(yǎng)。當(dāng)然，開發(fā)生物學(xué)動態(tài)三維模型是一個亟須拓展和完善的領(lǐng)域，對于教師而言需要花更多時間去學(xué)習(xí)和實踐，但在此過程中，教師也能不斷提升信息素養(yǎng)，成為新時代具備綜合素養(yǎng)的優(yōu)質(zhì)教師。

作者單位：白婧 范麗仙 楊鳳麗 韓寧 云南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院

參" 考" 文" 獻(xiàn)

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