基于3ds Max的高中生物學動態三維模型的開發及應用

摘要：高中生物學中涉及許多微觀、復雜的生物體結構或細胞水平的生物學實驗，學生僅憑文字描述或平面圖片難以實現深入理解。相比傳統的文字和圖片而言，依托于信息技術資源開發的動態三維模型可以更加直觀地展現生物體的立體結構及動態變化過程，便于學生深入理解。動態三維模型的開發能豐富和完善課程資源，提升教師的信息化素養。將動態三維模型應用于教學中，一方面能改進課堂教學方式，提高教學效率，同時培養學生的核心素養、拓展學科視野；另一方面能服務于線上和線下的教學活動，更加適應多元化的教學方式和學習方式。

關鍵詞：3ds Max；三維模型；高中生物學

高中生物學科的內容與初中相比更加微觀和抽象，許多生物體結構或生物學實驗是在細胞或分子水平的微觀現象，學生不易建立起直觀印象，只能死記硬背，缺乏對生命現象的科學認識。對于抽象思維剛剛發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象是十分困難的，在此基礎上很難培養學生的科學思維和科學探究的學科核心素養。因此，高中生物教師需要一種將微觀、抽象的知識轉化為具體直觀的、可視的技術來輔助教學[1]。

信息技術的快速發展為生物學課堂提供了諸如圖片、視頻、模擬實驗等豐富多彩的教學資源[2]。但是教師在搜集網絡教學資料的過程中經常會發現很多資源缺乏科學性，知識點不完整、不清晰，或與自己的講解脫節；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準的內容要求。基于此現狀，教師可以充分利用信息技術資源，自主開發適合教學的生物學動態三維模型。動態三維模型可以對生物體微觀結構進行三維仿真，并從宏觀上再現其動態變化過程[3]。便于學生更加直觀、立體地認識和感知事物，激發學生的學習興趣，提高學習效率。本文以人教版高中生物學“噬菌體侵染細菌”的實驗為例，闡述基于3ds Max軟件的動態三維模型的開發和應用。

一、生物學動態三維模型的開發

（一）生物學動態三維模型

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建的數據模型[4]。即從長、寬、高三個維度的數據構建出逼真、生動的立體化模型。依托于計算機技術的生物學動態三維模型可以更加直觀地展現生物體的立體結構及動態變化過程。常用的三維模型開發工具有3ds Max、C4D、3DOne等計算機軟件，其開發出的三維模型更加適應多樣化的信息載體，便于通過網絡媒體傳播和保存。3ds Max軟件可根據實際需求構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）動態三維模型的開發流程

基于3ds Max軟件開發動態三維模型首先要對教學內容進行需求分析，針對需要三維模型輔助教學的內容，設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、優化處理和渲染處理，若創建的三維模型能滿足教學需求，則可以保存使用，若在此基礎上需要三維模型動態化則配合軟件中的“動畫控制區”實現模型動態化，生成動態三維模型。

二、基于3ds Max軟件的動態三維模型開發實例

（一）教學需求分析

“噬菌體侵染細菌”的實驗選取自人教版高中生物學教材，必修2《遺傳與進化》第3章第1節DNA是主要的遺傳物質。該實驗是利用放射性同位素標記技術探究T2噬菌體的遺傳物質，為DNA是主要的遺傳物質提供實驗證據。該探究實驗步驟之間的邏輯關系緊密，有助于培養學生的科學思維和科學探究能力。普通高中生物學課程標準對本節內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。因此，本節內容的教學重點在于闡明DNA是主要遺傳物質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展起來的高一學生，僅憑課本的文字描述和圖片無法深入理解噬菌體侵染細菌的實驗原理及科學探究過程。根本原因在于噬菌體侵染大腸桿菌的過程是動態變化的過程，在此基礎上還要用同位素標記法分析實驗探究過程和實驗結果。因此本節課的教學難點在于噬菌體侵染細菌實驗的原理和過程。為突破該教學難點，使用動態三維模型進行演示和講解，有助于學生更加直觀地認識和分析該過程。

（二）設計三維模型

T2噬菌體由頭部和復合尾部構成，頭部呈20面體，尾部由頸部、尾領、尾管、尾鞘、基盤和尾絲等結構組成[6]。噬菌體的頭部和尾部的外殼是由蛋白質構成的，頭部內含DNA。大腸桿菌是兩端鈍圓的短桿菌。根據二者形態和結構特征制定的建模思路見表1。

（三）制作動態三維模型

1.制作噬菌體和大腸桿菌的三維模型

根據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上進行優化處理，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。模型優化處理后，外形結構已大致接近實物，但為了方便觀察噬菌體的DNA，需要對噬菌體頭部進行渲染處理。使用“材質編輯器”降低頭部的不透明度，即可觀察到內部的DNA。最終制作出的噬菌體三維模型如圖2所示。

2.制作噬菌體侵染細菌的動態三維模型

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，該動態過程可以使用動畫控制區中的“自動關鍵點”，配合“選擇并移動、旋轉、縮放”等工具，實現圖形的位移；通過調節對象屬性中的可見性實現圖形的消失和出現。制作好的動態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、動態三維模型在高中生物學教學中的應用

（一）應用方向

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對象的特征。生物學動態三維模型的開發可以參考以下幾個方向。

①微觀、復雜的生物體或生物體結構，如病毒、細胞膜、細胞器的基本結構等。三維模型可以將其主要特征直觀地展現出來，幫助學生加深印象。②抽象的生命活動過程，如細胞有氧呼吸的三個階段、基因表達的過程、興奮在神經元之間的傳遞等。動態三維模型可以實現微觀生命活動的宏觀化、動態化的變化過程，幫助學生深入理解和分析。③復雜的科學探究實驗，如分泌蛋白的合成與運輸、噬菌體侵染細菌的實驗等。動態三維模型可以展現探究實驗的過程，幫助學生理解實驗原理、分析實驗結果以及得出實驗結論，有助于培養學生的科學思維和科學探究能力。

（二）應用方式

①在課堂上以多媒體課件或微課形式呈現動態三維模型，亦可以通過網絡共享給其他教師參考使用。

②將動態三維模型加工制作成精品微課輔助學生課前或課后的線上學習或教師線上教學使用，更加適應多元化的學習方式和教學方式。

③使用3D打印機將三維模型打印成實物模型供學生學習。實物模型可重復利用、可拆卸組裝，幫助學生建立感性認識，為學生提供多種途徑感受生物學的魅力，拓展學科視野。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性。

（三）應用優勢

1.突破教學難點，培養核心素養

基于高中生物學科的特點，在教學中應用動態三維模型可以有效地突破教學難點。學生能直觀清晰地認識生物體的結構，深入理解科學探究實驗過程，培養學生科學探究、科學思維等學科核心素養。動態三維模型相比平面圖形更加立體和生動，能展現連續變化的過程，加深學生的直觀印象，激發學生的學習興趣，提高學習效率。

2.豐富和完善課程資源，提升教師的信息化素養

依托于現代信息技術開發的生物學動態三維模型，是新型的多媒體課程資源，其優勢是傳統的二維圖片無法比擬的。教師通過開發和應用動態三維模型，一方面豐富了課堂教學活動，提高教學效率，另一方面提升了信息化素養，提高綜合能力。

3.適用于多元化的教學方式或學習方式

將動態三維模型進一步加工成精品微課，線上線下的課堂上均可使用，同時還可以服務于學生課后的自主學習，更加適應多元化的教學方式和學習方式。同時，三維模型是數字資源，便于網絡傳播和保存，相比普通的實物模型，不存在因老化和磨損造成的重復購置，減少學校開支[7] 。

四、結束語

依托于現代信息技術開發的生物學動態三維模型，是新型的多媒體課程資源，幫助教師突破教學難點，提高教學效率。課程資源不僅影響教師的教學過程和方式，也影響學生的學習過程和方式，是決定課程目標是否能有效達成的重要因素；充分利用信息技術開發課程資源，可在一定程度上減少實物耗材或對相關場地條件的依賴[2]。一方面改進課堂教學方式，提高課堂效率；另一方面更加適應多元化的教學方式和學習方式。

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資源來輔助教學，幫助學生通過多種途徑感知生物學的魅力，拓展學科視野，發展核心素養。當然，開發生物學動態三維模型是一個亟須拓展和完善的領域，對于教師而言需要花更多時間去學習和實踐，但在此過程中，教師也能不斷提升信息素養，成為新時代具備綜合素養的優質教師。

作者單位：白婧 范麗仙 楊鳳麗 韓寧 云南師范大學生命科學學院

參" 考" 文" 獻

[1]常立敏.三維模型及其動畫在《基因的表達》教學設計中的應用[D].山東師范大學.2015（09）.

[2]中華人民共和國教育部制定.普通高中生物學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[3]王麗.基于3D Max的生物學三維教學資源的開發及應用[J].教學與管理，2021（18）：83-85.

[4]譚惠婷.STEAM教育理念下的生物3D模型課件的制作——以《T2噬菌體模型》為例[J].數理化解題研究，2020（36）：86-87.

[5]張雪.3D Max在室內設計中的價值及運用[J].信息與電腦（理論版），2021，33（04）：25-27.

[6]石治軍.生物知識[M].北京：中國少年兒童出版社，1997.

[7]崔宜蘭.基于3DMAX的莫比烏斯帶和克萊因瓶建模與動畫演示[J].中國多媒體與網絡教學學報（中旬刊），2020（03）：198-199.