3D打印技术在初中生物学教学中的应用

汪 华（深圳外国语学校 广东深圳 518028）

1 研究目的及意义

1.1 满足个性化、少量化的教具需求 在初中生物学教学中，利用直观教具可提高教学效果，例如PPT、模型、挂图和视频等，但其中形象直观的立体教具相对较少，且由专门的教学设备制作机构制作发行，需提前预定、批量采购，且更新较慢。利用3D打印技术快速成型、个性化定制的特点，师生可方便地自行制作和打印一些教具和学具，满足现实教学的需求，突破教学手段和设施的局限，为课堂教学提供良好的技术支撑和丰富的效果选择。

1.2 制作可视化立体教具和学具 利用3D打印技术打印细胞、组织和器官的分层结构，而非仅走马观花似地打印生物结构的外形轮廓，可以打破图形的束缚，立体呈现某些抽象、难以展示的结构，可反复拆装［1］，且结实耐用，较好体现3D打印技术与学科教学的深度融合［2］。

2 理论基础

2.1 建构主义 建构主义强调知识是学生主动获得的，不是由教师传播的，教师的作用是帮助和促进这种建构。建构主义强调对知识的建构是主动的、有意义 的［3］。3D打 印技 术提供了一种学习环境（技术），它不是建构的目标。建构的目标是教学目标，学生对教学目标的建构不是完成教学目标，而是自己完成有意义的建构，而有意义的建构就是围绕教学目标所提出的围绕必须掌握的基本概念、基本原理等进行建构。

2.2 做中学、体验式学习 杜威的相关教学理论认为，“从做中学”即“从活动中学”“从经验中学”［4］。杜威认为，人们印象深刻的知识往往是从“做”中习得的。“做”就是活动、实践，在动手操作中不断获取经验，经验的积累过程就是知识的增长过程，这样获得的知识是经久不忘的。3D打印与学科教学融合，改变了学习情境，提供了“做”的机会。学生天性喜欢动手，喜欢变化的环境。3D打印技术的介入，带来了新技术、新体验，自然会受到学生的欢迎。

基于3D打印的生物学学习是一种任务和问题驱动下的“做中学”［5］。用3D打印的生物结构效果如何？利用3D打印学习生物学概念有何优点？怎样利用3D打印技术打印生物结构？这些问题可引导学生进行设计并实践，通过亲手“做”，亲自探究，将抽象的概念通过3D打印变为现实，利于学生理解概念。

3 3D打印与生物学科教学的融合

3.1 3D打印原理 3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，但打印的材料完全不同，是塑料、树脂、粉末状金属、陶瓷、砂等（本研究使用的是线圈状的PLA），打印出来的是立体模型。与电脑连接后，通过电脑控制，打印机将打印材料加热融化形成流体，最后流体经过导入的控制程序在底盘上一层一层地叠加形成模型，最终将计算机上的平面设计图变成立体模型。相比传统制造业的“做减法”，3D打印是“做加法”，所以浪费更少、成本更低、设计更自由。

3.2 3D打印过程 3D打印的过程分为设计（建模）、分层切片、打印、后期处理4 个阶段［6］。

1）设计阶段：主要是3D 建模。在建模软件方面，既有专业化商业建模软件，例如Solid Works、Creo 2.0 等，也有丰富的免费建模软件，例如Sketch Up、Blender、3D One、Tinker CAD、123D 等。

2）分层切割：打印机配备的专业切片软件将模型切分成一层层的薄片。

3）打印阶段：3D打印机读取文件信息，对分切的每层进行构建，逐层累积打印。

4）后期处理：由于设计及机器本身的精度问题，打印出来的模型较粗糙，需对模型进行剥离和必要的修整，才能使模型最终完成。

3.3 数字化建模 3D打印的步骤包括观察、建模（构图）、切片和打印，其中，建模是关键。3D打印的一般建模方法，其操作是按步骤逐步进行，模型也是逐步构建，顺序是关键。例如若为鸡蛋建模，先建球体；若为水杯建模，先建圆柱体；若为一朵花建模，有些人习惯先做花瓣，有些人则先做叶子。总之，须先对一个生物结构建模有完整的思路，才能建立较复杂的模型。建模方法因人而异，只有学会了软件基本功能的使用，进行尝试，才能逐步学会建模。本研究所用的软件是3D One。

3.4 生物建模的一般方法

3.4.1 观察构图 与3D打印的一般过程相似，将3D打印技术应用到生物结构模型的打印中，同样需要构图、建模、切片、打印4 个步骤。

生物模型一般都是较为复杂、有层次的，根据生物结构构建生物模型，不仅要观察模型表面，还要了解生物体的结构层次。1）关于对称：除了一些辐射对称、左右对称的低等动物外，很少有完全对称的。为了美观，一般设计都会考虑到对称。2）关于比例：一般生物建模都以1∶1 的比例构图，还原模型的真实性，所以要注意标本中各部分的比例。3）关于节奏：节奏把握实际就是对各要素、各参数“度”的微妙把握，打印模型才“像”，需要靠实践获得经验。4）整体性与协调性：3D 建模犹如相册构图需进行排版设计，形式要美，布局要合理，整体应协调，需多实践才能掌握个中奥秘。

3.4.2 3D 建模 根据生物的结构真实还原3D模型，应注意以下几点：

1）物体模型必须为封闭的。2）给模型增加厚度。3）物体模型必须为流形。4）正确的法线方向。5）物体模型最大尺寸比3D打印机可打印的最大尺寸小。6）物体模型的最小厚度是打印机能打印的最小壁厚，否则会出现失败或者错误。一般最小厚度为2 mm，3D打印机不同，数据还会有变化。7）45 度法则。8）设计打印底座。9）预留容差度。

3.4.3 切片打印 将模型文件导入后,进行切片参数的设置。这里需要注意以下几个参数：1）打印材料。点开下拉菜单，会有不同材料的选项，根据所用耗材进行选择。需注意的是，不同耗材的选择将会导致其他的参数发生变化。2）底垫。在底垫参数设置中有无底垫、底垫、防翘边底垫3 个选项可选，根据需要选合适的底垫。3）支撑结构类型。有网格、线、树和柱4 种类型可选，大多数情况下选择线型支撑。相对其他3 种类型，线性更易拆取模型。4）打印质量。有5 个选项可选（低质量、中等质量、高质量、最高质量和自定义），一般选择高质量进行打印。自定义选项可以设置模型层高、填充率和边缘宽度3 个参数，打印质量越高，时间越长，模型的品质越好。5）外壳打印速度。默认选择是50 mm／s，打印速度过快，模型的品质会受到较大的影响。

4 打印生物分层结构的一般步骤

分层打印，即将需打印的结构剖开分析，每一个部件都是可以独立打印的，如果需要在同一整个模型中打印，则必须在每个实体之间设立一定的间距。此外，实体模型完成后进行切片处理分层操作，将整个模型分为厚度相等的等数量层，这样3D打印机就可以按照这样的路径自行打印了。例如鸡卵的分层结构模型，就是将鸡卵结构剖开分析，包括卵壳、卵白、卵黄等。

学习植物果实的结构，可用3D打印技术打印分层结构，例如打印桃，需要将桃的果实解剖分析，分为外果皮、中果皮、内果皮等。但无论如何，分层打印最后还是要经过构图、建模、切片、打印几个过程。本文以3D打印鸡卵和桃果实的分层结构为例进行说明。

案例1：3D打印鸡卵（细胞）分层结构。

1）学习目标：学习利用参考几何体确定位置和方向的方法；利用“基础实体”“草图绘制”制作实体的方法；学习“实体分割”，掌握其技巧；利用所学的知识制作一个鸡卵。

2）观察实物：以鸡卵为例，先观察实物（注意小心别打碎）鸡卵，再结合图片，仔细观察鸡卵的结构特点。

3）建模：①制作鸡卵基体（按照1∶2 比例）；②建模后，为鸡卵上色。

4）切片：打开3D 建模软件（3D One），导入鸡卵模型文件，由于要分层打印，需将文件逐个分开导出。首先保存鸡卵卵壳，将鸡卵其余的结构删掉。文件导出成stl 格式，保存在专门的文件夹中。打开切片软件（cura），导入刚保存的鸡卵模型stl文件。设置参数，点击保存，文件格式为gcode，文件保存在sd 卡上，将sd 卡插到3D打印机即可打印模型。

5）打印：打印时间较长，但可根据打印物的大小、长短、厚薄进行适度调整，打印机上会显示调整后的打印时间。

6）后期处理：若打印的模型较粗糙，需对模型进行剥离和必要的修整（图1）。

图1 鸡卵分层打印结构图

案例2：3D打印桃（果实）的分层结构。

同理，打印桃的分层结构（图2）、菜豆种子和玉米种子的结构，都遵循这样的规律，即先观察所要打印物体的实物或实物图，图示必须要有详细、清晰的结构，然后建模，建模必须先建基体，比例是1∶2 或1∶1，视具体而定。建好模以后上色、切片、打印。

图2 桃（果实）的3D 分层打印结构

5 反思与展望

学生关于利用3D 技术打印生物分层结构学习生物学概念的个人心得分享如下：

学生1：拿到鸡卵成品之后，仔细端详着这个从书本走出来的模型，仿佛手中活跃着一个新的生命。人们都说，只有通过接触这个世界才能感受到这个世界的真实存在。由原来文字填鸭式的结构转变成可触摸的立体3D 结构，不仅在视觉感官上有冲击，更是对整个未来学习方式的升华。

学生2：通过分层打印鸡卵结构，让我直观了解了平时不太注意到的地方，卵壳、卵白、卵壳膜、卵黄、胚盘及气室等，就像自己是一个造物者，而不是一个纯粹的欣赏者，鸡卵结构是怎样的、大小比例如何全都印刻在脑海中。

学生3：之前经历了太多直接照搬书本上的知识，这个3D打印的鸡卵模型，让我切实感受到了什么才是对事物的根本理解，这种解剖式地了解一件事物能让我了解更多的知识,而不仅是停留在表面。

实践证明，利用3D打印技术打印某些教具，设计个性化的教学模型，让学生观察、触摸和组装这些教具和学具，可丰富教学手段，培养学生的创新能力和动手能力，体现教学相长的原则。

但是，3D打印技术的应用要求师生有较高的信息素养、较强的动手能力和基本的工程素养。3D打印技术在中学大规模应用还存在以下瓶颈：研究不深入、不系统；建模、切片等软件操作方面有一定的难度；打印材料、质量、时间等制约了它进入常规课堂与课堂融合。

此外，目前的3D打印教具无法体现生物器官那种渐进性和层次感的自然颜色，例如桃的外果皮红绿相间那种生动鲜明的颜色，相信以后随着技术的进步，应该可以得到逐步改进。