基于3D Max的生物学三维教学资源的开发及应用

摘   要 生物学中有很多学习内容具有微观性，难以直接观察，使学生很难建立起对知识的认知。三维教学资源可以对微观物质及其动态现象进行三维仿真，从宏观上再现其物质形态和动态变化过程，以此来辅助教师授课，帮助学生构建知识。文章在总结三维教学资源优势的基础上，简要介绍了一种常用的三维教学资源开发软件——3D Max，并针对高中生物教学的难点内容——减数分裂，详细阐述了如何利用3D Max软件进行三维教学资源开发，并对资源的教学应用进行了深入探讨。

关键词 3D Max  三维教学资源  生物学教学  减数分裂

相比传统的图片等二维教学资源，三维教学资源可展现微观生物的立体原始形态，可再现微观生物现象三维动态变化的全过程，可以为学生提供直接的感官刺激，使学生全方位、直观、立体地观察微生物及其变化过程，建立起清晰、完整的认知，帮助学生理解抽象的微生物现象和微生物结构，有助于提升他们的学习兴趣和学习效果。

常用的三维教学资源开发工具有3D Max、MAYA、C4d等。其中，3D Max是Autodesk公司旗下的Discreet公司推出的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。它功能强大，具有建模、材质制作、灯光设计、动画制作、渲染输出等功能，可为用户提供多方面的选择，满足不同的需求[1]。本文以人教版高中生物学教材必修2“减数分裂”一节内容为例，阐述基于3D Max的三维教学资源的开发及应用。

一、基于3D Max的三维教学资源的开发流程

在进行实际开发之前，需要进行需求分析和资源设计。需求分析包括教学内容分析、学习者分析、教学目标分析、重难点分析、当前教学资源使用情况及效果分析、使用三维教学资源的必要性分析等方面。资源设计是根据需求分析的结果来设计符合实际教学需要的教学资源。资源设计好之后就进入实际开发阶段，主要包括三维仿真模型构建阶段、材质制作阶段、三维动画生成阶段。如图1所示。

1.需求分析

“减数分裂”为人教版高中生物学教材必修2《遗传与进化》第2章第1节的内容。本节内容是在学生学习了细胞有丝分裂的基础上进行的，是对有丝分裂知识的扩展和延伸，也是学习遗传变异的基础[2]。由于减数分裂是微观、动态、连续变化的过程，初学者对此缺乏感性认识，较难抓住其本质，因此染色体形态、数目和位置的变化规律成为学习的重难点。

在传统教学中，教师在教授减数分裂时，通常利用书本上的知识及平面插图进行讲解。然而生物体本身是三维立体的，通过平面插图，学生很难将简单的二维线性图像转换成复杂的三维立体结构，对于减数分裂的动态分裂变化过程则更难理解。使用这样的教学资源并不能从根本上解决学生的认识和理解问题，学生难以准确构建起自己的知识体系。由于知识晦涩难懂，教学资源不当，学生的学习热情也会随之下降，出现厌烦、消极等不良情绪，影响教学效果。为了帮助学生掌握减数分裂的重难点知识，需要开发相关的3D教学资源。

2.三维教学资源设计

三维教学资源的设计需要以需求分析的结果为根据。可利用网络、书本上的二维图片及其他相关减数分裂的资料，借助3D建模及动画技术将减数分裂过程中染色体形态及减数分裂完整的动态过程进行立体、直观地呈现，使抽象结构和过程变为直观的三维结构及动画，帮助学生更好地理解。

3.三维教学资源的开发

三维教学资源的实际开发阶段主要包括三维仿真模型构建、模型材质制作和三维动画生成。三维仿真模型构建阶段需要利用3D Max，以生物体的实物图为原型进行高仿真精模构建。模型材质制作阶段需要为建好的模型赋予材质，以准确表达模型的色彩、纹理及对光的反射、折射等物理属性[3]。此阶段需要利用3D Max配合Photoshop提前进行材质及相关贴图的制作，然后将制作好的材质赋予模型。如果实际教学中需要进行三维资源的动态展示，就需要生成三维动画。

二、基于3D Max的三维教学资源的开发实例

根据上述的开发流程，下面以细胞的减数分裂为例，详细说明基于3D Max的三维教学资源的开发方法。

1.“减数分裂”相关三维模型的构建

减数分裂中涉及到的模型主要有：细胞膜、染色体、纺锤体。细胞膜的构建主要利用3D Max提供的基本三维型体中的球体来直接建模。染色体的构建较为复杂，主要利用了修改器和多边形建模的方法实现。建模时，需要在建立的球体基础上为其添加“FFD（长方体）”修改器，通过调整修改器的控制点位置调整球体形状，使其接近染色体原型。接着再将当前的染色体模型转换为一个“可编辑多边形”对象，选择“顶点”子集对其进行进一步调整，得到染色单体模型，复制多条这样的模型，保存备用。选择一条染色单体模型，使用“镜像”工具，复制刚建好的染色单体模型，并建立一个切角圆柱体放置在染色体中间凹陷处，形成同源染色体模型。

需要注意的是，在“四分體”时期，同源染色体的非姐妹单体之间可能发生交叉互换，导致一种基因重组类型的产生。在制作交叉互换后的模型时，需要将其中的一条染色单体转换为一个“可编辑多边形”对象，选择“多边形”子集，选择其右侧的部分多边形，选择“分离”选项，将所选的多边形分离成一个网格对象，选中该对象，修改颜色为其非姐妹单体的原有色，并用链接工具将其链接到原对象上。

纺锤体的构建利用了3D Max中二维建模的方法来实现。选择“二维图形”中的“星形”，并为其添加“挤出”修改器，得到纺锤体的基本模型;然后使用“二维图形”中的“弧”，在视图中画弧线并适当修改其形状，即可得到纺锤丝。

通过上述方法，可完成细胞膜、染色体及纺锤体的构建，得到“减数分裂”任何时期的3D模型。

2.相关材质的制作

材质制作主要涉及到细胞膜、染色体表面凹凸不平的质感表现以及细胞膜表面的半透明属性。在制作细胞膜材质时，需要打开3D Max的“材质编辑器”，选择一个材质球，并将该材质球拖拽到球体上。按照现实中细胞膜的物理属性，修改该材质球的不透明度和漫反射颜色，并在贴图通道中的“漫反射”和“凹凸”中添加噪波材质，调整噪波大小，使细胞膜表面出现凹凸不平的天然质感。染色体材质制作与细胞膜类似。

3.“减数分裂”三维动态过程的实现

（1）细胞分裂前的间期

此阶段完成DNA和染色体的复制。复制的结果是：染色体的数目不变，但每条染色体都包含两条姐妹染色单体，DNA数目变为原细胞的两倍。此阶段三维动态主要体现在染色体的复制。可利用3D Max的复制操作及关键帧动画来实现。

（2）第一次细胞分裂

①第一次细胞分裂前期

分裂前期同源染色体的联会现象可利用3D Max的自动关键帧动画，并配合“选择并移动”工具来实现。纺锤丝的出现可利用3D Max的自动关键帧动画，并配合材质编辑器中的“不透明度”来实现，即在进行关键帧动画录制时，先将纺锤丝的不透明度设置为“0”，然后移动时间轴的同时，调整不透明度为“100”。核仁核膜的消失动画与纺锤丝的动画实现方法相同，只是不透明度的设置相反。同源染色体的非姐妹染色单体之间的交叉互换，则利用自动关键帧动画，并配合材质中“多维子材质”颜色的改变来实现。如图2所示。

②第一次细胞分裂中期

在第一次细胞分裂中期，同源染色体的着丝点对称排列在赤道板的两端，纺锤丝形成纺锤体。此阶段三维动态的实现方法为：利用3D Max的自动关键帧动画，并配合“选择并移动”工具来实现同源染色体的对称排列。使用自动关键帧动画，并调整纺锤丝的弧线长度参数来实现纺锤体的形成过程。

③第一次细胞分裂后期

在第一次细胞分裂后期，同源染色体开始分离，非同源染色体进行自由组合，分别移向细胞的两极。三维动态实现依然是利用3D Max的自动关键帧动画和“选择并移动”工具。如图3所示。

④第一次细胞分裂末期

在第一次细胞分裂末期，细胞一分为二，形成次级精母细胞或形成次级卵母细胞和第一极体。此阶段三维动态的实现是将细胞膜模型转化为“可编辑多边形”，在“顶点”子集下，通过移动和缩放调整定点的位置，最终调整为两个球体的样子，之后选择“分离”按钮，使之分离。接着，在运动面板中，通过使用位置关键帧，使两边染色体和纺锤体各自移动向两个细胞，来实现细胞的一分为二。具体分裂过程如图4、图5所示。

（3）第二次细胞分裂

第二次细胞分裂的过程与第一次细胞分裂类似。只是在此过程中染色体不再进行复制，使得到的精细胞或卵细胞染色体的数目比原始生殖细胞减少一半。此阶段的三维动态的实现方法与第一次细胞分裂相同，这里不再叙述。

三、三维教学资源的应用

在实际教学中，利用三维教学资源可以有效突破减数分裂的三大教学难点。

1.突破教学难点一：相关概念

学生在学习减数分裂、同源染色体、四分体等难点概念时，教师可以利用3D教学资源讲解减数分裂的立体动态过程，将这些难点概念渗透到整个动态过程中，让抽象的概念变成具体、形象的三维立体模型和动态过程，加深学生的理解。

2.突破教学难点二：染色体行为

染色体的行为主要包括两个方面，即同源染色体和非同源染色体的行为、非姐妹染色单体和姐妹染色体的行为。这些染色体的行为都可以通过3D动态教学资源直观地进行观察，使学生能够轻松地理解并掌握同源染色体的行为变化，很好地将同源染色体与非同源染色体的行为加以区分，将减数分裂与有丝分裂过程进行区别，准确构建知识体系。

3.突破教学难点三：染色体及核DNA数量的变化

染色体的变化仅存在于细胞分裂前的间期及第一次减数分裂中，而DNA数量的变化存在于整个减数分裂过程中。教师在授课时，需要根据教学重点、难点，将减数分裂整个过程細分为不同的阶段，然后利用3D教学资源将每个阶段的重点、难点渗透其中，给学生建立一个减数分裂完整的、直观的、清晰的过程，并与有丝分裂进行对照比较，从而使学生深入理解染色体及核DNA数量的变化情况。

参考文献

[1] 王丽.虚拟现实及其在教育文化领域的应用探究[D].北京：中国书籍出版社，2016：48-49.

[2] 余红月.基于发展学生生物学核心素养的“减数分裂”一课的教学设计[J].生物学教学，2019，44（02）：30-31.

[3] 杜修全.自制“遗传信息翻译”模型教具在课堂教学中的应用[J].生物学教学，2018，43（12）：34-35.

[作者：王丽（1981-），女，辽宁铁岭人，山西大同大学教育科学与技术学院，副教授，硕士。]

【责任编辑  杨   子】