基于STEM项目新冠病毒拼图模型设计制作与思考

袁珍珍 林洁微 刘美玲 胡继飞

（广东第二师范学院 广东广州 510303）

一、引言

生物模型建构就是在研究生物事实时，为了方便学生理解而抽离出来的一种实物形式或思维过程，提供其发现问题和解决问题的方法。在生物教学中增加模型建构过程可以在掌握知识的同时，发展学生的逻辑思维能力和科学探究能力[1]。新课程改革中的《高中生物课程标准》指出为了让学生更好地理解和掌握教学内容，在教学中要重视学生的实践环节，力求为学生提供更多的实践机会[2-3]。2020年新型冠状肺炎疫情，学生对于新型冠状病毒的结构都不甚清楚，侧面映射出生物安全教育和生命教育的必要性[4]。因此，本着stem教育理念，我们利用废弃快递箱作为主要材料来构建新冠病毒主体模型，以组成部分为配件，通过拼图制作整体生物模型。并以此为例开展中小学新冠病毒模型的制作，让学生以“第一人称”设计并制作一套模型拼图，从而使中小学生在拼图中，激发自身对生物学的兴趣；让高中生自己学会模型构建，来加深对知识点的理解和记忆，提升中小学生的生物学核心素养，使学生对微观世界物质的结构能够详细直观地理解。

二、新冠病毒拼图模型融合STEM教育理念

（一）STEM教育内涵

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineer）和数学（Math）的简称，强调学科的融合[5]，旨在打破学科领域之间的边界，培养学生的科学素养、技术素养、工程素养和数学素养，提高学生的创新能力和问题解决能力[6]。目前，STEM教育在21世纪人才培养中发挥着重要力量，成为各学校关注的重点。2016年我国发布《教育信息化“十三五”规划》，强调“有条件的地区要积极探索信息技术在‘众创空间’、跨学科学习和创客教育等新的教育模式中的应用”[7]。因此，这也就说明我们对于学生的培养不能只停留在知识面的培养，最重要的是对学生进行德智体美以及自主学习和动手实践能力的综合性的培养，促进学生全面发展[8]。

（二）本项目中STEM教育的体现

构建者利用废弃快递箱作为主要材料来构建3D结构拼图模型，以组成部分为配件，通过拼图制作整体生物模型。让学生通过阅读、收集材料等应用有关知识来分析制作拼图形式生物模型，有利于培养学生的建模思维和建模能力。

利用废弃的纸箱，构建新冠肺炎轮廓模型。在动手操作的过程中，锻炼学生的拼装能力。

模型展示所用的模型首先采用了3D技术和打印机来打印零件，运用了模型构建的网络构建技术以及3D打印的技术。利用废弃的纸箱等材料制作并组装模型，这是一个连续、有计划、有组织的过程。

根据查阅的资料，选择合适的比例与材料创建模型。病毒的模型主体的大小测量、零件的大小以及角度都涉及学生的数学思维。

三、新冠病毒拼图模型设计制作项目过程

（一）3D建模设计制作新冠病毒小部件模型

参考张佳星[9]等人通过冷冻电镜断层成像技术重构新冠病毒全分子结构及杨海龙[10]等人对新冠病毒刺突蛋白及其受体结构与作用的研究，利用3D建模软件建构新冠病毒结构中各小部件的模型。

首先，根据模型样式图，选择各部件的粗略形状（如圆柱形、正方体、球体等）如图1所示；

图1 病毒模型3D建构过程图

其次，利用工程学、数学、技术知识，根据模型实际形状，对粗略形状的角度、大小进行调整，使其与模型样式一致，最后利用美术学知识对各部件进行颜色等外观美化（如图2所示）。

图2 病毒各部件3D模型建构图

最后将建构的模型输出的数字文件（STL格式）经切片软件数据处理后，再用3D打印机打印，即可得到新冠病毒小部件3D模型。

（二）回收废弃纸箱设计制作新冠病毒主体模型

基于废物利用、环境保护理念，本设计过程中通过回收废旧纸箱进行设计制作新冠病毒主体模型，结合工程技术学、数学、科学、美术等学科知识建构球体模型，并设计球体上分布的各部件插入孔径大小。

图3 病毒主体模型

（三）美化拼图模型

将设计制作好的新冠病毒主体模型、各部件模型进行拼装成完整的新冠病毒模型。最后对其进行外观设计美化。

图4 病毒整体拼图模型

四、模型制作注意事项

（一）图形设计方面

图形设计时注意根据模型主体的厚度，设计各小部分的比例，使得整个图形比例分配适合，美化模型。

（二）制作过程方面

制作各个小部件时，可以使用可塑性较强的材料（如轻黏土、废弃纸巾等）；使用3D模型建构各部件需注意调节部件的角度，使其拼装时角度吻合，缝隙较小。

五、新课程背景下新冠病毒拼图模型建构的应用

（一）拼图模型在教学中应用

基于建模等理性思维的科技实践活动，为培养学生科学探究、创新实践、问题解决等能力提供有效载体[11-12]。在生物学中，诸如新冠病毒此类的微观生物，比较抽象复杂，通过模型的制作，发挥学生主体、教师引导的作用，可让学生通过参与模型制作。在多重感官的共同参与下，以“第一人称感觉”深入并理解生物微观世界的知识，以达到化抽象为具体，化复杂为简单的教学效果，培养探索未知事物的好奇心，激发其对生物的兴趣。

（二）拼图模型其他方面的应用

本课题设计制作新冠病毒模型，将规范模型制作出来供使用者参考，可用于学校开展科技创新实践活动、社区新冠科普教育活动，并可将其开发出来作为儿童益智玩具。通过拆分讲解新冠拼图模型，使得人们了解新冠病毒的结构特点、作用途径，并宣传健康防护知识。

六、结束语与反思

在如今的课程和社会需求的大环境中，要求教师们要采用多元化的教学方式。教师可以多留意生物模型的制作与应用。此次项目的新冠肺炎病毒制作过程比较简单，教师可以在家中搜集材料，在教学的过程中展示。学生也可以将其当成预习方式，在学习了解之后当作复习方式，在动手操作中提高学习能力。

在模型制作上，因为是第一次接触模型制作，在模型构建方面可能有所不足，但正因为是开创者，给未来的研究者们提供了改进的空间；在模型的适用对象方面，本团队的设计意图是面向小学、初中和高中的学生，但是其实对于面向小学学生的模型应用策略设计方面还不够完善，有待改进。