运用123D Design 软件构建高中生物学模型

胡双芳 曹玉峰 黎兴

案例背景

利用计算机软件可根据细胞形状和结构，将细胞建模成3D 模型，然后将模型输入3D 打印机，将其打印出来[1]。研究表明，利用生物墨水材料对细胞进行建模与3D 打印，在复杂组织再生和器官再造中具有广阔的应用前景[2]。当前，建模及3D 打印技术与高中课堂的融合已有许多先例，难点在于如何进行充分融合[3-4]，也鲜有案例涉及建模与打印技术与高中生物课堂相融合。123D Design 安装简单，使用方便，不需要专业知识，可为用户免费创建3D 模型，能与市场上的大多数3D 打印机模型实现无缝衔接。高中《生物学》中有许多阐释生物微观世界的模型，比如真核细胞模型、生物膜模型、DNA 双螺旋模型、物质跨膜主动运输模型等，利用合适的建模软件对组织或细胞结构进行精确建模，是进行打印的前提条件。

本案例从高中生物学模型构建典型案例入手，基于STEAM 教育理念设计教学环节，通过123D Design 软件对高中生物学模型的建构进行探讨与实践，为中学师生将信息化技术使用在模型建构上提供参考。

案例内容

教学目标

模型建构有助于学生对生物学概念的理解，基于STEAM教育理念的跨学科理念与教学方式不仅能有效激发学生的学习兴趣，还能培养学生的动手操作能力与跨学科素养。

教学环节

STEAM 教学之发现问题——123D Design软件是否可以用于生物模型的建构？播放科学家打印出首颗人造心脏的科学突破性事件，探讨基于123D Design软件的3D打印技术在生物领域的应用。

STEAM 教学之提出假设——通过适当的解构与分析，123D Design 软件可用于生物模型的建构教材分析 根据高中《生物学》人教版教材：细胞膜的流动镶嵌模型认为，细胞膜主要由磷脂分子和蛋白质分子构成。通过对科学史的回顾，请学生对细胞膜流动镶嵌模型进行复述，包括基本骨架、蛋白质、糖被即糖蛋白或糖脂。根据生物薄膜的流动镶嵌模型，通常细胞膜厚度为7 ～ 8 nm，结构包括磷脂双分子层、蛋白质、糖蛋白，以及糖类与脂类分子合成的糖脂在细胞膜表面。

123D Design 操作界面介绍 如图1 所示，打开软件后，会看到应用菜单，蓝色网格部分是建模区域。图中数字3 所指位置为指令菜单区域，数字4 所指位置可以从不同角度观察图像，数字6 所指区域可调整模型参数。

STEAM 教学之科学求证——通过123D Design软件实践进行初步求证

设计与制作模型 在建模过程中，需要了解所需构造模型的基本结构，然后解构模型，简化生物学模型，设计构造模型所需的基本元件（单位），对各基本元件之间的关系进行辨析，并将各基本元件按照相互关系连接起来。在建构形象替代类模型的过程中，可采用相似的形状替代各部件，比如用圆形表示亲水头部，两条长尾表示疏水尾。应注意不同生物膜的厚度会有所不同，如图2 所示，这里以红细胞细胞膜的厚度为例，为41 ～ 48?[5]。

完善与修改123D Design 模型 ①修改与调整参数：通过分享与讨论，比较不同学生设计的模型，教师针对出现的问题提出在模型建构中的数学问题，促进学生思维的发展。请学生讨论：简化过程中需要注意什么？为什么把磷脂画成圆形？为什么将蛋白质分子的体积设置得更大？

比例缩放过程中需要注意什么？若是制作模型的过程中，参数设置过大或过小，将会导致何种结果？②检验与修补：通过细胞膜的实验数据，整理基本元件及尺寸，填写基本元件及尺寸表（表1）。

STEAM 教学之得出结论——3D 打印完成模型制作，总结活动主要流程

采用123D Design 软件绘制磷脂分子、糖脂、糖蛋白、细胞膜流动镶嵌模型图，如图3 所示，展示活动成果，如图4 所示。

STEAM 教学之反思分享——123D Design 与3D打印在生物模型构建中的注意事项

本案例依托于校本课程，基于高一年级学生的生物学科知识水平，组织生物建模活动，加深学生对生物学基本概念的理解。通过学生自评、互评与教师评价，交流123DDesign 与3D 打印在构建生物模型过程中的注意事项。教师针对存在的问题提问，促进学生思维发展。

应用与反思

优点

123D 系列有6 款工具， 包括 123D Catch，123DCreature，123D Design，123D Make，123D Sculpt 及Tinckercad，在编辑3D 模型上具备强大的功能和广泛的应用，比如阵列、群组、布林运算等。123DDesign 打破了常规专业CAD软件从草图生成三维模型的建模方法，提供了一些简单的三维图形，通过对这些简单图形的堆砌和编辑生成复杂形状。因此，123D Design 对初学者较为友好，安装简单，操作方便，可应用于高中《生物学》教学中多个模型制作。

局限性

学生对123D Design 软件比较陌生，虽然分发了简要教程，便于学生较快掌握基本的操作知识，但学生对基本知识的迁移能力仍然存在差距。比如：有的学生很快画好了磷脂分子模型，但未通过123D Design 视图中的不同角度观察，导致磷脂分子模型中的圆形亲水头和圆柱形疏水尾并未紧密结合，导致立体模型构建失败，可通过123D Design 视图中的不同角度观察立体模型，采用软件中的“合并”功能，将两部分连接起来，防止打印出的实物零散。因此，应根据学生的理解水平，设置由简单到复杂的阶梯型任务，在学生掌握基本操作的基础上逐步构建模型。

123D Design 的不规则曲线绘制时采用的是多线段绘制功能，这一功能对初学者来说较难掌握，需要较长时间的练习，因而，对不规则图形进行建模的难度较高。另外，由于打印完的实物难以修补，建模阶段精確的参数设置至关重要，比如在设计过程中，要提前在不同元件中预留结合的位点，以便各部件后期的顺利拼接。

参考文献

[1] You Shangting， Xiang Yi， Hwang Henry H， et al. High cell densityand high-resolution 3D bioprinting for fabricating vascularizedtissues[J]. Science Advances， 2023， 9（8）：e7923.

[2] Feng Boshi， Zhang Meng， Qin Chen， et al. 3D printing of conch-likescaffolds for guiding cell migration and directional bone growth[J].Bioactive Materials， 2023（22）： 127-140.

[3] 林国.3D 动画技术支持的高中物理建模与教学实践[J]. 高考，2021，411（25）：23-24.

[4] 徐文.3D 打印技术与高中化学融合的教学设计与实践效果[J]. 教育传播与技术，2022，32（6）：72-76.

[5] Himbert Sebastian and Maikel C Rheinst?dter. Structural andmechanical properties of the red blood cells cytoplasmic membraneseen through the lens of biophysics[J]. Frontiers in Physiology，2022， 13： 953257.