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。

图1 123D Design软件使用界面

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41～48Å^[5]。