徐州市第十五届中小学生研究性学习成果

基于校本课程的3D打印真核细胞模型学习实践

Study practice of 3D printing Eukaryotic cell model  based on school-based curriculum

学 校：徐州市第一中学

班 级：高一10班

组 长：胡志鹏  

组 员：王羿淋 、张洋硕、王惠贤  

指导教师：李培青  

徐州市第一中学

2024年3月6日

基于校本课程的3D打印真核细胞模型学习实践

1．学习实践简介

3D打印（3D Printing）是快速成型技术的一种，其工作原理是根据计算机上创建虚拟三维模型，将其切片成为若干个平面薄层，然后按照薄层的轮廓和内部结构，在3D打印机上逐层堆叠并固化成实体。3D打印可以定制个性化的产品、可以快速制作出复杂形状的产品等。目前3D打印已经在很多行业得到了广泛应用，并展现出巨大潜力。如：在医疗健康领域，可以运用3D打印技术制造出符合个体差异和生物相容性要求的人工骨骼、牙齿；在教育领域，可以运用3D打印技术制造出符合教学需要的结构模型和创意作品。

高中生物学中主要涉及三类模型：物理模型、概念模型、数学模型。真核细胞模型就是一种物理模型，它根据相似原理，把细胞真实结构按照比例放大或缩小制成，它可以模拟真实事物的某些功能和性质，也是对原型的抽象和概括。

校本课程是对国家课程的必要补充，有利于发展学生兴趣和提升学科核心素养。在校本课程学习实践中，教师引导学生运用3D打印真核细胞模型，通过学生的亲自设计和具体实施，有利于改变学生的学习方式，有利于培养学生的小组合作意识和简约严密的思维品质，进而提升通过建模解决实际问题的能力。

2．学习实践背景

《普通高中生物学课程标准》（2017年版2020年修订)中的学科核心素养中明确指出：学生应该在学习过程中逐步发展科学思维，如能够基于生物学事实和证据运用模型与建模、创造性思维等方法，阐释生命现象及规律。同时也建议：学校开设针对本校学生特点和当地资源开设的校本课程，旨在满足学生多样化兴趣和发展需要，以期为学生进一步学习和职业规划奠定基础^[1]。

为了更好的发展学生生物学学科核心素养，模型制作与建模能力的培养在高中教材中多次出现。如苏教版普通高中教科书《生物学》必修1 “分子与细胞”第53页“边做边学”即：制作真核细胞亚显微结构模型；必修2 “遗传与进化”第51页“边做边学”即：设计和制作DNA分子双螺旋结构模型；选择性必修2“生物与环境”第10页“知识链接”即：生物学研究的一种工具——数学模型。由此可见，学生的模型制作与建模能力应该引起足够的重视。然而在实际教学中，受限于课时紧张、认知不够、条件不足等因素，学生模型制作与建模能力的培养经常被忽视。缺少了学生亲自动手的参与实践，不利于学生的建模能力的培养，也不利于学生全面发展生物学学科核心素养。

结合我校的具体办学条件，在校本课程教学实践中引导学生运用3D打印真核细胞模型，具有耗时短暂、立体美观、科学逼真的显著特点，极大地满足了学生认知和教学需要。通过学生的亲自体验，有利于培养学生透过事物现象揭示其本质特性的洞察力，有利于学生建模能力的培养，进而提升学生生物学学科核心素养。实践证明，生物学模型制作与建模能力的培养有利于发展学生的科学思维。

3．学习实践准备

3.1知识准备 学生已经对真核细胞的结构和功能有所学习，并且在光学显微镜下观察了真核细胞的部分结构，再结合教材上电子显微镜下的模式图，细胞的具体结构逐渐清晰，但是不能很好理解各结构之间的相互联系。

3.2组员准备 组员之间配合默契，合理分工并明确任务，如有的成员擅长计算机软件操作，有的组员擅长流程设计，有的组员擅长协调沟通，反复研讨后设计切实可行的3D打印方案。

3.3预制作准备 在制作模型前要确定模型的大小、模型内各部分的大小及它们之间的比例关系。小组确定参考数据：大多数动植物细胞直径约为100 μm；细胞核直径为一般为5~10 μm；叶绿体平均直径为2~5 μm，平均长度为5~10 μm；线粒体平均直径为0.5~1 μm，平均长度为1.5~3 μm；溶酶体平均直径为0.2~0.8 μm；中心粒平均直径为0.2~0.4 μm；核糖体最小，平均直径为0.01~0.02 μm 。植物细胞中液泡的大小、形状、数量相差较大，在成熟的植物细胞中，液泡可占细胞体积的90%。

3.4其他准备 我校STEAM课程基地拥有3D打印机数台，本次选用CREALITY 创想三维（Creality Ender 3 S1 Plus 3D Printer）；每周的生物学校本课程为兴趣小组动手制作、设计打印提供了时间保障；本次打印选用聚乳酸（聚丙交酯），该材料无毒、无刺激。

4．学习实践过程

4.1 用软件构建细胞模型

小组成员利用创想三维自带的软件（creality print）设计真核细胞3D结构模型，可以个性化的设计创作，但是要符合科学性和实用性。在此过程中，既要考虑真核细胞内各种结构的位置关系，也要兼顾各种结构的大小比例关系。

4.2 切片过程与设置参数

针对已经构建的真核细胞3D结构模型进行细节打磨，比如：旋转方向、刻字、切割、打孔等。接下来就是分层切片，将已经设计的真核细胞3D结构模型切成一片一片，设计打印路径，并将切片后的文件形式转化为一种3D打印机可识别读的文件格式。然后再通过3D打印机控制软件，设置调整打印速度、打印高度、打印时长等参数。4.3 3D打印模型

首先装入3D打印材料，启动3D打印机，在控制面板上点击一键调平，调平让打印机打印的更加精确，然后直接在3D打印打印机找到真核细胞结构模型，开始打印。

4.4 打印结果

上图是单一颜色的真核细胞结构模型（高等植物细胞）栩栩如生。

此外， 还可以利用3DP的打印技术做到彩色3D打印（下图是高等植物和动物细胞），无需后期上色

组员们欣喜之余，开始交流小组成果，展评价与反馈。制定科学合理的评价标准，进行优秀评选。

并向优秀小组成员颁发获奖证书，以资鼓励。

5．学习实践反思

5.1本次校本课程通过自主合作的小组学习，手脑并用的学习方式，新颖直观的教学手段， STEAM 教学资源的完美融合，激发了学生学习的原动力，让学生主动参与、积极思维、合作探究、深度学习，改变学生被动学习的学习方式。

5.2本次校本课程通过制作并3D打印真核细胞结构模型，学生不仅学会构建物理模型的一般方法，加深了对真核细胞亚显微结构等重难点的理解，提高了生物学的学习效益；也有利于在微观层面上加深理解细胞结构与功能的统一，生物体部分和整体的统一。

5.3 本次校本课程有效践行STEAM理念，突出生物学科特点，结合生物学学习实际，以校本课程实践活动为载体，灵活运用 STEAM 跨学科教学资源，科学设计STEAM 融合教学方案，通过学生的自主合作的探究性学习，培养学生的动手实践能力和创新思维能力^[2]。

5.4校本课程的开设是应时之需，不仅优化学习方式，调动教育资源，还有利于加强学科间融合，也更有利于发展学生的学科素养^[3]。本次校本课程是学生第1次接触3D打印相关知识，于学生而言较为新颖，也使其对生物学学习热情高涨，感受到学科交叉的魅力，锻炼了学生处理信息的能力，培养了科学理性思维。

6.主要参考文献

[1] 普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].中华人民共和国教育部.北京：人民教育出版社，2020：7-9.

[2] 郭士安.开展STEAM 融合生物学教学的尝试. 生物学通报,2018,53 (9):33-36.

[3] 徐婷.跨学科主题式校本课程的开发与实践研究. 生物学通报,2023,58(3):65-70.