袁珍珍 林潔微 劉美玲 胡繼飛

（廣東第二師范學院 廣東廣州 510303）

一、引言

生物模型建構(gòu)就是在研究生物事實時，為了方便學生理解而抽離出來的一種實物形式或思維過程，提供其發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的方法。在生物教學中增加模型建構(gòu)過程可以在掌握知識的同時，發(fā)展學生的邏輯思維能力和科學探究能力[1]。新課程改革中的《高中生物課程標準》指出為了讓學生更好地理解和掌握教學內(nèi)容，在教學中要重視學生的實踐環(huán)節(jié)，力求為學生提供更多的實踐機會[2-3]。2020年新型冠狀肺炎疫情，學生對于新型冠狀病毒的結(jié)構(gòu)都不甚清楚，側(cè)面映射出生物安全教育和生命教育的必要性[4]。因此，本著stem教育理念，我們利用廢棄快遞箱作為主要材料來構(gòu)建新冠病毒主體模型，以組成部分為配件，通過拼圖制作整體生物模型。并以此為例開展中小學新冠病毒模型的制作，讓學生以“第一人稱”設(shè)計并制作一套模型拼圖，從而使中小學生在拼圖中，激發(fā)自身對生物學的興趣；讓高中生自己學會模型構(gòu)建，來加深對知識點的理解和記憶，提升中小學生的生物學核心素養(yǎng)，使學生對微觀世界物質(zhì)的結(jié)構(gòu)能夠詳細直觀地理解。

二、新冠病毒拼圖模型融合STEM教育理念

（一）STEM教育內(nèi)涵

STEM是科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineer）和數(shù)學（Math）的簡稱，強調(diào)學科的融合[5]，旨在打破學科領(lǐng)域之間的邊界，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學素養(yǎng)，提高學生的創(chuàng)新能力和問題解決能力[6]。目前，STEM教育在21世紀人才培養(yǎng)中發(fā)揮著重要力量，成為各學校關(guān)注的重點。2016年我國發(fā)布《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，強調(diào)“有條件的地區(qū)要積極探索信息技術(shù)在‘眾創(chuàng)空間’、跨學科學習和創(chuàng)客教育等新的教育模式中的應用”[7]。因此，這也就說明我們對于學生的培養(yǎng)不能只停留在知識面的培養(yǎng)，最重要的是對學生進行德智體美以及自主學習和動手實踐能力的綜合性的培養(yǎng)，促進學生全面發(fā)展[8]。

（二）本項目中STEM教育的體現(xiàn)

構(gòu)建者利用廢棄快遞箱作為主要材料來構(gòu)建3D結(jié)構(gòu)拼圖模型，以組成部分為配件，通過拼圖制作整體生物模型。讓學生通過閱讀、收集材料等應用有關(guān)知識來分析制作拼圖形式生物模型，有利于培養(yǎng)學生的建模思維和建模能力。

利用廢棄的紙箱，構(gòu)建新冠肺炎輪廓模型。在動手操作的過程中，鍛煉學生的拼裝能力。

模型展示所用的模型首先采用了3D技術(shù)和打印機來打印零件，運用了模型構(gòu)建的網(wǎng)絡構(gòu)建技術(shù)以及3D打印的技術(shù)。利用廢棄的紙箱等材料制作并組裝模型，這是一個連續(xù)、有計劃、有組織的過程。

根據(jù)查閱的資料，選擇合適的比例與材料創(chuàng)建模型。病毒的模型主體的大小測量、零件的大小以及角度都涉及學生的數(shù)學思維。

三、新冠病毒拼圖模型設(shè)計制作項目過程

（一）3D建模設(shè)計制作新冠病毒小部件模型

參考張佳星[9]等人通過冷凍電鏡斷層成像技術(shù)重構(gòu)新冠病毒全分子結(jié)構(gòu)及楊海龍[10]等人對新冠病毒刺突蛋白及其受體結(jié)構(gòu)與作用的研究，利用3D建模軟件建構(gòu)新冠病毒結(jié)構(gòu)中各小部件的模型。

首先，根據(jù)模型樣式圖，選擇各部件的粗略形狀（如圓柱形、正方體、球體等）如圖1所示；

圖1 病毒模型3D建構(gòu)過程圖

其次，利用工程學、數(shù)學、技術(shù)知識，根據(jù)模型實際形狀，對粗略形狀的角度、大小進行調(diào)整，使其與模型樣式一致，最后利用美術(shù)學知識對各部件進行顏色等外觀美化（如圖2所示）。

圖2 病毒各部件3D模型建構(gòu)圖

最后將建構(gòu)的模型輸出的數(shù)字文件（STL格式）經(jīng)切片軟件數(shù)據(jù)處理后，再用3D打印機打印，即可得到新冠病毒小部件3D模型。

（二）回收廢棄紙箱設(shè)計制作新冠病毒主體模型

基于廢物利用、環(huán)境保護理念，本設(shè)計過程中通過回收廢舊紙箱進行設(shè)計制作新冠病毒主體模型，結(jié)合工程技術(shù)學、數(shù)學、科學、美術(shù)等學科知識建構(gòu)球體模型，并設(shè)計球體上分布的各部件插入孔徑大小。

圖3 病毒主體模型

（三）美化拼圖模型

將設(shè)計制作好的新冠病毒主體模型、各部件模型進行拼裝成完整的新冠病毒模型。最后對其進行外觀設(shè)計美化。

圖4 病毒整體拼圖模型

四、模型制作注意事項

（一）圖形設(shè)計方面

圖形設(shè)計時注意根據(jù)模型主體的厚度，設(shè)計各小部分的比例，使得整個圖形比例分配適合，美化模型。

（二）制作過程方面

制作各個小部件時，可以使用可塑性較強的材料（如輕黏土、廢棄紙巾等）；使用3D模型建構(gòu)各部件需注意調(diào)節(jié)部件的角度，使其拼裝時角度吻合，縫隙較小。

五、新課程背景下新冠病毒拼圖模型建構(gòu)的應用

（一）拼圖模型在教學中應用

基于建模等理性思維的科技實踐活動，為培養(yǎng)學生科學探究、創(chuàng)新實踐、問題解決等能力提供有效載體[11-12]。在生物學中，諸如新冠病毒此類的微觀生物，比較抽象復雜，通過模型的制作，發(fā)揮學生主體、教師引導的作用，可讓學生通過參與模型制作。在多重感官的共同參與下，以“第一人稱感覺”深入并理解生物微觀世界的知識，以達到化抽象為具體，化復雜為簡單的教學效果，培養(yǎng)探索未知事物的好奇心，激發(fā)其對生物的興趣。

（二）拼圖模型其他方面的應用

本課題設(shè)計制作新冠病毒模型，將規(guī)范模型制作出來供使用者參考，可用于學校開展科技創(chuàng)新實踐活動、社區(qū)新冠科普教育活動，并可將其開發(fā)出來作為兒童益智玩具。通過拆分講解新冠拼圖模型，使得人們了解新冠病毒的結(jié)構(gòu)特點、作用途徑，并宣傳健康防護知識。

六、結(jié)束語與反思

在如今的課程和社會需求的大環(huán)境中，要求教師們要采用多元化的教學方式。教師可以多留意生物模型的制作與應用。此次項目的新冠肺炎病毒制作過程比較簡單，教師可以在家中搜集材料，在教學的過程中展示。學生也可以將其當成預習方式，在學習了解之后當作復習方式，在動手操作中提高學習能力。

在模型制作上，因為是第一次接觸模型制作，在模型構(gòu)建方面可能有所不足，但正因為是開創(chuàng)者，給未來的研究者們提供了改進的空間；在模型的適用對象方面，本團隊的設(shè)計意圖是面向小學、初中和高中的學生，但是其實對于面向小學學生的模型應用策略設(shè)計方面還不夠完善，有待改進。