王佳

摘 要：在教育改革的時代背景下，多媒體技術(shù)在學科教學領(lǐng)域的應用越來越廣泛。三維模型及其動畫作為一種新興的教育教學輔助手段，因其具備形象、直觀、趣味性強等特點，也逐漸被人們應用到教學實際中。以人教版高中生物教材“遺傳與進化”第5章第1節(jié)“基因突變和基因重組”為例，將三維模型及其動畫與教學設(shè)計相結(jié)合，能更好地幫助學生主動構(gòu)建知識，能有效降低學生的認知負荷，優(yōu)化課堂教學。

關(guān)鍵詞：三維模型；動畫；教學設(shè)計；生物教學；基因突變；基因重組

在當今這個信息化的社會中，多媒體技術(shù)在人們的學習、工作和生活的各個領(lǐng)域中都被充分而廣泛地使用著。多媒體技術(shù)不僅改變了人們獲取信息、處理信息和使用信息的方式，還使得人們的學習方式發(fā)生了重大的改變。隨著20世紀90年代教育信息化概念的提出，信息技術(shù)在教育領(lǐng)域的發(fā)展非常迅猛。多媒體計算機、多媒體軟件、多媒體網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)手段已經(jīng)成為現(xiàn)代教學過程中不可或缺的組成部分。三維模型及其動畫作為一種新興的教育教學輔助手段，也被逐漸應用到教學過程中，其具備形象、直觀、趣味性強等特點，能夠進一步改善人們的認知方式，改善教育信息的傳播方式。

一、三維模型及其動畫簡介

三維模型是指用計算機或者其他視頻設(shè)備顯示物體，顯示的物體既可以是虛構(gòu)的物體，也可以是現(xiàn)實的實體。本文所指的三維模型是指用計算機進行建構(gòu)的。

三維動畫的制作是建立在三維模型的建構(gòu)的基礎(chǔ)上。三維動畫的制作流程是首先利用三維動畫軟件建立一個虛擬的世界，在虛擬世界里構(gòu)建三維模型及場景，再賦予模型特定的材質(zhì)，然后設(shè)計模型運行的軌跡，虛擬攝像機的位置，打上燈光，最后渲染完成，就生成了三維動畫。

目前在國內(nèi)較為普遍的應用于三維建模、動畫制作和渲染的軟件之一為3ds Max。雖然其應用范圍廣泛，但是界面復雜、操作難度很大，不適合在高中一線教學中進行推廣應用。由Corel公司開發(fā)的一款名為Corel Motion Studio 3D的三維軟件，界面直觀，輔助面板簡單，容易上手，適合專業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱的人員使用，而且其具備豐富的模板和粒子特效，直接套用就可以做出豐富多彩而且非常專業(yè)的三維動畫，完全可以滿足高中生物課堂教學的需要。因而下面實例中應用的3D軟件為Corel Motion Studio 3D。

二、三維模型及其動畫在生物教學設(shè)計中應用的優(yōu)勢

利用三維模型及其動畫可以在教學中創(chuàng)設(shè)更為復雜的問題情境，從而可以開拓學生的視野，突破學生的想象局限，對于啟發(fā)學生構(gòu)建三維空間模型、培養(yǎng)學生的三維想象能力與抽象邏輯思維能力是非常有效的。

高中生物教學中的部分內(nèi)容，例如，細胞的代謝、遺傳的基本規(guī)律與細胞學基礎(chǔ)、生命活動的調(diào)節(jié)等，由于與學生的實際生活經(jīng)驗有所差距，并且非常微觀、抽象，因而學生學習起來具有一定困難，而教師講授起來也缺乏良好、有效的資源與技術(shù)支持。為了將這部分知識情境化、具象化，讓學生有能力通過主動建構(gòu)過程理解并掌握這部分知識，在教學中合理利用三維模型及其動畫就顯得很有必要。

三維模型及其動畫在揭示微觀的現(xiàn)象、抽象的概念及原理時可以將其以可視化的方式呈現(xiàn)出來，能夠揭示出外在現(xiàn)象與內(nèi)在規(guī)律之間的邏輯聯(lián)系，能夠幫助學生透過現(xiàn)象剝離出本質(zhì)，從而突破思維上的障礙，拓展學生思維的廣度和深度。

三、三維模型及其動畫在生物教學設(shè)計中的應用實例

下面以“基因突變和基因重組”一節(jié)為案例，進行三維動畫在教學設(shè)計中的應用研究。

（一）教材分析及學情分析

“基因突變和基因重組”一節(jié)是人教版高中生物教材必修二“遺傳與進化”第5章“基因突變及其他變異”第1節(jié)的內(nèi)容。必修二前四章，從分子水平闡述了遺傳規(guī)律、基因的本質(zhì)、基因的位置、基因的復制和表達過程，即從本質(zhì)上闡述了基因是如何穩(wěn)定遺傳的。第五章則從變異的本質(zhì)入手進行闡述，既是前四章的延續(xù)，又為后面學習進化的理論打下基礎(chǔ)。

基因突變和基因重組屬于生物可遺傳變異的來源之一。這部分內(nèi)容非常微觀、抽象，學生學習起來難度很大，主要困難在于學生不能將變異與相關(guān)的細胞學基礎(chǔ)相結(jié)合，缺乏在三維空間上將基因與染色體結(jié)合起來的想象力與經(jīng)驗。而這部分知識在高考中又屬于重點考查的內(nèi)容，經(jīng)常出現(xiàn)將變異與細胞分裂結(jié)合起來考查其基本原理的題目?；谝陨显?，嘗試設(shè)計有關(guān)基因突變和基因重組的細胞學基礎(chǔ)的動畫，從變異的發(fā)生機理角度，幫助學生理解相關(guān)概念與原理，主動構(gòu)建知識，從而改變學生在以往的學習過程中由于知識呈現(xiàn)方式的限制而形成的二維空間的定式思維，促進學生思維上的轉(zhuǎn)變。

（二）三維模型及其動畫設(shè)計

1.三維模型構(gòu)建

根據(jù)教學內(nèi)容的要求，主要需要構(gòu)建以下三維模型：細胞（如圖1）、染色體（如圖2）。在后面的不同動畫中，上述模型需要根據(jù)要求復制不同的數(shù)量，調(diào)整色彩、大小、透明度、扭轉(zhuǎn)程度等參數(shù)。

2.三維動畫設(shè)計

本節(jié)一共需要設(shè)計三個教學動畫，分別是基因突變、基因重組中的自由組合方式、基因重組中的交叉互換方式。

第一個教學動畫是基因突變動畫設(shè)計：首先呈現(xiàn)細胞和內(nèi)部的染色體，此時的染色體沒有復制，還沒有姐妹染色單體，同時隱藏DNA及文字說明，旋轉(zhuǎn)展示整個細胞（如圖2）。然后拉近細胞，拉近染色體，使染色體逐漸消失，DNA逐漸出現(xiàn)（如圖3）。DNA出現(xiàn)以后，也先旋轉(zhuǎn)一圈整體展示，然后完成DNA的正常復制。DNA正常復制后，將正常的DNA分子縮小拉到屏幕左上方，在屏幕的中間繼續(xù)展示DNA的異常復制?；蛲蛔兊臅r候，DNA的異常復制會出現(xiàn)堿基對的替換、增添和缺失三種情況，依次展示相應的DNA分子，展示完后縮小拉到屏幕右側(cè)。最后，讓DNA消失，再呈現(xiàn)復制后的染色體。先讓正常的DNA逐漸消失，帶有基因D和d的染色體逐漸出現(xiàn)；再讓基因突變的DNA逐漸消失，帶有基因D和d的染色體逐漸出現(xiàn)。

第二個教學動畫是自由組合導致的基因重組，設(shè)計內(nèi)容為：利用兩個相同的細胞同時展示減數(shù)分裂過程，直觀地對比非同源染色體上的非等位基因的自由組合情況，因而需要復制雙份模型進行展示（如圖5）。首先展示減數(shù)第一次分裂的間期，染色體經(jīng)過復制具有姐妹染色單體，新復制出的染色單體上的基因與原來的相同。然后進入減數(shù)第一次分裂的前期，其主要特征是同源染色體聯(lián)會形成四分體。由非同源染色體的自由組合導致的非等位基因的重新組合發(fā)生在減數(shù)第一次分裂的后期，兩個細胞分別展示兩種不同的重組方式。最終，兩個細胞分別經(jīng)過減數(shù)第二次分裂，共產(chǎn)生8個4種類型的配子。

第三個教學動畫是交叉互換導致的基因重組。在減數(shù)分裂形成四分體的時期，位于同源染色體上的等位基因會隨著非姐妹染色單體的交換而交換，從而導致姐妹染色單體上的基因重組。這個教學動畫的設(shè)計可以基于上一個動畫，首先將原動畫中的其中一個細胞去掉，只保留一個細胞。然后將染色體的一條姐妹染色單體進行修改，將顏色調(diào)整為一半紅色，一半綠色。由于Corel Motion Studio 3D軟件自帶的模板不能實現(xiàn)一個模型上賦予兩種顏色，因而為了制作染色單體的不同顏色效果，可以利用Windows 7系統(tǒng)自帶的畫圖軟件先畫出雙色框，然后再通過“屬性面板”中的“材質(zhì)”選項來實現(xiàn)修改顏色的效果。修改完成后的減數(shù)第一次分裂前期染色單體交叉互換呈現(xiàn)畫面。最終，減數(shù)第二次分裂結(jié)束后，一個精原細胞共產(chǎn)生4個4種配子。

三維模型及其動畫在高中生物教學設(shè)計中的應用效果非常好，具有生動、形象、提高學生學習興趣、活躍課堂學習氣氛等優(yōu)點，在輔助學生理解抽象的概念、掌握原理的內(nèi)涵和外延方面具有比二維動畫更大的作用，能更好地幫助學生主動構(gòu)建知識，能有效降低學生的認知負荷，優(yōu)化課堂教學。

在當今教育改革的時代背景下，信息技術(shù)與學科教學的結(jié)合將越來越緊密。希望更多生物教師及信息技術(shù)研究人員能意識到三維模型及其動畫在教學設(shè)計應用中的廣闊天地，進而投入研究和開發(fā)中去。endprint