摘? ?要 生物學(xué)中有很多學(xué)習(xí)內(nèi)容具有微觀性，難以直接觀察，使學(xué)生很難建立起對知識的認(rèn)知。三維教學(xué)資源可以對微觀物質(zhì)及其動態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行三維仿真，從宏觀上再現(xiàn)其物質(zhì)形態(tài)和動態(tài)變化過程，以此來輔助教師授課，幫助學(xué)生構(gòu)建知識。文章在總結(jié)三維教學(xué)資源優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，簡要介紹了一種常用的三維教學(xué)資源開發(fā)軟件——3D Max，并針對高中生物教學(xué)的難點內(nèi)容——減數(shù)分裂，詳細(xì)闡述了如何利用3D Max軟件進(jìn)行三維教學(xué)資源開發(fā)，并對資源的教學(xué)應(yīng)用進(jìn)行了深入探討。

關(guān)鍵詞 3D Max? 三維教學(xué)資源? 生物學(xué)教學(xué)? 減數(shù)分裂

相比傳統(tǒng)的圖片等二維教學(xué)資源，三維教學(xué)資源可展現(xiàn)微觀生物的立體原始形態(tài)，可再現(xiàn)微觀生物現(xiàn)象三維動態(tài)變化的全過程，可以為學(xué)生提供直接的感官刺激，使學(xué)生全方位、直觀、立體地觀察微生物及其變化過程，建立起清晰、完整的認(rèn)知，幫助學(xué)生理解抽象的微生物現(xiàn)象和微生物結(jié)構(gòu)，有助于提升他們的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

常用的三維教學(xué)資源開發(fā)工具有3D Max、MAYA、C4d等。其中，3D Max是Autodesk公司旗下的Discreet公司推出的基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件。它功能強大，具有建模、材質(zhì)制作、燈光設(shè)計、動畫制作、渲染輸出等功能，可為用戶提供多方面的選擇，滿足不同的需求[1]。本文以人教版高中生物學(xué)教材必修2“減數(shù)分裂”一節(jié)內(nèi)容為例，闡述基于3D Max的三維教學(xué)資源的開發(fā)及應(yīng)用。

一、基于3D Max的三維教學(xué)資源的開發(fā)流程

在進(jìn)行實際開發(fā)之前，需要進(jìn)行需求分析和資源設(shè)計。需求分析包括教學(xué)內(nèi)容分析、學(xué)習(xí)者分析、教學(xué)目標(biāo)分析、重難點分析、當(dāng)前教學(xué)資源使用情況及效果分析、使用三維教學(xué)資源的必要性分析等方面。資源設(shè)計是根據(jù)需求分析的結(jié)果來設(shè)計符合實際教學(xué)需要的教學(xué)資源。資源設(shè)計好之后就進(jìn)入實際開發(fā)階段，主要包括三維仿真模型構(gòu)建階段、材質(zhì)制作階段、三維動畫生成階段。如圖1所示。

1.需求分析

“減數(shù)分裂”為人教版高中生物學(xué)教材必修2《遺傳與進(jìn)化》第2章第1節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容是在學(xué)生學(xué)習(xí)了細(xì)胞有絲分裂的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，是對有絲分裂知識的擴(kuò)展和延伸，也是學(xué)習(xí)遺傳變異的基礎(chǔ)[2]。由于減數(shù)分裂是微觀、動態(tài)、連續(xù)變化的過程，初學(xué)者對此缺乏感性認(rèn)識，較難抓住其本質(zhì)，因此染色體形態(tài)、數(shù)目和位置的變化規(guī)律成為學(xué)習(xí)的重難點。

在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師在教授減數(shù)分裂時，通常利用書本上的知識及平面插圖進(jìn)行講解。然而生物體本身是三維立體的，通過平面插圖，學(xué)生很難將簡單的二維線性圖像轉(zhuǎn)換成復(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)，對于減數(shù)分裂的動態(tài)分裂變化過程則更難理解。使用這樣的教學(xué)資源并不能從根本上解決學(xué)生的認(rèn)識和理解問題，學(xué)生難以準(zhǔn)確構(gòu)建起自己的知識體系。由于知識晦澀難懂，教學(xué)資源不當(dāng)，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情也會隨之下降，出現(xiàn)厭煩、消極等不良情緒，影響教學(xué)效果。為了幫助學(xué)生掌握減數(shù)分裂的重難點知識，需要開發(fā)相關(guān)的3D教學(xué)資源。

2.三維教學(xué)資源設(shè)計

三維教學(xué)資源的設(shè)計需要以需求分析的結(jié)果為根據(jù)?？衫镁W(wǎng)絡(luò)、書本上的二維圖片及其他相關(guān)減數(shù)分裂的資料，借助3D建模及動畫技術(shù)將減數(shù)分裂過程中染色體形態(tài)及減數(shù)分裂完整的動態(tài)過程進(jìn)行立體、直觀地呈現(xiàn)，使抽象結(jié)構(gòu)和過程變?yōu)橹庇^的三維結(jié)構(gòu)及動畫，幫助學(xué)生更好地理解。

3.三維教學(xué)資源的開發(fā)

三維教學(xué)資源的實際開發(fā)階段主要包括三維仿真模型構(gòu)建、模型材質(zhì)制作和三維動畫生成。三維仿真模型構(gòu)建階段需要利用3D Max，以生物體的實物圖為原型進(jìn)行高仿真精模構(gòu)建。模型材質(zhì)制作階段需要為建好的模型賦予材質(zhì)，以準(zhǔn)確表達(dá)模型的色彩、紋理及對光的反射、折射等物理屬性[3]。此階段需要利用3D Max配合Photoshop提前進(jìn)行材質(zhì)及相關(guān)貼圖的制作，然后將制作好的材質(zhì)賦予模型。如果實際教學(xué)中需要進(jìn)行三維資源的動態(tài)展示，就需要生成三維動畫。

二、基于3D Max的三維教學(xué)資源的開發(fā)實例

根據(jù)上述的開發(fā)流程，下面以細(xì)胞的減數(shù)分裂為例，詳細(xì)說明基于3D Max的三維教學(xué)資源的開發(fā)方法。

1.“減數(shù)分裂”相關(guān)三維模型的構(gòu)建

減數(shù)分裂中涉及到的模型主要有：細(xì)胞膜、染色體、紡錘體。細(xì)胞膜的構(gòu)建主要利用3D Max提供的基本三維型體中的球體來直接建模。染色體的構(gòu)建較為復(fù)雜，主要利用了修改器和多邊形建模的方法實現(xiàn)。建模時，需要在建立的球體基礎(chǔ)上為其添加“FFD（長方體）”修改器，通過調(diào)整修改器的控制點位置調(diào)整球體形狀，使其接近染色體原型。接著再將當(dāng)前的染色體模型轉(zhuǎn)換為一個“可編輯多邊形”對象，選擇“頂點”子集對其進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整，得到染色單體模型，復(fù)制多條這樣的模型，保存?zhèn)溆?。選擇一條染色單體模型，使用“鏡像”工具，復(fù)制剛建好的染色單體模型，并建立一個切角圓柱體放置在染色體中間凹陷處，形成同源染色體模型。

需要注意的是，在“四分體”時期，同源染色體的非姐妹單體之間可能發(fā)生交叉互換，導(dǎo)致一種基因重組類型的產(chǎn)生。在制作交叉互換后的模型時，需要將其中的一條染色單體轉(zhuǎn)換為一個“可編輯多邊形”對象，選擇“多邊形”子集，選擇其右側(cè)的部分多邊形，選擇“分離”選項，將所選的多邊形分離成一個網(wǎng)格對象，選中該對象，修改顏色為其非姐妹單體的原有色，并用鏈接工具將其鏈接到原對象上。

紡錘體的構(gòu)建利用了3D Max中二維建模的方法來實現(xiàn)。選擇“二維圖形”中的“星形”，并為其添加“擠出”修改器，得到紡錘體的基本模型;然后使用“二維圖形”中的“弧”，在視圖中畫弧線并適當(dāng)修改其形狀，即可得到紡錘絲。

通過上述方法，可完成細(xì)胞膜、染色體及紡錘體的構(gòu)建，得到“減數(shù)分裂”任何時期的3D模型。

2.相關(guān)材質(zhì)的制作

材質(zhì)制作主要涉及到細(xì)胞膜、染色體表面凹凸不平的質(zhì)感表現(xiàn)以及細(xì)胞膜表面的半透明屬性。在制作細(xì)胞膜材質(zhì)時，需要打開3D Max的“材質(zhì)編輯器”，選擇一個材質(zhì)球，并將該材質(zhì)球拖拽到球體上。按照現(xiàn)實中細(xì)胞膜的物理屬性，修改該材質(zhì)球的不透明度和漫反射顏色，并在貼圖通道中的“漫反射”和“凹凸”中添加噪波材質(zhì)，調(diào)整噪波大小，使細(xì)胞膜表面出現(xiàn)凹凸不平的天然質(zhì)感。染色體材質(zhì)制作與細(xì)胞膜類似。

3.“減數(shù)分裂”三維動態(tài)過程的實現(xiàn)

（1）細(xì)胞分裂前的間期

此階段完成DNA和染色體的復(fù)制。復(fù)制的結(jié)果是：染色體的數(shù)目不變，但每條染色體都包含兩條姐妹染色單體，DNA數(shù)目變?yōu)樵?xì)胞的兩倍。此階段三維動態(tài)主要體現(xiàn)在染色體的復(fù)制?？衫?D Max的復(fù)制操作及關(guān)鍵幀動畫來實現(xiàn)。

（2）第一次細(xì)胞分裂

①第一次細(xì)胞分裂前期

分裂前期同源染色體的聯(lián)會現(xiàn)象可利用3D Max的自動關(guān)鍵幀動畫，并配合“選擇并移動”工具來實現(xiàn)。紡錘絲的出現(xiàn)可利用3D Max的自動關(guān)鍵幀動畫，并配合材質(zhì)編輯器中的“不透明度”來實現(xiàn)，即在進(jìn)行關(guān)鍵幀動畫錄制時，先將紡錘絲的不透明度設(shè)置為“0”，然后移動時間軸的同時，調(diào)整不透明度為“100”。核仁核膜的消失動畫與紡錘絲的動畫實現(xiàn)方法相同，只是不透明度的設(shè)置相反。同源染色體的非姐妹染色單體之間的交叉互換，則利用自動關(guān)鍵幀動畫，并配合材質(zhì)中“多維子材質(zhì)”顏色的改變來實現(xiàn)。如圖2所示。

②第一次細(xì)胞分裂中期

在第一次細(xì)胞分裂中期，同源染色體的著絲點對稱排列在赤道板的兩端，紡錘絲形成紡錘體。此階段三維動態(tài)的實現(xiàn)方法為：利用3D Max的自動關(guān)鍵幀動畫，并配合“選擇并移動”工具來實現(xiàn)同源染色體的對稱排列。使用自動關(guān)鍵幀動畫，并調(diào)整紡錘絲的弧線長度參數(shù)來實現(xiàn)紡錘體的形成過程。

③第一次細(xì)胞分裂后期

在第一次細(xì)胞分裂后期，同源染色體開始分離，非同源染色體進(jìn)行自由組合，分別移向細(xì)胞的兩極。三維動態(tài)實現(xiàn)依然是利用3D Max的自動關(guān)鍵幀動畫和“選擇并移動”工具。如圖3所示。

④第一次細(xì)胞分裂末期

在第一次細(xì)胞分裂末期，細(xì)胞一分為二，形成次級精母細(xì)胞或形成次級卵母細(xì)胞和第一極體。此階段三維動態(tài)的實現(xiàn)是將細(xì)胞膜模型轉(zhuǎn)化為“可編輯多邊形”，在“頂點”子集下，通過移動和縮放調(diào)整定點的位置，最終調(diào)整為兩個球體的樣子，之后選擇“分離”按鈕，使之分離。接著，在運動面板中，通過使用位置關(guān)鍵幀，使兩邊染色體和紡錘體各自移動向兩個細(xì)胞，來實現(xiàn)細(xì)胞的一分為二。具體分裂過程如圖4、圖5所示。

（3）第二次細(xì)胞分裂

第二次細(xì)胞分裂的過程與第一次細(xì)胞分裂類似。只是在此過程中染色體不再進(jìn)行復(fù)制，使得到的精細(xì)胞或卵細(xì)胞染色體的數(shù)目比原始生殖細(xì)胞減少一半。此階段的三維動態(tài)的實現(xiàn)方法與第一次細(xì)胞分裂相同，這里不再敘述。

三、三維教學(xué)資源的應(yīng)用

在實際教學(xué)中，利用三維教學(xué)資源可以有效突破減數(shù)分裂的三大教學(xué)難點。

1.突破教學(xué)難點一：相關(guān)概念

學(xué)生在學(xué)習(xí)減數(shù)分裂、同源染色體、四分體等難點概念時，教師可以利用3D教學(xué)資源講解減數(shù)分裂的立體動態(tài)過程，將這些難點概念滲透到整個動態(tài)過程中，讓抽象的概念變成具體、形象的三維立體模型和動態(tài)過程，加深學(xué)生的理解。

2.突破教學(xué)難點二：染色體行為

染色體的行為主要包括兩個方面，即同源染色體和非同源染色體的行為、非姐妹染色單體和姐妹染色體的行為。這些染色體的行為都可以通過3D動態(tài)教學(xué)資源直觀地進(jìn)行觀察，使學(xué)生能夠輕松地理解并掌握同源染色體的行為變化，很好地將同源染色體與非同源染色體的行為加以區(qū)分，將減數(shù)分裂與有絲分裂過程進(jìn)行區(qū)別，準(zhǔn)確構(gòu)建知識體系。

3.突破教學(xué)難點三：染色體及核DNA數(shù)量的變化

染色體的變化僅存在于細(xì)胞分裂前的間期及第一次減數(shù)分裂中，而DNA數(shù)量的變化存在于整個減數(shù)分裂過程中。教師在授課時，需要根據(jù)教學(xué)重點、難點，將減數(shù)分裂整個過程細(xì)分為不同的階段，然后利用3D教學(xué)資源將每個階段的重點、難點滲透其中，給學(xué)生建立一個減數(shù)分裂完整的、直觀的、清晰的過程，并與有絲分裂進(jìn)行對照比較，從而使學(xué)生深入理解染色體及核DNA數(shù)量的變化情況。

參考文獻(xiàn)

[1] 王麗.虛擬現(xiàn)實及其在教育文化領(lǐng)域的應(yīng)用探究[D].北京：中國書籍出版社，2016：48-49.

[2] 余紅月.基于發(fā)展學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)的“減數(shù)分裂”一課的教學(xué)設(shè)計[J].生物學(xué)教學(xué)，2019，44（02）：30-31.

[3] 杜修全.自制“遺傳信息翻譯”模型教具在課堂教學(xué)中的應(yīng)用[J].生物學(xué)教學(xué)，2018，43（12）：34-35.

[作者：王麗（1981-），女，遼寧鐵嶺人，山西大同大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，副教授，碩士。]

【責(zé)任編輯? 楊? ?子】