1 前言
1.1 研究背景
1.1.1 工程学融入生物教学利于创新型人才培养，指向生物课程改革的需求
STEAM 教育（science 科学、technology 技术、engineering 工程学、art 艺术和 math 数学）是当今国际科学教育研究的发展趋势之一，是为培养具有问题解决能力和创造能力的创新型人才而推出的新教学理念。STEAM 教育围绕富有创造性的学习活动，强调基于真实情境，在科学与工程学实践中运用跨学科知识解决问题。
STEAM 教育的关键要素是工程学，工程学中的创意、设计、实践和产品等特征为教学目标的实现提供支撑。工程学以设计为核心，利用设计模型解决问题，在建构模型过程中需要融合科学、数学和技术等跨学科的知识与技能，通过此方式培养学生创新、实践和问题解决能力。
我国 2017 年版小学科学和高中生物课程标准明确提出工程学的学习要求。《普通高中生物学课程标准（2017 版）》基本理念之一是教学过程重实践，强调通过探究性学习活动或完成工程学任务，加深对生物学概念的理解，提升应用能力，并且在课程内容中，2017 版生物课程标准将“生物技术与工程”作为独立的选修模块（中华人民共和国教育部，2017）。
目前，工程学对大部分生物教师而言十分陌生，实践经验不足，开展工程学教学并指导学生进行工程设计有一定难度，并且可参考的相关教学案例等资源较匮乏。
........................
1.2 研究现状
1.2.1 生物模型的发展历程
美国等国家重视模型教学，在美国《国家科学教育标准》中将模型和科学事实、概念等并列为科学主题的重点（美国国家研究理事，1999）。在 20 世纪 30年代，贝塔朗菲提出用模型的方法来研究生命现象（康义，1999）。随着技术的发展，丰富逼真的实物模型、计算机模拟模型等广泛用于科学教育中。
我国生物模型的发展从教具开始，1978 年，教育部发布《教学仪器配备目录》，各学校陆续配备相关教学用具（刘济昌，2011）。随着信息化技术和互联网的发展，教学软件和教学技术在教学中广泛使用，丰富了教具的内容与形式。模型开发研究从实物材料建模到基于计算机软件构建动态模型的变化，信息技术起到了推动作用（赵萍萍和刘恩山，2015）。生物模型教学也从平面教具、立体教具演示到重视建模过程的演变。在教学中学生直接或间接参与到模型的建构中，如开展制作水果细胞模型活动，教师组织学生以小组的形式构建细胞模型，在学生亲历建模整个过程中，发现学生对细胞结构的认知误区，再进一步引导学生探究设计模型，进而构建完整的细胞结构，形成结构与功能观（拦生发，2017）。
从生物模型的发展历程可以看出，现代教育技术对生物模型的影响较大，促进了生物模型的开发与建构教学，并且模型注重动态化及立体性，建构的过程注重学生的认知规律
1.2.2 工程学教学
工程学是指解决人类需求问题为导向进行设计的过程。2009年，为培养人才的创新力和竞争力，美国不断扩大和强化 K-12 工程学教育并进入基础教育。2013 年发布的美国“下一代科学教育标准”（NGSS）将工程设计与生命科学和物理等设置为同等地位的学科，强调通过科学与工程学的实践加深对核心概念的理解，促进 STEM 教育的发展。
........................
2 理论概述
2.1 概念界定
2.1.1 模型与物理模型
模型的概念定义很多，普遍认同的是《美国国家科学教育标准》对模型的定义：“模型是和某一具体物体、实际事件或一类事物相关联的并且具有解释功能的试探性结构或体系”（美国国家研究理事会，1999）。人教版教材《分子与细胞》模块中指出：“模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所作的一种简化的概括性描述”（人民教育出版社课程教材研究所，2009a）。模型有别于真实的原型，通过对原型的模仿和抽象化、理论的具体化，将理论与实践相联系（崔敏霞，2010）。因此，模型是在原型的基础上进一步简化和抽象化的载体。
模型可按功能、性质、状态、用途等不同将其分类。在生物学科中，最常见的分类方式是按性质分类，即物理模型、数学模型、概念模型。具体定义和实例如表 2-1。物理模型是呈现生物事实性概念的实物模型，直观形象的体现生物的结构特征。而概念模型是基于观察分析构建概念之间的层级关系，数学模型是常用的方法。三种模型之间，物理模型是概念模型和数学模型的基础，在学生掌握模型与建模方法中至关重要。
......................
2.2 理论基础
2.2.1 认知学习理论
认知学习理论是通过人的认知过程来探索学习规律的理论（张春兴，1998）。主要代表有布鲁纳的发现学习论和奥苏伯尔的意义学习论，其观点都强调学生是学习的主体，通过积极主动的探究将已有的知识进一步系统化或者用于学习新的知识，提高学生的认知发展水平（刘恩山，2009c）。
该理论对本研究的启示是：在 3D 模型开发方面，生物模型的建构要关注学生认知过程，基于学生已有的认知水平选择适当的内容与呈现方式。与静态模型相比，将模型设计为动态的模型更有利于学生构建概念体系。在教学应用方面，教师应采用多样化的教学方法和呈现形式组织教学，调动学生学习积极性，使学生主动参与到学习中，通过生物模型建构，形成生命观念，提升思维能力。以有丝分裂为例，学生的认知发展从观察洋葱根尖细胞分裂的事实性材料中，初步感知有丝分裂的变化过程。在 3D 染色体模型构建过程中，理解各时期的特征及生物学术语，进一步分析整理可形成有丝分裂的概念体系，为后面学习减数分裂奠定基础。通过 3D 生物模型为媒介，有效的帮助学生进行概念构建，发展思维逻辑能力。
2.2.2 建构主义理论
建构主义理论是在认知主义学习理论上发展而来的。建构主义知识观强调知识处在不断发展中，基于不同的情境，需要被重新建构（刘恩山，2009c）。学生在日常生活学习中积累了一定的知识，在生物学习中，会在已有的认识上进行构建，充实完善知识体系。建构主义学习观方面，强调学习者的经验，注重以学习者为中心，创造冲突的真实情境，开展互动的学习方式（刘恩山，2009c）。在建构主义教学观方面，强调从学习者的经验出发，调整师生角色，布置良好的学习情境，鼓励学习者进行反省和思考，重视合作的学习方式（刘恩山，2009c）。
该理论对研究的启示是：模型与建模作为学生学习方式之一，在 3D 模型开发时，考虑学生的经验和兴趣爱好，构建个性化模型。教师在利用 3D 技术和 3D模型教学时，应创设良好的学习情景，激发学生思考并主动探究模型构建的过程与方法。
..........................
3 现有生物物理模型研究 ......................................... 14
3.1 生物模型分析 ..................................... 14
3.1.1 购置生物模型 ..................................... 14
3.1.2 自制生物物理模型 .......................... 17
4 3D 打印生物模型的开发及利用 ......................................... 29
4.1 3D 打印生物模型的开发原则 ..................................... 29
4.1.1 科学性原则 .................................. 29
4.1.2 相似性原则 ................................. 29
5 结论与展望 ........................................ 67
5.1 结论 .................................... 67
5.2 不足与展望 ............................... 68
4 3D 打印生物模型的开发及利用
4.1 3D 打印生物模型的开发原则
结合生物物理模型构建和 3D 打印技术特点，建构 3D 生物物理模型时应遵循科学性原则、相似性原则、简明性原则、灵活性原则和艺术性原则。
4.1.1 科学性原则
生物模型是基于生物原型的基础上进行抽象、简化的模型，反映原型的基本特征，包括形状、大小、结构、颜色等（崔敏霞，2010）。不管建构何种生物模型，科学性是首要的。生物物理模型是传播知识的载体，模型的错误将直接导致学生对生物结构与功能的错误认知。因此，在构建生物模型时要确保模型无科学知识性错误。3D 打印建构的模型数据精确，结构形态等均能很好呈现，使模型的科学性更加准确。
4.1.2 相似性原则
模型是在生物原型的基础上构建的，必须体现模型的主要特征，其基本的形态结构要与原型相似。相似性原则可以使 3D 打印生物模型在一定程度上替代原型模型，将原型按比例放大，将微观的生物结构实物化呈现。
4.1.3 简明性原则
模型一般都是原型的简化，教师根据需求将原型模型结构进一步删减，或者将其中最复杂的结构演示其原理（谢秀丽，
2018）。比如，在初中生物教学中，对细胞结构只要求知道最基本的细胞膜、细胞核、细胞质，其中的细胞器并不做具体要求，在 3D 建构模型的时候只需要选取细胞对应的关键结构。在高中生物教学中，对学生认识细胞提出更高要求，特别是细胞器的结构与功能相统一。教师此阶段 3D 建构模型则主要体现
