三维模型及其动画在生物教学设计中的应用
学习、工作和生活的各个领域中都被充分而广泛地使用着。多媒体技术不仅改变了人们获取信息、处理信息和使用信息的方式，还使得人们的学习方式发生了重大的改变。随着20世纪90年代教育信息化概念的提出，信息技术在教育领域的发展非常迅猛。多媒体计算机、多媒体软件、多媒体网络等信息技术手段已经成为现代教学过程中不可或缺的组成部分。三维模型及其动画作为一种新兴的教育教学辅助手段，也被逐渐应用到教学过程中，其具备形象、直观、趣味性强等特点，能够进一步改善人们的认知方式，改善教育信息的传播方式。
一、三维模型及其动画简介
三维模型是指用计算机或者其他视频设备显示物体，显示的物体既可以是虚构的物体，也可以是现实的实体。本文所指的三维模型是指用计算机进行建构的。
三维动画的制作是建立在三维模型的建构的基础上。三维动画的制作流程是首先利用三维动画软件建立一个虚拟的世界，在虚拟世界里构建三维模型及场景，再赋予模型特定的材质，然后设计模型运行的轨迹，虚拟摄像机的位置，打上灯光，最后渲染完成，就生成了三维动画。
目前在国内较为普遍的应用于三维建模、动画制作和渲染的软件之一为3ds Max。虽然其应用范围广泛，但是界面复杂、操作难度很大，不适合在高中一线教学中进行推广应用。由Corel公司开发的一款名为Corel Motion Studio 3D的三维软件，界面直观，辅助面板简单，容易上手，适合专业基础比较薄弱的人员使用，而且其具备丰富的模板和粒子特效，直接套用就可以做出丰富多彩而且非常专业的三维动画，完全可以满足高中生物课堂教学的需要。因而下面实例中应用的3D软件为Corel Motion Studio 3D。
二、三维模型及其动画在生物教学设计中应用的优势
利用三维模型及其动画可以在教学中创设更为复杂的问题情境，从而可以开拓学生的视野，突破学生的想象局限，对于启发学生构建三维空间模型、培养学生的三维想象能力与抽象逻辑思维能力是非常有效的。
高中生物教学中的部分内容，例如，细胞的代谢、遗传的基本规律与细胞学基础、生命活动的调节等，由于与学生的实际生活经验有所差距，并且非常微观、抽象，因而学生学习起来具有一定困难，而教师讲授起来也缺乏良好、有效的资源与技术支持。为了将这部分知识情境化、具象化，让学生有能力通过主动建构过程理解并掌握这部分知识，在教学中合理利用三维模型及其动画就显得很有必要。
三维模型及其动画在揭示微观的现象、抽象的概念及原理时可以将其以可视化的方式呈现出来，能够揭示出外在现象与内在规律之间的逻辑联系，能够帮助学生透过现象剥离出本质，从而突破思维上的障碍，拓展学生思维的广度和深度。
三、三维模型及其动画在生物教学设计中的应用实例
下面以“基因突变和基因重组”一节为案例，进行三维动画在教学设计中的应用研究。
（一）教材分析及学情分析
“基因突变和基因重组”一节是人教版高中生物教材必修二“遗传与进化”第5章“基因突变及其他变异”第1节的内容。必修二前四章，从分子水平阐述了遗传规律、基因的本质、基因的位置、基因的复制和表达过程，即从本质上阐述了基因是如何稳定遗传的。第五章则从变异的本质入手进行阐述，既是前四章的延续，又为后面学习进化的理论打下基础。
基因突变和基因重组属于生物可遗传变异的来源之一。这部分内容非常微观、抽象，学生学习起来难度很大，主要困难在于学生不能将变异与相关的细胞学基础相结合，缺乏在三维空间上将基因与染色体结合起来的想象力与经验。而这部分知识在高考中又属于重点考查的内容，经常出现将变异与细胞分裂结合起来考查其基本原理的题目。基于以上原因，尝试设计有关基因突变和基因重组的细胞学基础的动画，从变异的发生机理角度，帮助学生理解相关概念与原理，主动构建知识，从而改变学生在以往的学习过程中由于知识呈现方式的限制而形成的二维空间的定式思维，促进学生思维上的转变。
（二）三维模型及其动画设计
1.三维模型构建
根据教学内容的要求，主要需要构建以下三维模型：细胞（如图1）、染色体（如图2）。在后面的不同动画中，上述模型需要根据要求复制不同的数量，调整色彩、大小、透明度、扭转程度等参数。
2.三维动画设计
本节一共需要设计三个教学动画，分别是基因突变、基因重组中的自由组合方式、基因重组中的交叉互换方式。
第一个教学动画是基因突变动画设计：首先呈现细胞和内部的染色体，此时的染色体没有复制，还没有姐妹染色单体，同时隐藏DNA及文字说明，旋转展示整个细胞（如图2）。然后拉近细胞，拉近染色体，使染色体逐渐消失，DNA逐渐出现（如图3）。DNA出现以后，也先旋转一圈整体展示，然后完成DNA的正常复制。DNA正常复制后，将正常的DNA分子缩小拉到屏幕左上方，在屏幕的中间继续展示DNA的异常复制。基因突变的时候，DNA的异常复制会出现碱基对的替换、增添和缺失三种情况，依次展示相应的DNA分子，展示完后缩小拉到屏幕右侧。最后，让DNA消失，再呈现复制后的染色体。先让正常的DNA逐渐消失，带有基因D和d的染色体逐渐出现；再让基因突变的DNA逐渐消失，带有基因D和d的染色体逐渐出现。
第二个教学动画是自由组合导致的基因重组，设计内容为：利用两个相同的细胞同时展示减数分裂过程，直观地对比非同源染色体上的非等位基因的自由组合情况，因而需要复制双份模型进行展示（如图5）。首先展示减数第一次分裂的间期，染色体经过复制具有姐妹染色单体，新复制出的染色单体上的基因与原来的相同。然后进入减数第一次分裂的前期，其主要特征是同源染色体联会形成四分体。由非同源染色体的自由组合导致的非等位基因的重新组合发生在减数第一次分裂的后期，两个细胞分别展示两种不同的重组方式。最终，两个细胞分别经过减数第二次分裂，共产生8个4种类型的配子。
第三个教学动画是交叉互换导致的基因重组。在减数分裂形成四分体的时期，位于同源染色体上的等位基因会随着非姐妹染色单体的交换而交换，从而导致姐妹染色单体上的基因重组。这个教学动画的设计可以基于上一个动画，首先将原动画中的其中一个细胞去掉，只保留一个细胞。然后将染色体的一条姐妹染色单体进行修改，将颜色调整为一半红色，一半绿色。由于Corel Motion Studio 3D软件自带的模板不能实现一个模型上赋予两种颜色，因而为了制作染色单体的不同颜色效果，可以利用Windows 7系统自带的画图软件先画出双色框，然后再通过“属性面板”中的“材质”选项来实现修改颜色的效果。修改完成后的减数第一次分裂前期染色单体交叉互换呈现画面。最终，减数第二次分裂结束后，一个精原细胞共产生4个4种配子。
三维模型及其动画在高中生物教学设计中的应用效果非常好，具有生动、形象、提高学生学习兴趣、活跃课堂学习气氛等优点，在辅助学生理解抽象的概念、掌握原理的内涵和外延方面具有比二维动画更大的作用，能更好地帮助學生主动构建知识，能有效降低学生的认知负荷，优化课堂教学。
在当今教育改革的时代背景下，信息技术与学科教学的结合将越来越紧密。希望更多生物教师及信息技术研究人员能意识到三维模型及其动画在教学设计应用中的广阔天地，进而投入研究和开发中去。