Development and utilization of digital / analog teaching materials using 3D image processing and 3D printers for biological education

利用3D图像处理和3D打印机进行生物教育的数字/模拟教材的开发和利用

• 批准号: 22K02988
• 负责人: 有泉 高史
• 金额: $ 2.16万
• 依托单位: Tamagawa University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K02988/
• 关键词: 動物の発生; デジタル教材; アナログ教材; 3D画像処理; 3Dプリンタ; ICT活用; ３Dプリンタ; ３D画像処理

高校『生物』で扱う「動物の発生」は、卵から親への体づくりの仕組みを学ぶとともに、再生医療の技術や課題を理解する上でも重要な単元である。しかしながら、受精卵や初期胚の調達は容易ではなく、観察する時間の制約も受けるため、実際の学校現場で観察や実験を行うことが難しい単元でもある。従来は写真や映像、粘土や木製の模型などが教材として用いられてきたが、生徒の興味・関心を引き付けて探求的に学ばせるには限界があった。本研究課題では3D画像処理技術と3Dプリンタ出力を用い、「動物の発生」に関するデジタル・アナログ補完型教材を開発する。さらに、ICTを通じてこれらの教材を実践的に活用することを目的としている。3年間の研究期間内に、①デジタル教材の作成、②アナログ教材の作製、③デジタル教材とアナログ教材の補完活用による生徒の探究的学習の支援、④膨大な数のデジタル画像のデータベース化によるICT活用教育の加速、の4つの課題に取り組む。令和4年度は上記①デジタル教材の作成と②アナログ教材の作製に必要な画像データの収集に取り組んだ。初めに両生類（ヒキガエル・アカハライモリ）のさまざまな発生段階にある胚を調達し、各種の胚の連続切片を作製した。続いて連続切片を撮影して得られた数千枚以上のデジタル写真をデータベース化した。最後にCTやMRIに用いる医用画像処理ソフトを用いてデジタル画像の処理と編集を行い、3Dモデル作成と3Dプリンタ出力に必要な画像データを収集した。本年度に得られた連続切片の画像データは、次年度に取り組む高精細3Dモデル〔デジタル教材〕と光造形立体模型〔アナログ教材〕を完成させるために利用する。

高中《生物学》中的《动物发育》是学习从卵到父母的身体发育机制以及了解再生医学技术和问题的重要单元。但受精卵和早期胚胎的获取并不容易，且观察时间有限，难以在实际学校环境中进行观察和实验。传统上采用照片、视频、泥塑、木模型等作为教材，但在吸引学生兴趣、鼓励学生探索性学习方面存在局限性。在这个研究项目中，我们将利用3D图像处理技术和3D打印机输出来开发与“动物发育”相关的数字和模拟辅助教材。此外，目的是通过信息通信技术实际利用这些教材。在三年的研究期内，我们将：（1）创建数字教材，（2）创建模拟教材，（3）通过数字和模拟教材的互补使用支持学生的探索性学习，以及（4）通过创建大量数字图像数据库来发展信息通信技术，我们将解决四个问题：加速教育利用。 2020年度，我们致力于收集（1）创建数字教材和（2）创建模拟教材所需的图像数据。首先，他们获取了处于不同发育阶段的两栖动物（蟾蜍和红腹蝾螈）胚胎，并创建了每种类型胚胎的连续切片。然后，他们拍摄了连续切片并创建了包含数千张数码照片的数据库。最后，使用CT和MRI中使用的医学图像处理软件对数字图像进行处理和编辑，并收集创建3D模型和输出到3D打印机所需的图像数据。今年获得的连续切片图像数据将用于完成明年的高清3D模型[数字教材]和立体光刻3D模型[模拟教材]。

项目成果

高校生物「動物の発生」に関するデジタル教材の作成法 ～イモリの発生と結紮実験の高精細動画～

如何制作高中生物数字化教材《动物发育》-蝾螈发育与结扎实验高清视频-

• 发表时间: 2022
• 作者: 有泉高史