在教育改革的时代背景下,多媒体技术在学科教学领域的应用越来越广泛。三维模型及其动画作为一种新兴的教育教学辅助手段,因其具备形象、直观、趣味性强等特点,也逐渐被人们应用到教学实际中。但是目前能够应用到教学实践中的三维动画存在资源匮乏、设计不科学、内容不合理等多种问题,这也就是本文研究的重点问题:如何将三维模型及其动画与教学设计有机整合,来发挥其优秀的辅助功能。本文以建构主义学习理论、认知负荷理论及“经验之塔”理论为理论依据,详细阐述及探讨了三维模型及其动画与教学设计有机整合的原则与方法,并以人教版高中生物教材《遗传与进化》第5章第1节《基因突变和基因重组》为例,制作出符合教学设计要求的三维模型及其动画,然后将其应用到教学实践中,检验三维动画与学科教学整合的效果。通过对结果科学合理的分析,本研究得出结论:三维动画在辅助学生理解抽象的概念、掌握复杂的原理方面具有比二维动画更大的作用,能更好的帮助学生主动构建知识,能有效降低学生的认知负荷,优化课堂教学。