Готовый перевод Low-cost 3D Printing for Science, Education and Sustainable Development / Доступная 3Д печать для науки, образования и устойчивого развития: 14. Использование 3D принтеров в школе: эксперимент 3drucken.ch

Грегор Лютолф
ПедагогическийУниверситет Берна (PHBern), Швейцария
gluetolf@gmail.com

3D печать в школе
Недорогие 3D принтеры, внедренные в школьную среду, приводят к возможностям нестандартного обучения. Модели, разработанные на компьютерах, можно напечатать и получить макет в трех измерениях (3D). Теория быстро предстает в виде физических объектов, которые можно потрогать. Ученики имеют возможность заниматься с современными и трендовыми инструментами.

Применение 3D печати в различных школьных предметах, например:
• Математика: Разработка, печать и расчет 3D объектов.
• География: Рельефы [1].
• Искусство: Разработка различных объектов и их печать.
• Естественные науки: Печать моделей молекул.
• Музыка: Печать простых инструментов.

Доступно множество дополнительных опций, ограниченных скорее воображением, чем техническими возможностями. Большое количество 3D моделей можно найти онлайн на Thingiverse [2] или в 3D Warehouse [3].

Рельеф Мэттерхорна, созданный по данным цифровой модели рельефа, распечатан 3D

Описание проекта «Гюгельтаун: ученики распечатывают свой собственный город» [4]
Подготовка проекта

Проект реализовывался с августа 2012 по январь 2013 в течение 16 уроков (каждый по 90 минут) в техническом черчении [5] в 8-х и 9-х классах в Стеффистбурге с учениками 14-15 лет. Под руководством Курта Майстера, школа Стеффисбурга, и Грегора Лютолфома, Педагогический Университет Берна (PHBern).

Прежде, чем запустить проект, была сделана оценка 3D принтеров. Первоначальный вариант, принтер BfB 3DTouch, был ограничен различными факторами. Он был большим, тяжелым, работал слишком медленно, имел плохую точность и основывался на закрытых аппаратных и программных средствах. Будучи активными в социальных сообществах, таких как Google +, и ведя блог на http://3drucken.ch о нашем исследовании, мы решили купить два комплекта для сборки Ultimaker [6]. Этот принтер был признан лучшим продуктом в категории, «Самый точный», «Самый быстрый» и «Лучшее бесплатное аппаратное обеспечение» в ноябрьском выпуске журнала Make в 2012 [7].

Для 3D моделирования требовалось программное обеспечение CAD. После оценки нескольких продуктов, было решено использовать программное обеспечение Tinkercad [8]. Оно было использовано в сочетании с бесплатным инструментом SketchUp [9] с дополнительным программным модулем [10], чтобы экспортировать данные в 3D принтер.

BfB 3DTouch слева, Ultimaker справа

Запуск проекта
Внедрение Tinkercad

Чтобы познакомить учеников с процессом моделирования, им была дана задача сделать эскиз корабля. Все, что у них было в качестве материалов - учебное пособие по Tinkercad. Никаких дополнительных инструкций со стороны учителя.

Эскизы кораблей в Tinkercad, выполненные учениками.

Внедрение SketchUp

Во время последующих уроков, при помощи учебного пособия, ученики были ознакомлены со SketchUp [11].

Первый опыт работы с принтером

Ученики были ознакомлены и постепенно вовлечены в работу с 3D принтером, такую как моделирование, нарезка и печать.

Ожидание первого печатного объекта

Гюгельтаун растет
Вдохновленный проектом kide [12], каждый студент сделал набросок здания для их небольшого городка названного Гюгельтаун. Участки земли (лоты) на карте города имели различные размеры и формировались по отдельности.

Ограничения
Размер объекта был ограничен:
• Смежные лоты (участки со зданиями) не должны перекрываться
• Каждая сторона имеет максимум 20 см
• Трехмерная область – не больше чем 600 cm3

Идеи
Ученики рисуют несколько эскизов на бумаге.

Первый набросок идеи ученика

Размеры
Каждый ученик выбрал один набросок и нарисовал его на предпечатном документе в общем виде. Также они определили размеры для чертежа CAD.

Моделирование при помощи CAD [13]
Используя один из представленных инструментов, Tinkercad или SketchUp ученики шаг за шагом смоделировали свои здания.

Печать
Объекты были напечатаны. Несмотря на оптимальные настройки (заполнение всего 5%) Ultimaker понадобилось порядка 120 часов для печати всех строений. Поэтому большинство из них были завершены в течение ночи.

Печать одного из зданий

Итоговая презентация
Одно из строений выходит на печать
Презентация Гюгельтауна родителям и другим интересующимся людям была организована на последнем уроке. Ученики представили рабочий процесс 3D принтера непосредственно на Ultimaker. Результаты проекта Гюгельтаун и их получение было представлено в нескольких небольших информационных статьях.

Гюгельтаун, представлен на итоговой презентации

Событию было уделено внимание, и кроме того местная пресса [14] заинтересовалась проектом Гюгельтаун.

Заключение - Что мы узнали из этого проекта?
Мы были удивлены высокой мотивацией учеников на протяжении всего проекта. Они почти не пропускали уроки, даже если имели другие важные дела. На основе наших наблюдений и отзывов учеников, доля мотивации появилась благодаря наличию 3D принтера, который дал им возможность превратить свои идеи и модели в реальные объекты. Мотивацию придавали и простота использования свободных программных инструментов, возможность использования ПК лишь два часа в неделю в школе и тот факт, что они были вольны спроектировать здание своей мечты. Некоторые ученики имели больший опыт использования САПР, другие даже дома тратили часы на проектирование. В конце концов, все ученики представили готовые к печати собственные проекты. Так же мы призывали более опытных учеников помогать своим коллегам.

Расходы и временные затраты
3D печать в школе предполагает большие временные затраты. Приобретение и сборка принтера достаточно длительны. Кроме того, необходимо ознакомиться с управлением принтера. Было бы неплохо еще наладить сотрудничество между школой и центром консультаций и обучения. В таком предприятии центр может оказать техническую поддержку, а школа запланировать образовательную подготовку.

Для сборки Ultimaker в Педагогическом Университете Берна, потребовалось приблизительно два дня (сборка осуществлялась в рабочее время). Работа потребовала много времени от учителей, но это оказалось удачной инвестицией, ведь они разобрались в технике 3D принтера, что пригодится для устранения неисправностей в будущем.

Общие расходы составили 3500€. Большинство затрат были оплачены Педагогическим Университетом Берна, в том числе часы работы Грегора Лютолфа. Расходы на каждый комплект сборки Ultimaker составили примерно 1500€. Позже были куплены инструменты и пруток для печати (PLA) еще за 200€. Пруток для печати стоит около 30€/кг. Школа Штеффисбурга оплатила около 150€ для печати карты города и финансировала итоговую презентацию.

В этом подсчете не учитываются многие часы работы, проведенные за сборкой Ultimaker, освоением управления 3D принтером и изучением всего процесса от идеи до конечной печати.

Некоторые детали комплекта для сборки Ultimaker

Дидактическая концепция
Независимое обучение возможно в течение всего процесса. Начиная от идеи и заканчивая напечатанным объектом. 3D принтер – безопасное устройство и абсолютно не представляет угрозы для учеников при использовании. Итеративный процесс удобен для занятий, потому что эскизы могут быть изменены и перепечатаны в любое время. Следовательно, продукт может быть разработан шаг за шагом. Кроме того, это хорошая альтернатива стандартному обучению "чтением и письмом", ведь эта работа скорее "учись действуя".

Печатные 3D модели
Цифровые 3D модели могут быть реализованы тремя различными способами:
- с помощью программного обеспечения CAD на компьютере,
- получены в результате сканирования реального 3D объекта, или
- сгенерированы кодами.

Чтобы быть печатаемыми, цифровые модели должны соответствовать каждому заданному критерию по сравнению с только выведенными на экран. Необходимо обратить внимание на недопустимость пробелов (дыр) в моделях, поверхности должны быть выровнены. Элементы, которые являются филигранной работой, могут потеряться в процессе нарезки. Также необходимо избегать сильного удлинения нависающих краев, они должны быть дополнены автоматически сгенерированными опорами.

Долгосрочная цель: Fab Lab в школе
Fab Lab – высокотехнологичная мастерская, где можно найти оборудование, такое как 3D принтеры, станок для лазерной резки и CNC машины. Первая Fab Lab была инициирована в 2002 году Нилом Гершенфелдом в Массачусетском Технологическом Институте (MIT). В настоящее время множество таких же Fab Lab широко распространены в мире [15]. Fab Lab в школе обеспечивает доступ к этим современным производственным процессам всем заинтересовавшимся ученикам.

1 http://www.3drucken.ch/p/reliefs.html
2 http://www.thingiverse.com/
3 http://sketchup.google.com/3dwarehouse/?hl=en&ct=lc
4 http://www.3drucken.ch/p/gueggeltown.html
5 http://www.3dgeometrie.com/
6 http://ultimaker.com/
7http://www.makershed.com/Make_Ultimate_Guide_to_3D_Printing_p/1449357377 .htm
8 https://tinkercad.com/ (closed March 26th, 2013)
9 http://www.sketchup.com/
10 http://www.guitar-list.com/download-software/convert-sketchup-skp-files-dxf-or-stl
11 http://www.3dgeometrie.com/2011/03/sketchup-grundlagen-der-bedienung.html
12 http://www.playkide.com/
13 http://www.3dgeometrie.com/2012/11/gueggeltown-von-der-2d-skizze-zum-3d.html
14http://tt.bernerzeitung.ch/region/thun/Schueler-drucken-ihre-eigene-Stadt/story/ 24268666
15 http://fab.cba.mit.edu/about/labs/

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/41907/160960

Переводчики: Woolpit, radical_dreamer, alex_itz