小中学校の教室における3Dプリントの問題について考える

教室での3Dプリントについての考察

△写真：北京慧天威紅瑞3Dプリンター

2015 年 12 月 4 日、Zibo Maker Space は山東省淄博市張店区の OCT 小学校で共有イベントを開催しました。共有活動中、私は意識的にいくつかのアンケートを追加しました。1時間で、12校の教師が3Dプリントコースの実施中に遭遇した問題、これらの問題を解決するための方法と提案、および将来の開発方向を共有しました。これらの共有を整理したところ、問題は主に設備、教師、コースの 3 つの側面に集中していることがわかりました。これら 3 つの問題に関する私の考えは次のとおりです。

機器の問題

1. 機器の故障: プリンターのノズルの詰まりは最も一般的な問題であり、この問題は現場のほぼすべての学校で発生しています。その理由は、現在学校に配備されている3DプリンターのほとんどがFDM方式のデスクトップ型3Dプリンターであり、使用中にノズルが詰まりやすいためです。軽微な問題は、スチールワイヤーで直接解消できます。深刻な問題の場合は、ノズルを取り外して修理する必要があります。それでも問題が解決しない場合は、メーカーに修理を依頼する必要があります。一部のメーカーはこの技術的問題を解決しました。たとえば、Zibo Maker Space R&D チームの改良されたノズル構造により、この技術的問題は解決されました。
この共通の問題を振り返ると、3D プリントを教室に導入するには、3D プリンターメーカーのサポートが絶対に必要です。近年、3Dプリンターの価格は数千元まで下がっていますが、機械の価格は一面にすぎません。キャンパスで3Dプリントのコースを開講するには、多くの作業が必要です。しかし、現在の 3D プリンターにはまだ多くの欠点があります。

2. 印刷操作が面倒で、印刷速度が遅い。完成した作品の印刷プロセスには、作品が完成した後にモデリングソフトウェアを使用してSTLファイルを生成し、スライスソフトウェアでスライスし、印刷された作品の形状特性に応じてサポート、ベースプレート、充填などの多くのパラメータを調整し、Gコードファイルとして保存してから、コンピューターに接続するか、SDカードにコピーすることが含まれます。プロセス全体が完了するまでに長い待ち時間が必要です。 3Dプリンターの印刷速度は非常に遅いです。10cm×10cm×10cmのモデルをもう少し正確に印刷したい場合、通常は数時間かかります。小型モデルの場合、加熱開始から印刷完了までに少なくとも 30 分かかります。授業中にフィードバックを提供することが難しく、教育効果が損なわれます。 Word 文書を印刷するのと同じように、「印刷」ボタンをクリックするだけで 3D プリントが数分で完了するようになれば、教室に入るための技術的なハードルは大幅に下がるでしょう。
3D プリントコースを導入した学校からのフィードバックによると、多くの教師が好奇心から 3D プリンターを学習して使用していますが、操作が面倒なため敬遠する教師もいます。印刷速度が遅く、期待した授業効果を得るのが難しいため、一部の教師は諦めました。印刷された作品の質の低さを見て失望して去っていく教師もおり、結局、粘り強く続けることができた教師は多くありませんでした。
この問題について考えてみると、3D プリントを教室に導入するには、まず適切なモデリングソフトウェアを選択する必要があることがわかりました。一般的なモデリングソフトウェアには、Solidworks、Rhino、Sketchup、Autodesk などがあります。入門教育では、ほとんどの学校が Sketchup を選択します。これは、Sketchup がオープンソースソフトウェアであり、インストールパッケージが小さく、コンピューターシステムに対する要件が高くなく、普及に適しているためです。現在、江蘇省常州市天寧区の関学先生が率いるチームが対応する教科書を編集し、出版している。さらに、Autodesk の 123D も優れたエントリーレベルのソフトウェアです。 Autodesk の教育用ソフトウェアは、商用目的で使用されない限り無料です。 123D Catchでは写真を使って簡単に3Dモデルを作ることもできます。欠点としては、このソフトウェアには中国語版がないので、英語が苦手な先生にとっては使いにくいという点です。 OpenScad もオープンソースソフトウェアです。浙江省温州中学校の謝作如先生のチームが開発した 3D プリントコース「数学的観点からの 3D プリント」は OpenScad に基づいています。
適切なスライスソフトウェアを選択する必要もあります。Repetier-Host は、Repetier が開発した無料の総合 3D 印刷ソフトウェアです。スライス、G コードの表示と変更、3D プリンターの手動制御、特定のファームウェアパラメーターの変更、その他の小さな機能を実行できます。 Repetier はスライスエンジンを提供していませんが、代わりに CuraEngine、Slic3r、Skeinforge などの他のスライスソフトウェアをソフトウェアの外部で使用してスライスを行います。類似のソフトウェア（Printrun や Repelicator-G など）の中では比較的使いやすいものだと思います。
印刷速度が遅いという問題を解決するために、Zibo Maker Space チームは、学生の 3D 印刷に対する理解に影響を与えない粘土 3D プリンターを開発しました。粘土材料の 3D プリンターは、半流体堆積モデリングの原理に従って動作します。加熱処理をせずに押し出し装置からノズルに粘土を押し込み、ノズルが部品の断面輪郭と充填軌道に沿って移動し、周囲の材料と結合して形状を形成します。この方法には5つの利点があります。まず、成形速度が速いです。粘土ノズルを厚くすることができ、各印刷層の高さを非常に高くすることができ、印刷速度を上げることができます。 3Dプリントの原理に対する学生の理解に影響を与えることなく、学生がデザインした作品を授業中に印刷できるため、教育に関するタイムリーなフィードバックが得られます。第2に、高温加熱の必要がなく、安全性が保証されています。第3に、原材料を再利用できます。第4に、原材料は安価で入手しやすいです。第5に、粘土の特性により、作品を印刷した後、印刷に基づいて再度加工することもでき、芸術と技術の完璧な組み合わせを実現します。

3. モデルの印刷が難しいという問題。現在の 3D 印刷技術は、どんなデザインでも簡単に印刷できるほどには発達していません。 3D プリントコースでは、リンゴの木など、興味深いモデルを多数設計した学生もいました。美しい作品ではありましたが、印刷中にサポートを追加するのが難しいと感じました。特別なサポートなしでは印刷できない、突出部分や張り出した部品を持つモデルも数多くあります。これらの奇妙なモデルを印刷するには、教師と生徒がプリンター自体に精通し、さまざまなパラメータ設定と動作原理を理解している必要があります。

教師の問題

3Dプリントコースを提供する学校では、ほとんどの教師が情報技術の教師で、美術の教師は1人だけです。彼女は、淄博市美術教育研究フェローのビ・フアン氏のデジタルアートチームのメンバーです。彼女のチームは情報技術分野を統合してデジタルアート教育を実施し、上海カーニバルや北京カーニバルで輝いた多くの創造的な作品を学生に作らせました。
この問題を振り返ると、3D プリントが実現可能となるためには、学際的な方法で教室に導入される必要があると思います。例えば、美術の授業と組み合わせることで、デザインベース学習（DBL）を実現できます。生徒たちは、自身のデザイン意図に基づいて、一連の学習と研究を経て3Dプリンターの助けを借りて独自の作品を完成させ、デジタル方式で芸術的創造のプロセスを体験することができます。
3Dプリントは数学と組み合わせることもできます。謝作如先生は、3Dプリントと数学を組み合わせることの利点をいくつかまとめました。(1) 授業中、学習者は3Dプリント技術を使用して特定の物体を見ることができます。これは、数学は生命から生まれるという概念を反映しています。（２）３Dモデルの助けを借りて、空間的想像力が欠如している学習者でも、実際の認知プロセスを経験することができます。（３）３Dモデルを作り、それを印刷することで学んだ知識が正しいかどうか検証することができます。（4）学習者は学んだ知識を活用して3Dプリントを通じてイノベーションを起こし、テストすることができ、イノベーションの過程で知識を昇華させることができます。 3Dプリントは物理学と組み合わせることもできます。上海星志中学校のChen Ling先生は有益な試みをしました。彼は、3D プリント技術を自身が教える物理学の科目と組み合わせ、関連する教材や実験装置を印刷し、創造的な物理学の実験を完成させました。
上記の例から、3D プリント技術が本当に教室に導入されるのは、技術系科目以外の科目の教師がそれを習得し、教育に応用した場合のみであることがわかりました。

コースに関する質問

3D プリントを初めて教室に導入した教師は、当初はオンラインのビデオチュートリアルから 3D プリント技術を学んだが、これらのコースは技術に重点を置き、ソフトウェアの取扱説明書のようなものだったと述べています。適切なコース設計がないため、学生が学習するのに適していません。 3D プリントコースの設計では、学生がより基本的なことを理解できるようにする必要があります。たとえば、点が移動して線を形成し、線が移動して面を形成し、面が移動して物体を形成することを学生に理解させ、これに基づいて学生の学習特性に適したコースをいくつか開発します。

1. 生徒が 3D プリントについて継続的に学習できるように、実際のニーズに基づいて 3D プリントのレッスンをどのように設計するかが問題です。生徒たちは3Dプリントの基本的な操作を学んだ後、淄博第一中学校の李昊先生の指導のもと、クワッドコプターの作り方と3Dプリントソフトウェアを使ったブラケットの設計方法を学んだ。他の教師は、教室の本棚に取り付ける取っ手を設計したり、壊れた蛇口のボタンを交換するために蛇口のボタンを印刷したりするなど、生活上の問題を解決するために 3D プリントを使用するよう生徒を指導します。
3D プリントのレッスン設計には、測定の知識を取り入れることができます。この種の 3D モデリングは設計要素をよりよく反映し、生徒が正確な測定の重要性を体験できるようにします。学生たちは、測定における「誤差」を理解するこの方法により、物理学の教科書で学んだ「誤差」の概念よりもはるかに深い理解が得られたと報告しました。 3D プリンティングコースの設計により、3D プリンターを高級製品ではなく、私たちの生活に役立つツールとしてより適切に位置付けることができ、教室への導入が容易になる可能性があります。

2. アートデザインのニーズに基づいた 3D プリント授業設計華僑城小学校の教師である Yu Kai 氏は、生徒たちが 3D プリントソフトウェアを使用して独自のタングラムデザインを完成させるよう指導し、パーソナライズされたタングラムパズルを組み立てられるようにしています。教師の中には、自分の校章をモデリングソフトウェアにインポートし、生徒に独自の 3 次元校章をデザインさせる人もいます。別の講師は、Web レリーフ作成ツールを使用してさまざまなスタイルのレリーフ効果を実現する方法 (http://3dp.rocks/lithophane) と、独自の写真を印刷してペンホルダーにレリーフ効果を生成する方法を紹介しました...
これらの授業設計を振り返ってみると、第一線の教師たちも積極的にさまざまな教授法を試していることがわかりました。より多くの教師が参加することで、3Dプリントコースは間違いなくますます豊富になるでしょう。
つまり、教師の試みを通じて、3Dプリント教育は、インターネットからダウンロードした精巧なモデルを印刷するというクールな段階を飛ばし、シナリオ導入、精密なツール測定のデータ収集、実際の問題を解決するために必要な数学に基づくモデル設計の段階に入りました。おそらく、これはSTEMコースの「エンジニアリング」の概念に近いでしょう。
（著者：于芳軍、所属：山東省淄博市博山区汕頭中央学校）

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