南極熊注：この記事は、華北理工大学の准教授兼修士課程の指導者である胡福文氏によって寄稿されました。3Dプリントの革新的な教育について深く考察しており、じっくり読む価値があります。
3Dプリントはデジタル直接製造技術として、従来の材料条件、製造条件、設計空間による人々の創造性の制約を打ち破り、「ものづくり、材料づくり、アイデアづくり」を無制限かつ国境のないものにしています。 3D プリント技術を学び、習得することは、学生の革新的かつ創造的な可能性を刺激し、革新的かつ創造的な能力を向上させ、新しい学習体験を生み出す上で非常に重要です。コンテンツのイノベーションを中核とし、メーカースペース、イノベーションワークショップ、STEAMコース、革新的かつ創造的なコンテストなどのマルチフォーマットプラットフォームを活用し、知識主導型、実践型、イノベーション主導型、総合的なクリエイティブ3Dプリントイノベーション教育カリキュラムマトリックスを開発・構築することは、3Dプリントイノベーション教育の内包の発展を促進する効果的な方法です。
3D プリンティングは、世界を変える破壊的技術として歓迎されており、人々の生活や生産のあらゆる分野に急速に応用されています。 3Dプリントはデジタル直接製造技術として、「減算」処理や「等材料」処理などの従来の製造条件による人々の革新的創造力に対する制約から最大限に解放し、革新と創造の敷居を大幅に下げ、革新の普及を推進する重要な技術プラットフォームとなっています。 3D プリント技術を学び、習得することは、学生の革新的かつ創造的な可能性を刺激し、革新的かつ創造的な能力を向上させ、新しい学習体験を生み出す上で非常に重要です。米国、英国、そして我が国の政府、学校、関連企業は、資金、政策、技術の面で3Dプリント技術を「キャンパス、教室、研究室」に推進するための強力な支援を提供し、3Dプリントの革新的な教育の発展を促進するための良好な基盤を築いてきました。しかし、多くの先端技術の開発と応用と同様に、3D プリントの「技術的優位性またはツールの優位性」から「コンテンツの優位性またはイノベーションの優位性」への発展と進化は、期待されたほど理想的ではありません。当然、これには多くの理由がありますが、最大のボトルネックはコンテンツの革新性の欠如です。この記事では、コンテンツイノベーションの観点から、3D プリントの革新的な意味合いの発展を促進するための関連戦略を探ります。
1. 3Dプリントの技術的利点
3Dプリント技術が世界を変える破壊的技術として称賛される理由は、「デジタル化、直接性、自由化」という製造業本来の利点と深く関係しています。従来の「減算型」切削製造、「等材料」成形製造などの技術と比較して、3D プリント技術には、「考えた通りのものが得られる」、「設計が製造である」という技術的利点があります。
（１）成長に基づく製造原理は、３Ｄプリンティングを推進し、従来の製造条件の制約を打ち破り、「創造」を無限にすることを目指しています。
従来の「減算型」切削製造（旋削、フライス加工、平削りなど）や「等材型」成形製造（鋳造、スタンピング、引き抜き、溶接など）では、操作の実施プロセスは対象物構造の複雑さと厳密に関係しています。対象物構造が複雑であればあるほど、実施プロセスも複雑になり、オペレーターの技術要件が高くなり、製造コストも高くなります。従来の製造プロセスは、工具や金型の形状によって制限されており、複雑な曲面、特殊な形状の深穴構造、閉じた中空構造、微細孔結晶配列構造などを製造することができません。しかし、3Dプリンティングや積層造形の場合、単純な円筒を印刷する場合と、同じ体積の中空の花瓶を印刷する場合の材料費や時間などはほぼ同じであり、オペレーターの技術的要件にも違いはありません。つまり、図1に示すように、3Dプリンティングの複雑さの限界費用はほぼゼロです。デジタル直接製造や自由製造など、3Dプリントの利点は、人々の創造活動に対する従来の製造条件の制約を打ち破り、複雑で個性的なオブジェクトの作成において明らかな比較優位性を持っています。従来の加工方法では作成できないオブジェクトが、3Dプリント技術を通じてますます多く製造されています。
図1 3Dプリンティングと従来の製造方法の比較
（２）デジタル材料複合の原理が3Dプリントを推進し、従来の材料条件の制約を打ち破り、「材料創造」を無限にしました。
従来の「減算型」切削製造（切削、フライス加工など）プロセスでは、大量の切削片が発生することがよくあります。一部の航空宇宙構造材料の切削除去率は95％にも達し、間違いなく原材料の膨大な無駄になります。それに比べて、3Dプリントは原材料の98％以上を製品に変換できるため、材料を節約する加工技術です。さらに、3Dプリンティング技術は、複数の材料の任意の配合や組み合わせも実現できるため、負膨張メタマテリアル、負ポアソン比メタマテリアル、電磁メタマテリアル、マルチスケール複合材料、マルチマテリアル機能性材料などの人工メタマテリアルなど、独自の特性と機能を備えた新しい材料を生み出すことができます。バイオメディカル分野では、3D プリントによって「材料創造」に前例のない空間が開かれました。3D プリント技術によって、生物活性、生体適合性、生理学的機能性、生体熱力学的特性を備えた「新材料」がますます多く生み出され、3D プリントは「材料創造」から「創造」へと進化しています。
図2 3Dプリントの創造空間
（３）自由な構築モデルの原理は、３Dプリントを推進し、従来の設計空間の制約を打ち破り、「創造性」を無限にします。
3Dプリントは、あらゆる形状の3次元デジタルモデルを物理的なオブジェクトに加工することができます。その3次元データソースは、まずデザイナーの3次元デジタル設計から得られ、次に3次元スキャナーによる物理的なオブジェクトの逆モデリングによって得られます。また、数学モデリングソフトウェア、ビッグデータ、仮想現実の相互作用を通じて、通常の人間の思考空間を超える「スーパーモデル」を生成することもできます。つまり、3Dプリントは従来の設計空間の制約を打ち破り、「創造性」を無限にし、一般の人々、多職種、専門家が創造的な設計活動を行うことを可能にします。第二に、3Dプリントの技術的利点に基づいて、組み立ての少ない/まったくない設計、既存の物理的オブジェクトの拡張に基づく強化された設計、数学モデル/ビッグデータ/仮想現実によって駆動されるスーパーモデル設計、微結晶構造に基づくマルチスケール設計、材料複合に基づく機能統合設計など、人々が設計に幅広く参加する過程で、多くの新しい設計概念と理論が生まれました。図 3 は、既存の物理的なオブジェクトの拡張に基づいて強化された革新的なデザインの例を示しています。ここで、(a) はグルーガンを拡張するように設計された脚、(b) は既存のルービック キューブの表面に取り付けられた 3D プリントの形状で、ルービック キューブを「盲目的に」プレイできます。(c) はコーヒー カップ用に設計されたカップ ホルダー、(d) はイタリア人デザイナーの Libero Rutilo が廃棄ペットボトルを使用して設計した 3D プリントのクリエイティブな花瓶です。これらのデザインは、3D プリントによって簡単に実装できるだけでなく、人々の生活に利便性、楽しさ、環境に配慮した温かさ、パーソナライズをもたらすことは間違いありません。
30年以上の開発を経て、現在までに、さまざまな材料複合原理に基づいて、積層造形法（LOM）、ステレオリソグラフィー（SLA）、熱溶解積層法（FDM）、選択的レーザー焼結法（SLS）など、10種類以上の3D印刷技術方法が発明され、繁栄した3D印刷技術システムが形成されています。さらに、3Dプリンティングは、医療、衣類、建築、家電、工業製造、工業デザイン、食品加工などの業界の特殊なニーズと組み合わされ、「物を作る、材料を作る、アイデアを作る」という境界を無限に拡大し、人類史上前例のない革新的かつ創造的な力をますます解き放ちます。
図3 既存のオブジェクトに基づく3Dプリント強化設計
2. 3Dプリンティングイノベーション教育の実施<br /> 3Dプリントの「思った通りの成果が得られる」というデジタルダイレクト製造の優位性を十分に探求し、発揮し、実践学習、メーカー教育、STEAM教育（科学、技術、工学、芸術、数学、以下STEAM）、成果指向教育（OBE）などの教育理念を統合し、科学技術実習、課外興味クラス、クラブ活動、メーカー実験室、科学技術競技会などを通じて、キャンパスや教室に3Dプリントを導入し、学生が3Dプリント技術を学び、習得できるようにする必要があります。これは、学生の革新的かつ創造的な潜在力を刺激し、新しい学習体験を生み出し、学生の革新的かつ創造的な能力を向上させる上で大きな意義があります。
（１）「実践による学習」をコンセプトに、知識主導型の3Dプリンティングイノベーションコースを開発する。
有名なアメリカの教育者であり、「実践による学習」の創始者であるジョン・デューイは、「実践による学習は、聞くことによる学習よりも優れた学習方法である」と明言しました。私の国の有名な教育者である陶星志は、「教えること、学ぶこと、実践することを一体とする」ことを提唱し、「教えること、学ぶこと、実践することは三つではなく一つのことである。私たちは実践によって教え、実践によって学ぶべきだ」と言いました。教師中心の演繹的教授モデル、「聞くことによる学習」および「試験のための勉強」と比較すると、「行うことによる学習」モデルは帰納的教授モデルに属します。 「実践による学習」は生徒中心です。生徒は学習プロセスの受動的な受け手から能動的な参加者へと変わり、学習の主人公になります。教師は、生徒が能動的かつ効果的な学習の可能性を実現できるように導き、支援する役割を果たします。また、従来の演繹的な指導よりも多くの責任を負い、より多くの投資を必要とします。
「実践による学習」というコンセプトに基づき、3Dプリント技術を補助的な教育プラットフォームとして活用し、中国語、数学、生物学、美術、物理学、化学などの教科の学習の要点や難しさを探り、視覚的、触覚的、分解可能な3Dモデルを構築して、コアコースの学習を支援します。図4に示すように、小学校の中国語での「趙州橋」の授業では、ほとんどの小学生は写真やビデオを通してのみ趙州橋の構造を理解することができます。3Dプリント技術を使用して趙州橋の模型を印刷することで、学生は趙州橋の全体構造と各部分の構成を直感的に観察し、理解することができます。生物学の授業で人体の骨格構造を学ぶ際に、背骨などの複雑な人体構造をプリントアウトすることで、複雑で触ったり見たりしにくい人体の骨格や内臓を、目で見て触ったり分解したりできるようになります。数学の授業では、幾何学的物体のモデルを印刷すると、幾何学内のさまざまな要素間のつながりをより直感的に理解できるようになり、解析幾何学の学習が容易になります。 3Dプリントは知識を視覚化、具体化し、散在する知識を統合して有意義で興味深い学習環境を形成し、「抽象」と「具体」、「理論と実践」の間のギャップを迅速に縮め、新たな学習体験の構築とコアコースの学習の支援に役立ちます。
図4: 3Dプリントを使用して新しい教育環境の構築を支援する
（２）STEAM教育のコンセプトに基づき、創造的な学びを基本とした革新的な実践的な授業を展開する。
STEAM は、Science (科学)、Technology (技術)、Engineering (工学)、Arts (芸術)、Math (数学) の 5 つの単語の略語です。 STEAM は、米国政府が提案した教育イニシアチブであり、米国の K12 教育における科学、技術、工学、芸術、数学の強化を目指しています。 STEAM教育のコンセプトの本質は、生徒が自分の興味があり、自分の生活に関係するプロジェクトを自分で完了させ、その過程でさまざまな分野と学際的な知識を学習できるようにすることです。
図 5 STEAM 学習事例 図 5 は STEAM 学習事例で、(a) ～ (f) は機械式コンピューター、古代中国の羅針盤戦車、風力エネルギー - 重力位置エネルギー変換装置、磁気浮上装置、ウェブスター静電発電機、メタマテリアル構造レンチです。同様の STEAM 学習事例をガイドとして使用し、学生に 3D プリンターを使用して作成および組み立てるように指導することで、間違いなく、教育プロセス全体が楽しさ、魅力、創造性に満ちたものになり、科目間の知識の統合、総合的な学習活動の実施、学習者の学際的な思考の育成、科目知識の総合的な応用の実現、学生の総合的な知識応用能力、実践能力、3 次元デジタルモデリング能力、革新性と創造性の総合的な育成につながります。
（３）メイカー文化を基盤として、実践に基づいたメイカーラボを設立する。
メーカーは、インターネットの製造業への深化、インターネットの伝統的な教育モデルへの浸透、デジタル直接製造技術の発展、オープンソースのソフトウェアとハードウェアプラットフォームの台頭などの複合効果の産物であり、伝統的な「DIYer」のアップグレード版です。メーカー文化とは、メーカー活動に携わるグループが共通して認識し、従う基本概念と原則を指します。その基本的な意味合いには、従来の区分の下で、技術の革新的な応用と異なる分野における技術の相互革新を奨励すること、ルーチンに従ったり慣習に固執したりするのではなく、「実践を通じて学ぶ」ことに特に重点を置き、実践の過程で大胆な試行錯誤と革新を奨励すること、オンラインコミュニティの学習とコミュニケーション、対面（オフライン）のピア学習と共有の重要性を認識することなどがあります。メーカー文化は「正式な学習システム」の壁の外で成長したと言えます。それは特定のオブジェクトの革新と創造だけでなく、それを基盤として構築された社会化された学習と共有の文化も含みます。
メーカー文化に基づくメーカーラボの設立に必要な支援プラットフォームとしては、活動会場、製造プラットフォーム、オープンソース技術プラットフォーム、クリエイティブ交流プラットフォームなどが挙げられる。製造プラットフォームとは、比較的完備した自己製造環境を指し、一般的にはベンチ、掘削機、フライス盤、レーザー切断機、小型CNCセンター、3Dプリンターなどの基本的な製造設備が含まれ、学生が自主的に革新と創造を迅速に実現できるようにします。技術プラットフォームには、さまざまなオープンソースの低コストのソフトウェアおよびハードウェア プラットフォームが含まれており、一般的には、Arduino、Raspberry Pi、Intel Edison などのコントローラーのほか、機械および電子部品、プロファイル構造部品、さまざまなセンサーなどの基本材料が搭載されています。クリエイティブ プラットフォームには、クリエイティブ交流会、経験共有会、プロジェクト交換会などの定期的なクリエイティブ活動と、それらが育むクリエイティブな雰囲気が含まれます。図 6 は、オンライン コミュニティにおけるいくつかのオープン ソース メーカー プロジェクトを示しています。(a) ～ (f) はそれぞれ、ヒューマノイド ロボット、多脚ロボット、ロボット アーム、クアッドローター、二輪バランス ビークル、スマート カーです。
図6 Makerオープンソースプロジェクトの例
（４）競争活動を基盤として、競争を原動力とした革新的な実践コミュニティを育成する。
参加範囲から見ると、教科競技や科学技術イノベーション競技は、学校レベル、省・部局レベル、国家レベル、国際レベルに分けられ、競技問題の形式から見ると、命題型課題ポイント競技、テーマ競技、非テーマ型イノベーション競技、交流型親善競技など、多くの種類に分けられます。教育界では、競争を利用して学習と革新を促進し、学生の総合的な能力を総合的に向上させ、優れた人材が目立つ条件を作り出すことがコンセンサスとなっている。学生を組織して3D作品革新設計コンテストや3Dプリント革新設計親子マラソンなどの競技と実践活動に参加させ、競争、親子のつながり、チームスピリットを備えた科学技術の実践競技活動を行うことで、革新能力、チームスピリット、表現能力、コミュニケーション能力などの能力の全面的な訓練と育成を実現し、学生の全面的な発展を促進します。
3. 3Dプリンティングイノベーション教育の発展動向<br /> 世界的に見ると、3D プリント技術は先進国ではすでに教育分野に導入されています。例えば、米国のほぼすべての大学、中学校、小学校では、3Dプリントメーカークラスが開設されています。3Dプリント技術の研究を通じて、若者に革新的な意識と技術的手段が養われ、3Dプリントは「アメリカのスマート製造」を推進する強力な手段となっています。 2012年、英国教育省は、小学校および中学校の国家カリキュラムに3Dプリンティングを組み込み、公立中学校21校のSTEMおよびデザインコースに資金を提供しました。 2013 年 10 月から、英国では何千人もの小中学校の教師が 3D プリント関連の教育トレーニング コースを受講し、学生がエンジニアリング分野でこの新しい実用的なテクノロジーを習得できるように準備します。 2014年、韓国政府は3Dプリント産業開発委員会の設立を発表し、小学生から大人まであらゆるレベルの人々を対象とした3Dプリントのトレーニングコースを開発することを計画している。カリキュラム開発を含む3Dプリント教育リソースを全国に提供し、貧困層に対応するデジタルインフラを提供する。 2016年、インドでは、世界的に有名な3DプリンターメーカーのMakerBotとVeltech Universityが地方自治体の協力を得て、CADソフトウェアのトレーニング、3Dモデリング、プリンターの操作、3Dプリント技術を教室にうまく統合してSTEAM教育を最適化する方法に関する指導など、3Dプリント関連のさまざまなプロセスに関する実践的なトレーニングを800人の教師に提供します。
中国政府は過去2年間、3Dプリント教育の普及を積極的に推進し始めました。2015年、教育部は「第13次5カ年計画」期間中に教育情報化を全面的かつ徹底的に推進することに関する指導意見を発表しました。この意見では、今後5年間の教育情報化の計画について言及し、3DプリントをSTEAM教育に統合するなど、新しい教育モデルの模索を奨励しました。しかし、全体的に見ると、質は高くなく、形式的なものに過ぎません。多くの小中学校では、教育評価、入学試験、教員、財政投資に制限があり、3Dプリントの革新的な教育を継続して実施できていません。
未解決の問題は主に次のとおりです。
①コースコンテンツ開発の全体的な品質は高くありません。彼らの多くは、3D プリントの原理を理解し、3D プリント モデルに興味を持つ段階にとどまっており、革新的で創造性を重視したコースが不足しています。
② コースコンテンツの開発とコアコースの学習の間には相関関係があまりありません。ほとんどのコースでは、3Dプリントを課外の科学技術実習授業とみなしており、コース内容の開発と数学、中国語、生物学などのコアコースの学習との有機的な統合には注意が払われておらず、知識主導型コースが不足しています。
③授業内容の開発に対する熱意が低い。高品質のコースコンテンツの開発には、膨大な人的資源と資金が必要です。多くの学校は教員と資金に制限があり、コンテンツ開発への熱意が欠けています。
3Dプリントイノベーション教育の普及と標準化をさらに推進するためには、共同構築と共有を基盤として、問題指向と産学研連携を堅持し、以下の作業に重点を置く必要があります。
①コンテンツのイノベーションを核として、メーカースペース、イノベーションワークショップ、STEAMコース、イノベーションと創造性のコンテストなどのマルチフォーマットプラットフォームに依存し、高度な知識主導型、実践型、イノベーション主導型などのマルチレベルの3Dプリントコースの開発への投資を増やし、コースコンテンツの魅力と訴求力を高め、コースの価値内包を高めます。
②共同構築と共有、地域参加、学校と企業の連携を基盤として、学期クリエイティブマラソン、3Dプリントイノベーション・創造コンテスト、オンラインイノベーション・創造共有プラットフォーム、オフラインイノベーション・創造共有プラットフォームなど、3Dプリント技術を中核としたイノベーション・創造プラットフォームシステムを段階的に構築します。
IV. 結論
3D プリントは、パーソナライズされたデジタル直接製造技術として、革新的な教育に欠かせない技術プラットフォームであるだけでなく、教育革新の質と効率を向上させる技術手段でもあります。教育と教授の供給側改革の重要なツールとして、政府、学校、企業が協力して3Dプリントを教室やキャンパスに導入し、学生の革新能力の育成を中心としたコンテンツ構築と内包革新を推進することが特に重要です。メーカー教育、STEAM教育、成果主義教育などの先進的な人材育成の理念は、社会全体の教育理念のオープンな進化を基礎として、学生の発展と成功の多様なニーズを十分に尊重し、3Dプリントなどの新興技術を技術条件とサポートとして活用し、魅力的で革新的なコンテンツによって導かれる必要があります。そうして初めて、それらは根付き、開花し、実を結び、学生の全面的な発展と成功に利益をもたらすでしょう。
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掲載誌：中国教育情報化、2017年第18号、第405号。著者について：
胡福文（華北理工大学機械材料工学部）、1980年生まれ、男性、工学博士、准教授、修士課程の指導教員、研究分野：3Dプリンティングとインテリジェントロボット技術、高等工学イノベーション教育。
電話: 010-88802960
メールアドレス: hfw@ncut.edu.cn
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華北理工大学、華北理工大学、方功、産業 |
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