[分析] 小中学校教育における3Dプリント技術の応用

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-6-28 14:25 に最後に編集されました。

現在、3Dプリント技術が徐々に人々の目に留まりつつあります。 2013年に北京で開催された第1回世界3Dプリント技術産業会議では、世界3Dプリント技術産業連盟が設立され、3Dプリント技術が本格的に大規模な応用と研究の段階に入ったことが示されました。現在、教育分野、特に小中学校の基礎教育の分野において、3Dプリント技術の応用はまだ新しい分野であり、研究や議論に値する問題が数多く存在します。

3Dプリント技術の教育と応用の理論的基礎
学習理論、教育理論、および「経験の塔」理論はすべて、教育における 3D プリント技術の応用に優れた理論的基礎を提供します。学習理論は心理学の最も中心的かつ成熟した分野の 1 つです。ワトソンの行動主義学習理論であれ、スキナーのオペラント条件付け学習理論であれ、教育における 3D プリント技術の実践活動を効果的に導くことができます。教授理論における実験的な教授法は、3D プリント技術の応用範囲を最大限に広げます。

実験法とは、生徒が教師の指導のもと、特定の器具や装置を使用して独立した操作を実行し、その操作によって生じる現象や過程を観察・研究して知識を獲得する教育方法です。実験方法の基本的な形態は、生徒が教師の指導の下で自主的に学習することです。実験的方法の利点は、生徒が実践的な活動を通じて感覚的な知識から合理的な知識に移行することができ、認知のプロセスが比較的完了することです。このような学習を通じて、生徒の観察力、自立した思考力、実践力が十分に訓練され、現実的な科学的態度、科学的探究心、科学への愛も培われました。

デールが1946年に著した『視聴覚教育法』で提唱した「経験の塔」理論[4]は、デューイの教育理論と当時人気のあった心理学的観点を組み合わせたもので、将来の視聴覚教育の主要な理論的基礎となった。「経験の塔」理論では、一番下の階の経験が最も具体的で、上に行くほど経験はより抽象的になり、順序を形成します。教育活動は具体的な経験から始まり、徐々に抽象的な経験に移行する必要があります。学校教育でさまざまなメディアを使用すると、教育活動がより具体的になり、抽象的な一般化の条件が生まれます。「塔」の中間部分の視聴覚教材と視聴覚経験は、上層の言語と視覚記号よりも具体的で鮮明であり、時間と空間の制限を突破し、下層の直接的な経験の不足を補うことができます。教育の過程では、さまざまなメディアをうまく活用し、いくつかの先進的な技術を学び、引用して、さまざまな直接的な経験の欠点を補い、抽象的なものを具体的なものに変え、教育活動をより効率的にする必要があります。

つまり、教室での教育活動であれ、個人の自主学習であれ、私たちはテクノロジーをうまく活用して自分自身を武装し、抽象的なものをより具体的に、具体的なものをより鮮明にする必要があります。具体的な学習経験は抽象的な学習経験の基礎となるため、具体的な学習経験の基礎をうまく活用して、抽象的な学習経験とよりうまく組み合わせる必要があります。まとめると、3Dプリント技術は本質的にマルチメディア技術と仮想現実技術の延長であり、人々の感覚と認識を拡張し、人々の思考能力のさらなる発達を促進します。教育との統合は不可欠です。
3Dプリント技術教育応用事例
マルチメディア技術の新しいメンバーとして、3D プリント技術は小中学校の教育活動で使用され始めたばかりです。これを説明するいくつかの例を挙げます。

1 言語と文学 説明文の書き方は小学校と中学校の両方で教えられており、3D プリント技術はこの種の教育において積極的な役割を果たすことができます。例えば、小学校5年生の「趙州橋」の授業。趙州橋がある地域に住んでいる学生でなければ、小学生は写真やビデオを通してのみ趙州橋の構造について学ぶことができます。 3Dプリント技術の登場により、趙州橋の模型を簡単に印刷できるようになり、学生は趙州橋の全体的な構造と構成を直感的に観察し、理解できるようになりました。教科書で趙州橋の洪水排水能力について教えることの難しさは、模型橋の観察や実験を行うことで学生が簡単に克服できます。
もう一つの例は、中学校の中国語の授業で「人民大会堂」を教えることです。このテキストは趙州橋よりもはるかに難しいです。人民大会堂の構造は趙州橋よりも複雑だからです。これまでの指導では、テキストの内容を把握するために、主に学生がテキストを理解することに頼っていました。せいぜい、人民大会堂の構造と機能を学生が理解するのに役立つ写真やビデオをいくつか見つける程度でした。 3Dプリント技術により、教師は各生徒が授業前に予習したり、授業中に議論したり、授業後に勉強したりできるように「本物の」人民大会堂を印刷することができます。授業プロセス全体が生き生きと楽しくなり、授業効率が自然に大幅に向上します。

2 数学 中学校と小学校の両方の数学科目に立体幾何学に関する関連コンテンツがあります。この部分の内容は学生にとって難しいことが多いです。以前は、この部分を教える際に、教師は主に分解図を描いたり、大根（泥）の皮をむいたりするなどの方法を使用して、生徒が幾何学的物体の変化を理解できるようにしていました。これらの教材の準備には時間がかかり、手間がかかることが多く、その結果は理想的ではありません。

現在、3D 印刷技術により、教師は生徒に必要な幾何学的物体を簡単に印刷し、必要に応じて実際に切り取ったり、その他の変更を加えたりすることができます。このような指導は、より少ない労力でより効果的であり、問題の難しさを一挙に解決します。例えば、円柱を斜め半分に切ったときの断面がどのようなイメージになるかは、中学生にはわかりにくいです。生徒自身が絵を描くのか、教師が説明のために絵を描くのか、生徒には理解するのが難しいです。 3D プリント技術の助けを借りれば、この問題は非常に簡単に解決できます。生徒は 3D プリントされたオブジェクトを斜めにカットし、断面図でさらに測定と計算を行って、独自の結論を導き出すことができます。最後に、私たちは感覚的な知識から理性的な知識へとさらに上昇し、知識を深めることができます。

英語科目3つ
英語を勉強するには、たくさんの単語を習得しなければなりません。果物の学習を例にとると、私の国の北と南では果物の種類に大きな違いがあり、多くの学生は他の場所の果物を見たことがないのです。たとえば、北部の学生は南部のライチ、キンカン、ピタヤ、ジャックフルーツ、ワックスアップル、ハヤトウリなどの熱帯果物を見たことがないかもしれませんし、南部の学生は毛杏、プラム、桑の実、ザクロ、サクランボなどを見たことがないかもしれません。以前、これらの単語を学ぶとき、私たちにできることは、生徒が覚えやすいようにいくつかの絵を見つけることくらいでした。生徒が特定の果物を見たことがない場合でも、教師はすぐに 3D プリンターを使用して生徒のために「本物の」果物を印刷することができます。このように、知覚的知識を基盤として、単語の暗記がはるかに簡単になります。

4 物理学
物理の回路図の接続は中学生にとってはかなり難しいです。従来、この難問を解く際には、回路図上で繰り返し練習するという方法が採られていました。回路図は非常に抽象的なので、一部の学生は重要な点を理解できず、間違いを犯すことがよくあります。 3Dプリント技術が教室に導入されれば、教師は実物をプリントアウトして、生徒に回路の接続を繰り返し練習させることができます。生徒が基本的に習得したら、回路図の接続に移行することができます。このような移行により、学生の学習の難易度は大幅に軽減され、学生は知識ポイントを素早く習得できるようになります。

5 化学
化学における分子、原子、陽子、電子などの構造は、触ったり見たりできないため、学生にとって理解するのが非常に困難です。 3D プリント技術により、これらの微細なものを拡大し、比例して表示することができます。ミクロをマクロに変えるこの方法は中学生にとって非常に役立ち、学習の難しさが一気に克服されます。

6 地理
中学生にとって、太陽、地球、月の位置関係や、日食、月食、節気などの概念を理解することは難しいです。現状では、コンピュータアニメーションを通じて太陽、地球、月の位置関係をシミュレートすることは可能ですが、アニメーションの制作コストが比較的高く、各オブジェクトは仮想であり、現実ではないため、学生にとって理解するのはまだ難しく、関連する概念の習得には多くの問題があります。 3Dプリント技術により、太陽、地球、月を比例したサイズでプリントアウトでき、教師と生徒はいつでも3つの位置関係を調整できるため、関連する概念を学習したり、さまざまな問題を解決したりすることが比較的簡単になります。マクロの視点をメソの視点に変えるこの方法は、教育においても非常に役立ちます。

7 生物学 生物学には微細で観察が難しい内容が多く、学習を困難にしています。学生は、細胞の構造、血管の構造、大脳皮質の構造などの内容を理解するのに非常に苦労することがよくあります。上記の内容の学習は、3D プリント技術のサポートにより比較的容易になります。教師は、細胞構造図や血管構造図を拡大して印刷したり、大脳皮質構造図を拡大して印刷したりすることができます。これらの印刷教材があれば、生徒の学習は簡単で楽しいものになります。

8 情報技術分野 情報技術分野におけるコンピュータハードウェアの知識とコンピュータの組み立ては、常に教育上の難しさの 1 つでした。従来は、ハードウェアが不足していたため、教師は学生に集団で観察や実演をさせるために、わずかな設備しか使用できませんでした。学生がマザーボード、ネットワークカード、メモリスティック、CPU などを至近距離で直接触れることは難しく、得られる知識は常に曖昧なものでした。 3D プリント技術の登場により、これらのアクセサリを 1:1 モデルとして印刷し、各生徒に配布できるようになり、間近で触ったり、観察したり、組み立てたりしたいという生徒の欲求を簡単に満たすことができます。

9つの一般技術科目
一般的な技術分野では、3D プリント技術のサポートが必要になる場面が数多くあります。たとえば、プロセス設計の指導では、3D プリント技術を使用して金型の設計とプロセスの改善を支援できます。 3D プリンターは金型を印刷するのに便利で、高速かつ低コストであるため、金型設計の効率を大幅に向上させることができます。例えば、自動車の修理やメンテナンスの指導では、実際の自動車のコストが高いため、通常は写真やビデオをまとめて視聴する形で指導が行われます。学生が実際の自動車の部品に触れることは難しく、直感力が非常に乏しいため、指導効果を保証することは困難です。しかし、3D プリント技術の出現により、この状況は完全に変化する可能性があります。学生は、3D プリンターで印刷された縮小モデルを使用して、詳細な観察や修復実験を行うことができます。このような実践的な運用は紙ベースの教育よりもはるかに優れており、教育成果の質的な飛躍をもたらします。
3D プリント技術の限界 現在、3D プリント技術はさまざまな素材をサポートしており、ジュエリー、履物、工業デザイン、建築、自動車、航空宇宙、歯科、医療、さらには食品など、さまざまな分野で広く使用されています。適用対象のニーズに応じて、樹脂、ナイロン、石膏、ABS、ポリカーボネート（PC）、食品原料などの材料が使用されます。 3D プリンターのラピッドプロトタイピング技術は、市場で独自の優位性をもたらし、生産アプリケーションに大きな可能性を秘めています。ホットなアプリケーションは、産業アプリケーション、医療アプリケーション、日常生活アプリケーション、IT アプリケーションに集中しています。教育分野、特に基礎教育における 3D プリント技術の応用は始まったばかりであり、現時点では一定の制限があります。

1. 3Dプリント技術の推進が不十分
現在、基礎教育における 3D プリント技術の応用に関する研究は不足しています。 2013年7月22日現在、CNKI「中国学術雑誌ネットワーク出版ライブラリ」の全文データベースでは、「3Dプリント技術」+「教育」を主題語として、年や雑誌の種類に関係なく、「国際教育情報化2013年ホライズンレポート（高等教育版）」という文書が1件のみ見つかりました。キーワードの範囲を「3D プリンティング」+「教育」に絞り込み、年やジャーナルの種類に制限を設けませんでしたが、それでも有効な文献は見つかりませんでした。
2 3Dプリンターのコストは比較的高い 3D プリント技術はまだ新参者であり、研究開発のニッチな領域から主流市場に参入したばかりであるため、その価格は比較的高価です。現在、3Dプリント技術の精度は0.1mm程度で、プリンター自体も比較的高価ですが、技術が進歩しコストが下がれば、一般的な3Dプリンターのコストは1985年のレーザープリンターよりも低くなると予想されています。最近、業界関係者によると、小型デスクトップ3Dプリンターの販売価格は1万8000元程度と比較的安価になっているという。しかし、安いというのは相対的なものです。デスクトップ機器の場合、18,000 は一般の人々にとってはまだ高すぎ、歩留まりが 100% であることを保証することはできません。歩留まりには一定の制限があります。印刷材料の種類が限られているだけでなく、価格も比較的高価です。

3. 3Dプリンターの印刷速度が比較的遅い 現在の成熟した産業用組立ライン生産と比較すると、3D プリンターは速度の点で優位性がありません。しかし、これはテクノロジーが発展し成熟するための唯一の方法であり、段階的に改善および強化されなければなりません。

4. 財産権保護と税金の問題 3D プリント技術の導入により、模倣者も革新者も新製品を簡単かつ迅速に市場に投入できるようになり、知的財産権の保護が困難になっています。また、従来は税務署や税関が商品の価値に応じて取引に税金を課していました。将来の商品の製造モデルが、3Dプリンターと「消耗品」を購入し、インターネットから設計ファイルをダウンロードし（そのほとんどは無料）、必要なものを自分で印刷するというものである場合、従来の課税モデルは持続不可能になります。
現在、世界各国で3Dプリント技術の研究開発や市場開拓が行われています。 3Dプリント時代の到来により、さまざまな業界が大きな変化に直面しますが、教育業界も例外ではありません。米国のニューメディアコンソーシアム（NMC）も「ホライズンレポート2013（基礎教育版）」の中で、今後4～5年で3Dプリント技術が主流となり、小中学校の授業で広く利用されるようになると指摘している。 3D プリント技術は既存の教育に大きな影響を与えるでしょう。政府の指導と大企業の3Dプリントへの関心の高まりにより、原材料費はそれに応じて低下し、プリンター技術は向上し続けることが予測されます。時間が経つにつれて、3Dプリンターの費用対効果はますます高くなると信じています。 3D プリント技術が小中学校の教室に導入される日ももうすぐです。教育が大きく変わる時代の到来を歓迎する準備をしましょう。

編集者：南極熊童宇洋（深圳市南山区立湖中学校）
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