小中学校におけるメイカー教育における3Dプリント技術の応用と実践

インターネット+メーカー時代の到来により、3Dプリント技術は現代の新しいトレンドとなり、メーカー教育の新たな人気となっています。「スマートイノベーションスペース」は、3Dプリント技術をメーカー教育の「三銃士」の1つとして挙げ、小中学校のメーカー教育でそれを探求してきました。本稿では、「デザインは生産である」という3Dプリント技術の特性を踏まえ、小中学校におけるメーカー教育の実践に3Dプリント技術を適用し、教師と生徒が実践的なデザインと深い経験を通じて学際的な学習と創造的なものづくりへの熱意を刺激し、空間想像力、革新的思考、創造的デザイン能力を養うことを目指します。教師と生徒が、遊びながら、実践しながら学びながら、実践しながら学びながら、実践しながら創造しながら、小中学校のメーカー教育と STEAM 教育に 3D プリント技術を適用する効果的な方法を探求できるようにします。

1. 3Dプリント技術の応用状況

2015年11月、国務院は「新消費の主導的役割を積極的に発揮させ、新供給と新原動力の育成を加速することに関する指導意見」を発表し、「3Dプリント、ロボット工学、遺伝子工学、ネットワークセキュリティなどのサブ産業の発展を促進し、新しい消費分野を開拓する。ウェアラブルデバイス、スマートホーム、デジタルメディアなど、市場展望が広い新興消費財の開発を支援する」ことを提案した[1]。現在、3Dプリント技術は、工業モデリング、機械製造、航空宇宙、軍事、建設、映画・テレビ、家電、軽工業、医療、考古学、文化芸術、彫刻、宝石などの分野で広く使用されています。

同時に、3Dプリント技術はわが国の小中学校におけるメーカー教育やSTEAM教育の発展に重要な役割を果たし、小中学生の学習方法に新たな変化をもたらしました。3Dプリントされた物体の触覚体験を通じて、学生の想像を現実に変えることができ、「考えた通りのものが手に入る」という教育効果を実現しています。現在、わが国の多くの小中学校には3Dプリンターが装備されています。例えば、2015年に雲南省財政部と省教育部は、省内の5,365の小中学校に6,000セットの3Dプリンター機器を装備するために、6,820万人民元の特別調達基金を割り当てました[2]。同時に、多くの学校が3Dデザインコースを開設し、3Dプリント技術をさまざまな教科の教育に応用し、教科の教育と学習を促進する上での3Dプリント技術の機能的利点と応用方法をさまざまな角度から実証し、技術と教科の知識の統合を最適化するための参考となるアイデアと方法を提供しています。

一部の小中学校では、3D プリント技術を使用して、数学、物理学、化学、生物学、科学、ロボット工学などの科目の指導に使用するためのさまざまな教育モデルを印刷しています。小中学校におけるメーカー教育の過程では、教師と生徒のメーカーが3Dプリント技術を活用し、実践的なデザインと深い経験を通じて学際的な学習と創造的な製造に対する熱意を刺激し、空間想像力、革新的思考、創造的なデザイン能力を養います。

2. コアコンセプトの定義

1. 3Dプリント技術
3D プリント技術はラピッドプロトタイピング技術の一種で、デジタルモデルファイルを基に、粉末金属やプラスチックなどの接着材料を使用して層ごとに印刷することでオブジェクトを構築する技術です。 3Dプリンターはラピッドプロトタイピング技術[3]を使用するタイプの機械です。 3D プリント技術は、製造が速く、CAD/CAM 技術が統合され、3 次元効果が完全に再現され、大きな経済的利益が生まれ、さまざまな業界で幅広く応用できるという特徴があります。

(II) メイカー教育メイカー教育の正確な定義はまだありません。謝作如、呉俊傑らは、2016年2月に開催されたメイカー教育専門委員会第1回会議での共同討論を通じて、現段階におけるメイカー教育の新たな定義を提示した。メイカー教育とは、メイカー文化と教育を組み合わせたものであり、学生の興味に基づき、プロジェクトベースの学習、デジタルツールの使用、創造の提唱、共有の奨励、学際的な問題解決能力、チームワーク能力、イノベーション能力を養成する質の高い教育である。

3. STEAM教育
STEAM教育の前身は、1980年代に米国人が提唱した科学、技術、工学、数学の4科目からなるSTAM教育である。オバマ大統領は、幼い頃から実践的、革新的、総合的な科学的知識応用能力を養うことを目的としたこの総合カリキュラムの導入を精力的に推進してきた。その後、当初の4教科に美術が加わり、複数の教科が統合されてSTEAM教育が実現しました。

3. 小中学校におけるメイカー教育における3Dプリント技術の応用

メーカー教育とSTEAM教育の価値は、伝統的な知識学習と教育実践を、学生の革新精神と革新的な実践能力の育成と組み合わせることにあります。どちらも学習プロセスにおける実践と個人的な経験に焦点を当てており、実践による学習、学習による実践、実践による創造を提唱しています。学生はプロジェクト学習と活動体験の中で問題を発見、分析、解決し、最終的に創造的なインテリジェント製造と実践的な革新の目標を達成できます。

3Dプリント技術の応用には、3D設計モデリングと3Dプリント出力の2つの部分があります。3Dプリント出力は、革新的なデザインの3Dデジタルモデルを具体化するプロセスに過ぎませんが、3D設計モデリングは3Dプリント技術の重要なリンクです。したがって、小中学校で3Dプリント技術を使用してメーカー教育とSTEAM教育を実施する場合、北京市東城区の具体的な実践を参考にして、3Dクリエイティブデザインコース（3D設計ソフトウェアと3Dプリンターアプリケーションに重点を置いたコース）を提供することができます。

このようなコースは、義務教育段階では主に 2 つの形式で提供されます。
まず、プロフェッショナルな3Dデザインソフトウェアの学習をベースにしたコースです。専門的な 3D 設計ソフトウェアの適用方法を学ぶ過程で、学生はさまざまなオープン設計要件に従って探索的設計を実施し、3D プリンターを使用して設計モデルを具体化します。

2つ目は、シンプルな3D設計ソフトウェアの学習をベースにしたコースです。学習プロセスは、学生がシンプルな 3D 設計ソフトウェアの 1 つまたは複数の機能を学習して適用し、特定のタスクまたはプロジェクトを完了しながら作品の設計を完了し、3D プリンターを通じて設計を具体化することです。同時に、3D スキャナーを使用して、迅速な 3D 設計と完全な 3D プリントモデリングを実現できます。

3D 設計ソフトウェアを使用して設計およびモデリングするプロセスでは、教師と生徒が日常生活で遭遇する問題を観察および調査し、個人的に体験し、最終的にユニークで斬新で楽しい創造的な作品を設計します。これは、教師と生徒の空間的想像力、革新的思考、問題解決能力を育成するのに役立ちます。 3Dプリンター、3Dソフトウェア設計、3Dスキャナーの応用を通じて、小中学校におけるメーカー教育とSTEAM教育の発展を推進します。

1. 小中学校におけるメイカー教育とSTEAM教育における3Dプリンターの活用

私が勤務する部署は2015年に、国家視聴覚教育システムにおける初の市レベル「インテリジェントロボットメーカー教育体験センター」を建設しました。このセンターには、スマート教室1室、各種ロボット100台以上、3Dプリンター10台、3Dスキャナー2台が備えられ、メーカー教育のための先進的なソフトウェアとハードウェアの設備と300平方メートルを超える活動会場を提供しています。

著者とメイカー教育研究チームは「スマート創造空間」の構築を主導し、メイカー教育の教科書を編集・出版し、「マイクロクラス誘導学習」のメイカー教育教授モデルを構築し、知能ロボットの設計・製作、3Dプリント技術の応用、Scratchとロボットの融合をメイカー教育の「三銃士」として提案した。3Dプリント技術の応用は、小中学校がメイカー教育を行うための重要なキャリアとして使用され、3Dプリンターの具体的な応用を通じてメイカー教育とSTEAM教育が実践されている。

3D プリンターと従来のプリンターの最大の違いは、使用する「インク」です。 3Dプリンターでよく使われる「インク」には、ABS樹脂（アクリロニトリルブタジエンスチレン、高強度、優れた靭性、加工しやすい熱可塑性ポリマー材料）、PLAリサイクルプラスチック（ポリ乳酸、再生可能な植物資源（トウモロコシなど）から抽出したデンプン原料から作られ、生分解性が良好で、環境に優しい材料として認められています）などがあります。これらの固体材料はコンピュータープログラムによって制御され、プリントヘッド内で加熱されて液体になり、押し出され、空気中で急速に冷却されて再び固体になります。春のカイコが糸を紡ぐように、層ごとに積み重ねられ、最終的に3Dデジタルモデルが3Dソリッドモデルに変換され、3Dプリントタスクが完了します。

さらに、一般的なプラスチック、ナイロン、パラフィン、食品材料、紙、セメント、金属、セラミックなどの粉末も、3Dプリンターの「インク」として使用できます。小中学校におけるメイカー教育やSTEAM教育では、教師と生徒が3Dプリンターを使用してアイデアを現実のものにし、各教科の知識ポイントや問題を視覚的な3Dプリント作品の形で提示することができます。これにより、教科の指導と3Dプリント技術との有機的なつながりをよりよく確立することができます。

たとえば、テキストの代表的なキャラクターと建物は、テキストのストーリーを理解するのを助けることができます。生物学の被験者、ウイルス、臓器などの構造を実現するために、歴史的な被験者では、3Dプリンターの古代のアーティファクトを複製するために、さらには、一般的な標準層であると、現実の標準化を行うことができます。地域の人口分布。3Dプリンターを使用して、3Dアートワークを作成して、自分で設計されたロボットアクセサリーを印刷できます。

そのため、教師と学生は3Dプリント技術を利用して「体験型3Dプリント技術学習センター」を作り、教師と学生が3Dプリント技術応用設計の実践活動に積極的に参加し、3Dプリンターを自ら操作して直接学習体験を得ることができます。これにより、教師と学生は自主学習、テーマ別学習、個別学習、探究型学習を実施し、問題分析、問題解決、科学研究、革新的思考の能力を養うことができます。

2. 小中学校におけるメイカー教育とSTEAM教育における3Dスキャナーの活用

3D プリンターは 3D デジタルモデルを 3D 物理モデルに変換することしかできず、3D デジタルモデルのソースの 1 つは 3D スキャナーによるモデリングです。「インテリジェントクリエーションスペース」では、3Dスキャナーのモデリング原理を理解するために、海外製のハンドヘルド3Dスキャナーを2台特別に購入しました。購入したときは3Dスキャナーの性能についてあまり知らず、対応する中国語の取扱説明書もなかったため、機器の使用は非常に困難でした。装置を使用するために、筆者は辞書を調べながら実験を操作し、オンラインのマイクロクラスのビデオを通じて操作方法を学んだが、非常に手間がかかった。コンピュータ画面上のスキャンソフトウェアに3D画像が表示されたものの、ぼやけていてスキャン効果はひどいものだった。

3Dスキャンの品質を向上させるために、著者はベテランの写真愛好家として、メーカー精神を十分に発揮し、写真とビデオ撮影のすべての原理と技術を3Dスキャナーのデバッグに適用しました。画像の鮮明さを高めるために、スキャナーの周辺設計をさまざまな方法で革新的に変更しました。
（１）画像の品質を確保するために、３Dスキャナに写真撮影用三脚を取り付けます。
（２）3Dスキャナーは対象物を360度スキャンする必要があるため、タオバオでジンバルとして速度調整と均一回転が可能な電動ダイニングテーブルターンテーブルを購入しました。
（３）光量を上げるために、明るさと色温度を調整できるLED無影撮影ライトを購入しました。努力は報われます。周辺機器をアップグレードし、メーカーの思考モードを活用した後、数日間の実験でスキャン画像が不明瞭になる問題が解決されました。これにより、教師と生徒は、オブジェクトや肖像画を3Dスキャンする際に、より良い体験と創造的な環境を得ることができました。彼らは静物画や肖像画の3Dスキャンモデリングを無事に完了し、高品質の3Dプリント設計モデルを入手することができました。

教師と生徒に3Dスキャナーを使って模型を作ったり、仲間の肖像画や教材をスキャンしたりしてもらい、スキャン→編集→具体化→STL形式の3Dモデルファイルとして保存→スライスソフトウェアで3Dプリンターが認識できるX3G形式のファイルに変換→3Dプリンターで肖像画や教材モデルを印刷するという一連の実践的なプロセスを実行させます。これにより、教師と生徒は3Dプリントモデルと2D写真の本質的な違いを鮮明に認識できるようになります。3Dスキャナーと3Dプリンターを連携させて使用することで、3Dプリントモデルに関する知識を得ることができ、教師と生徒の観察、分析、理解能力を養うのに役立ちます。

3. 小中学校におけるメイカー教育とSTEAM教育における3D設計ソフトウェアの応用

現在一般的に使用されている 3D 設計ソフトウェアには、UG、Pro/E、CATIA、SolidWorks、Inventor、ZW3D、3Done、3DS MAX、MAYA、Lightwave などがあります。このうち、SolidWorks、Inventor、ZW3D、3Done は 3D モデリングソフトウェアです。UG、Pro/E、CATIA は 3D モデリングを実行でき、その後の力の解析や最適化などのより強力な機能を備えています。一方、3DS MAX、MAYA、Lightwave は主に 3D アニメーションを作成するためのソフトウェアです。

これらのソフトウェアは非常に強力です。私たちの日用品や私たちが見る漫画は、これらのソフトウェアで作ることができます。残念ながら、ほとんどの 3D デザインソフトウェアは習得が困難です。多くの人が 3D デザインソフトウェアについて聞くと、恐怖感を覚えます。ソフトウェアの使用の難しさを軽減するために、「Smart Innovation Space」は3D設計モデリングの指導に3Doneソフトウェアを選択しました。このソフトウェアの設計インターフェースは非常にシンプルで、操作が簡単で、習得も簡単で、設計プロセスがより簡単かつ楽しくなります。これは「ばかげた」3D設計ソフトウェアと言えます。

3D モデリングおよび設計ソフトウェアの学習と体験を通じて、教師と生徒はできるだけ早く 3D 構築ソフトウェアの使用を習得し、独自のクリエイティブな 3D モデルを設計できます。初心者にとって、3Done ソフトウェアは教師と生徒が 3D モデリングと設計の問題を解決するのに役立ちます。たとえば、単純な六面体の 3D モデルを設計する場合は、マウスで [基本エンティティ] → [六面体] をクリックし、グリッドサーフェス上の任意の場所をクリックするだけで、六面体が生成されます。六面体のサイズや形状を変更する場合は、マウスでドラッグするか、パラメータ設定ダイアログボックスに対応する値を入力します。

3Done ソフトウェアは、さまざまな分野の教育モデルの設計に使用できます。インテリジェントロボットの設計と製造コースを例にとると、教師と学生は自分の想像力に応じてロボットの設計計画を立てることができます。ロボットの構造アクセサリと外観の装飾は、3Done ソフトウェアでモデル化して STL 形式のファイルを生成できます。次に、ReplicatorG または Makerware スライスソフトウェアを使用して、STL 形式のファイルを 3D プリンターで認識できる X3G 形式のファイルに変換します。ファイルをオンラインまたは SD カード経由で 3D プリンターに転送して、独自の設計の 3D ロボットモデルを印刷し、最終的に独立した知的財産権を持つクリエイティブロボットに組み立てることができます。

近年、広東省と広州市は、小中学校のコンピューターロボット競技活動の中で「スマート廃棄物分別収集ロボット競技」プロジェクトを立ち上げました。ロボットの付属品は3Dプリンターで印刷する必要があり、ロボットの創造的設計プロジェクトは3Dプリンターの利点をよりよく発揮することができます。参加者は自分のアイデアに基づいて創造的なスマート作品を設計することができ、それによって製作者の革新的な思考と革新的な設計能力を養うことができます。

4. 結論

メイカー教育は情報技術の発展を統合し、革新的な教育の新たな分野を開拓します。 3Dプリント技術のサポートにより、コンピューター内の仮想3Dデジタルモデルから3D物理モデルをすばやく印刷できるため、教師と学生のメーカーは革新的な設計プロセスに時間とエネルギーを費やすことができ、抽象的な概念と直感的な体験を自由に切り替えて、設計アイデアを視覚化して具体化できます。教師と学生のメーカーは、遊びながらやり、やって学び、やって創造することで、革新的な思考、革新的な精神、創造力を養うことができます。これにより、学生の革新的な思考、革新的な精神、創造力が養われ、「考える」から「作る」、そして「作る」へと進み、学生の想像力を実現し、革新的な設計と創造的なインテリジェント製造を実現できます。

3D プリント技術の継続的な改善と進歩により、3D プリント技術は私たちの生活、仕事、学習に統合されつつあります。3D プリント技術は、革新能力の育成に基づくメーカー教育の重要な部分になることは間違いありません。教師と生徒が積極的に革新設計に参加し、印刷タスクを全面的かつ綿密に分析し、想像力と創造力を十分に発揮し、最終的にパーソナライズされた革新設計作品を印刷して教育と指導に役立てることで、教育分野における3D印刷技術の応用を促進し、より多くの学校に3D印刷技術を導入し、教育学習モデルを変える模範と主導的役割を果たしています。南極熊3D印刷ネットワークにご注目ください。

注：本論文は、2012年の国家教育情報技術研究「第12次5カ年計画」重点プロジェクト「小中学校におけるロボット教育におけるマイクロコースの応用に関する研究」（プロジェクト番号：123620577-0037）、広東省教育科学「第12次5カ年計画」2012年教育情報技術研究プロジェクト「小中学校における知能ロボットの科学技術教育指導モデルの構築と評価研究」（プロジェクト番号：12JXN011）、および2016年広州市青少年科学技術教育プロジェクト「知能ロボットメーカー教育に基づく科学技術教師のトレーニング」（プロジェクト番号：2016-299）の研究成果です。

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