employee
Volgograd, Volgograd, Russian Federation
In the present article the issues of studying and using 3D printing technologies at school are analyzed. Four directions are revealed: studies in the basic course of computer science; use as an object for the development of practical skills and obtaining new competencies of students; use as a tool for students' research activities; use as a tool for improving the educational process. For each direction, the goals, opportunities and substantive characteristics of the implementation are described. Conclusions are made about new opportunities for the implementation of education and the high potential of studying and using three-dimensional printing technologies at school.
3D printing, computer science teaching, educational project, educational research
Бурное развитие научных знаний и всеобщая информатизация в настоящее время ведет к росту количества и увеличению сложности новых технологий, меняющих уклад жизни современного человека. Яркими их представителями являются технологии трехмерной печати. По сравнению с традиционными видами технологий, они имеют ряд преимуществ, в том числе скорость создания изделий, значительно более высокую экологичность, меньшую энергоемкость, широчайшую применимость. Использование технологий трехмерной печати в производстве является индикатором реальной индустриальной мощи государства, открывает новые направления для развития науки.
Внедрение технологий трехмерной печати в производство требует от системы образования обеспечения подготовки большого количества квалифицированных кадров. В настоящее время это задача учреждений высшего и среднего профессионального образования, но подготовка будущих специалистов к использованию технологий трехмерной печати должна начинаться еще в школе и обязательно опираться на опыт работы с 3D-принтерами как с современными цифровыми устройствами. Но какую роль могут играть и какое место занимать технологии трехмерной печати в современной школе? Как органично включить изучение и использование данных технологий в учебный процесс? В данной статье постараемся ответить на эти вопросы.
В.С. Заседатель, изучая образовательный потенциал технологий быстрого прототипирования, выделил следующие основные направления для применения технологий трехмерной печати в системе высшего образования: в качестве объекта изучения; как объект для развития практических навыков и получения новых компетенций учащихся; как инструмент исследовательской деятельности; как инструмент совершенствования учебного процесса [5]. Опираясь на этот результат, мы можем выделить аналогичные направления применения данных технологий и в школе, сделав новые акценты на важности каждого из этих направлений в системе общего образования, а также на глубине погружения в изучаемые технологии.
Так, в системе общего образования, по нашему мнению, акцент в большей степени смещается на использование технологий трехмерной печати в качестве объекта изучения и объекта развития практических навыков и получения новых компетенций, при сохранении, тем не менее значимости роли технологий 3D-печати как инструментов исследовательской деятельности и совершенствования учебного процесса. При этом глубина погружения в технологии трехмерной печати определяется преимущественным изучением в школе технологии FDM-печати.
Рассмотрим направления использования технологий трехмерной печати в школе более подробно.
1. Использование технологий трехмерной печати в качестве объекта изучения в базовом курсе информатики.
Изучение технологий 3D-печати включает в себя изучение истории возникновения семейства технологий трехмерной печати; их типологизации и характеристик, в особенности технологии FDM; роли и места этих технологий в жизни современного человека; перспектив развития; базового алгоритма послойного формирования трехмерного объекта на основе компьютерной модели и его вариаций, порождающих новые типы технологий; материалов и оборудования, используемых для печати; их особенностей; создания трехмерной компьютерной модели распечатываемого объекта; обработки данных компьютерной модели для передачи ее печатному устройству с учетом особенностей модели, материала печати и принтера; оптимизацию параметров печати; предотвращение ошибок печати на разных этапах процесса создания объекта; процесса FDM-печати; особенностей постпроцессинга и постобработки.
Существенная часть изучения технологий 3D-печати приходится на овладение опытом создания готовых к печати трехмерных моделей разных типов: от деталей механизмов до объектов художественного творчества, что естественным образом приводит к изучению моделирования в различных программных средах. Последнее позволяет отнести их изучение к подготовке учителей информатики.
Изучение технологий трехмерной печати в школе в настоящий момент происходит в разных формах. Чаще всего это внеурочные факультативные занятия или спецкурсы [9, 12], проектная деятельность [2, 4] или изучение в рамках технологии [6, 7], либо информатики [11, 13, 16].
2. Использование технологий трехмерной печати в качестве объекта для развития практических навыков и получения новых компетенций учащихся.
В.С. Заседатель считает, что использование в обучении технологий трехмерной печати в зависимости от формы организационного подхода может иметь положительное влияние на формирование компетенций, связанных с работой в коллективе, междисциплинарным взаимодействием, а также на развитие способности к анализу, синтезу и критическому осмыслению информации, как следствие, проведению исследовательских работ [5].
Проектная организация работы обладает таким же набором возможностей для формирования компетенций и развития способностей к логическому мышлению, что позволяет рекомендовать использование технологий трехмерной печати в школьном образовании проектной форме.
Подтверждение этому мы находим в трудах многих исследователей. Так, Н.В. Якимчук отмечает, что использование технологий трехмерной печати в проектной деятельности учащихся обеспечивает повышение уровня практической направленности обучения, позволяя формировать необходимые компетенции, реализовывать междисциплинарные связи на принципиально новом уровне за счет использования кинестетического типа восприятия [18]. А.Т. Фаритов обращает внимание и на возможность в процессе 3D-моделирования и прототипирования обеспечивать основу для приобретения профессиональных компетенций, развивать инженерное мышление и позволять реализовать принцип преемственности в подготовке инженерных и научных кадров [14].
Развитие практических навыков в использовании трехмерной печати осуществляется в первую очередь на уроках информатики при изучении соответствующих тем, а также при реализации учебных проектов неисследовательского характера, направленных на получение заранее известного результата. Сюда включаются проекты по созданию объектов художественной направленности (дизайнерских элементов интерьера, сувениров, украшений), прикладной (мелкие предметы быта, например: крючки, зажимы, контейнеры уникального назначения), конструкторской (создание деталей на замену сломанным, разработка собственных механизмов), проекты комбинированного типа. Перечисленные типы проектной деятельности могут носить межпредметный характер.
3. Использование технологий трехмерной печати в качестве инструмента исследовательской деятельности.
Исследовательская деятельность школьников, хотя и имеет некоторые общие черты с проектной деятельностью, существенно отличается от нее. Основополагающее отличие исследовательской деятельности заключается в цели. В исследовании А.В. Леонтовича убедительно показано, что цель проекта – достижение заранее определенного результата, в то время как цель исследовательской деятельности – получение нового знания, т.е. заранее неизвестного исполнителям результата, причем особенностью школьной исследовательской деятельности является новизна получаемого знания не в абсолютном, общечеловеческом смысле (открытие новых фактов и закономерностей), а новизна знания для обучающегося [8]. При этом целью использования исследовательской деятельности в школе, как отмечают А. Юшков и М. Эпштейн, является и знакомство учащихся с научными методами получения знания, овладение научным инструментарием, освоение исследовательской деятельности (овладение исследовательской компетенцией) [17].
Особенности трехмерной печати как инструмента школьной исследовательской деятельности в настоящий момент слабо изучены. Ю. Винницкий отмечает, что описываемые школьные исследования чаще всего посвящены изучению технологий трехмерной печати, сборке 3D-принтера, освоению его работы или использованию распечатанных деталей для робототехнических проектов [3]. Вместе с тем, направления исследовательской деятельности школьников с использованием технологий трехмерной печати могут включать в себя: исследования самой технологии FDM-печати (например, установление зависимости прочности выращенной детали от процента заполнения, гибкости – от типа заполнения и т.д.); топологическую оптимизацию деталей [1]; создание инструментов или объектов для исследований на других предметах. Например, на физике – это может быть исследование зависимости подъемной силы крыла от особенностей его конструкции; выявление зависимости силы тяжести, действующей на судно, с гидростатическим давлением; создание математического маятника с определенной амплитудой [10]; на химии – выявление условий безопасной эксплуатации изделий, полученных с помощью FDM-печати; на математике – исследование сечений фигур, фракталов, поверхностей, заданных функциями высших порядков; на робототехнике – создание уникальных деталей для исследовательских роботов и т.д.
Таким образом, использование технологий трехмерной печати в исследовательской деятельности имеет огромный потенциал, сейчас только начавший открываться для освоения. Реализовать этот потенциал будет возможно при наличии обеспечения школ 3D-принтерами и педагогов, владеющих технологиями 3D-печати.
4. Использование технологий трехмерной печати в качестве инструмента совершенствования учебного процесса.
Совершенствование учебного процесса с помощью технологий трехмерной печати заключается в возможности создавать уникальные наглядные пособия, инструменты для реализации учебного процесса (например, лекала функций для оформления чертежей к задачам по алгебре) или детали для реконструкции старых наглядных пособий или учебного оборудования. Особенностью этого направления является то, что сам учитель является и заказчиком, и исполнителем средств совершенствования учебного процесса. То есть, если смысл использования технологий 3D-печати в проектной деятельности учащихся заключается в овладении навыками создания объекта с помощью трехмерной печати и в получении опыта создания этого объекта, то смысл применения аддитивных технологий как инструмента совершенствования учебного процесса заключается в использовании готового продукта этих технологий в преподавании.
Направление применения трехмерной печати для иллюстрирования учебного процесса очень широко. Это может быть создание макетов ландшафтов, моделей растительной клетки с извлекаемыми элементами, реконструкцией исторических артефактов, демонстрирующей основные виды сечений разборной модели многогранника и т.д. Использование подобных учебных материалов (деталей, макетов, пособий), как было отмечено Н.В. Якимчук, способствует улучшению наглядности и повышению усвояемости материала, в том числе за счет задействования тактильного способа восприятия информации [18]. При этом, по мнению А.А. Холодилова и Ю.В. Пономарчук, внедрение 3D-принтеров в образовательный процесс обеспечивает для учителя возможность создавать «авторские практические пособия и технические установки для проведения занятий» [15].
Подводя итог анализу использования технологий трехмерной печати в образовательном процессе школы, можно сказать, что данные технологии привносят новые возможности и обладают большим потенциалом. Они способны внести в образовательный процесс значительные изменения, познакомить учащихся с методами организации работы, которые будут использоваться при дальнейшем получении среднего специального или высшего образования, повысить качество образования путем реализации межпредметных связей на качественно новом уровне и повышения наглядности учебных материалов.
Практическое знакомство с передовыми аддитивными технологиями позволит ученикам приобщиться к процессу создания и модернизации предметов окружающей действительности, а также реализовывать личные конструкторские и дизайнерские идеи. Это будет способствовать повышению мотивации учащихся к созиданию, а не к потребительскому использованию готовых предметов, стимулировать развитие изобретательности, способствовать осознанности выбора дальнейшего пути в образовании и профессиональной деятельности.
1. Akinin D.I. Primenenie topologicheskoy optimizacii v tehnologiyah 3d-pechati / D.I. Akinin, A.P. Marichev, E.S. Zalata, E.V. Akinina // Fundamental'nye i prikladnye issledovaniya v sovremennom mire. -2017. - № 19. - S. 49-54.
2. Bershadskiy M.E. Primenenie additivnyh tehnologiy v obrazovatel'nom processe osnovnoy shkoly / M.E. Bershadskiy // Innovacionnye proekty i programmy v obrazovanii. - 2016. - № 5. - S. 12-21.
3. Vinnickiy Yu. 3D pechat' v shkole - neskol'ko zarisovok iz opyta raboty. / Yu. Vinnickiy. - Rezhim dostupa: https://novator.team/post/43.
4. Gotskaya I.B. O primenenii additivnyh cifrovyh tehnologiy v dopolnitel'nom obrazovanii / I.B. Gotskaya, V.M. Zhuchkov // Dumskiy vestnik: teoriya i praktika dopolni-tel'nogo obrazovaniya. - 2014. - №1 (3). - S. 96-98.
5. Zasedatel' V.S. Obrazovatel'nyy potencial tehnologiy bystrogo prototipirovaniya / V.S. Zasedatel' // Naukovedenie. - 2015. - №5(30). - S. 193.
6. Kovaleva E.Yu. Additivnye tehnologii v shkole: problemy i resheniya / E.Yu. Kovaleva, E.G. Kolikova // Problemy effektivnogo ispol'zovaniya nauchnogo potenciala obschestva. Sbornik statey po itogam Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii: v 3 chastyah. - Ufa. - 2018. - S. 38-41.
7. Kulygina L.S. Additivnye tehnologii na uroke: obuchenie shkol'nikov resheniyu konstruktorsko-tehnicheskih zadach na osnove 3d-tehnologiy / L.S. Kulygina // Shkola i proizvodstvo. - 2019. - №5. - S. 9-14.
8. Leontovich A.V. Podhody k ocenke i ekspertize uchenicheskoy issledovatel'skoy ili proektnoy raboty / A.V. Leontovich // Issledovatel'/Researcher. - 2018. - №: 3-4 (23-24). - S. 118-122.
9. Mitrofanova T.V. Pedagogicheskie usloviya obucheniya shkol'nikov 3D-modelirovaniyu i 3D-pechati / T.V. Mitrofanova, A.I. Marlynova, T.N. Kopysheva // Informacionnye tehnologii. Problemy i resheniya: materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii. - Chuvashskiy gosudarstvennyy pedagogicheskiy universitet im. I.Ya. Yakovleva. - 2018. - № 1 (5). - S. 450-455.
10. Razmacheva Yu.A. Komp'yuternoe modelirovanie i tehnologii trehmernoy pechati: novye sposoby postanovki i resheniya uchebnyh zadach v shkol'nom kurse fiziki / Yu.A. Razmacheva // Nauchnyy zhurnal «Diskurs». - 2018. - № 7 (21). - S. 27-31.
11. Raschenko A.E. Ispol'zovanie 3D pechati v shkol'nom obrazovanii / A.E. Raschenko // Informacionnye tehnologii v obrazovatel'nom processe vuza i shkoly. Materialy H Regional'noy nauchno-prakticheskoy konferencii. - Voronezhskiy gosudarstvennyy pedagogicheskiy universitet. - 2016. - S. 106-110.
12. Ryzhkov A.I. Speckurs «3D-pechat' i 3D-modelirovanie» v starshih klassah sredney shkoly / A.I. Ryzhkov // Vestnik pedagogicheskih innovaciy. - 2018 - № 1 (49). - S. 127-132.
13. Safonov V.I. Primenenie 3D pechati v deyatel'nosti pedagoga / V.I. Safonov // Virtual'noe modelirovanie, prototipirovanie i promyshlennyy dizayn. Materialy IV Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii. - Mordovskiy gosudarstvennyy pedagogicheskiy institut. - 2017. - S. 304-305.
14. Faritov A.T. 3D-modelirovanie i prototipirovanie vo vneurochnoy deyatel'nosti uchaschihsya v shkole / A.T. Faritov // Pedagogika i prosveschenie. - 2019. - № 4. - S. 155 - 167.
15. Holodilov A.A. Vliyanie tehnologii trehmernoy pechati na motivacionnuyu sostavlyayuschuyu shkol'nikov / A.A. Holodilov, Yu.V. Ponomarchuk // Problemy i perspektivy razvitiya obrazovaniya v tehnicheskih vuzah: stat'ya v sbornike trudov konferencii. - Dal'nevostochnyy gosudarstvennyy universitet putey soobscheniya. - 2016. - S. 355-360.
16. Chalkova V.V. Primenenie 3d-pechati i modelirovaniya v processe professional'noy podgotovki buduschih uchiteley informatiki / V.V. Chalkova // Vestnik Shadrinskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universiteta. - 2019. - № 3 (43). - S. 167-170.
17. Yushkov A. Kak organizovat' uchebno-issledovatel'skuyu i proektnuyu deyatel'nost' v shkole / A. Yushkov, M. Epshteyn. - 2014. - Rezhim dostupa: http://old.ug.ru/appreciator/58.
18. Yakimchuk N.V. Osuschestvlenie mezhpredmetnyh svyazey na osnove ispol'zovaniya 3d- printinga v proektnoy deyatel'nosti buduschih uchiteley informatiki / N.V. Yakimchuk // Pedagogicheskaya deyatel'nost' kak tvorcheskiy process: stat'ya v sbornike trudov konferencii. - Zhetysuskiy gosudarstvennyy universitet im. I. Zhansugurova. - 2018. - S. 483-490.
