3D printing and educational value

Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας Παιδαγωγικό Τμήμα Δημοτικής Εκπαίδευσης Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα «Επιστήμες της Αγωγής με Νέες Τεχνολογίες»

“3D Printing και εκπαιδευτική αξιοποίηση” Υπεύθυνος καθηγητής: Παλαιγεωργίου Γεώργιος Μάθημα: Οι Τ.Π.Ε. στην Εκπαίδευση Μεταπτυχιακοί φοιτητές-τριες: Σεβδαλή Χρυσούλα (874), Ζιώγα Ευαγγελία (864) και Κουτσογιάννης Πέτρος (959)

Φλώρινα, Μάιος 2019

Εισαγωγή-Ορισμός

Άξονες παρουσίασης

Ιστορική αναδρομή Εκπαιδευτική αξία του 3D Printing Εκπαιδευτική εφαρμογή της τρισδιάστατης εκτύπωσης Προβληματική των 3D

Εφαρμογές του 3D printing στην Εκπαίδευση Στην Ιστορία και τις Κοινωνικές Σπουδές Στη Γεωγραφία Φυσική ,χημεία, Βιολογία Καλλιτεχνικά Μηχανολογία Τεχνολογία-εκπαιδευτική ρομποτική Στα μαθηματικά Στην ειδική αγωγή και εκπαίδευση

ΕισαγωγήΟρισμός

Ως Τρισδιάστατη Εκτύπωση (3D Printing) ορίζεται ο τρόπος με τον οποίο μπορούμε να δημιουργήσουμε/μορφοποιήσουμε μέσω της προσθετικής παραγωγής, φυσικά αντικείμενα άμεσα από ηλεκτρονικά αρχεία μέσω επαναλαμβανόμενων στρωμάτων σε διαφορετικά σχήματα.

Εισαγωγή-Ορισμός ❖

Η τρισδιάστατη εκτύπωση είναι μια μέθοδος προσθετικής κατασκευής, στην οποία κατασκευάζονται αντικείμενα μέσω της διαδοχικής πρόσθεσης επάλληλων στρώσεων υλικού, όπου προκύπτει το τελικό προϊόν μέσω της “αφαιρετικής κατασκευής” (Kietzmann, Pitt & Berthon, 2015).

❖

Οι 3D εκτυπωτές έχουν τη δυνατότητα να εκτυπώνουν μέρη και εξαρτήματα από διάφορα υλικά, με διαφορετικές μηχανικές και φυσικές ιδιότητες και συχνά σε μια ενιαία διαδικασία κατασκευής.

❖

Στη τρισδιάστατη εκτύπωση μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφοροι τύποι υλικού, κυρίως κεραμικά και πολυμερή (Kostakis, 2013).

Τα στάδια δημιουργίας ενός 3D αντικειμένου 1.

2.

3.

4.

Σχεδίαση Εκτύπωση Μετεπεξεργασία Sharing (προαιρετικό στάδιο)

Ιστορικά στοιχεία 

Η πρώτη απόπειρα κατασκευής ενός 3d εκτυπωτή έγινε στα τέλη του 1980 από

τον Δρ. Kodama στην Ιαπωνία. 

Tο πρώτο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για συσκευές στερεολιθογραφίας εκδόθηκε το 1986 από τον Charles (Chuck) Hull, ο οποίος επινόησε το πρώτο μηχάνημα SLA το 1983.



Από τότε μέχρι και σήμερα έχει εξελιχθεί κατά πολύ η τεχνολογία της 3Dεκτύπωσης.



Έχουν κατασκευαστεί τρισδιάστατοι εκτυπωτές χαμηλού κόστους που απευθύνονται στον καθένα για καθημερινή χρήση (Matias & Rao, 2015).

της αυτοκινητοβιομηχανίας

της αεροδιαστημικής

Η τεχνολογία των 3D εκτυπωτών βρίσκει χρήση σε τομείς όπως:

της χαρτογράφησης πληροφοριακών συστημάτων

της αρχιτεκτονικής του κοσμήματος των υποδημάτων

σε έργα πολιτικών μηχανικών κ.α

της εκπαίδευσης του βιομηχανικού σχεδιασμού

της οδοντιατρικής και ιατρικής βιομηχανίας

της μηχανικής και των κατασκευών

Μία από τις πιο σημαντικές πτυχές της 3D εκτύπωσης για την εκπαίδευση είναι ότι επιτρέπει περισσότερη αυθεντική εξερεύνηση αντικειμένων και εννοιών που μπορεί να μην είναι άμεσα διαθέσιμη στα σχολεία.

Εκπαιδευτική αξία

Στο σχολικό περιβάλλον, οι 3D εκτυπωτές μπορούν να εμπνεύσουν τις εμπειρίες μάθησης (Harel & Papert, 1991), να ενθαρρύνουν τους μαθητές να παίξουν, να σχεδιάσουν και να ανακαλύψουν μέσα από τη δράση της κατασκευής.

Όταν ο καθηγητής σχεδιάζει τρισδιάστατα μοντέλα, η μάθηση γίνεται μια ενεργή διαδικασία, όπου ο μαθητής κατασκευάζει τη γνώση παρά μια παθητική διαδικασία ακρόασης πληροφοριών (Fleming, 2015).

Προσφέρει στους μαθητές ένα ισχυρό εργαλείο δημιουργικότητας και εξερεύνησης, καθώς και μια συναρπαστική εισαγωγή σε θέματα των φυσικών επιστημών, της τεχνολογίας, της μηχανικής, των μαθηματικών και των καλλιτεχνικών (STEaM science, technology, engineering, art, maths), (Vanscoder,2014).

Εκπαιδευτική αξία

Μπορεί να υποστηρίξει καινοτόμες- νέες μαθησιακές εμπειρίες για τους μαθητές μέσω του σχεδιασμού, της λήψης αποφάσεων και της επίλυσης αυθεντικών προβλημάτων.

Συμβάλλει στην αυτοπεποίθηση του μαθητή και αναπτύσσει δεξιότητες επίλυσης προβλημάτων. Οπτικά και απτά βοηθήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για καλύτερη απεικόνιση εννοιών ώστε να γίνουν αυτές οι έννοιες ευκολότερα κατανοητές.

Προβληματική των 3D εντός της τάξης. ❏

Είναι αργή η εκτύπωση. Μπορεί να χρειαστεί έως και μία ώρα για να χτιστεί ένα μοντέλο 4 ιντσών. Με αυτόν τον ρυθμό, θα μπορούσε να χρειαστεί ένας δάσκαλος μια ολόκληρη εβδομάδα για να εκτυπώσει όλα τα μοντέλα για ένα έργο κλάσης.

❏

Πολλές φορές, οι εκτυπώσεις αποτυγχάνουν λόγω του χρήστη, του σχεδιασμού ή και των λανθασμένων ρυθμίσεων εκτύπωσης.

Εφαρμογές του 3D printing στην Εκπαίδευση Το 3D printing είναι συνυφασμένο

με το πρόγραμμα μαθημάτων των θετικών και τεχνολογικών επιστημών (Φυσική, τεχνολογία, Μηχανολογία και Μαθηματικά), αλλά και όλα τα άλλα σχολικά μαθήματα μπορούν να επωφεληθούν της τεχνολογίας της 3D εκτύπωσης.

Στην ιστορία

Αντίγραφα αρχαίων αντικειμένων μπορούν να επιτρέψουν περισσότερες πρακτικές μάθησης (Johnson, Adams Becker, Estrada, & Freeman, 2015: 40-41).

Στην ιστορία

Σε μαθήματα ιστορίας παρέχεται η δυνατότητα στους μαθητές να εκτυπώσουν αντίγραφα εκθεμάτων που συναντώνται σε μουσεία, τα οποία μπορεί να αγγίξει κανείς. Εκτύπωση κειμηλίων, έργων τέχνης και διαφόρων ιστορικών ευρημάτων από τους μαθητές (Maloy, Trust, Kommrs, Malinowski, LaRoche, 2017).

Οι μαθητές μπορούν να κατανοούν τον τρόπο οικοδόμησης ιστορικών κτιρίων και να διακρίνουν τα διάφορα αρχιτεκτονικά στυλ.

Στην ιστορία

Η έρευνα και ο σχεδιασμός αντικειμένων οικοδομεί τη γνώση για τα ιστορικά γεγονότα.

Η δημιουργία οπτικών και απτών σημείων εισόδου συμβάλλουν στην κατανόηση και εκμάθηση της εξελικτικής πορείας των ιστορικών γεγονότων (Maloy, Trust, Kommrs, Malinowski, LaRoche,2017).

Στη Γεωγραφία

Στη Γεωγραφία Ένας τρόπος, εξαιρετικός για τους μαθητές, να κατανοήσουν καλύτερα ποικίλους γεωλογικούς σχηματισμός σε τέτοιο βαθμό που μέσω δυσδιάστατων εικόνων είναι συγκριτικά δύσκολο. Η 3D εκτύπωση μπορεί να βοηθήσει τους μαθητές να κατανοήσουν καλύτερα τους γεωλογικούς σχηματισμούς σε κλίμακα.

Στα Καλλιτεχνικά

Στα Καλλιτεχνικά Νέος και αυθεντικός τρόπος δημιουργίας της τέχνης από τους μαθητές.

Με την 3D εκτύπωση οι μαθητές μπορούν να δημιουργήσουν γλυπτά, τα οποία υπό άλλες συνθήκες θα ήταν απίθανο να παραχθούν μέσω της παραδοσιακής διαδικασίας κατασκευής. Χάρη στην ομαδική σχεδίαση οι μαθητές μπορούν να σχεδιάζουν παιχνίδια ή αντικείμενα μαζί με άλλους μαθητές και μετά να τα ενώνουν.

Στη Φυσική, τη Χημεία και τη Βιολογία

Εκτύπωση μοντέλων κυττάρων ή οργάνων ή για δημιουργία οποιουδήποτε εξατομικευμένου μοντέλου ή εξοπλισμού για τη Φυσική, τη Χημεία ή τη Βιολογία (π.χ. κατά τον διαμελισμός ενός βατράχου μέσα στην τάξη, οι μαθητές μπορούν πλέον να εκτυπώσουν τρισδιάστατα και στη συνέχεια να συναρμολογήσουν έναν ολόκληρο βάτραχο).

Στη Φυσική, τη Χημεία και τη Βιολογία

Μελέτη από τους μαθητές του εσωτερικού οργάνων του ανθρωπίνου σώματος.

Εκτύπωση από τους μαθητές σύνθετων μορίων προς μελέτη (Yong et al, 2016).

Στη Mηχανολογία

Στη Μηχανολογία 





Χρήση σε εικονικά εργαστηριακά συστήματα και ένταξη φυσικών μοντέλων (3d εκτυπωμένων μερών) κατά τη διάρκεια της διδασκαλίας. Κατανόηση εικονικών μοντέλων και οπτική αντίληψη των μαθητών. Χρήση 3d στροφείων ως χαρακτηριστικό της διεπιφάνειας (Chua,Leong, Lim & Vu, 2015).

Στην τεχνολογία-εκπαιδευτική ρομποτική

Σχεδιασμός, κατασκευή αλλά και προγραμματισμός ενός εκτυπώσιμου κινητού ρομπότ (Τα μέρη του ρομπότ μπορούν να κατασκευαστούν με τη βοήθεια 3d printers) (Valero Gomez et al, 2012).

Το μάθημα της 3D εκτύπωσης προσφέρεται ως μάθημα επιλογής στα παιδιά που ενδιαφέρονται να μάθουν περισσότερα για την τεχνολογία.

Στην τεχνολογία-εκπαιδευτική ρομποτική Το μάθημα της Πληροφορικής και ο προγραμματισμός μέσω της εκπαιδευτικής ρομποτικής αλληλοσυμπληρώνονται απόλυτα.

Στα μαθήματα μπορεί να χρησιμοποιηθεί το δωρεάν λογισμικό Openscad με σκοπό να σχεδιάσουν αντικείμενα και γράφοντας κώδικα οι ίδιοι οι μαθητές.

Στα Μαθηματικά 

Μπορεί να βοηθήσει τους μαθητές να απεικονίσουν γραφήματα και μαθηματικά μοντέλα και συγκρίνοντας τα και με τον τυπικό τρόπο εκπαίδευσης επιτρέπει την εξαγωγή συμπερασμάτων (Huleihil,2017).



Οι μαθητές έχουν τη δυνατότητα απεικόνισης αντικειμένων με πολύπλοκη εσωτερική δομή.



Οι εκπαιδευτικοί μπορούν να “ζωντανεύσουν’ φόρμουλες και εξισώσεις, ώστε να εξηγήσουν μαθηματικές αρχές και αξιώματα.

Στα μαθηματικά 

Στη γεωμετρία συγκεκριμένα, οι τριγωνομετρικές συναρτήσεις μπορούν να απεικονιστούν με 3D εκτυπωμένα μοντέλα με σκοπό να βοηθήσουν τους μαθητές να απεικονίσουν μαθηματικά προβλήματα πιο ρεαλιστικά μέσω απτών παρουσιάσεων.



Αναπτύσσει τις δεξιότητες των μαθητών περί της αντίληψης και απεικόνισης του χώρου. Οι μαθητές μπορούν να σχεδιάζουν τα δικά τους γεωμετρικά σχήματα, να μάθουν για τα σχήματα και τον όγκο τους (Segerman, 2012) .

Στην ειδική αγωγή και εκπαίδευση





Δυνατότητα κατασκευής προϊόντων προσαρμοσμένων στις εκπαιδευτικές, θεραπευτικές και επικοινωνιακές δεξιότητες μαθητών με προβλήματα όρασης και πολλαπλές αναπηρίες (Kostakis, Niaros & Giotistas,2015). Νέος τρόπος συνεργασίας και επικοινωνίας μεταξύ μαθητών με προβλήματα όρασης με τους συμμαθητές τους (εξάστιγμο-βοήθημα για την εκμάθηση Braille, κύβος συναισθημάτων, εκπαιδευτικά παιχνίδια, ανάγλυφος χάρτης της Ελλάδος, δραστηριότητες λεπτής κινητικότητας) (Buehler,Kane&Hurst, 2014).

Στην ειδική αγωγή και εκπαίδευση 





Ενίσχυση αυτόνομης κινητικότητας μαθητών μέσω της απτικής σήμανσης των χώρων του σχολείου. Δημιουργία χαρτών αφής, που αναπαριστούν το γεωδιάστημα για να βοηθήσουν τους μαθητές να προσανατολίζονται στο χώρο (Vzenilek, Kozakova, Stavova, Iudikova, Ruziskova& Finkova, 2013)(άτομα με οπτικές και χωροταξικές διαταραχές). Απεικονίσεις αφής του χώρου των συντεταγμένων (Brown & Hurst, 2012).

Βιβλιογραφία Ταλιούρης, Ν.(2014).Τρισδιάστατη γεωμετρική τεκμηρίωση άρθρωσης ώμου και βιομηχανική προτυποποίηση, Τ. Ε. Ι. Κρήτης, Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών, Τμήμα Μηχανολογίας, Ηράκλειο Κρήτης.

Franzen, C. (2013, November 12). MakerBot aims to put a 3D printer in every school, and wants you to help pay for it. The Verge. Retrieved from http://www.theverge.com/2013/ 11/12/5096918/makerbot-academy-aims-for-3d-printer-in-every-school He Y., Wu Y., Fu J. , Gao Q, Qiu J., (2016). Developments of 3D Printing Microfluidics and Applications in Chemistry and Biology: a Review Electroanalysis, - Wiley Online Library, 28(8).

Kietzmann, J., Pitt, L. & Berthon, P. (2015). Disruptions, decisions, and destinations : Enter the age of 3-D Printing and additive manufacturing, in Elsevier, pp. 209-215.

Kostakis, V. (2013). At the turning Point of the Current Techno-Economic Paradigm: Commons- Based Peer Production, Desktop Manufacturing and the role of Civil Society in the Perezian Framework, Communication, Capitalism and Critique Journal for a Global Sustainable Information Society,11(1), pp 173 – 190.

Matias E., Bharat R., (2015). 3D Printing: On Its Historical Evolution and the Implications for Business, New York University Polytechnic School of Engineering, New York.

Proceedings of PICMET '15: Management of the Technology Age https://nyuscholars.nyu.edu/en/publications/3d-printing-on-its-historical-evolution-and-the-implications-for--2 Maloy R.,Trust T., Kommers S., Malinowski A., LaRoche I.,( 2017). 3D Modeling and Printing in History/Social Studies Classrooms: Initial Lessons and Insights. Society for Information Technology & Teacher Education, Waynesville, NC USA. CITE Journal,17(2).

Segerman, H. (2012).3D Printing for Mathematical Visualization. The Mathematical Intelligencer, Volume 34, Issue 4, pp 56–62.

Schellya Ch., Anzaloneb G., Bas Wijnenb J.M.(2015).Open-source 3-D printing technologies for education: Bringing additive manufacturing to the classroom. Journal of Visual Languages & Computing.Volume 28, pp 226-237.