К вопросу применения 3D-прототипирования во внеурочной деятельности учащихся

Фаритов Анатолий Тависович Аспирант, ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный педагогический университет имени И. Н. Ульянова» 432071, Россия, г. Ульяновск, площадь Ленина, 4/5, ауд. 309 Faritov Anatolii Tavisovich Postgraduate student, the department of Pedagogy and Social Work, Ulyanovsk State Pedagogical University named after I. N. Ulyanov 432071, Russia, g. Ul'yanovsk, ploshchad' Lenina, 4/5, aud. 309 anatolij-faritov@yandex.ru Другие публикации этого автора

За последние несколько лет технология 3D-печати, обеспечивающая повышение эффективности учебной деятельности, приобрела большую значимость в образовательном секторе ^{[4, с.8]}. Однако отсутствуют исследования, позволяющие комплексно рассмотреть вопросы, связанные с применением инновационных 3D-технологий во внеурочной деятельности в школе. Согласно федеральному государственному образовательному стандарту внеурочная деятельность интегрирована в образовательный процесс и, являясь его неотъемлемой частью, направлена на развитие различных способностей учащихся, их познавательного интереса, ориентацию на будущее профессиональное самоопределение ^{[10, с.29-32]}. В связи с этим необходимо выявить, обосновать и экспериментально проверить внешние обстоятельства, влияющие на эффективность интегрирования 3D-технологий в образовательную среду школы. Данное исследование проведено с целью изучения особенностей технологии быстрого прототипирования и возможностей их использования в образовательном процессе.

По результатам обзора отечественных и иностранных источников, связанных с технологией 3D-печати, нами было выявлено, что вопрос ее применения в образовательном процессе во внеурочной деятельности изучен недостаточно.

3D-печать является одной из самых революционных технологий 21 века. В 1981 году японский дизайнер Хидео Кодама из Нагойского муниципального индустриального научно-исследовательского института сделал и опубликовал свой рассказ о функционирующей системе быстрого прототипирования с использованием фотополимеров. Ему удалось напечатать прочную модель слоев, где каждый слой соответствует поперечному срезу в модели ^{[14, с.30-34]}. Затем, 3 года спустя, в 1984 году, Чарльз Халл совершил большой прорыв, изобретая стереолитографию. Данная технология позволяет проектировщику создавать 3D модели с использованием цифровых данных, где эти данные могут быть использованы для создания материального объекта. В 1987 году Карл Декард из Техасского университета находит альтернативный метод 3D-печати, который превращает сыпучий порошок в твердую структуру. В 1989 году немецкая компания EOS GmbH, занимающаяся производством присадок, сосредоточилась на технологии лазерного спекания и разработала технологию лазерного спекания металла в мире технологии 3D-печати. Далее Скотт Крамп изобрел и запатентовал технологию моделирования плавящегося осаждения - также известную как FDM. В том же году Крамп и его жена Лиза основали компанию "Стратасис". Эта компания была и остается ведущим производителем 3D-принтеров ^{[16, с.226-237]}. С момента своего появления, 3D-печать претерпела колоссальные изменения. Прототипы в настоящее время не ограничиваются пластмассой или металлом. Единственной проблемой, которая стоит на пути повсеместного использования этой инновационной технологии является высокая стоимость ^{[15, с.152-169]}. Вследствие чего, для определения целесообразности их применения в различных отраслях жизни, в том числе в обучении, необходимо провести ряд исследований. В процессе проведения исследования была сформулирована цель: изучение особенностей технологии быстрого прототипирования и возможностей их использования в образовательном процессе.

Одним из главных направлений современной школы является создание условий для выявления и поддержки одарённых детей. В Федеральном государственном стандарте (ФГОС) второго поколения внеурочная деятельность определяется в качестве одной из обязательных форм организации свободного времени обучающихся направленной на создания условий развития творческих способностей, коммуникативных навыков, индивидуализации образовательного процесса, формирования универсальных учебных действий. Занятия по внеурочной деятельности открывают для детей новые возможности для исследования, проявления своих творческих способностей, инициативы, лидерских качеств. Здесь учащиеся делают первые шаги в работе с программами трехмерной графики, конструировании инженерных объектов, разработке собственных инновационных технологичных продуктов. Цель занятий заключается в ранней профориентации, помощи в профессиональном самоопределении, популяризации инженерных специальностей, расширения мировоззрения, раскрытие творческих и индивидуальных способностей, формировании инженерной компетенции учащихся. Предоставить возможность учащимся применять знания, умения и навыки на практике. Приобрести необходимый опыт по работе с новыми техническими устройствами.

Быстрое прототипирование - это технология послойной печати (тонкой полимерной нитью, склеивание порошков, ламинирование листовых материалов и др.) физического объекта на основе компьютерной модели, с целью изучения свойств, анализа работы, проведения эксперимента ^{[11, с.19-23]}. На сегодняшний момент технология 3D-печати применяется в различных видах деятельности: архитектура, медицина, современное искусство, и даже в пищевом производстве, позволяет быстро воплощать идеи в функционирующие прототипы, сокращая время от этапа проектирования до конечной продукции ^{[13, с.39-45]}.

3D-технология может быть прекрасным средством для повышения творческой активности учащихся и понимания учебного материала. Получить задуманную модель не просто на экране монитора, но и в пластмассовой копии – это прекрасный способ разнообразить учебный процесс, придать ему наглядность, а также мотивировать детей к инженерному делу ^{[7, с.19-23]}. Подготовка профессиональной ориентации и обучение их ценным навыкам 3D-печати - это высокоэффективный путь, который сегодня может быть доступен в рамках школы. Практически всё, что учащийся рисует на бумаге, может быть наглядно представлено с помощью моделей, к которым можно прикоснуться и исследовать под любым углом.

С января 2019 года на базе на базе муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения «гимназии №1» города Ульяновска организована лаборатория 3D-моделирования и прототипирования. Приобретено высокотехнологичное оборудование: 3D-принтеры и сканеры, современные компьютеры, а также трёхмерное графическое программное обеспечение. Занятия проводятся в рамках внеурочной деятельности для учащихся 5-11 классов. Обучение строится в три этапа:

1. Базовое обучение работе в среде программ 3D-моделирования.

На наш взгляд начинать изучение инженерного дела необходимо с программного комплекса 123D Design, которое отличается интуитивным и понятным интерфейсом. Учащиеся 5-6 классов с легкостью освоят работу с примитивами (базовыми фигурами) и модификаторами над ними. Для проектирования сложных моделей в дальнейшем возможно применять программу Blender 3D. Бесплатный продукт для создания и редактирования трёхмерных объектов, который практически не уступают платным пакетам трёхмерной графики, таким как 3Ds MAX, Maya. Учащимся предстоит работать с полигонами, сплайнами или кривыми Безье, а булевы операции помогут облегчить решение поставленных задач. Большое количество модификаторов позволяют смоделировать любой по сложности объект. Всегда есть возможность отредактировать, исправить или дополнить 3D-модель. Просмотр объекта в разных проекциях, режим «вращения сцены» делает процесс наглядным, интересным и познавательным.

2. Ознакомление с принципами работы 3D-принтера.

Другое название технологии 3D-печати – аддитивное производство, представляющее собой процесс создания объектов из полимеров по цифровому файлу. Одним из типов данной технологии является послойная печать расплавленной полимерной нитью - Fused Deposition Modeling (FDM). Изделие получается путём последовательного наслаивания слоёв материала. Каждый из слоёв является тонким поперечным сечением объекта. Печать происходит с помощью экструдера, который под высокой температурой выплавляет пластиковую нить. Точность и качество конечного продукта зависит от запрограммированной скорости печати, используемого материала и типа экструдера. Время печати одной небольшой модели составляет несколько часов. В последние десять лет технология 3D-печати стала более доступной. Принтеры с высоким разрешением простые в использовании возможно приобрести для работы в общеобразовательные учреждения. В качестве материала применяют термопласты. Наиболее распространенным является полилактид (PLA), относится к биоразлагаемым веществам, в основе которых сахарный тростник и кукуруза. При 3D-печати данные материал не нуждается в охлаждении, нет необходимости в подогреваемой рабочей области со специальным покрытием, отсутствие вредных испарений и химического запаха.

Сложность применения 3D-принтера во внеурочной деятельности состоит в том, что на учебных занятиях устройство и принцип работы 3D-печати не изучается. Поэтому, при формировании учебной группы, необходимо рассмотреть принцип работы 3D-принтера. Объяснить настройку программного обеспечения, установку оптимальных параметров печати, особенности подбора материала, реальные способности принтера к печати тех или иных предметов, алгоритм построения модели и др. Целесообразным представляется синтез урочных и внеурочных форм работы, когда базовое обучение 3D-печати будет производиться на основе блочно-модульной программы на начальном этапе деятельности совместной группы.

Опыт автора по ведению внеурочной деятельности в гимназии показывает, что учащиеся с пятого класса проявляют неподдельный интерес к 3D-печати. Создают рисунки (чертежи) на бумаге, которые затем переносят в графическую программу, корректируют и дорабатывают, прибегая к помощи учителя. Программные средства позволяют редактировать модель, исправлять недочеты и видеть результат непосредственно на экране монитора компьютера. Предварительный рисунок необходим для более глубокого понимания конечного результата прототипирования.

3. Проектная деятельность.

Проектную деятельность можно воспринимать как проблемное или развивающее обучение, так как при решении проблемной задачи учащийся получает новый опыт или навык, заранее определённый учителем. Непосредственное руководство учителя делает обучающихся объектом педагогического воздействия, однако, активное участие в деятельном процессе, самостоятельная организация и творческое осуществление проектной работы, саморазвитие и самореализация переводит их в субъект педагогической деятельности. Конечный продукт проектирования представляет собой материализацию субъективного опыта учащегося. Новизна полученного предмета (программы, технологии) с точки зрения педагогики не на столько имеет большое значение, как опыт проектной деятельности, который способствует актуализации и развитию значимых качеств личности обучающегося.

При работе с проектом учащиеся выступают в роли субъекта педагогического деятельности: осуществляют самостоятельный поиск знаний и применяют их на практике; развивают творческие способности и коммуникативные качества личности; формируется положительный опыт исследования.

В начале учителю предстоит решить ряд непростых задач:

- определить актуальную на сегодняшний день тему проекта (альтернативная энергия, летательные аппараты, социальная сфера);

- прописать план действий всех участников работы;

- определить конечный результат исследования;

- разработать критерии и систему оценивания;

- организовать обсуждение результатов;

- подобрать экспертную группу из высшего учебного заведения.

В процессе исследовательской работы учащиеся работают в группе по три человека. На каждом этапе участники проекта самостоятельно выполняют поставленные задачи, при необходимости прибегая к помощи учителя. В конце каждого этапа заслушивается выступление каждого участника о проделанной работе в группе. Выносятся вопросы для обсуждения, озвучиваются проблемы и возможные способы их решения. Подводится итог о полученных результатах на данном этапе, что было выполнено, какой вклад внесла проделанная работа в целый проект.

Проект включает не только разработку 3D-модели, но экономическое обоснование, целесообразность и значимость готового продукта. Группа анализирует дальнейший план производства продукта и вывод его на потребительский рынок. В презентации все цифровые показатели иллюстрируются в графиках и диаграммах. В качестве экспертов приглашаются заведующие или представители кафедр университетов, по социальной работе или информационным технологиям.

В рамках рассматриваемого вопроса нами было проведено исследование по вопросу целесообразности внедрения технологий 3D-прототипирования в школьный образовательный процесс, поскольку на данный момент подобной технологией обладают лишь некоторые образовательные учреждения крупных городов России ввиду достаточного финансирования. В качестве основополагающих критериев оценки нами были выделены: положительная динамика сформированности мотивации учащихся пятых классов к обучению и вовлеченности в образовательный процесс, а также формирование ключевых учебных компетенций у школьников в рамках внеурочной деятельности согласно Федеральному государственному образовательному стандарту (овладение методами учебно-исследовательской и проектной деятельности, решения творческих задач, моделирования, конструирования и эстетического оформления изделий с использованием 3D-принтера; умением работать в группе; развитием креативности, критического и творческого мышления, сотрудничества, самостоятельности и т.д.). В качестве экспериментальной группы были отобраны учащиеся пятых классов, посещающие лабораторию 3D-моделирования и прототипирования гимназии №1 города Ульяновска. При выборе экспериментальной группы мы руководствовались тем, что учащиеся пятых классов мало знакомы с современными аддитивными технологиями, полученные раннее знания и умения не существенно отразятся на результатах эксперимента.

Внеурочные занятия были разделены на фазу ориентации, в ходе которой дети учились работать с графическими программами, управляющими принтером и генерирующими файлы для 3D-печати и этап передачи, в котором дети применяли свои навыки.

Первоначально учителям было трудно использовать программное обеспечение для проектирования, а также было сложно представить, какие проекты, соответствующие возрасту учащихся, можно было бы создать. Однако они пришли к выводу, что наличие доступа к сети Интернет было полезным для поиска недостающей информации.

На первом этапе нами были собраны исходные данные, необходимые для проведения исследования. На основе скрининговых записей (по итогам диагностики уровня сформированности общеучебных умений и навыков учащихся М. Ступницкой), журналов для учителей, опросников (модифицированный вариант анкеты школьной мотивации Н.Г. Лускановой; адаптированная методика для диагностики учебной мотивации школьников М.В. Матюхиной в переработке Н.Ц. Бадмаевой), интервью с учащимися и преподавателями (в рамках недирективного подхода К.Роджерса), а также наблюдений исследователей за процессом обучения и преподавания в творческих группах (по методике Э.М. Александровской, Ст. Громбах), была выявлена взаимосвязь между четким инструктажем по проведению открытого исследования, применяемыми педагогическими стратегиями, видами, последовательностью поставленных задач, особенностями технологических ресурсов, структурой используемых пространств и базовыми знаниями учащихся, их возможностями сотрудничества. Было отмечено, что каждый из этих факторов приводит к продуктивному или неэффективному обучению, в зависимости от того, как они были сконфигурированы. Занимаясь творчеством с использованием 3D-технологий, увеличились показатели вовлеченности учащихся в процесс обучения, а также был повышен уровень уверенности в своих способностях учеников, показатели которых на предварительном этапе были невысокими. Одна из заметных проблем, связанных с проведением этих занятий, заключалась в различном уровне технической грамотности учащихся; эта неоднородность создавала неравномерность в классе и требовала от учителей адаптации к различным потребностям учащихся.

По итогам внедрения технологии 3D-прототипирования было выявлено, что в рамках проектной работы школьники развили креативность, способность быстро ориентироваться в решении сложных задач; критическое и творческое мышление, сотрудничество, самостоятельность, цифровую грамотность, коммуникацию, способность к рефлективному обучению; освоили различные методы исследования. Анализ записей скрининга школьников выявил значительный уровень навыков дизайнерского мышления, в частности, проведения экспериментов и интерпретации полученной информации. Выявленные сложности в работе с компьютерными технологиями наблюдались у тех учащихся, которым данный вид деятельности ранее был недоступен и тех, кто испытывал трудности при работе в группе (рисунок 1).

Рис.1. Динамика сформированности мотивации учащихся к обучению и вовлеченности в образовательный процесс

По результатам проведенного исследования мы сделали вывод о том, что существует очень большой спрос на внеурочные занятия, связанные с 3D-моделированием и печатью, и многие школьники выразили желание заниматься 3D-прототипированием в школе, а также в своей будущей профессии. Учителя отметили, что для них необходимы курсы повышения квалификации. Профессиональное обучение позволило бы им лучше понять преимущества интеграции 3D-технологий в процесс обучения. Необходимы дополнительные знания и навыки для внедрения инноваций в образовательную среду школы. Учителя также высказали мнение о том, что для развития своих способностей и эффективного преподавания необходимы надежные технологии, коллегиальная поддержка, учебные ресурсы, соответствующие технологичные пространства и время для развития своих способностей и создания планов внеурочных занятий.

Теоретическая значимость проведенного исследования состоит в том, что его результаты доказывают целесообразность внедрения технологии 3D-прототипирования в общеобразовательный процесс, результативно использован комплекс существующих базовых методов исследования; выявлены критерии и показатели эффективности процесса интеграции 3D-технологий во внеурочной деятельности.

Практическая значимость заключается в том, что содержащийся в статье теоретический материал может cтать основой для разработки учебных программ внеурочной деятельности с целью успешной интеграции инновационной технологии 3D-прототипирования в школе.

В результате проведенного исследования нами изучены особенности технологии быстрого прототипирования, а также возможности их использования в образовательном процессе. Мы выяснили, что на современном этапе российского школьного образования, инновационные технологии 3D-печати находятся на ранней стадии внедрения. Тем не менее, их интегрирование в школьный образовательный процесс побуждает интерес учащихся к дальнейшему изучению компьютерных технологий, что может стать решающим фактором в выборе будущей профессиональной деятельности. К внешним обстоятельствам, влияющим на эффективность применения 3D-технологий в образовательную среду школы является решение вопросов, связанных повышением технологической грамотности учащихся; подготовку педагогических кадров; разработка учебных программ внеурочной деятельности, ориентированной на применение 3D-технологий; оснащение образовательного пространства оборудованием для 3D-печати и его техническое обслуживание; поддержка педагогов в процессе интеграции технологий в их учебные программы. Реализация таких инициатив имеет смысл, так как положительное влияние использования 3D-принтера в жизнедеятельности человека постепенно становится все более очевидным. На современном этапе можно говорить о том, что 3D-прототипирование является перспективной инновацией, которая, несомненно, будет способствовать получению продуктивного образовательного опыта.