Integrering av 3D-skrivning i skolklassen

Lärarens stödmaterial | Kristo Lehtonen, Jussi Kajala & Pekka Salokannel


Användning av arkitektinlärningsmodulen vid Martinlaakson lukio på lärare Pekka Peuras lektion

Introduktion

3D-skrivning representerar en ny våg av utbildningsteknik. Eleverna planerar, delar, skapar och slutligen löser komplexa problem. Deras förståelse utvecklas på nya sätt. Integrering av 3D-skrivning i utbildningen förbättrar elevernas motivation och studieresultat samt tillämpning av inlärda kunskaper i praktiken.

Användning av 3D-skrivare räcker inte - det behövs ett pedagogiskt innehåll. Tanken är därför inte att lära sig 3D-skrivning, utan att lära sig nya saker genom att använda 3D-skrivning. Det är viktigt att integrera 3D-skrivning i klassrummet i den nya läroplanens anda.

Utmaningarna

3D-skrivning kan upplevas som komplicerat. Vanligen behövs först en tredimensionell modell för att skriva ut objektmodellen, som därefter skärs i lager. 3D-skrivaren extruderar plast lager för lager. Lösningen är att använda sig av mjukvara, där komplexiteten är gömd.

Läraren får inte lämnas ensam när tekniska problem uppstår. En god praxis är att det i skolan väljs 1-2 stödlärare som får utbildning och som andra lärare kan
vända sig till. Dessutom lönar det sig att tänka på att skaffa användarstöd. Om läraren lämnas ensam så fort det uppstår något tekniskt problem kan användningsgraden bli låg. Om användningen inte integreras i undervisningen, är resultatet oftast närmast tillfällig användning av 3D-skrivaren för enskilda objekt såsom små föremål, till exempel nyckelringar.


Eleverna lärde sig om geometriska former och att kocka med sina egna 3D-skrivna mått

Modeller för bra användning av 3D-skrivaren

Frihet att välja

Lärarna bör ha möjlighet att påverka förloppet av lektionen och dess innehåll. I olika lärmiljöer har man olika situationer, till exempel gällande placeringen av 3D-skrivaren eller antalet utskrifter som kan göras klasserna emellan.

Kreativitet

Eleverna behöver icke-linjärt och ostrukturerat innehåll, och de ska kunna påverka 3D-utskrifter på ett sätt som gör det möjligt att vara kreativa. Det är emellertid en god idé att ge några färdiga modeller som kan redigeras för att underlätta användningen i starten.

Spelifiering

Spelifiering passar speciellt bra ihop med 3D-skrivning. I bästa fall
förenklar spelifiering också utskrivandet och underlättar lärarens arbete. Enligt undersökningar förbättrar kombinationen av
spel och ny teknik elevernas motivation och sociala kompetens.

Pedagogiken först

Lektioner som utnyttjar 3D-skrivning ska planeras utifrån lärandeperspektivet. Det är speciellt viktigt att man är medveten om målet för varje lektion och har en planerad struktur för lektionen. Dessutom bör läraren ha tillräckligt med spelrum för att påverka förloppet av inlärningssituationen.

Anpassad längd

Helst bör applikationerna vara sådana att de kan användas vid lektioner av olika längd, och vid kortare eller längre lärsekvenser. I en bra planerad inlärningsmodul ingår de olika stegen i den kreativa designen, gruppens roll i att lösa problem, en spelupplevelse och fri design med CAD-program. Helheten kan genomföras på ett par lektioner, men man kan också använda hela skolåret.


Eleverna lärde sig om geometriska former och att kocka med sina egna 3D-skrivna mått

Att börja med 3D-skrivning

Urvalet av 3D-skrivare är mångsidigt. I klassrummet är vanliga materialextrusionsskrivare pålitliga och billiga alternativ. Dessutom behövs också ”slicer”, dvs. ett program som ändrar 3D-modellen till ett format som skrivaren kan förstå. Slicermjukvaran är gratis för vissa skrivare och för vissa kostar den. Slicermjukvaran ingår alltid när man köper en skrivare. Skrivare som köps för utbildningsändamål ligger i prisklassen 1 000-3 000 euro. Man får en skrivare med hög kvalitet för 2 000 euro.

Valet av skrivarens placering bör följa tillverkarens anvisningar. Vanligen är skrivaren placerad i hörnet av klassen på ett vanligt bord och nära eluttag.

Om skolan inte har en egen 3D-skrivare kan man dra nytta av till exempel bibliotekets skrivare om de har skaffat en. Det är i praktiken gratis att använda dem - oftast behöver man endast betala materialkostnader.

3D-skrivning i början

En god praxis är att låta eleverna 3D-skriva något redan första lektionen. Det är bra att färdigt ha några enkla, lätt modifierbara modeller som hjälper att ta till sig grunderna i 3D-skrivning. Det finns färdiga modeller till exempel på många webbsidor såsom thingiverse.com eller tinkercad.com. På den sistnämnda webbplatsen finns också ett gratis webbaserat editeringsprogram. Modeller som görs i finska skolor kan också hittas till exempel på 3DBear.fi eller Tinkercad.com.

Konkreta resultat

Det är viktigt att försöka se till att de 3D-utskrifter som görs på lektionen har betydelse och är användbart utanför lektionen. Till exempel i det senare beskrivna arkitektspelet kan eleverna använda mer av lektionen till att planera, lösa problem och skapa nya egna 3D-modeller för 3D-utskrifter. Resultatet är ett fullfjädrat brädspel, som stöder matematikstudierna.

Interaktion

Det är bra att omväxlande göra uppgifter självständigt och som grupparbete. 3D-skrivningsprocessen som helhet är ett utmärkt verktyg för att utveckla samarbetsförmågan. Användningen av grupparbete stöds av det faktum att en enskild 3D-utskrift tar relativt lång tid, och då är det meningsfullt att dela upp eleverna i grupper.


Elever kan skapa ett virtuellt självporträtt eller en avatar och 3D-skriva den till ett bruksföremål åt sig själv

Exempel på inlärningssituationer

I de följande avsnitten beskrivs 3DBear Oy:s spelinlärningsmoduler för användning av 3D-skrivare. 3DBears produkter kan hittas på 3dbear.fi.

Avatar

I Avatarappen kan eleverna skapa sig en virtuell karaktär genom en lättanvänd editorapplikation. Karaktären kan vara ett självporträtt eller helt påhittad, beroende på vad eleven tycker att är meningsfullt. Därefter skapar man karaktärernas personlighetskort där man kan skriva in till exempel vad karaktären gillar. Sedan kan karaktärerna skrivas ut en i taget. Det är bra om läraren är närvarande och övervakar hur utskriften förlöper i 3D-utskriftsskedet. Slutligen målar man den 3D-skrivna Avatar-karaktären med akrylfärger.


Med 3D-skrivning kan man skapa ett helt brädspel, även spelpjäser

Arkitekt

I Arkitektspelet kombineras kreativ design, övning i matematik och spelande. Först planerar eleverna en planritning för det egna rummet, gör en modell av rummet och 3D-skriver den. Hit hör övningar i att beräkna areor, där eleverna studerar lägenhetens mått och beräknar rummens och hela lägenhetens area.

Läraren kan påverka förloppet av lektionerna. Man kan börja göra modeller av möbler med modelleringsprogramvara som är planerad för barn och kan användas på lärplatta. Programmet ger möjlighet att dra nytta av förstärkt verklighet (AR) och att granska egna modeller, till exempel i det egna rummet.

Sedan övergår man till Tinkercad, där eleverna har tillgång till lätta anpassningsmallar; de mest skickliga kan också helt självständigt göra sina egna modeller.

När möbler och lägenheter har skrivits ut, är slutresultatet ett brädspel som eleverna kan spela tillsammans. Spelandet är effektivt för övning och upprepning av uppgifter i matematiken, såsom multiplikation och procenträkning.


Anslut prickar-spelets 3D-modellering kan också göras med glasögon för virtuell verklighet och modellen kan 3D-skrivas

Anslut Prickar

Vid Anslut prickar-spelet utnyttjas skalor och talföljder.

Lärandet fördjupas när man med hjälp av 3D-utskrifter kan konkretisera skalor så att det passar olika typer av elever.

Talföljder är en grund för modern mjukvaruutveckling. Att förena punkter till en bruten sträcka är en välbekant konstruktionsuppgift för många barn. Nu kan samma uppgift göras tredimensionellt. Samtidigt lär man sig 3D-modellering på ett mer intuitivt och kreativt sätt.

Efter att man har löst en nivå öppnas nästa nivå på skalan. Om så önskas kan eleverna också använda en separat virtuell verklighet i 3DBears app där modelleringen sker tredimensionellt med VR-glasögon genom att röra på huvudet. Slutresultatet är en 3D-modellsom kan 3D-skrivas. Detta är ett exempel på effektiv integrering av de olika 3D-teknikerna.

Sammanfattning

Potentialen i 3D-skrivning är stor. Inom 3D-skrivning kan man bilda olika helheter för lärande i, allt från längre serier till engångssessioner. Framför allt erbjuder 3D-skrivning ett brett spektrum av möjligheter för fenomenbaserat lärande.

Pedagogiska fördelar med 3D-skrivning är inte bara den utskrivbara slutprodukten. När eleverna går genom uppgifter och innehåll i anknytning till 3D-skrivandet lär de sig hur man tillsammans löser problem och skapar med egna händer. 3D-skrivningens ämnesövergripande natur är en av dess största styrkor som undervisningsmetod.

Utmaningarna har varit brist på lämpligt undervisningsinnehåll och tillräcklig introduktion för att ta maskinen i bruk. Lärarna har upplevt att de blivit ensamma med den nya tekniken och på grund av detta har utrustningen inte använts i undervisningen. Man är medveten om dessa problem och innehållsleverantörer har börjat betona pedagogiken samt lärarnas och elevernas behov.

3D-skrivning är en framtidskunskap, som kan användas för att uppnå flera av målen i läroplanen. Lämpligt innehåll och medvetenhet om användarnas behov är viktiga faktorer då man skapar högkvalitativa lärsituationer.

Med rätt ledning och introduktion är 3D-skrivning lämpligt för var och en - på ett bra sätt och lika vardagligt som att skriva ut ett vanligt pappersark.


3D-skriven passare med vilken man kan mäta det gyllene snittet

Källor

  • Forskning som den brittiska regeringen Department of Education låtit utföra: 3D printers in schools: uses in the curriculum. 2013.
  • Liknande resultat finns också i 3DBear Oy:s egna klassrumspiloter i huvudstadsområdet i Finland. Se t.ex. Utbildningsstyrelsen: Tieto- ja viestintätekniikka opetuskäytössä (pdf). 2011. s. 20. ”Keskeisiä tuettavia piirteitä ovat erityisesti oppimisen yhteisöllisyys ja työskentely yhteisen kohteen parissa, oppijan oppimisen taidot, oppijan aktiivisuus opittavan ilmiön käsittelyssä sekä oppimistehtävien haasteellisuus, avoimuus, autenttisuus ja aitous oppijan kokemusten kannalta. Näin digitaalinen oppimateriaali tarjoaa opettajille ja oppijoille lisäarvoa.”
  • Utskrivbara objekt skapas med hjälp av så kallade CAD-program (Computer-Aided Design). Ett av de populäraste programmen är Tinkercad (www.tinkercad.com), som har utvecklats i Finland. Resultatet är vanligtvis en STL-fil. STL är standardgränssnittet för utrustning för tillsatstillverkning.
  • Skärningsprogram (slicing) som Cura eller Simplify3D producerar ett kommandospråk (G-kod). Det finns flera 3D-utskrivningstekniker, men här avser vi materialextrusionsskrivare (Fused Deposition Modelling, FDM).
    Över 80% av världens 3D-skrivare använder materialextrusion och i
    klassrummet är FDM den dominerande tekniken. Se t.ex. OECD, Centre for Educational Research and Innovation: Connected Minds – Technology and Today’s Learners. 2012 eller UKM: Tulevaisuuden peruskoulu. 2010.

Se också

Rektor Pia Silvander vid Kottby lågstadieskola berättar om erfarenheter av integrering av 3D-skrivning i klassrummet. Hur kan skolan inspirera och väcka elevernas nyfikenhet med hjälp av 3D-skrivning, geometriska former och måttenheter i ett spelliknande äventyr, lärarens roll, olika lärstilar och den nya läroplanen.
Källa: Pekka Salokannel, 3DBear