3D-tulostuksen integroiminen koululuokkaan

Opettajan tukimateriaali | Kristo Lehtonen, Jussi Kajala & Pekka Salokannel

3d-tulostaminen
Arkkitehtioppimismoduulin käyttöä Martinlaakson lukiossa opettaja Pekka Peuran tunnilla
Johdanto

3D-tulostus edustaa opetusteknologian uutta aaltoa. Oppilaat suunnittelevat, jakavat, luovat ja lopulta ratkaisevat monimutkaisia ongelmia. Heidän ymmärryksensä kehittyy uusilla tavoilla. 3D-tulostuksen integrointi opetukseen parantaa tutkimusten mukaan myös oppilaiden motivaatiota ja oppimistuloksia sekä opittujen taitojen soveltamista käytäntöön.

3D-tulostin yksin ei riitä. Tarvitaan pedagogista sisältöä. Tarkoitus ei ole siis opettaa 3D-tulostusta vaan oppia ja oivaltaa hyödyntäen 3D-tulostusta. Olennaista on hyödyntää 3D-tulostusta opetussuunnitelman hengen mukaisesti.

Haasteet

3D-tulostaminen voidaan kokea monimutkaiseksi. Normaalisti tarvitaan ensin tulostettavan kappaleen kolmiulotteinen malli , joka tämän jälkeen pilkotaan kerroksiin , sillä 3D-tulostin tulostaa kappaleen pursottamalla muovia kerroksen kerrallaan. Ratkaisuna on hyödyntää ohjelmistoja, joissa monimutkaisuus on piilotettu.

Opettaja ei saa jäädä yksin teknisten ongelmien ilmaantuessa. Hyvä käytännön malli on, että kouluissa valitaan 1–2 tukiopettajaa, jotka saavat koulutusta ja joiden puoleen muut opettajat voivat kääntyä. Lisäksi kannattaa harkita käyttötuen hankkimista. Jos opettaja jää yksin ensimmäisten teknisten ongelmien ilmaantuessa, saattaa laitteiden käyttö jäädä vähäiseksi. Jos käyttöä taas ei integroida opetukseen, on lopputuloksena yleensä lähinnä satunnaista käyttöä ja yksittäisten esineiden kuten avaimenperien kaltaisten pienesineiden tulostamista.

3d-tulostaminen
Oppilaat opettelivat geometrisia muotoja ja kokkasivat 3D-tulostetuilla mitoilla
Hyvän käytön suunnitteluperiaatteet

Vapaus valita

Opettajilla tulisi olla mahdollisuus vaikuttaa tunnin kulkuun ja sisältöön. Eri oppimisympäristöissä on eri tilanne esimerkiksi sen suhteen, missä 3D-tulostin sijaitsee tai kuinka monta tulostetta voidaan tehdä tuntien välissä.

Luovuus

Oppilaat tarvitsevat ei-lineaarista ja strukturoimatonta sisältöä ja oppilaiden tulisi voida vaikuttaa 3D-tulostettaviin esineisiin tavalla, joka mahdollistaa luovuuden. Hyvä käytäntö on kuitenkin tarjota käytön aloituksen helpottamiseksi joitakin valmiita suunnittelumalleja, joita voidaan muokata.

Pelillisyys

Pelillisyys sopii erityisen hyvin yhteen 3D-tulostuksen kanssa. Parhaimmillaan pelillistäminen myös yksinkertaistaa tulostamista ja helpottaa opettajan työtä. Tutkimusten mukaan pelien yhdistäminen tulevaisuuden teknologioiden oppimiseen parantaa opiskelijoiden motivaatiota ja vuorovaikutustaitoja.

Lähtökohtana oppiminen

3D-tulostusta hyödyntävien oppituntien sisältö tulee suunnitella oppimisen lähtökohdista. Erityisen tärkeää on, mitkä ovat kunkin oppitunnin tavoitteet ja ehdotettu kulku. Lisäksi opettajalla tulee olla riittävästi joustovaraa vaikuttaa oppimistilanteen kulkuun.

Joustava kesto

Ihanteellisesti ajatellen pelimäisten sovellusten tulisi olla sellaisia, että niitä voi käyttää eripituisilla oppitunneilla sekä lyhyemmän tai pidemmän ajanjakson kuluessa. Hyvin suunniteltu tuntikokonaisuus sisältää eri vaiheita luovasta suunnittelusta, ryhmässä tehtävästä ongelmanratkaisusta, pelilliseen kokemukseen sekä vapaaseen suunnitteluun CAD-ohjelmistoilla. Kokonaisuuden voi vetää läpi parissakin oppitunnissa, tai siihen voi käyttää vaikka koko lukuvuoden.

3d-tulostaminen
Oppilaat opettelivat geometrisia muotoja ja kokkasivat 3D-tulostetuilla mitoilla
Miten alkuun - 3D-tulostamisen aloittaminen

3D-tulostimien valikoima on monipuolinen. Luokkahuoneessa tavanomaiset materiaaliekstruusiotulostimet ovat luotettavia ja edullisia vaihtoehtoja. Tulostimen lisäksi tarvitaan slicer, eli ohjelma joka muuttaa 3D-mallin tulostimen ymmärtämään muotoon. Slicer on joillekin tulostimille ilmainen ja toisille maksullinen. Se tulee aina tulostinta hankittaessa. Opetuskäyttöön hankittavat tulostimet ovat hinnaltaan noin 1000–3000 euroa. Erittäin laadukkaan tulostimen saa noin 2000 euron hintaan.

Tulostimen sijaintia valittaessa kannattaa noudattaa valmistajan ohjeita. Yleensä tulostimet luokkahuoneissa ovat luokan nurkassa tavallisen pöydän päällä ja lähellä sähköpistoketta.

Jos koulussa ei ole omaa 3D-tulostinta, voi hyödyntää esimerkiksi kirjastoihin usein hankittuja tulostimia. Niiden käyttäminen on käytännössä lähes ilmaista, usein vain materiaalikustannusten hintaista.

Tulostus alussa

Hyvä käytäntö on, että oppilaat pääsevät heti ensimmäisellä tunnilla tulostamaan jotain. Tähän on hyvä olla varastossa muutamia yksinkertaisia, helposti muokattavia malleja, joiden avulla 3D-tulostuksen perusteet otetaan haltuun. Valmiita malleja löytyy esimerkiksi monilta nettisivuilta, kuten thingiverse.com tai tinkercad.com. Jälkimmäinen sivusto sisältää myös ilmaisen selainpohjaisen mallien muokkausohjelman. Suomalaisissa kouluissa tehtyjä malleja löytyy myös esimerkiksi 3DBear.fistä tai Tinkercad.comista.

Konkreettinen lopputulos

On tärkeää pyrkiä siihen, että oppitunnilla tehtävillä 3D-tulosteilla on merkitystä ja käyttöä myös yksittäisen oppitunnin ulkopuolella. Esimerkiksi jäljempänä kuvatussa arkkitehtipelissä oppilaat käyttävät useamman oppitunnin suunnitellen, ratkaisten ongelmia ja luoden uusia omia 3D-tulosteiden malleja. Tuloksena on täysimittainen lautapeli, joka tukee matematiikan opintoja.

Sosiaalisuus

On hyvä vuorotella yksin tekemisen ja ryhmässä työskentelyn osuuksia. 3D-tulostusprosessi on kokonaisuudessaan erinomainen väline ryhmätyötaitoja kehittämiseen. Ryhmätyöskentelyn hyödyntämistä puoltaa myös yksittäiseen tulostukseen kuluva suhteellisen pitkä aika, jolloin on mielekästä jakaa oppilaita ryhmiin.

3d-tulostaminen
Oppilas voi luoda virtuaalisen omakuvan, eli avatarin ja 3D-tulostaa sen itselleen käyttöesineeksi
Esimerkkejä oppimistilanteista

Seuraavissa kappaleissa on kuvattu 3DBear Oy:n tekemiä pelillisiä oppimismoduuleja 3D-tulostimen käyttöön. 3DBearin tuotteisiin voi tutustua osoitteessa 3dbear.fi.

Avatar

Avatar-sovelluksessa oppilaat luovat itselleen virtuaalihahmon helppokäyttöisen editorisovelluksen avulla. Hahmo voi olla omakuva tai puhtaasti kuviteltu, riippuen mikä oppilaasta tuntuu mielekkäältä. Tämän jälkeen hahmoille luodaan persoonallisuuskortit, joihin voi vaikka kirjoittaa mistä hahmo pitää tai mitä hän harrastaa. Tämän jälkeen hahmot voidaan yksi kerrallaan tulostaa. Tulostusvaiheessa opettajan on hyvä olla läsnä ja valvoa tulostuksen etenemistä. Lopuksi tulostetut hahmot, eli avatarit, viimeistellään akryylivärein maalaamalla.

3d-tulostaminen
3D-tulostamalla voi luoda vaikka täydellisen lautapelin, pelinopat mukaan lukien
Arkkitehti

Arkkitehtipelissä yhdistyvät luova suunnittelu, matematiikan harjoittelu ja pelillisyys. Aluksi oppilaat suunnittelevat oman huoneensa pohjapiirustuksen, mallintavat sen ja 3D-tulostavat sen. Tähän liittyy pinta-alatehtäviä, joissa asunnon mittoja tutkiskellaan ja lasketaan huoneiden sekä koko huoneiston pinta-ala.

Opettaja pystyy vaikuttamaan tuntien kulkuun. Huonekalujen suunnittelu voidaan aloittaa lapsille suunnitellulla ja tabletilla käytettävällä mallinnusohjelmalla. Ohjelmassa on mahdollisuus hyödyntää myös lisättyä todellisuutta (AR) ja tarkastella omia malleja esimerkiksi omassa huoneessa.

Tämän jälkeen siirrytään käyttämään Tinkercadia, jossa oppilailla on käytössään helposti muokattavia valmispohjia; taitavimmat voivat tehdä myös täysin itsenäisesti omia mallejaan.

Kun huonekalut ja asunnot on tulostettu, lopputuloksena syntyy lautapeli, jota oppilaat pelaavat yhdessä. Pelattaessa tulee tehokkaasti harjoitusta ja toistoa matematiikan tehtävissä, kuten kerto- ja prosenttilaskussa.

3d-tulostaminen
Yhdistä pisteet -pelin 3D-mallinnuksen voi tehdä myös virtuaalitodellisuuslaseilla ja tuloksena syntyvän mallin voi 3D-tulostaa
Yhdistä pisteet

Yhdistä pisteet -pelissä hyödynnetään mittakaavoja ja lukujonoja.

Oppiminen syvenee kun mittakaavoja pystytään konkretisoimaan 3D-tulosteiden avulla moniaistillisesti erilaisille oppijoille sopien.

Lukujonot ovat modernin ohjelmistokehityksen perusta. Pisteiden yhdistäminen janalla on tuttu piirustustehtävä monille lapsille. Nyt sama tehtävä tehdään 3-ulotteisesti. Samalla opitaan 3D-mallintamista intuitiivisella ja luovalla tavalla.

Ratkaistuaan yhden tason vapautuu aina mittakaavan seuraava taso. Halutessaan oppilaat voivat hyödyntää myös erillistä 3DBearin virtuaalitodellisuus-appia, jolla mallinnus tehdään 3-ulotteisesti VR-laseilla, pään liikkeiden avulla. Lopputuloksena syntyvän 3D-mallin voi 3D-tulostaa. Tämä on esimerkki eri 3D-tekniikoiden tehokkaasta yhdistämisestä.

Yhteenveto

3D-tulostuksen potentiaali on laaja. Sen puitteissa voi muodostaa monenlaisia oppimiskokonaisuuksia pidemmistä sarjoista lyhyisiin kertasessioihin. Erityisesti ilmiöpohjaisen oppimisen havainnollistamiseen tulostusteknologia tarjoaa monenlaisia mahdollisuuksia.

3D-tulostamisen opetukselliset hyödyt eivät silti rajoitu pelkästään tulostettavaan lopputuotteeseen. Kun oppilaat käyvät läpi tulostuksen ympärille rakennettuja tehtäviä ja sisältöä, omaksuvat he samalla niin ryhmätyöskentelytaitoja, käsillä tekemistä, kuin soveltavaa ongelmanratkaisua – juuri 3D-tulostamisen poikkiaineellisuus on sen suurimpia vahvuuksia opetusmetodina.

Tulostukseen liittyviä haasteita ovat aikaisemmin olleet opetukseen soveltuvan sisällön puuttuminen sekä riittämätön perehdytys laitteiden käyttöönottamiseen. Opetushenkilöstö on kokenut jääneensä yksin uuden teknologian kanssa, jolloin laitteiden ottaminen osaksi opetusta ei ole toteutunut. Nämä ongelmat on kuitenkin tiedostettu, ja sisällöntuottajat ovat alkaneet painottaa opettaja-, oppilas- sekä pedagogialähtöistä lähestymistapaa.

3D-tulostaminen on tulevaisuuden taito, jota kehittämällä voidaan lähestyä lukuisia opetussuunnitelman tavoitteita. Laadukkaiden oppimistilanteiden luomisessa soveltuva sisältö ja käyttäjäkunnan tarpeiden tiedostaminen ovat tärkeitä tekijöitä. Oikeanlaisella ohjeistuksella ja perehdytyksellä 3D-tulostaminen on jokamiehenteknologiaa – hyvällä tavalla yhtä arkista kuin tavallisen kuvan tulostaminen paperille.

3d-tulostaminen
3D-tulostettu harppi, jolla voi mitata kultaista leikkausta
Lähteet

  • Ison-Britannian hallituksen teettämä tutkimus Department of Education: 3D printers in schools: uses in the curriculum. 2013.
  • Samansuuntaisia tuloksia myös 3DBear Oy:n omissa 3D-tulostus-luokkapiloteissa pk-seudulla Suomessa. Ks. esim. Opetushallitus: 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.”
  • Tulostettavia objekteja tehdään ns. CAD (Computer-Aided Design) -ohjelmistolla. Yksi yleinen luokissa ympäri maailmaa käytettävä ohjelma on Tinkercad (www.tinkercad.com), joka on aikoinaan Suomessa kehitetty. Tuloksena on yleensä stl-tiedosto. STL on lisäävän valmistuksen (Additive Manufacturing) laitteiden standardi rajapinta. Lyhenteen alkuperä on hieman hämäävästi termissä stereolitografia, joka on puolestaan ensimmäinen 3D-tulostuksen teknologia, joka perustuu valokovettamiseen.
  • Kerrostamiseen (slicing) käytettävä ohjelmat, kuten Cura tai Simplify3D, tuottavat koneiden ymmärtämää komentokieltä (G-koodia). 3D-tulostustekniikoita on useita, mutta tässä viitataan materiaaliekstruusioon (Fused Deposition Modelling, FDM). Maailman 3D-tulostimista yli 80% hyödyntää materiaaliekstruusiota ja luokkahuoneissa se on vallitseva tekniikka. Ks. esim. OECD, Centre for Educational Research and Innovation: Connected Minds – Technology and Today’s Learners. 2012 tai OKM: Tulevaisuuden peruskoulu. 2010.


Katso myös

Opettaja ja tvt-kouluttaja Pasi Kotilainen, Saunalahden koulusta kertoo kokemuksistaan ja parhaista käytännöistä 3D-tulostuksen integroinnista luokkahuoneeseen. Uusi opetussuunnitelma lähtökohtana, oppilaiden luontaisen potentiaalin herättäminen, 3D-mallintamisen ja tulostuksen vaiheet, tulosten jalkauttaminen koulun arkeen esim. pelin kautta ja koulun muuttuva rooli tulevaisuuden taitojen opettamisessa.
Tekijä: Pekka Salokannel, 3DBear

Rektor Pia Silvander, Kottby lågstadieskola berättar om erfarenheter av integration 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 lärostilar och den nya läroplanen.
Källan: Pekka Salokannel, 3DBear

Lisää aiheesta