3D-принтеры, 3D-ручки и межпредметное содержание

Впервые 3D-принтер учащиеся МАОУ «Гимназия имени Н.В. Пушкова» (далее – гимназия) увидели зимой 2012 г. в воздушно-инженерной школе – техноцентре ФГОУ ВО «Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова» (далее – МГУ).

Следующая встреча произошла на Первом национальном чемпионате сквозных рабочих профессий высокотехнологичных отраслей промышленности по методике WorldSkills (Екатеринбург, 2014 г.). WorldSkills – это международное некоммерческое движение. Повышает престиж рабочих профессий: от традиционных ремесел до многопрофильных специальностей в области промышленности и сфере услуг в 75 странах – участницах движения.

Команда из гимназии выступала в компетенции «Аэрокосмическая инженерия» (2-е место по итогам участия). Недалеко от стенда гимназии на 3D-принтерах (собранных своими руками) работали обучающиеся в компетенциях «3D-моделирование» и «Прототипирование». Гимназисты заинтересовались.

3D-принтеры и 3D-ручки

В 2014 г. администрация гимназии планирует новое направление в образовательной деятельности и находит финансирование для приобретения трех 3D-принтеров и 15 3D-ручек. Устройства помогают начинающим инженерам узнать, как будет выглядеть изделие.

3D-принтер (фаббер) использует метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели. Один принтер педагоги собрали сами из конструктора, который прислали в гимназию. Второй принтер был уже собран. Он имеет два сопла, т. е. можно одновременно печатать двумя цветами. Третий принтер печатает высокие объекты (более 20 см высотой). На первых двух принтерах тоже можно напечатать высокие объекты, но сначала надо печатать частями, а затем склеивать.

3D-ручка не нуждается в программном обеспечении и создании цифровой 3D-модели. Позволяет с помощью быстро застывающего пластика создавать объемные рисунки.

Различают два вида ручек: «холодные» и «горячие». «Холодные» печатают быстрозатвердевающими смолами – фотополимерами. «Горячие» ручки используют различные полимерные сплавы в форме катушек с пластиковой нитью.

3D-моделирование – это инженерная задача. Но учитывать нужно эстетическое исполнение, физические явления, структуру вещества. Поэтому педагоги гимназии работают в тесном сотрудничестве: учителя информатики, изобразительного искусства, физики, химии, биологии. Если возникают трудные вопросы, то учителя обращаются к сотрудникам научно-исследовательских институтов.

Подготовка к олимпиадам по 3D-технологиям

Подготовка к региональным олимпиадам по 3D-моделированию началась с выявления желающих участвовать. Это новое направление в образовательной деятельности гимназии, поэтому учителя попросили откликнуться всех желающих попробовать свои силы. Откликнулось много обучающихся младшего и среднего школьного возраста (4-6-е классы). Старшеклассников пришлось упрашивать – они очень занятые люди, у которых день расписан по минутам. Но потом, когда все начали работать, приходилось ограничивать метраж филамента, чтобы остановить процесс.

Учащиеся готовятся на следующий учебный год принять участие в олимпиадах. Для этого учитель информатики ведет факультатив по 3D-моделированию на компьютере для 3-6-х классов. На факультативе учащиеся знакомятся с различным программным обеспечением для создания 3D-моделей. Популярностью пользуется Tinkercad – это онлайн-редактор для создания, редактирования и подготовки моделей к 3D-печати.

Tinkercad имеет обучающий курс, доступный и понятный начинающим пользователям. Сервис выпущен на английском языке, но это не создает проблем для учащихся, а педагогам позволяет развивать межпредметные связи. Учитель изобразительного искусства работает с обучающимися на 3D-ручках над объемными рисунками, а учитель информатики помогает ученикам осваивать 3D-сканирование.

3D-сканирование – процесс получения точных моделей сложнопрофильных объектов, которые могут быть использованы для создания прототипов объекта, построения новых изделий на базе существующих. Устройства, с помощью которых осуществляется сканирование объектов, называют 3D-сканерами.

Подготовке к региональным олимпиадам способствует школьный этап олимпиады по проектной деятельности и 3D-моделированию. Обучающиеся с 1-го по 11-й классы будут представлять свои проекты по 13 номинациям: физика, химия, биология, экология, лингвистика, астрономия, робототехника и т. д.

Почти все проекты (80%) для секции «Космонавтика» иллюстрированы с помощью 3D-моделей, созданы и напечатаны авторами проектов.

Школьный библиотекарь и учителя информатики вместе с учащимися начальных классов создают иллюстрации к сказке «Волшебник Изумрудного города». Часть декораций будет напечатана на 3D-принтере. Наглядные пособия, медали и кубки для конференций, детали к принтеру, елочные украшения и т. д. – фантазия ограничивается только сложностью создания 3D-модели.

Учащиеся 10-го класса делают небольшие статуэтки любимых учителей. Будут использовать 3D-сканер. Работа идет над созданием крутящейся платформы, на которую можно поставить человека.

Проектная деятельность учащихся

3D-моделированием можно заниматься на уроках, при подготовке проектов (в т. ч. итоговых), на внеурочных занятиях и на занятиях дополнительного образования.

Примеры проектов:

1. «Космические шахматы». Проект учащегося 10-го класса – подарок организаторам Всероссийских научных детско-юношеских чтений им. С. П. Королева. Созданы и напечатаны на 3D-принтере.
2. Конвертоплан. Учащиеся 7-го и 10-го классов проектировали летательный аппарат с поворотными двигателями (как правило, винтовыми), которые на взлете и при посадке работают как подъемные, а в горизонтальном полете – как тянущие. Соединительные части конвертоплана напечатаны на 3D-принтере.
3. Спутник для участия в чемпионате «CanSat в России». Проект учащихся 8-го и 9-го классов. CanSat – это действующая модель микроспутника весом до 350 г. Все основные элементы – бортовой компьютер, приемник-передатчик, научная нагрузка и система питания – должны вмещаться в банку объемом 0,5 л. «Спутник» запускается ракетой или сбрасывается с вертолета. За время плавного спуска на парашюте с высоты 1–2 км он передает полезную информацию. Для участия в чемпионате «CanSat в России» прототип спутника напечатан на 3D-принтере.
4. Марсианская база «Свентовит». Учащиеся 7-го и 10-го классов собрали информацию о том, что нас ждет на Марсе; какие негативные факторы грозят нашему здоровью в этом месте; из чего строить марсианскую базу; как добраться на Марс.
   На основе полученных данных создали 3D-модель базы, выбрали наиболее безопасное и удобное место для ее расположения. Также рассчитали, сколько времени займет строительство. Базу решили расположить в кратере Виктория. Создали макет кратера. Базу напечатали на 3D-принтере.
5. Сборщик космического мусора «Кашалот». Девочки из 7-го класса мечтают стать космонавтами. Но выяснилось, что на орбите Земли так много космического мусора, что к тому времени, когда они вырастут, окончат институт и подадут заявление в отряд космонавтов, люди перестанут летать в космос. Миллиарды осколков космических аппаратов плотным слоем покроют Землю на высоте от 200 до 700 км. Что делать? Ведь менять мечту совсем не хочется! Надо придумать, как очистить орбиты. Для этого необходимо узнать очень много: о спутниках; космических скоростях; двигателях, на которых летают в вакууме; об околоземном космосе; свойствах материалов при низких температурах.

Идея проекта – уборка мусора с орбиты с помощью «Кашалота» и устройство из мусора платформы в точке Лагранжа системы Земля – Луна для организации космодрома, станции дозаправки и пункта связи. Модель «Кашалота» распечатана на 3D-принтере.

В подобной работе есть проблемы, в основном финансовые: расходный материал, высокая стоимость 3D-принтеров и 3D-ручек, продолжительное время печати. Самая трудная задача – найти свободное помещение. Для техники выделено небольшое подсобное помещение, но оно не вмещает всех желающих. Обучающимся приходится создавать модели на компьютере в кабинетах информатики, а во второй половине дня работать с 3D-принтерами.

Увлеченные ученики готовы трудиться над проектами, выпускать газеты и альманахи, снимать мультипликационные фильмы и видеоролики, разрабатывать различные технические устройства. Энтузиазм учеников ничуть не меньше, чем был у их ровесников пятьдесят лет назад. Главное для педагога – вовремя заинтересовать, в противном случае обучающийся останется пассивен и безразличен к обучению.