zaterdag 21 maart 2015

Op naar de integratie van 3D-printers in de klas


Samenvatting:

Volgens velen “het” nieuwe leermateriaal van de toekomst dat de komende decennia zijn opkomst zal kennen in het onderwijs. Sceptici noemen het eerder een zoveelste overschat onderwijsgadget. Vandaag 2015 -Bijna dertig jaar nadat 3D-printer peetvader Chuck Hull in 1986 zijn eerste patent aanvroeg- blijkt de technologie stilaan zijn opkomst te maken in ons onderwijs.

In de Verenigde Staten is de 3D-print-onderwijstechnologie alvast een “hot topic”. Meerdere scholen hebben hun lessenpakket reeds uitgebreid met vakken zoals 3D-design. Verenigingen zoals de MakerBot Academy hopen dan ook om binnen een aanzienlijke tijdspanne alle Amerikaanse scholen van minstens één MakerBot Desktop 3D Printer te voorzien om zo het STEM onderwijs (science, technology, engineering and mathematics) uitdagender en beter te maken.

In België is het aantal scholen dat een 3D-printer ter beschikking heeft nog vrij gelimiteerd. Het gebruik van 3D-printers beperkt zich momenteel ook hoofdzakelijk tot het beroepsonderwijs (aangezien de vele fabricage mogelijkheden die de technologie biedt). Desalniettemin, zijn toch ook al enkele voorbeelden van ASO scholen -zoals het Koninklijk Atheneum Geraardsbergen om er nu een te noemen- die a.d.h.v (meestal STEM-vak gerelateerde) pilootprojecten de weg naar de wereld van het 3D-printen gevonden hebben.

Reflectie:

De drijfveren voor de aanschaf van een 3D-printer op school zijn talrijk en de mogelijkheden die het 3D-printen biedt worden online uitgebreid uit de doeken gedaan op websites van reeds overtuigde scholen als uiteraard ook deze van de vele producenten die hierbij gebaat zijn.

Ik zet ze even op een rijtje:


  •       De technologie laat een meer complete begeleiding en uitwerking toe gedurende projecten. De leerling kan van initieel concept tot finaal resultaat begeleid worden en wordt achteraf zelfs beloont met een fysiek waarneembaar eindproduct. Dit laatste lijkt alvast een aangenaam extraatje dat de intrinsieke motivatie van de leerlingen enkel ten goede kan komen.
  •       3D-printen kan gebruikt worden als link tussen de aangeleerde theorie en de praktijk (zoals om bijvoorbeeld een fabricage proces uit te werken in de meer technische of praktijk gerichte richtingen (vele BSO en TSO richtingen, WIIR (wiskunde-ingenieurswetenschappen), …).  
  •      De ICT vaardigheden van leerlingen worden versterkt door het gebruik van Computer-assisted design (CAD) software. Het gebruik van de reeds bestaande online bibliotheken met downloadbare (momenteel hoofdzakelijk STL-) bestanden kan hierbij zeker gebruikt worden om de leerlingen concepten zoals hergebruiken, optimaliseren en dergelijke aan te leren a.d.h.v beschikbare databanken.
  •           De typische 2D visuele waarnemingen waartoe het meeste didactisch lesmateriaal (cfr. Literatuur) zich momenteel beperkt zouden uitgebreid kunnen worden tot meer realistische 3D-waarnemingen. Hierdoor zou de kloof tussen de geziene leerstof en de multidimensionale wereld waarin wij leven verkleind kunnen worden, hetgeen niet enkel leerstof zou helpen contextualiseren, maar ook het ruimtelijk inzicht, de verbeelding en de creativiteit van leerlingen zou verhogen.
  •    Efficiëntere uitwisseling van materiaal tussen verschillende scholen: bestanden kunnen online eenvoudig van België naar Australië doorgestuurd worden en dan gewoon aan de andere kant van de wereld geprint worden. De printprijs zal (tenzij voor extreem grote objecten) aanzienlijk lager liggen dan moest dit via post verstuurd worden.
  •          Het is een “hot topic” en wordt ook door leerlingen gezien als cool.

Verder zijn er ook enkele vak specifieke voordelen:

Voordelen:


  •        Wiskunde: Visuele hulp voor leerlingen met een beperkt ruimtelijk inzicht bij het plotten van 3 dimensionale grafieken en bij het opstellen van modellen.  
  •         Geografie en geologie:  Oorzaak en gevolg van olie- en gasboringen nagaan, het bestuderen van platentektoniek, modellen bouwen (zonnestelsels, de aardbol, bergketens, …), … Een leuk voorbeeld van het gebruik van 3D-printen in dit domein is dat van Doug McCune. McCune werd vorig jaar wakker door een hevige aardbeving. Uit zijn ervaring als geograaf wist hij  dat de plek waar hij woonde de laatste honderd jaar al eerder getroffen was door zelfs zwaardere bevingen en om deze beving hier eens mee te vergelijken printte hij gewoon de online beschikbare data van deze 3 aardbevingen uit. (klik op de volgende link om het resultaat eens te bekijken: http://www.edtechmagazine.com/k12/article/2015/01/new-dimension)
  •        Geschiedenis: Het maken van historische replica’s die leerlingen dan kunnen aanraken (wat niet eens mag in musea) om meer voeling met het thema te krijgen. Of waarom niet meteen een schoolmuseum oprichten met al de replica’s die de school vergaart gedurende de jaren?
  •    Kunst: Ook voor kunst kan 3D-printen horizonten verbreden, denk maar aan de talrijke printmogelijkheden in de beeldende kunst of hoe leuk het niet moet zijn om met fotogrammetrie software een foto (of object in een foto) in 3D af te printen.
  •     Biologie: De meeste van de reeds genoemde voordelen, maar hoofdzakelijk het feit dat de leerlingen zelf in staat zouden zijn om modellen te maken (denk maar aan de typische modellen zoals de doorsnede van een bloem, een oog of waarom niet een heel model van een mens en zijn organen als gigantisch groepswerk?). Deze modellen zijn momenteel zeer duur en zouden door een 3D printer (met PLA inkt van 22,5€/kilo) zelfs goedkoper zelf te printen zijn. Een 3D-printer zou hier dus niet enkel de leerlingen meer zelf laten denken (zeer goede herhaling van de leerstof), maar zou op termijn ook nog eens de kosten van het lesmateriaal kunnen beperken.

Nadelen:


  •         Initieel was de hoge kostprijs van de 3D-printers en de nodige inkt de grootste drempel. De laatste jaren is de kost van een 3D-printer echter stevig gedaald (met een kostprijs van ongeveer 350€ tot 1250€, afhankelijk van of je een kant en klare printer koopt of deze zelf ineen steekt). De milieuvriendelijke PLA inkt zou reeds te koop zijn vanaf 22,50€/kilo.
  •       Intellectuele eigendomsrechten: natuurlijk zijn er net als voor het gewone 2D printen ook enkele wetmatigheden die gerespecteerd zullen moeten worden voor het 3D-printen. Experts voorspellen dat tegen 2018 voor ongeveer 100 miljard dollar illegaal materiaal zal zijn geprint a.d.h.v. 3D-printers.
  •        Een voorlopig gebrek aan kennis bij onze onderwijsdeskundigen is momenteel de sterkste reden tot de trage ontwikkeling van deze nieuwe technologie. Ook uitgevers van schoolboeken ondernemen momenteel weinig tot geen initiatief om het 3D-printen in hun boeken op te nemen (af en toe 3D-printbare modellen i.p.v. 2 dimensionale tekeningen).

Conclusie:

De toepassingen van het 3D-printen in het onderwijs lijken alvast veelbelovend (en zoals voor vele nieuwe technologieën zijn waarschijnlijk nog niet eens alle potentiële toepassingen gekend). De toekomst voor het 3D-print tijdperk ziet er in mijn ogen rooskleurig uit. Ik hoop dan ook om binnen afzienbare tijd zelf aan de slag te kunnen gaan met een 3D-printer in mijn eigen lessen en hiermee te de didactische uitwegen te exploreren.

Referenties:



Info filmpjes via website MakerBot : http://www.makerbot.com/uses/for-educators

Filmpje met printideetjes voor wiskunde (website simonsfoundation): https://www.simonsfoundation.org/multimedia/3-d-printing-of-mathematical-models/

Op zoek naar andere leuke toepassingen of ideetjes? :

·      Gebruik een zoekmachine en typ: “3D printed” ;)

4 opmerkingen:

  1. Dag Sander,
    Ik denk ik behoor eerder tot de sceptici tegenover 3D-printing in het onderwijs en denk dat het momenteel gewoon een grote hype is. Eens deze een beetje gesetteld is, zullen we zien, waar deze techniek daadwerkelijk zinvol iets bijdraagt. Ik kan me voorstellen, dat dit vooral in de STEM vakken het geval is. Vanuit mijn eigen achtergrond in kunstwetenschappen en de SLO Cultuur- en Maatschappijwetenschappen ben ik niet zozeer in de van jouw genoemde voordelen voor vakken zoals geschiedenis of de kunstvakken overtuigd. Het maken van historische replica’s om meer “voeling” te krijgen zie ik zitten in een vakoverschrijdend project, maar als onderdeel van het gewone curriculum vraag ik me af, of deze “voeling” voldoende toevoegt, aangezien de grote tijdsinvestering. (Er bestaan bovendien veel 3D-animaties van historische objecten of sites op het internet, die vaak voldoende zijn of zelfs beter, omdat je er in rond kunt wandelen. Bij een mini replica van bij voorbeeld een Griekse tempel kan dat niet.) In tijden van plaatsgebrek in scholen zullen deze zeker niet op brede schaal replica museums met 3D printers ontwikkelen. Dit zou ook eerder een eenmalig project kunnen zijn.
    In praktijkgerichte kunstvakken zoals in het KSO zou in de toekomst 3D printen onderdeel van het curriculum kunnen worden omdat ermee een eigen kunstvorm aan het ontstaan is. Maar voor vakken zoals Cultuurwetenschappen of Esthetica, waar praktijk bijna niet voorkomt, blijft het een leuk gadget wat zeker niet noodzakelijk is om de leerdoelen te bereiken. Ook hier zal het wel op het niveau van een vakoverschrijdend project blijven.

    In samenhang met de 3D printing hype wordt zeker veel geprint wat niet per se nodig is. Dit merk ik op, omdat ik het ook belangrijk vind het aspect van het milieu te overwegen. Momenteel bestaan er vooral twee soorten plastic die kunnen gebruikt worden voor 3D printen:
    ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) en PLA (Polylactic Acid).
    Er zijn verschillende voor en nadelen van het een of ander. Zie http://www.absplastic.eu/pla-vs-abs-plastic-pros-cons/
    Kort samengevat is ABS steviger dan PLA en vervormt dus minder snel. Aan de andere kant wordt het gemaakt van aardolie en ontstaan er schadelijke dampen tijdens het printen, die moeten worden afgevoerd. PLA wordt gemaakt van maïs of suikerriet, er ontstaan geen schadelijke dampen en het kan sneller geprint worden dan ABS.
    Afhankelijk van het doel zullen scholen de aanschaf van het een of ander overwegen. ABS zal zeker door zijn voordelen van stevigheid ook in het onderwijs gebruikt worden, zeker in de STEM vakken, waar de bruikbaarheid belangrijk is. Uit milieuoverwegingen sta ik er nogal kritisch tegenover en vindt ik ontwikkelingen betreffende het recycling van bestaande plastic interessant. Hiermee zou je milieuvriendelijk werken en stevig plastic kunnen krijgen. Onderzoekers van de Michigan Technological University in de VS zijn bij voorbeeld met het ontwikkelen van een apparaat bezig die verschillende soorten plastic (uit gewoon huishoudafval) kan transformeren in 3D printer inkt. Zie: http://www.absplastic.eu/3d-printers-that-use-recycled-plastic/

    BeantwoordenVerwijderen
  2. Bij het “googelen” na de voor en nadelen van ABS en PLA viel me op, dat deze informatie vooral ter beschikking gesteld wordt van bedrijven, die de 3D inkt zelf verkopen. Dit brengt me tot mijn volgend puntje, dat ik nog wilde opmerken:
    Achter de 3D printing hype staat ook een enorm commercieel interesse betreffende het verkoop van de printers en de inkt. Zeker in samenhang met het onderwijs is het daar belangrijk met de meestal kleine budgets van scholen rekening te houden. Als de recyclingtechniek zoals net beschreven uit de kinderschoenen is gestapt, is deze zeker interessant voor het onderwijs.

    Maar hoe zit het met de hardware, de printers dus en de betreffende computersoftware? Zijn er ook open source oplossingen beschikbaar? Ook hier is de Michigan Technological University weer mee bezig. In een heel recent artikel rapporteren Schelly, et.al. (2015) over een onderzoeksproject waar gewone highschool leerkrachten van verschillende disciplines in 3 daagse workshops 3D-printers die op open source design baseren zelfstandig met hulp van online instructie en visuele tools en een begeleider succesvol konden samenbouwen. De printers zijn goedkoop (550$) en de helft van de onderdelen zijn geprint op de printers zelf. De onderzoekers benadrukken, dat alle software die gebruikt werd vrij en open-source software was en er dus geen kosten voor de scholen aan verbonden waren. Voor het design van de objecten bestaat er bij voorbeeld de software OpenSCAD (www.openscad.org), dat volgens de onderzoekers geschikt is om de leerlingen mee te laten werken. Dus op dit gebied zijn er momenteel spannende ontwikkelingen!

    In de toekomst, als de hype een beetje gesetteld en de techniek een beetje verder ontwikkeld is kan ik mij 3D printers in het onderwijs voorstellen, maar dan wel graag met gerecycleerde plastic en open source hard- en software!

    Bronnen:

    http://www.absplastic.eu/pla-vs-abs-plastic-pros-cons/ Geraadpleegd op 24.03.2015.

    http://www.absplastic.eu/3d-printers-that-use-recycled-plastic/ Geraadpleegd op 24.03.2015.

    http://www.openscad.org/ Geraadpleegd op 24.03.2015.

    C.Schelly,et al., Open-source 3-D printing technologies for education: Bringing additive manufacturing to the classroom, Journal of Visual Languages and Computing (2015), http://dx.doi.org/10.1016/j.jvlc.2015.01.004i

    BeantwoordenVerwijderen
    Reacties
    1. Beste Birgit,

      Bedankt voor de ondersteunende feedback. Graag had ik wel even enkele zaken verduidelijkt:

      1) Ik geloof zeker dat de meerwaarde van gebruik van 3D-printers zeer sterk afhankelijk is van het gegeven vak. Zo denk ik dat een 3D-printer op school heel wat mogelijkheden biedt. Wat betreft het gebruik van 3D-printers in andere vakken zoals geschiedenis, denk ik idd. niet dat een miniatuur 3D-print maken van een Griekse tempel veel meerwaarde zal bieden aan je lessen (al zou dit misschien wel interessant kunnen zijn voor architectuur-gerichte richtingen of voor een les meetkunde in wiskunde). Ik had het dan ook eerder over 3D-print replica’s van historische objecten zoals de Rosetta stone ofzo ;). Wel denk ik nog steeds dat de aanwezigheid van een 3D-printer op een school ook heel wat mogelijkheden en vrijheden biedt voor vakken waaraan in eerste instantie niet gedacht wordt of die niet meteen met een 3D-printer geassocieerd worden. Vandaar het idee om ook geschiedenis en aardrijkskunde in mijn tekst mee te verwerken. Verder is het idee om een eigen “museum” op school op te richten bedoeld om breed op te vatten. Ik bedoel hiermee dus niet dat een grote hoeveelheid plaats in de school zou moeten worden opgeofferd aan ruimte voor een museum. Wel lijkt het me handig dat leerlingen (bijvoorbeeld voor één van de talrijke spreekbeurten die gegeven worden in de lagere graad) hun eigen leermateriaal kunnen aanmaken. Zo staat er tegenwoordig in vele klaslokalen toch reeds een hele hoop didactisch leermateriaal dat weinig tot niet gebruikt wordt om het lokaal in te kleden. Ik denk dat indien dit materiaal door de tijd heen vervangen zou worden door evenwaardig –nu door leerlingen aangemaakt- materiaal, dit de sfeer in de klaslokalen zou kunnen verhogen. Leerlingen op deze wijze meer inbreng kunnen hebben om hun eigen leeromgeving in te kleden. Bovendien zou dit –vanwege de hoge kost van het merendeel van het didactisch materiaal dat voorlopig voorhanden is (en dan denk ik aan replica’s voor lessen geschiedenis, maar ook aan modellen voor biologie, …)- waarschijnlijk ook nog een goedkoper uitkomen voor de school zelf.

      2) Betreffende het type inkt dat gebruikt kan worden, lijkt het me uit ecologische overwegingen idd. best om PLA te gebruiken. Momenteel valt de kostprijs (22,5€/kilo) al mee en verwacht wordt uiteraard dat deze zal dalen eens meer mensen PLA zouden aankopen als printinkt. Ook zou het gebruik van PLA inkt perfect aansluiten bij het groenbeleid van vele scholen waar sorteren, hergebruiken en recycleren de norm zijn. Zo zouden scholen –om verder te gaan op je opmerking over de recente ontwikkelingen aan de Michigan Technological University- bijvoorbeeld een filabot (of gelijkaardig apparaat kunnen aankopen (http://www.filabot.com/). Dit apparaat verwerkt reeds gebruikt plastic tot PLA draad die meteen gebruikt kan worden als 3D-print inkt (kostprijs is momenteel 550€, die je dus terug zou hebben eens je de 25ste kilo printinkt gebruikt). Een dergelijk apparaat zou dus ook toelaten om verouderd geprint materiaal (of mislukt geprint materiaal) te hergebruiken. Uiteraard laten de eigenschappen van een polymeer als PLA slechts een beperkt aantal recyclagestappen toe. Over de kwaliteit van PLA (vergeleken met ABS) kan ik alvast zeggen dat ik erg onder de indruk was van de sterkte van het materiaal wanneer ik dit enige tijd terug eigenhandig kon uittesten aan ons expertisecentrum wetenschapscommunicatie aan de vub (ga zeker eens langs op: www.wtnschp.be)! PLA lijkt me dus zeker geschikt voor het merendeel van de applicaties (behalve dan het printen van bouwmaterialen en reserveonderdelen). Bovendien laat bijna elke 3D-print software toe om de printdikte te regelen, zo kan je dus zeker ook in zekere mate met de stevigheid spelen.

      Verwijderen
  3. 3) Uit communicatie met de onderzoekers aan het expertisecentrum wetenschapscommunicatie blijkt ook dat naast de interessante nieuwe ontwikkelingen (aan de andere kant van de oceaan) er reeds 3D-print Open software in België voorhanden is (ik zou nog eens moeten langsgaan voor de details en merknamen☺). Software die volgens deze onderzoekers zeker gebruikt kan worden voor de in de vorige tekst genoemde standaardtoepassingen, maar die echter voor meer gespecialiseerde toepassingen (met complexere algoritmen) nog tekort schiet. Ik kijk dus zeker ook uit naar deze nieuwe ontwikkelingen waarover je het had!

    Sander

    BeantwoordenVerwijderen