Доклад по теме "3D-моделирование и прототипирование в внеурочной деятельности учащихся школы "

3D-моделирование и прототипирование в внеурочной деятельности учащихся школы 

Автор: Новикова Виктория Геннадьевна, учитель физики, руководитель школьного научного общества учащихся, руководитель кружка «3D моделирование». Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №7 г. Медногорска».

 

Введение.

В 2020 году Всероссийский центр изучения общественного мнения (ВЦИОМ) провел исследование, в котором были выявлены наиболее престижные профессии в России. Среди респондентов профессия врача оказалась самой привлекательной — 26%, в то время как инженерной деятельности отдали предпочтение всего 8%. Для сравнения, в 2018 году этот показатель составлял лишь 2%. По данным опроса, 28% россиян отметили, что их выбор профессии обусловлен личными увлечениями, однако 23% респондентов в возрасте 18-24 лет признали, что выбор профессии был продиктован обстоятельствами.

Исследование, проведенное в МБОУ «Средняя общеобразовательная школа №7 г. Медногорска» в 2022 г. показало, что только у 43% старшеклассников возникла необходимость получать инженерное образование, причем этот интерес сформировался лишь в последние 2 года обучения. У 40% опрошенных есть желание получить любое техническое образование, а лишь 14% определились с выбором инженерной специальности до 8-9 классов. Эти данные свидетельствуют о том, что профильное инженерное образование не решает проблему профессиональной ориентации. Это подчеркивает важность профориентационной работы, направленной на раннее выявление способностей учеников и развитие необходимых качеств для будущей специальности.

Таким образом, внедрение 3D-моделирования и прототипирования в практику внеурочной деятельности в школе поможет учащимся не только раскрыть свои инженерные способности, но и осознать значимость инженерного образования в современном мире.

Формулировка цели исследования 

Современная российская образовательная система находится в стадии преобразования, вызванной внедрением нового Федерального государственного образовательного стандарта (ФГОС) второго поколения. Этот стандарт нацелен на развитие у учащихся креативного и критического мышления, мотивации к творчеству и инновациям, а также навыков проектной деятельности. Важным аспектом является необходимость формирования инженерных компетенций у учеников основного общего образования для ранней профориентации. Технология трехмерной печати (3D-печати) за последние годы значительно повысила свою значимость в учебном процессе, внося вклад в повышение эффективности образовательной деятельности. Однако до сих пор недостаточно исследованы вопросы, связанные с комплексным применением 3D-технологий во внеурочной работе в школе. В этой связи возникает необходимость изучить и экспериментально проверить внешние факторы, влияющие на успешность интеграции 3D-технологий в школьную образовательную среду. Цель данного исследования заключается в изучении особенностей технологий быстрого прототипирования и их применения в образовательном процессе.

Изложение основного материала исследования

В рамках нашей школы мы стремимся создать условия для выявления и поддержки одарённых детей, что является важным направлением современного образования. Согласно Федеральному государственному стандарту общего образования, внеурочная деятельность играет ключевую роль в организации свободного времени, направленную на развитие творческих способностей, коммуникативных навыков и индивидуализацию образовательного процесса.

Занятия в кружке «3D моделирования» открывают перед детьми новые горизонты, позволяя им изучать программы трёхмерной графики, конструировать инженерные объекты и разрабатывать инновационные продукты. Основная цель — ранняя профориентация, помощь в профессиональном самоопределении и популяризация инженерных специальностей. Мы стремимся расширить мировоззрение учащихся, раскрыть их творческие способности и предоставить опыт работы с современными устройствами.

Развитие технологического образования отражает требования Федерального стандарта. Мы внедряем новые технологии, которые включают предметные, метапредметные и личностные результаты, а также проектную деятельность, интеграцию с наукой и производством. Реализация проектной деятельности в области инженерии и информационных технологий способствует достижению образовательных результатов.

В 2020 году школа приняла участие в муниципальном конкурсе «Школьный бюджет», который является одним из направлений инициативного бюджетирования. Проект школы «STEM образование – образование для будущего» стал победителем. Следующим этапом стало воплощение идей проекта. На выделенные денежные средства было приобретено необходимое для занятий оборудование: 10 современных компьютеров и 3D-принтер. В этом же году был открыт кружок «3D моделирование».  Занятия в кружке проводятся в формате внеурочной деятельности для учащихся 7-9 классов и состоят из трёх основных этапов.

Этап 1. Основы работы в программном обеспечении для 3D-моделирования.

На данном этапе учащиеся 7 класса изучают основы моделирования простых объектов, используя схемы и чертежи. Они разрабатывают базовые модели, а также могут вносить изменения и улучшать свои проекты, что способствует развитию творческих способностей.

Сначала учащиеся знакомятся с бесплатной онлайн-программой Tinkercad, которая помогает освоить базовые фигуры. Затем они изучают программу Blender 3D, которая позволяет создавать более сложные модели. С помощью этой программы учащиеся могут реализовывать свои идеи и создавать анимационные ролики, участвуя в конкурсах.

Этап 2. Ознакомление с принципами работы 3D-принтера.

3D-прототипирование включает послойную печать физических объектов на основе компьютерных моделей. Это важно для изучения свойств материалов и проведения экспериментов.

Таким образом, наш кружок развивает навыки 3D-моделирования и вовлекает учащихся в современный процесс проектирования, где каждое новое изделие - результат совместной работы, творчества и стремления к совершенствованию.

Аддитивное производство, или 3D-печать, представляет собой инновационный метод создания объектов из полимеров на основе цифровых файлов. Одним из распространённых методов является Fused Deposition Modeling. В этом процессе термопластичный материал подаётся через экструдер, нагреваемый до температуры плавления, и последовательно наносится на платформу печати, создавая объект слой за слоем.

В качестве основного материала используют термопласты, среди которых популярным является полилактид (PLA), биоразлагаемое вещество, производимое из растительных ресурсов. Преимущества PLA заключаются в том, что во время 3D-печати не требуется охлаждение, а материал не выделяет вредных испарений.

Мой опыт с 3D-печатью демонстрирует неподдельный интерес учащихся к этой технологии. Освоив основы 3D-графики, они начинают работать с 3D-оборудованием. Рисунки и чертежи переносятся в графическую программу, где корректируются. Предварительное изображение помогает понять конечный результат прототипирования.

Учащиеся могут редактировать модели и наблюдать результаты на экране. После определения размера объекта происходит его печать, что вызывает восторг и желание продолжать работать с 3D-технологиями. Возможность получить результат в виде физической копии обогащает учебный процесс и мотивирует к изучению инженерии.

Для демонстрации возможностей технологии 3D-печати целесообразно использовать темы из курсов математики и физики. Например, при изучении геометрии учащиеся могут разрабатывать объекты, которые подчиняются симметрии или вращению, и печатать их на 3D-принтере.

Развитие пространственного мышления в геометрии через 3D-моделирование. 

В современном образовании развитие пространственного мышления становится особенно актуальным. Учащиеся кружка «3D моделирование» приобретают навыки для глубокого понимания геометрических понятий. Одна из целей кружка - развитие навыков визуализации и моделирования пространственных объектов.

В ходе изучения интерактивной платформы «Tinkercad» учащиеся знакомятся с базовыми геометрическими фигурами и их свойствами, так как именно эти объекты служат основными генераторами для создания моделей. Работая с генераторами платформы, учащиеся лучше понимают размеры и пропорции. Задания на построение с заданными размерами акцентируют внимание на точности и аккуратности в геометрии (рис.1), в то время как задания на создание сечений фигур развивают навыки анализа и понимания структуры объектов, показывая, как сечение влияет на восприятие формы и объема.

Кружок «3D моделирования» также включает игру с проекциями, в ходе которой обучающиеся выполняют преобразования объектов из одной проекции в другую (изометрическая, аксонометрическая). Это развивает у учащихся чувство перспективы и пространственного расположения.

Развитие пространственного мышления является важным этапом в изучении геометрии, так как:

- ученики начинают лучше понимать связь между реальными объектами и их геометрическими представлениями;

- 3D моделирование помогает преодолевать трудности, связанные с абстрактными геометрическими понятиями;

- навыки, приобретённые в кружке, становятся полезными при изучении более сложных тем в геометрии в старших классах.

Организация кружка 3D моделирования создает платформу для развития пространственного мышления и навыков ученика, необходимых для успешного освоения геометрии. Такой подход способствует созданию крепкой базы для дальнейшего изучения математических и технических дисциплин. Учащиеся 7-8 классов занимаются построением трёхмерных объектов по чертежам и создают сечения многогранников по заданным точкам или описанию. ( рис.2)

Кинестетическое обучение позволяет детям увидеть взаиморасположение объектов, узнать их свойства и возможности. Таким образом, обучающиеся посещающие кружок овладевают навыками работы с 3D-программами и оборудованием, развивают логическое и креативное мышление, а также интерес к точным наукам, что стимулирует их творческую деятельность.

Этап 3. Инженерная проектная деятельность.

Проектная деятельность рассматривается как форма проблемного обучения, благодаря которой обучающиеся приобретают новый опыт и навыки, решая сложные задачи. Активное участие учителя превращает учеников из пассивных слушателей в активных участников образовательного процесса, а конечный продукт проектирования отражает субъективный опыт учащихся.

Одним из ключевых факторов мотивации является самоутверждение. Опыт успехов и неудач, а также поддержка учителя способствуют повышению самооценки и учебной мотивации. По мере накопления навыков ученики начинают разрабатывать собственные алгоритмы работы над проектом, формулировать гипотезы и составлять планы испытаний созданных объектов.

Метод проектов отличается от традиционных учебных методов тем, что он ориентирован не на получение готовых знаний, а на их самостоятельное освоение через взаимодействие со сверстниками.

На начальном этапе учителю предстоит решить несколько задач:

- выбрать актуальную тему инженерного проекта;

- составить план действий для участников;

- определить конечный результат исследования;

- разработать критерии оценки и систему оценивания;

- организовать обсуждение полученных результатов;

- привлечь инженеров-наставников из предприятий города.

Для учащихся 9 класса проекты могут стать настоящим вызовом, способным изменить их жизнь. Важно предоставить им свободу выбора и действий, что способствует развитию интереса к инженерии и технологиям. Главная цель заключается не только в создании объекта, но и в ответах на вопросы: «Какова цель этого проекта?» и «Как разработанный прототип может помочь решить реальные социальные или экономические проблемы?». Учащиеся разрабатывают план проектирования, технические задания и требования, уделяя внимание инновационности и оригинальности своих инженерных решений.

Инженерный проект должен основываться на анализе реальной ситуации и соответствовать определённым критериям, включающим набор противоречий, которые необходимо разрешить с помощью технологии 3D-печати.

В рамках кружка по 3D-моделированию работа над инженерным проектом включает ключевые этапы. Первый этап представляет собой постановку конструкторских задач, в которых ученики должны решить, например, создание устройства, соответствующего определённым требованиям. На втором этапе происходит анализ требований для разработки технического задания, где учащиеся изучают требования к продукту, включая функциональность, размеры и материалы. Третий этап характеризуется конструированием изделия и создание предварительных чертежей с помощью 2D-программ для визуализации. На следующем этапе происходит разработка 3D-модели прототипа, т.е создание трёхмерной модели с использованием специализированных 3D-программ. Пятый этап характеризуется печатью прототипа на 3D-принтере. Последние два этапа представляют собой тестирование готового изделия, оформление презентационных материалов и рефлексия

Именно эти этапы развивают технические навыки, командную работу, креативность и критическое мышление. Каждый проект становится уникальным опытом, вдохновляющим на дальнейшие исследования в инженерии и технологиях.

Возможности и преимущества проектной деятельности в кружке «3D моделирования»

Как учитель физики, руководитель школьного научного общества учащихся и руководитель кружка, хочу подчеркнуть значение проектной деятельности для учащихся. Эта форма обучения помогает развивать навыки аргументации и уверенность, а также навыки выражения своих идей.

Учащиеся работают в группах по три человека, выполняя свои задачи с обращением ко мне за поддержкой. После каждого этапа обсуждаются отчёты и возникающие вопросы, оцениваются пути их решения.

Наши проекты включают разработку 3D-моделей, экономическое обоснование и целесообразность, планы производства и вывод на рынок. Презентации сопровождаются графиками и диаграммами, а проекты успешно защищаются на научно-технических конференциях, таких как «Иженериада УГМК», «Юный техник и изобретатель» в Государственной Думе и др. (рис.3).

Интерактивные формы внеурочной деятельности значительно повышают интерес к самостоятельному изучению знаний. Проектная деятельность является универсальным инструментом для:

- формирования знаний;

- моделирования ситуаций;

- развития творческих и практических навыков;

- решения проблем;

- открытия новых путей решения задач.

Работая над проектами, учащиеся становятся активными участниками образовательного процесса, развивают творческие способности и коммуникативные качества. Мы предлагаем множество интересных тем: архитектура будущего, альтернативные источники энергии, беспилотные летательные аппараты и другие, что мотивирует к исследованиям и развивает стремление к знаниям ( рис.4).

В рамках исследования 3D-прототипирования мы выявили, что доступ к таким технологиям в малых городах России ограничен из-за нехватки финансирования. В своей работе мы пользуемся доступными материальными средствами для любой школы.

Результаты внедрения 3D-прототипирования в образовательный процесс

Внедрение 3D-прототипирования в образовательный процесс способствует не только техническому развитию учеников, но и повышению их мотивации, критического мышления и способности к решению проблем. Реальные проекты и их защита на конференциях вдохновляют учащихся на дальнейшие исследования и расширяют их кругозор.

Для оценки эффективности интеграции 3D-прототипирования в учебный процесс, были выделены ключевые критерии. Наиболее важными являются:

- Положительная динамика в мотивации учащихся седьмых, восьмых и девятых классов.

- Активное вовлечение в образовательный процесс.

-Формирование ключевых учебных компетенций в рамках внеурочной деятельности, включая освоение методов научно-исследовательской и проектной деятельности.

В экспериментальной группе участвовали учащиеся 7 инженерного класса МБОУ «Средняя общеобразовательная школа № 7 г. Медногорска», посещающие кружок «3D моделирования». Выбор этого возраста был обусловлен отсутствием значительного опыта работы с аддитивными технологиями, что позволило избежать искажения результатов исследования.

В ходе оценки эффективности интеграции 3D-прототипирования в учебный процесс было показано, как работа с 3D-технологиями значительно повышает вовлеченность учащихся и укрепляет их уверенность, особенно на начальном этапе. Однако различная степень технической грамотности у обучающихся требует индивидуального подхода.

На рисунке 5 показана динамика сформированности мотивации учащихся к обучению и вовлеченности в образовательный процесс, которая доказывает, что внедрение 3D-прототипирования повышает интерес к естественно-научным предметам и формирует ключевые навыки XXI века. Результаты также показали высокий интерес к занятиям по 3D-моделированию. При этом преподавателям необходимо повышение квалификации для лучшего понимания преимуществ 3D-технологий в образовании.

Теоретическая значимость исследования заключается в подтверждении целесообразности внедрения 3D-прототипирования в образование. Практическая значимость заключается в возможности разработки учебных программ внеурочной деятельности, направленных на интеграцию 3D-технологий в школьное образование.

Заключение

Интеграция технологий 3D-моделирования и прототипирования в учебный процесс вызывает интерес учащихся к компьютерным технологиям, что может стать ключевым фактором в выборе будущей профессии. Внешние факторы, влияющие на эффективность использования 3D-технологий, включают:

- повышение технологической грамотности учащихся;

- подготовка педагогов;

- разработка учебных программ, ориентированных на 3D-технологии;

- оснащение образовательного пространства необходимым оборудованием.

Поддержка педагогов в процессе интеграции этих технологий в учебные программы крайне важна. Реализация таких инициатив оправдана, поскольку положительное влияние 3D-моделирование и прототипирование на жизнь становится всё более очевидным. Необходимость активного внедрения 3D-технологий в образовательный процесс обусловлена возможностью повысить интерес учащихся к STEM-дисциплинам и развить востребованные практические навыки на рынке труда.

Литература:

1. Головко И.С. Инженерное 3D моделирование и прототипирование в школе // Наука и образование: векторы развития. Современные тенденции развития школ- интернатов и коррекционных образовательных учреждений России : тезисы докл. Всерос. конф. (Чебоксары, 24-24 октября 2016 г.). – Чебоксары, 2016. – С. 266-271.

2. Гриц М. А., Дегтярева А. В., Чеботарева Д. А. Возможности 3D-технологий в образовании // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. – 2015. – Т. 2. – №11. – С. 925–927.

3. Елизарова Е.А. Сущностный анализ проектной деятельности // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Психолого-педагогические науки. – 2012.-№ 1. – С. 66-71.

4. Каменев Р. В., Лейбов А. М., Осокина О. М. Применение 3D-принтеров в образовании // Решетневские чтения. – 2014. – Т. 3. – С. 83-87.

5. Канесса Э., Фонда К., Зеннаро М. Доступная 3D-печать для науки, образования и устойчивого развития. – Триест: МЦТФ, 2013. – 192 с.

6. Игонина Е.В., Дружинина О. В. Особенности разработки и применения FDM технологий при создании и прототипировании // Современные информационные технологии и ИТ-образование. – 2017. – Т.13.-№2. – С. 185-193.