Исследование влияния 3D-печати и искусственного интеллекта на образование и учебный процесс

Аршинова Е.А

Исследование влияния 3D-печати и искусственного интеллекта на образование и учебный процесс

Аннотация Искусственный интеллект — это часть нашего будущего, и он позволил создать действительно продвинутые устройства. Теперь технология 3D-печати также может в полной мере использовать ИИ, и ожидается, что с развитием этой технологии она будет использоваться в различных областях в эпоху Четвертой промышленной революции. Эта технология может использоваться не только в производстве, но и в различных областях, таких как архитектура и медицина, и признана важной технологией для будущих поколений. Обучение учеников использованию и влиянию 3D-технологий еще более важно, чем когда-либо; однако было проведено недостаточно исследований по конкретным методам обучения технологиям 3D-печати. Таким образом, в этой статье изучается будущий метод обучения с использованием технологии 3D-печати для детей. Метод исследования данного исследования представляет собой метод, в котором используются методы интервью и включенного наблюдения. Этот качественный метод исследования был разработан Джеймсом П. Спрэдли, американским культурным антропологом. Результаты этого исследования заключаются в следующем. Дети могут легко создавать продукты с помощью 3D-программ и могут развивать творческие способности в процессе проектирования продукта. Основываясь на этих результатах, эта статья призвана представить учебную программу и методы обучения 3D-печати, которые можно практически использовать в государственных образовательных курсах. Это образование станет подготовительным шагом для микро-производственной промышленности в будущем. 

С развитием Четвертой промышленной революции возникли различные инновационные технологии, которые нашли применение в различных секторах. Среди этих технологий технология 3D-печати признана технологией, которая может внести огромные инновационные изменения в производственный сектор. 3D-технология — это инновационная технология, которая окажет большое влияние на общество будущего. Кроме того, технология 3D-печати используется в самых разных областях, поэтому знакомство и понимание этой технологии, а также ее приложений и опыта в этой технологии весьма необходимы. На школьном уровне нам необходимо включить 3D-технологии в учебную программу, чтобы получить необходимые знания. Поэтому важно и необходимо провести исследование курсов по 3D-печати в будущей программе государственного образования. Применение образовательных идей и концепций к учебным материалам и курсам посредством образовательной политики важно для развития потенциала учащихся. Ограниченных знаний недостаточно, чтобы противостоять вызовам современного общества, и необходимо повышать обучаемость и творческий потенциал учащихся, чтобы в будущем они могли лучше решать проблемы. Навыки пространственной визуализации, такие как создание 3D-искусства и представление идей, концепций и информации с использованием такого искусства, чрезвычайно ценны в образовании, промышленности, бизнесе и других сферах жизни. Способность точно воспринимать визуальный мир и преобразовывать идеи и концепции в визуализацию называется пространственным интеллектом и приводит к лучшему творчеству и способности гораздо лучше воплощать идеи и проекты.

Несмотря на эту важность, никаких серьезных исследований по конкретной учебной программе для 3D-печати не проводилось. В свете этого в данном исследовании анализируется будущее образование с использованием 3D-печати, используемой в разных странах. Основываясь на этих результатах, эта статья призвана представить учебную программу и методы обучения 3D-печати, которые можно практически использовать в государственных образовательных программах.

К основным вкладам статьи относятся следующие:

(1) подробный обзор технологии 3D, ее инструментов и приложений в различных областях.

(2) обзор образования STEAM (наука, технология, инженерия, искусство и математика) и анализируем потребности в творчестве и возможностях решения проблем в этих областях.

(3) обсуждение использование технологии 3D-печати в образовательном секторе, программные средства, т. е. программное обеспечение САПР, подробный план учебного плана и влияние обучения 3D-печати на учебный процесс и творчество учащихся. Эти выводы можно использовать в качестве теоретических данных для обучения 3D-печати.

Результаты этого исследования могут быть использованы в качестве теоретической основы для разработки систематического учебного плана с использованием 3D-печати.

Хён Шин и Ми Ри рассмотрели различные программные приложения для 3D-моделирования, поскольку навыки моделирования были необходимым условием для использования 3D-принтеров, и предложили учебный контент на основе спирали креативного дизайна, который можно включить в контекст начальной школы.

Хё Ён и Хян Ин проверили эффективность программы обучения дизайну с использованием 3D-печати для учащихся средних школ.

К настоящему времени большинство существующих исследований 3D-печати проводились с технической точки зрения. Некоторые ученые изучили методологию обучения 3D-печати. Тем не менее, применение 3D-печати в сфере образования все еще ограничено.

В данной статье исследуется будущий метод обучения с использованием 3D-печати. Для этой работы впервые были проведены теоретические исследования. Теоретическое исследование проанализировало принцип 3D-печати и обучение 3D-печати. Затем в этой статье проанализировано текущее состояние образования в области 3D-печати в развитых странах, таких как США и Япония. Эти анализы были основаны на различных статьях, соответствующих книгах, журналах и т. д. Качественный метод исследования, разработанный американским культурным антропологом Джеймсом П. Спрэдли, в котором используются интервью и методы включенного наблюдения. Джеймс П. Спрэдли изучал метод включенного наблюдения, используемый культурными антропологами. Включенное наблюдение делится на шесть этапов, включая описательное наблюдение, анализ предметной области, целенаправленное наблюдение, классификационный анализ, выборочное наблюдение и компонентный анализ. Кроме того, в этом исследовании затем анализируются проблемы обучения 3D-печати в существующих образовательных учреждениях и представлена ​​своего рода учебная программа по 3D-печати, которую фактически могут использовать образовательные учреждения. Влияние обучения 3D-печати на эти курсы также оценивается и анализируется. Наконец, это исследование предсказывает направление развития образования в области 3D-печати в будущем.

Теоретическое исследование

Технология 3D-печати заключается в создании изделий за короткое время путем печати трехмерных цифровых файлов. Это похоже на то, как бумага печатается в двух измерениях, но отличается тем, что предназначено для 3D-продуктов. Технология была разработана, чтобы сократить время изготовления прототипов. Как правило, после планирования и разработки продукта компании требуется несколько недель, чтобы создать прототип. Однако, если компания использует технологию 3D-печати для производства прототипов, она может изготовить прототипы всего за несколько часов. Это также может сэкономить много денег на производстве прототипов. На самом деле технология 3D-печати была создана 30 лет назад. Однако технология не получила широкого распространения из-за проблем с патентами. В настоящее время срок действия патентов на технологию 3D-печати истек. Таким образом, технология 3D-печати может быть использована в различных областях. На практике технология 3D-печати особенно часто используется при приготовлении пищи. Также, он широко используется для производства небольших изделий, таких как украшения. В частности, поскольку технология 3D-печати становится важной в будущем, многие образовательные учреждения будут заинтересованы в технологии 3D-печати. Поэтому в развитых странах, таких как США и Япония, средние школы внедрили 3D-принтеры для обучения теории и практике технологии 3D-печати. Обучение 3D-печати признано очень важным учебным планом в связи с Четвертой промышленной революцией. Ожидается, что технология 3D-печати в будущем будет способствовать демократизации производства. В индустриальную эпоху капитал мог производить продукты. Однако развитие технологии 3D-печати позволит людям без капитала самостоятельно производить продукцию.

STEAM-образование — это программа обучения талантов, которая сочетает в себе науку, технологию, инженерное дело, искусство и математику. Направленное ​​на развитие творческих способностей. В будущем, по мере развития искусственного интеллекта, творческое воображение важнее теоретических знаний. Так, многие учебные заведения заинтересованы в STEAM-образовании. По этой причине некоторые правительства вкладывают значительные средства в STEAM-образование. Кроме того, ядром STEAM-образования является учебная программа, которая решает реальные проблемы на основе проектов. Чтобы решать эти проблемы, учащиеся хотят развивать навыки решения проблем в процессе разработки собственных решений. Уащимся может быть интересно учиться, так как они самостоятельно решают проблемы в реальной жизни. Также учащимся необходимы разнообразные знания для решения реальных жизненных задач. Поэтому им необходимо конвергентное образование, которое требует знания различных предметов для решения задач. Поэтому важно STEAM-образование. Кроме того, в STEAM-образовании используются различные инструменты. Эти инструменты являются очень важными навыками в будущем обществе. Типичные инструменты включают кодирование, роботов, дронов, виртуальную реальность и 3D-печать.

Обучение 3D-печати

Чтобы использовать 3D-печать, важно, чтобы учащиеся сначала поняли программное обеспечение САПР (средства автоматизированного проектирования и черчения). Учащиеся должны получить теоретические знания о программном обеспечении САПР. На основе теоретических знаний изучают практические курсы с использованием программного обеспечения САПР. В этом курсе учащиеся практикуют различные примеры. Затем учащиеся разрабатывают свои собственные модели САПР. Известная программа САПР для детского образования — Tinkercad прост в использовании. Во-первых, учащиеся могут использовать программу Tinkercad через Интернет. Затем учащийся проектирует продукт с помощью программного обеспечения. Учащиеся сохраняют файлы САПР как файлы 3D SDL. Наконец, пользователи могут печатать 3D-файлы SDL на 3D-принтере.  Ученики, интересующиеся архитектурой, используют SketchUp. Таким образом, учащиеся могут выбрать наиболее подходящую программу в соответствии с целью обучения и уровнем сложности.

Учебный курс по 3D-печати варьируется в зависимости от школы и учителя. Это исследование направлено на то, чтобы представить курсы, которые могут быть практически использованы в государственном образовании. Курс можно разделить на несколько этапов (рис. 1). На первом этапе учителя проводят с учениками теоретические занятия по 3D-печати. Теоретические занятия включают в себя различное содержание, такое как характеристики, история и использование 3D-печати. Второй этап представляет собой теоретический курс по программному обеспечению САПР. Учителя учат учащихся, как использовать программное обеспечение САПР. Кроме того, демонстрируют учащимся результаты 3D-печати на различных примерах. Третий этап фактически показывает процесс проектирования продукта с помощью программного обеспечения САПР. Учителя проектируют простые объекты, показывают их учащимся и позволяют учащимся следить за процессом проектирования продукта. Учащиеся неоднократно практикуются на показанных примерахНа четвертом этапе учащиеся самостоятельно выполняют практические проекты и пытаются найти решения этих проблем в реальной жизни. Сначала они выдвигают проблемы со своими товарищами. Исходя из этих проблем,  делают PPT и представляют проблемные ситуации. Затем под руководством учителя учащиеся предлагают решение задачи. На пятом этапе учащиеся выражают конкретные идеи посредством зарисовок. Они также сравнивают различные методы и предлагают лучшее решение. В это время учителя могут дать учащимся знания об элементах дизайна, таких как цвета и формы. Кроме того, согласно указаниям учителей, учащиеся используют программное обеспечение САПР на основе эскизов для создания 3D-файлов. На шестом этапе учащиеся выполняют свою работу непосредственно на 3D-принтере. На седьмом этапе учащиеся представляют выполненные работы под руководством учителя. Эти презентации не просто объявляют о результатах работы, но включают весь процесс от этапа планирования до результата работы. Ученики будут лично вовлечены и прочувствуют весь процесс решения одной задачи. Благодаря этому процессу учащиеся могут развивать творческие способности и навыки решения проблем. Кроме того, эти методы обучения преподаются учащимся автономно. Кроме того, этот класс может быть конвергентным образованием, в котором искусство и инженерия используются вместе. На рисунке1  представлен предлагаемый курс и его структуру.

Рис.1.Курс обучения 3D-печати

Эффекты обучения 3D-печати заключаются в следующем. Во-первых, обучение 3D-печати может улучшить восприятие пространства учащимися. Такое образование может иметь эффект инженерного образования на учеников. Во-вторых, учащиеся могут превратить свой собственный дизайн в настоящие продукты с помощью 3D-принтеров. Этот курс может в большей степени мотивировать учеников, чем традиционное обучение. Таким образом, у учеников будет больше интереса и степени участия в обучении с помощью технологии 3D-печати. В-третьих, эта учебная программа по 3D-печати может развивать творческие способности учащихся. В этом курсе ученики думают о проблеме и самостоятельно находят ее решение. Благодаря этому процессу учащиеся могут развивать навыки решения проблем и творческие способности. В-четвертых, учащиеся могут развивать чувство сотрудничества, решая проблемы с другими. В будущем использование 3D-печати станет обычным явлением. Кроме того, обучение 3D-печати будет проводиться в государственном образовании с распространением недорогих 3D-принтеров. В этих условиях необходимо будет разработать учебную программу, которая сможет максимально повысить эффективность обучения 3D-печати. Как правило, в наши дни занятия проводятся традиционным способом, которым учитель обучает учеников; однако в будущем решение проблем и творчество в соответствии с меняющимся обществом важнее, чем приобретение знаний. Этого трудно достичь, просто преподавая содержание учебной программы. Наряду с другими методами и инструментами, повышающими творческий потенциал учащихся, обучение 3D-печати также является важным аспектом, который можно использовать для улучшения творческих способностей и предоставления учащимся возможности применять подход к решению проблем. Многие учебные заведения приняли этот метод обучения, например, Высшая школа дизайна Стэнфордского университета, где этот метод обучения называется методом обучения дизайн-мышлению. 

В недавнюю эпоху Четвертой промышленной революции технология 3D-печати имеет важное значение. В последнее время образование в области 3D-печати привлекло большое внимание общественности. Кроме того, эти учебные курсы по 3D-печати должны заинтересовать учеников и способствовать удовлетворению и результатам обучения по предметам. Итак, в этой статье изучалась конкретная методология обучения 3D-печати. Проанализировано, что этот метод обучения поможет учащимся развить творческие способности и навыки решения проблем. Будущие исследования также потребуются, чтобы доказать, что эти методы проверены на предмет их эффективности в образовании.