XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
3Д моделирование в школе: польза и перспективы
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
3D-моделирование - это создание трехмерных объектов в виртуальном пространстве с помощью специальных программ на компьютере. Это прекрасный способ развития творческих и технических навыков у ребят, а также расширения их знаний в области компьютерных технологий.
Польза от знаний 3D-моделирования для детей очевидна. Во-первых, они могут использовать эти навыки для создания своих игр, анимации, видео и других интерактивных приложений.
Во-вторых, дети научатся анализировать и решать технические проблемы, используя различные технологические инструменты. Это поможет им стать более уверенными в своих технических способностях.
В-третьих, 3D-моделирования для детей является тем, что это может помочь им развивать уверенность в себе. Создание 3D-моделей - это сложный и увлекательный процесс, который требует от детей терпения, настойчивости и творческих способностей. Поэтому в работе представлены 3Д модели (изготовленные мной) и подобрана информация про них, которую можно применять на различных уроках.
Цель: создание ЗД моделей и изучение различных областей их применения.
Задачи:
-
Изучить принцип работы ЗД ручки и ЗД принтера.
-
Рассмотреть, что можно изготовить с помощью 3Д принтера и 3Д ручки.
-
Создать 3Д модели.
-
Показать возможности применения ЗД моделей для изучения различных предметов своим одноклассникам.
Гипотеза: ЗД модели можно применять при изучении различных предметов в школе.
Объект: 3Д модели.
Предмет: применение 3Д моделей при изучении различных предметов.
Методы: поисковый, практический, конструирование, анализ и сравнение.
Практическая значимость: работа имеет выраженную практическую значимость, так как внедрение 3D технологий повышает заинтересованность детей в обучении, обогащает их знаниями в области технических и гуманитарных дисциплин, развивает творческие способности ребят.
Глава 1. Теоретическая часть
1.1 Устройство и принцип работы 3D ручки
Мир изменяется, меняемся и мы! Изучение 3D технологий с каждым годом становится все более значимым для современных детей. 3D ручка является инструментом, который способен рисовать в воздухе. В феврале 2013 года возникла первая ручка для создания объѐмных форм. Создатели — Питер Дилворс и Максвелл Боуг из фирмы WobbleWorks.
3D ручка — инструмент для рисования пластиком, позволяющий создавать трѐхмерные объекты.
С помощью 3D ручки возможно делать узоры, надписи, декоративные элементы на различных поверхностях или законченные трехмерные объекты: геометрические фигуры, прототипы и силуэты.
По принципу работы 3D ручки разделяются на два вида: «горячие» и «холодные».
У 3D ручек «холодного вида» высокая стоимость ручки и материалов, хрупкость поделок. Поэтому в своей работе я буду использовать ручку «горячего» вида. О нее и пойдет дальше речь.
Пользоваться 3D ручкой очень просто. Ручка работает от электричества. Ручка включается нажатием клавиши, которая отвечает за подачу пластика вперед. Подача пластика регулируется контроллером – скоростью подачи пластика. Рисует 3D ручка при помощи специальной нити, сделанной из пластика. Внутри ручки помещен нагревательный элемент, который мгновенно разогревает пластик до температуры от 150 до 240 градусов. Нажатием кнопки пластик постепенно выдавливается из ручки и практически мгновенно застывает в той форме, которую ему придали, под воздействием воздуха цветная нить сразу застывает и надпись или рисунок готовы.
Заправляется нить просто, для этого на торце есть два отверстия, одно из которых предназначено для цветной нити, а другое для зарядного устройства. Во многих 3Dручках есть кнопка реверса, которая позволяет легко извлекать пластиковую нить из ручки. Наконечник изготовлен из керамики.
Для рисования в ручку заправляется пластиковая нить. Есть самые различные расцветки.
В задней части корпуса располагается отверстие, в которое вставляется пластик. Пластиковая нить, затягиваемая внутрь корпуса ручки, расплавляется внутри неё и выдавливается с острия ручки (из сопла) в виде тонкой нити, которая затвердевает на воздухе сразу после выхода из сопла. Вследствие этого фигуры можно моделировать прямо на лету!
Для работы 3D ручки используется специальный пластик. Самые распространенные виды пластика: ABS, PLA, SBS[4].
ABS пластик – это пластик, получивший наибольшее распространение во многих сферах производства, науки и быта. Из пластика ABS производят огромное количество изделий, начиная от игрушек для детей, деталей конструкторов и заканчивая элементами в автомобильной и даже авиапромышленности. Температура плавления ABS пластика – 230°C.
PLA пластик – нетоксичный и полностью безвредный материал. Его часто используют в медицине, а также в производстве различной упаковки и тары. PLA пластик – биоразлагаемый материал, который производится из натурального природного сырья – сахарного тростника или кукурузы.
SBS пластик – прочный, эластичный пластик, который не ломается при сгибании. Удлинение при разрыве пластика SBS более 250%. Также этот вид пластика имеет высокий коэффициент растяжения – может растягиваться до 650%. Стойкий к обработке химическими веществами, ударопрочный. Пластик при нагревании не выделяет неприятного запаха, не токсичен.
SBS пластик используют для производства медицинских изделий, детских игрушек и даже тары для пищевых продуктов, а также в инженерных и механических приложениях.
Температура плавления SBS пластика 200–220°C.
1.2 Принцип работы 3D принтера
Принцип формирования фигуры с трехмерной печати называют аддитивным (от слова Add (англ.) — добавлять).
Этапы работы для создания объекта на 3D принтере
-
Создается компьютерная модель будущего объекта[1].
-
С помощью специального программного продукта разбивает просканированный объект на слои и происходит генерация набора команд, которая определит последовательность, в которой будут наноситься слои материала при печати.
-
3D принтер послойно формирует объект, нанося постепенно порции материала. Располагая печатающую головку в системе двух координат X и Y, принтер наносит материал слой за слоем по смоделированной электронной схеме. При перемещении платформы на шаг вдоль оси Z начинается построение нового уровня объекта.
Для печати в качестве материала в аддитивном производстве могут быть использованы металлические сплавы, пластик, бумага, фотополимеры, минеральные смеси. Некоторые виды 3D принтеров способны работать одновременно с разными материалами, как по свойствам, так и по цвету[5].
Технологий трехмерной печати довольно много. Различаются они по принципу формирования слоев и их соединениям (см. рис1).
Рис.1. Принцип работы 3Д печати
1.3 Области применения 3D печати
1. Строительство. Есть предположение, что в будущем намного ускорится процесс возведения зданий благодаря 3D печати.
2. Медицина. Благодаря трехмерной печати врачи получили возможность создавать копии человеческого скелета. Большое применение 3D принтеры нашли в стоматологическом протезировании.
3. Архитектура и дизайн. Создание макетов элементов интерьера, зданий и районов позволяют оценить эргономику, функциональность и внешний вид прототипа.
4. Образование. 3D модели являются отличными наглядными материалами для обучения на всех уровнях образования. Например, на уроке химии для наглядности учитель показывает 3D-модели молекул.
5. Автомобилестроение. Такой способ, как 3D моделирование, позволяет протестировать автомобиль на этапе разработки.
6. Изготовление одежды и обуви. Подобная одежда и обувь используется только на показах. Материалом здесь служит полиуретан, резина и пластик.
7. Ювелирное дело. Технологии 3D моделирования позволяют создать полноценные изделия из металлического порошка.
8. История и антропология. Модели создаются на базе археологических находок и позволяют оценить достоверность догадок ученых[3].
Использование 3D принтеров позволяют полностью исключить ручной труд и необходимость делать чертежи и расчёты на бумаге, и устранить выявленные недостатки не в процессе создания, а непосредственно при разработке. В создании моделей с помощью 3D принтера и 3Д ручки полностью отсутствует ограничение на дизайн и сложность формы, что позволяет полностью задействовать свою фантазию и сделать индивидуальное и оригинальное изделие. Изделия получаются очень легкими, и при этом время их изготовления минимально.
Гава 2. Практическая часть
2.1. Применение ЗД моделей, выполненных при помощи 3Д ручки на уроках математики
На уроке математики мы проходили куб и прямоугольный параллелепипед, но было сложно представить, как выглядят эти фигуры и используя игровой кубик и рисунок в учебнике изготовил куб при помощи 3Д ручки.
3d-моделирование позволяет продемонстрировать различные виды этого тела, помогает увидеть его со всех сторон. При изучении математики в дальнейшем мне пригодиться эта модель ( см. рис.2)
Рис.2. Модель куба
2.2. Применение ЗД моделей на уроках окружающего мира, изготовленных при помощи 3д печати
На занятиях по 3д моделированию, которые посещаю 2 год мы изготавливаем модели различных архитектурных сооружений. На уроках нам рассказывают об истории создания этих сооружений. Мне захотелось побольше узнать об истории создания всех сооружений, которые мы изготовили за 2 года, и я решил это сделать и поделиться со своими одноклассниками.
Рис.3. ЗД модели
1. Московский кремль
2. Биг-Бен башня
3. Пизанская башня
4. Японский домик
5. Эйфелева башня
Для этого я изготовил информационные листы, на которых разместил фото моделей архитектурных сооружений, фото архитектурных сооружений взял из интернета и подобрал информацию по каждому архитектурному сооружению [2] (См.прил.2)
2.3. Социологический опрос
Были изучены результаты опроса (Приложение 1,3). Результаты опроса показали, что 63% опрошенных знают, что такое 3Д моделирование. Только 6 % опрошенных ответили, что занимаются 3Д моделированием. И 28 % ответили, что знают, как можно применить 3Д моделирование на уроках.
В результате данного опроса можно сделать следующие выводы, что более половины ребят знают, что такое 3Д моделирование, но лишь небольшое количество ребят занимаются 3Д моделированием (6%) и только третья часть ребят предполагают, что 3Д модели можно использовать на уроках для изучения различных предметов.
Заключение
В заключении хочется отметить, что цель нашей работы достигнута – с помощью 3D ручки мы изготовили модель куба, а с помощью ЗД принтера-архитектурные сооружения и показали, как можно использовать, модель куба и моделей архитектурных сооружения на уроках математики и окружающего мира.
Наша гипотеза о том, что использование ЗД модели можно применять при изучении различных предметов в школе, полностью подтвердилась.
Считаем, что данное исследование имеет выраженную практическую значимость, так как внедрение 3D технологий в учебный процесс повышает эффективность обучения (в школе и дома), обогащает школьников знаниями в области технических дисциплин, развивает у них абстрактное и творческое мышление, навыки трёхмерного мышления.
Результаты моделирования могут быть использованы на уроках математики, технологии, окружающего мира, изобразительного искусства и других предметов.
3D-технологии – это будущее не только в образовательной сфере, но и во многих других. И мы, в школе, должны идти в ногу со временем. Применение 3D принтеров позволит школам перейти на само обеспечение: изготовление на имеющемся оборудовании 3D печати наглядных пособий, разработанных самими учителями и учащимися.
Список литературы
1. Бриан Эванс, Практические 3D-принтеры: наука и искусство 3D-печати. Apress, 2012.
2. Википедия- свободная энциклопедии яhttps://ru.wikipedia.org/wiki/
3. И. Канеса, С. Фонда, М. Зенаро, Доступная 3D печать для науки, образования и устойчивого развития. The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics, 2013.
4. КристоферБарнат. 3D печать: третья индустриальная революция. 2013.
5. 3D принтер. [Электронный ресурс]. Режим доступа — printbox3d.ru.
Приложение 1
Анкета
1.Знаете ли Вы что такое 3Д моделирование
А) да
Б) нет
2.Вы занимаетесь 3Д моделированием
А) да
Б) нет
3. Как Вы думаете можно ли использовать модели, изготовленные при использовании 3Д технологий на уроках?
А) да
Б) нет
Приложение 2
Приложение 3
Результаты анкетирования