В тази публикация в блога ще се съсредоточим върху „Потенциалът и предизвикателствата на използването на 3D печат в математическото образование за хора с увредено зрение“.

Преглед на 3D печат

3D печатът е технология, която изгражда физически обекти – които могат да бъдат докоснати с ръка – чрез наслагване на компютърно проектирани 3D модели, слой по слой. Тази технология е приветствана като ключов двигател на Третата индустриална революция, тъй като драстично намалява производствените процеси и позволява създаването на продукти, които преди това са били невъзможни за производство с помощта на конвенционални методи. Очаква се 3D печатът да се използва в широк спектър от области, включително не само производството, но и изкуството, архитектурата, военните и медицината. Освен това е подчертан и потенциалът му за използване в образованието на хора с увредено зрение. По-конкретно, той може да се използва за производство на тактилни учебни материали, необходими за образованието на хора с увредено зрение.
3D печатът се състои от три основни процеса: моделиране, нарязване и печат. Първо, процесът на моделиране включва генериране на 3D данните, необходими за печат. Има два метода за моделиране: сканиране на обект с помощта на 3D скенер или създаване на модел директно с помощта на 3D софтуер. Създателят трябва да генерира STL файл чрез този процес. STL (Surface Tessellation Language) е файлов формат, създаден за стандартизиране на съществуващите 3D формати на данни; той се характеризира с представяне на повърхността на 3D обект с помощта на множество триъгълни страни.
3D принтерите обаче не могат да разпознават директно STL файлове, генерирани по този начин. Следователно е необходим процес за преобразуване на STL файла във формат, който 3D принтерът може да разпознае. Софтуерът, който изпълнява тази роля, се нарича софтуер за нарязване, а генерираният от него резултат се нарича G-код. 3D принтерът използва този G-код, за да създаде действително отпечатания обект.
Най-съществената характеристика на 3D печата е, че е адитивен процес; за разлика от традиционните методи на производство, той изгражда продукт чрез наслагване на материала слой по слой. Най-представителните техники за адитивно производство включват метода SLS (селективно лазерно синтероване), успешно разработен от 3D Systems, основана от Чък Хъл в Съединените щати през 1986 г., и метода FDM (моделиране чрез стопяване и отлагане), патентован през 1989 г. от Скот Кръмп, основателят на Stratasys. SLS и FDM са двата производствени метода, използвани в момента от повечето търговски достъпни 3D принтери.
Първо, SLS 3D принтер селективно насочва лазер към прах, разпръснат по работната плоча, за да синтерова или слее частиците заедно. SLS е процес, който натрупва слоеве чрез многократно изпълнение на тази стъпка. Методът FDM е още по-широко използван; той включва подаване на термопластичен материал (материал, който омекотява при нагряване, обикновено пластмаса) през дюза под формата на тънка нишка и екструдирането му слой по слой, подобно на преденето на прежда. SLS и FDM вече са най-често използваните методи в 3D печатането и с неотдавнашното изтичане на свързани патенти се очаква те да завладеят още по-голям пазарен дял в бъдеще.

Приложения в обучението по математика за хора с увредено зрение

3D печатът, който отвори нови хоризонти в производствения сектор чрез приемането на адитивни производствени методи, има голям потенциал за приложение в различни области. Въпреки че изглежда приложим за повечето съществуващи индустрии, този раздел ще се фокусира върху използването му в сравнително недостатъчно проучената област на образованието: по-специално математическото образование за хора с увредено зрение.
Като цяло, математическото образование за хора с увредено зрение често е изправено пред значителни предизвикателства. Трудностите в класната стая са особено изразени в математическите области, които разчитат в голяма степен на визуални елементи, като например изобразяването на графики. Съществува обаче аргумент, че при наличие на подходящи образователни условия, зрителното увреждане може действително да служи като предимство в математическите изследвания, особено в области като геометрия и топология. Бернар Морин, френски диференциален геометр, е постигнал значителни постижения в геометрията и топологията, въпреки че е със зрителни увреждания. Цитирайки този пример, руският учен Алексей Сосински твърди, че хората с увредено зрение превъзхождат определени области на геометрията в сравнение със зрящите хора. Посочената причина е, че докато мозъците на зрящите хора възприемат триизмерни форми като изображения, проектирани върху двуизмерна ретина – което неизбежно налага ограничения върху прецизното мислене – това не е така за хората с увредено зрение. Въпреки че се счита, че хората с увредено зрение притежават такъв голям математически потенциал, настоящите условия за тяхното математическо образование са доста лоши.
Най-голямото предизвикателство в обучението по математика за хора с увредено зрение е как да се помогне на учениците да разбират графиките. Съществуващите тактилни учебни материали традиционно представят графиките като модели от точки. Този формат обаче създава значителни трудности при производството. Тъй като не използва стандартни брайлови символи, времето и разходите, необходими за производството на брайлови книги, се увеличават експоненциално.
Друг проблем са неудобствата, срещани по време на обучението. Когато учителят обяснява примери, различни от представените в учебника, това може лесно да се реши чрез просто писане на дъска в общообразователните училища, но е невъзможно в обучението на ученици с увреждания. Тъй като създаването на нови тактилни учебни материали отнема много време, учителите са принудени да разчитат единствено на съществуващите тактилни материали. Временните и финансовите трудности, свързани с производството на тактилни учебни материали, заедно с ограниченото разнообразие от налични материали, могат да се считат за два основни проблема.
Едно проучване приложи 3D печатането, за да се справи с този проблем. 3D печатането е много подходящо за решаване на гореспоменатите проблеми. Тъй като 3D печатането позволява лесното производство на всеки модел с помощта на сравнително евтин 3D принтер, то спестява както време, така и пари в сравнение с възлагането на външни доставчици. Наборът от налични учебни материали също е практически неограничен. Това е така, защото само с един 3D принтер може да се отпечата всякакъв вид модел чрез модифициране на STL файл.
В това проучване разработихме програма, използваща софтуера за 3D моделиране Blender и софтуера за нарязване Cura, която автоматично генерира STL файл на съответната графика, когато се въведе математическа функция. Въз основа на това отпечатахме тактилни учебни материали и проведохме проучване, включващо реални класове в училище за слепи, за да съберем обратна връзка. В резултат на това както учителите, така и учениците оцениха положително въвеждането на тези допълнителни учебни материали в обучението по математика и съобщиха, че те са спомогнали за ефективно разбиране по време на учебния процес.
Въпреки това бяха идентифицирани няколко проблема, които трябва да бъдат решени, като например фактът, че 3D принтерите все още не са широко достъпни в училищата за слепи и че въпреки че процесът на създаване на 3D модели е опростен максимално, остава относително висока бариера за навлизане на широката общественост, която не е запозната с 3D софтуера.
Тъй като 3D принтерите демонстрират потенциал за приложение в различни области и са идентифицирани като ключови играчи в бъдещите индустрии, се очаква те да играят значителна роля и в областта на образованието за хора с увредено зрение. Въпреки че все още има място за подобрение по отношение на степента на приемане, прецизността и лекотата на използване, експертите прогнозират, че тези технически проблеми скоро ще бъдат решени и че ще настъпи ера, когато 3D принтерите ще бъдат широко достъпни в домовете и институциите. Ако това се случи, има надежда, че технологията за 3D печат ще се превърне от ключов играч в бъдещите индустрии в „топла технология“, която ще адресира образователните предизвикателства за хората с увреждания, които често са маргинализирани.