Tässä blogikirjoituksessa keskitymme aiheeseen ”3D-tulostuksen käytön mahdollisuudet ja haasteet näkövammaisten matematiikan opetuksessa”.
Yleiskatsaus 3D-tulostukseen
3D-tulostus on teknologia, joka rakentaa fyysisiä esineitä – joita voidaan koskettaa käsin – kerrostamalla tietokoneella suunniteltuja 3D-mallitietoja kerros kerrallaan. Tätä teknologiaa pidetään kolmannen teollisen vallankumouksen keskeisenä ajurina, sillä se vähentää merkittävästi tuotantoprosesseja ja mahdollistaa sellaisten tuotteiden luomisen, joita aiemmin oli mahdotonta valmistaa perinteisin menetelmin. 3D-tulostuksen odotetaan tulevan hyödynnetyksi monilla eri aloilla, mukaan lukien paitsi valmistus myös taide, arkkitehtuuri, armeija ja lääketiede. Lisäksi sen potentiaalia näkövammaisten koulutuksessa on korostettu. Sitä voidaan erityisesti käyttää näkövammaisten koulutukseen tarvittavien taktiilisten opetusmateriaalien tuottamiseen.
3D-tulostus koostuu kolmesta pääprosessista: mallinnuksesta, viipaloinnista ja tulostamisesta. Ensinnäkin mallinnusprosessiin kuuluu tulostukseen tarvittavan 3D-datan luominen. Mallinnukseen on kaksi menetelmää: kohteen skannaus 3D-skannerilla tai mallin luominen suoraan 3D-ohjelmistolla. Luojan on luotava STL-tiedosto tämän prosessin aikana. STL (Surface Tessellation Language) on tiedostomuoto, joka on luotu standardoimaan olemassa olevia 3D-datamuotoja; sille on ominaista 3D-objektin pinnan esittäminen useiden kolmionmuotoisten pintojen avulla.
3D-tulostimet eivät kuitenkaan pysty tunnistamaan tällä tavalla luotuja STL-tiedostoja suoraan. Siksi tarvitaan prosessi, jolla STL-tiedosto muunnetaan 3D-tulostimen tunnistamaan muotoon. Tätä tehtävää suorittavaa ohjelmistoa kutsutaan viipalointiohjelmistoksi, ja sen tuottamaa tulosta kutsutaan G-koodiksi. 3D-tulostin käyttää tätä G-koodia varsinaisen tulostetun objektin tuottamiseen.
3D-tulostuksen merkittävin ominaisuus on, että se on additiivinen prosessi; toisin kuin perinteisissä valmistusmenetelmissä, se rakentaa tuotteen kerrostamalla materiaalia kerros kerrallaan. Tyypillisimpiä additiivisia valmistustekniikoita ovat SLS-menetelmä (Selective Laser Sintering), jonka 3D Systems kehitti menestyksekkäästi – jonka Chuck Hull perusti Yhdysvalloissa vuonna 1986 – ja FDM-menetelmä (Fused Deposition Modeling), jonka Stratasysin perustaja Scott Crump patentoi vuonna 1989. SLS ja FDM ovat kaksi valmistusmenetelmää, joita useimmat kaupallisesti saatavilla olevat 3D-tulostimet tällä hetkellä käyttävät.
Ensinnäkin SLS 3D -tulostin lähettää valikoivasti lasersäteen tulostusalustalle levitettyyn jauheeseen sintratakseen eli sulattaakseen hiukkaset yhteen. SLS on prosessi, jossa kerrokset rakennetaan toistamalla tätä vaihetta. FDM-menetelmää käytetään vielä laajemmin; siinä syötetään termoplastinen materiaali (materiaali, joka pehmenee kuumennettaessa, tyypillisesti muovi) suuttimen läpi ohuen filamentin muodossa ja puristetaan kerros kerrokselta, aivan kuten langan kehrääminen. SLS ja FDM ovat jo yleisimmin käytettyjä menetelmiä 3D-tulostuksessa, ja niihin liittyvien patenttien äskettäisen päättymisen myötä niiden odotetaan valtaavan entistä suuremman markkinaosuuden tulevaisuudessa.
Sovellukset näkövammaisten matematiikan opetuksessa
3D-tulostus, joka on avannut uusia horisontteja valmistusteollisuudessa lisäävien valmistusmenetelmien käyttöönoton myötä, tarjoaa paljon sovelluspotentiaalia useilla eri aloilla. Vaikka se näyttää soveltuvan useimpiin nykyisiin teollisuudenaloihin, tässä osiossa keskitytään sen käyttöön suhteellisen vähän tutkitulla koulutuksen alalla: erityisesti näkövammaisten matematiikan opetuksessa.
Yleisesti ottaen matematiikan opetuksessa näkövammaisille kohtaa usein merkittäviä haasteita. Luokkahuoneessa vaikeudet korostuvat erityisesti visuaalisiin elementteihin perustuvilla matemaattisilla aloilla, kuten graafien piirtämisessä. On kuitenkin esitetty, että asianmukaisten opetusolosuhteiden vallitessa näkövamma voi itse asiassa olla eduksi matemaattisessa tutkimuksessa, erityisesti geometrian ja topologian kaltaisilla aloilla. Ranskalainen differentiaaligeometriatutkija Bernard Morin saavutti merkittäviä saavutuksia geometriassa ja topologiassa näkövammaisesta huolimatta. Tätä esimerkkiä käyttäen venäläinen tiedemies Aleksei Sosinski väittää, että näkövammaiset henkilöt menestyvät tietyillä geometrian osa-alueilla verrattuna näkeviin. Syynä tähän on se, että vaikka näkevien ihmisten aivot havaitsevat kolmiulotteiset muodot kuvina, jotka heijastuvat kaksiulotteiselle verkkokalvolle – mikä väistämättä asettaa rajoituksia tarkalle ajattelulle – näin ei ole näkövammaisten kohdalla. Vaikka näkövammaisilla katsotaan olevan niin suuri matemaattinen potentiaali, heidän matematiikan opetuksensa nykyiset olosuhteet ovat melko huonot.
Näkövammaisten matematiikan opetuksen suurin haaste on se, miten auttaa oppilaita ymmärtämään graafia. Nykyiset taktiiliset opetusmateriaalit ovat perinteisesti esittäneet graafit pistekuvioina. Tämä muoto aiheuttaa kuitenkin merkittäviä tuotantovaikeuksia. Koska siinä ei käytetä standardipistekirjoitusmerkkejä, pistekirjoituskirjojen tuottamiseen tarvittava aika ja kustannukset kasvavat eksponentiaalisesti.
Toinen ongelma on opetuksen aikana ilmenevä hankaluus. Kun opettaja selittää muita kuin oppikirjassa esitettyjä esimerkkejä, tämä voidaan helposti ratkaista yksinkertaisella taululle kirjoittamisella yleisopetuksessa, mutta se on mahdotonta vammaisten oppilaiden koulutuksessa. Koska uusien taktiilisten opetusmateriaalien tuottaminen vie kauan, opettajien on pakko turvautua yksinomaan olemassa oleviin taktiilisiin materiaaleihin. Taktiivisten opetusmateriaalien tuottamiseen liittyvät ajalliset ja taloudelliset vaikeudet sekä saatavilla olevien materiaalien rajallinen valikoima voidaan pitää kahtena suurimpana ongelmana.
Eräässä tutkimuksessa sovellettiin 3D-tulostusta tämän ongelman ratkaisemiseksi. 3D-tulostus soveltuu erittäin hyvin edellä mainittujen ongelmien ratkaisemiseen. Koska 3D-tulostus mahdollistaa minkä tahansa mallin helpon valmistamisen suhteellisen edullisella 3D-tulostimella, se säästää sekä aikaa että rahaa verrattuna ulkoistamiseen ulkopuolisille toimittajille. Saatavilla olevien opetusmateriaalien valikoima on myös käytännössä rajaton. Tämä johtuu siitä, että yhdellä 3D-tulostimella minkä tahansa tyyppinen malli voidaan tulostaa muokkaamalla STL-tiedostoa.
Tässä tutkimuksessa kehitimme 3D-mallinnusohjelmisto Blenderiä ja viipalointiohjelmisto Curaa käyttävän ohjelman, joka luo automaattisesti STL-tiedoston vastaavasta graafista, kun matemaattinen funktio syötetään. Tämän perusteella tulostimme taktiilisia opetusmateriaaleja ja teimme tutkimuksen, johon osallistui sokeiden koulun oikeita luokkia palautteen keräämiseksi. Sekä opettajat että oppilaat arvioivat näiden täydentävien opetusmateriaalien käyttöönoton matematiikan opetuksessa myönteisesti ja kertoivat, että ne auttoivat tehokkaassa ymmärtämisessä opetus- ja oppimisprosessissa.
Useita ongelmia kuitenkin tunnistettiin, joihin on puututtava, kuten se, että 3D-tulostimia ei ole vielä laajalti saatavilla sokeiden kouluissa, ja että vaikka 3D-mallien luomisprosessia yksinkertaistettiin mahdollisimman paljon, 3D-ohjelmistoihin perehtymättömälle suurelle yleisölle on edelleen suhteellisen korkea pääsykynnys.
Koska 3D-tulostimilla on potentiaalia sovelluksiin useilla eri aloilla ja ne tunnistetaan keskeisiksi toimijoiksi tulevaisuuden teollisuudenaloilla, niiden odotetaan olevan merkittävässä roolissa myös näkövammaisten koulutuksessa. Vaikka käyttöönottoasteessa, tarkkuudessa ja helppokäyttöisyydessä on vielä parantamisen varaa, asiantuntijat ennustavat, että nämä tekniset ongelmat ratkaistaan pian ja että koittaa aikakausi, jolloin 3D-tulostimia on laajalti saatavilla kodeissa ja laitoksissa. Jos näin tapahtuu, on toivoa, että 3D-tulostusteknologia kehittyy tulevaisuuden teollisuudenalojen keskeisestä toimijasta "lämminteknologiaksi", joka vastaa usein syrjäytyneiden vammaisten koulutushaasteisiin.
