使用3D打印機(jī)制造開源教具,，成本降低超90%

毫無疑問，無論是在幼兒園還是大學(xué)階段,，3D打印都能提高教育的質(zhì)量和效果。在過去的十年里，基于絲材的3D打印機(jī)和材料的成本已經(jīng)大幅下降,，3D打印在教育中的質(zhì)量、可獲得性和可用性都得到了改善,，這主要得益于開源工具,、文件和信息,。

△畢達(dá)哥拉斯定理學(xué)習(xí)輔助工具，圖片由MDPI期刊,、2020年11月和密歇根理工大學(xué)提供

在密歇根理工大學(xué)最近發(fā)表的一項研究中,，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過使用低成本的3D打印機(jī)（RepRap）打印開源設(shè)計,，而不是直接購買價格較高的商業(yè)化學(xué)習(xí)輔助工具,，教師（甚至家長或社區(qū)）可以為教育者節(jié)省86%的學(xué)習(xí)輔助工具成本。

市面上有幾款價格在200美元以下的桌面3D打印機(jī),，生產(chǎn)出來的零件質(zhì)量也很合理,，使用myminifactory等平臺上的開源設(shè)計文件打印高質(zhì)量的學(xué)具，半天就可以輕松收回投資成本,。事實上,，即使學(xué)校要投資更昂貴的商用3D打印機(jī)，按照研究人員的說法,，也有可能在前100天本身就能收回投資,。

這種方法還可以實現(xiàn)學(xué)習(xí)教具的分散供應(yīng)和按需制造：世界上任何擁有3D打印機(jī)的人都可以訪問設(shè)計并打印出來。對于投資者來說,，投資開發(fā)教育開源教具的投資回報率平均在100%以上,。

該研究報告由材料科學(xué)與工程和電氣與計算機(jī)工程教授Joshua Pearce博士共同撰寫，他在開源硬件尤其是3D打印在教育領(lǐng)域的研究和工作非常著名,。他的舉措之一包括 "開源實驗室",，使學(xué)生和研究人員能夠3D打印自己的實驗室設(shè)備或用品，降低成本,，提高使用效率,，使研究擺脫傳統(tǒng)實驗室設(shè)備或?qū)嶒炇矣闷返南拗啤Ｋ�還使研究人員能夠設(shè)計和3D打印定制的實驗室設(shè)備,，并在網(wǎng)上分享這些設(shè)備,，從而也鼓勵開放創(chuàng)新。

△脊柱學(xué)習(xí)助手,，圖片由MDPI期刊和密歇根理工大學(xué)提供

在這項研究中,，詳細(xì)分析了學(xué)習(xí)輔助器設(shè)計的經(jīng)濟(jì)可行性（考慮到3D打印和組裝成本）。研究人員在這項研究中考慮了38種學(xué)習(xí)輔助工具,，結(jié)果顯示,，通過3D打印每種學(xué)習(xí)輔助工具的開源設(shè)計，教育工作者可以為每種學(xué)習(xí)輔助工具節(jié)省4.5萬美元（根據(jù)下載次數(shù)計算）,，可以為全球教育工作者節(jié)省170萬美元（38種工具的總節(jié)省成本）,。

△3D打印與零售產(chǎn)品成本對比，圖片由MDPI雜志和密歇根理工大學(xué)提供

在選擇學(xué)習(xí)輔助設(shè)計時,，選擇了MyMiniFactory上提供的初中到高中的關(guān)鍵科目：化學(xué),、生物,、設(shè)計、技術(shù),、物理,、數(shù)學(xué)、地理,、歷史,，每個子類別選擇兩個設(shè)計。同時對每個設(shè)計的下載頻率（本研究中使用的學(xué)習(xí)輔助設(shè)計平均下載次數(shù)超過1500次）和可用性進(jìn)行了評估,。此外,，我們還找到了亞馬遜上的同類產(chǎn)品，并將其用于比較,。本研究選擇了五個最具代表性的模型,，分別是一個時鐘、一個大腦,、一個畢達(dá)哥拉斯視覺輔助工具,、一個脊髓和一個內(nèi)燃機(jī)。

△內(nèi)燃機(jī)學(xué)習(xí)輔助工具,，圖片由MDPI雜志和密歇根理工大學(xué)提供

測量了打印這五種產(chǎn)品的材料和水電成本,，并與亞馬遜上的同等商業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行了比較。在比較3D打印產(chǎn)品與零售產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)可行性時,，研究人員核算了零售產(chǎn)品的所有成本（包括研發(fā),、廣告、包裝,、運(yùn)輸,、質(zhì)保等），同時也要看這些學(xué)習(xí)輔助工具為教師或課堂的終端用戶增加了價值,。例如，廣告是亞馬遜零售的學(xué)習(xí)輔助產(chǎn)品價格中包含的一項成本,。然而這個成本并沒有給教育者增加任何價值,，盡管他們必須為此支付費用才能獲得產(chǎn)品。而使用3D打印,、開源的學(xué)習(xí)輔助工具,，就不需要支付這樣的成本--只需要核算制造成本，直接為教育者增加價值,。

有趣的是,，通過3D打印學(xué)習(xí)輔助工具所節(jié)省的成本（與通過零售購買消費品相比）如何與 "維生素 "或任何額外/附加材料的成本相關(guān)聯(lián)，用于制作學(xué)習(xí)輔助工具,。對于像螺絲釘這樣的教具,，大部分由單一的3D打印材料制成,，節(jié)省的成本高達(dá)99.92%! 然而，對于像擺錘波浪機(jī)這樣的教具,，在3D打印部件之外,，還使用了額外的部件或材料，節(jié)省的成本降到了30.4%,�,？偟膩碚f，從絕對值來看,，3D打印學(xué)習(xí)輔助工具的平均制作成本為3.10美元,，而同等消費產(chǎn)品的購買成本接近30美元。

△腦模型學(xué)習(xí)輔助工具,，圖片由MDPI雜志和密歇根理工大學(xué)提供

這樣的學(xué)習(xí)輔助工具還可以將發(fā)明或創(chuàng)造的元素引入學(xué)習(xí),，提供一種所有人都能接受的實踐方法，并賦予學(xué)生或教育者開發(fā)自己的教育工具的能力,。這樣的學(xué)習(xí)輔助工具也可以相當(dāng)復(fù)雜,，如基于超聲波的導(dǎo)航支持系統(tǒng)，或其他用于高級科學(xué)課的系統(tǒng)（如光學(xué)機(jī)械系統(tǒng),、生物粘附等）,。這些已經(jīng)被應(yīng)用于各種教育領(lǐng)域，從醫(yī)學(xué)教育,、解剖學(xué),、假肢、特殊教育,、歷史和文化教育到地球科學(xué),、工程、STEM課程,、可持續(xù)發(fā)展教育,、機(jī)電一體化，甚至是構(gòu)建機(jī)器人硬件或3D打印機(jī)組件,。

低成本,、基于開源的分布式制造不僅提高和改變了學(xué)習(xí)效率和靈活性，也為全球教師個人和學(xué)生帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)價值,。僅僅是打印本研究中考慮的38種學(xué)習(xí)輔助工具（按照在全球范圍內(nèi)平均被下載了1500次計算成本）,，教育工作者每年就可以節(jié)省45萬美元，平均每個學(xué)習(xí)輔助工具每年節(jié)省11822美元,。那么其他的好處呢,，通過3D打印機(jī)成為可能？正如研究報告所說。

現(xiàn)在打印物體的機(jī)會可以給學(xué)生帶來一些期待,，此外,，學(xué)生們還可以設(shè)計自己的物體，可以為教室或年齡較小的孩子們制作,，幫助主動學(xué)習(xí)者,。一般來說，初次接觸3D打印機(jī)的學(xué)生都喜歡看打印機(jī)發(fā)揮它的魔力,，制作物體,。年幼的學(xué)生會問一些關(guān)于打印機(jī)的問題，如 "它要多熱才能把塑料熔化,？",、"它怎么知道怎么打印出我們想要的東西？"等,。學(xué)生對機(jī)器本身充滿好奇,，會去觸摸打印床或絲線。3D打印機(jī)（甚至使用它們）可以作為學(xué)生良好行為或成績的獎品或獎勵,。最后,，它可以引導(dǎo)已經(jīng)畢業(yè)的學(xué)生按照開源模式回饋他們成長的學(xué)校。教室里的這些設(shè)備讓學(xué)校有了更高的科技感,。這最終可能會提升教育質(zhì)量（如評級）,，吸引更多的學(xué)生（如資金）。(Pearce, M Joshua, 'The Economics of Classroom 3D printing of Open-Source Digital Designs of Learning Aids', MDPI Journal, November 2020)

當(dāng)然,，教育工作者要充分實現(xiàn)這些節(jié)約還存在挑戰(zhàn),，因為學(xué)校或機(jī)構(gòu)的IT系統(tǒng)需要允許可靠,、安全地訪問開源平臺和設(shè)計,，教育工作者需要接受培訓(xùn)，以有效地使用3D軟件和工具,，并在數(shù)字平臺到物理平臺之間輕松瀏覽,。而這正是Joshua Pearce在開源教育方面的工作，以及其他一些教育領(lǐng)域的開源,、3D打印的舉措,，正在推動教育工作者和學(xué)生們的這種急需的轉(zhuǎn)變。


編譯自：3dprint