使用3D打印機制造開源教具,，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,。

△畢達哥拉斯定理學習輔助工具,，圖片由MDPI期刊、2020年11月和密歇根理工大學提供

在密歇根理工大學最近發(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（RepRap）打印開源設計，而不是直接購買價格較高的商業(yè)化學習輔助工具,，教師（甚至家長或社區(qū)）可以為教育者節(jié)省86%的學習輔助工具成本,。

市面上有幾款價格在200美元以下的桌面3D打印機,，生產(chǎn)出來的零件質(zhì)量也很合理，使用myminifactory等平臺上的開源設計文件打印高質(zhì)量的學具,，半天就可以輕松收回投資成本,。事實上，即使學校要投資更昂貴的商用3D打印機,，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)學習教具的分散供應和按需制造：世界上任何擁有3D打印機的人都可以訪問設計并打印出來,。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與工程和電氣與計算機工程教授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"，使學生和研究人員能夠3D打印自己的實驗室設備或用品,，降低成本,，提高使用效率，使研究擺脫傳統(tǒng)實驗室設備或?qū)嶒炇矣闷返南拗�,。它還使研究人員能夠設計和3D打印定制的實驗室設備,，并在網(wǎng)上分享這些設備，從而也鼓勵開放創(chuàng)新,。

△脊柱學習助手,，圖片由MDPI期刊和密歇根理工大學提供

在這項研究中，詳細分析了學習輔助器設計的經(jīng)濟可行性（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種學習輔助工具,，結(jié)果顯示，通過3D打印每種學習輔助工具的開源設計,，教育工作者可以為每種學習輔助工具節(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提供

在選擇學習輔助設計時,，選擇了MyMiniFactory上提供的初中到高中的關鍵科目：化學、生物,、設計,、技術、物理,、數(shù)學,、地理、歷史,，每個子類別選擇兩個設計,。同時對每個設計的下載頻率（本研究中使用的學習輔助設計平均下載次數(shù)超過1500次）和可用性進行了評估,。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,、一個畢達哥拉斯視覺輔助工具、一個脊髓和一個內(nèi)燃機,。

△內(nèi)燃機學習輔助工具,，圖片由MDPI雜志和密歇根理工大學提供

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)品進行了比較,。在比較3D打印產(chǎn)品與零售產(chǎn)品的經(jīng)濟可行性時,，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、運輸,、質(zhì)保等）,，同時也要看這些學習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習輔助產(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,、開源的學習輔助工具，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打印學習輔助工具所節(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聯(lián),，用于制作學習輔助工具,。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99.92%! 然而,，對于像擺錘波浪機這樣的教具，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打印學習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,。

△腦模型學習輔助工具,，圖片由MDPI雜志和密歇根理工大學提供

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

低成本、基于開源的分布式制造不僅提高和改變了學習效率和靈活性,，也為全球教師個人和學生帶來了巨大的經(jīng)濟價值,。僅僅是打印本研究中考慮的38種學習輔助工具（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,，平均每個學習輔助工具每年節(jié)省11822美元,。那么其他的好處呢，通過3D打印機成為可能,？正如研究報告所說,。

現(xiàn)在打印物體的機會可以給學生帶來一些期待，此外,，學生們還可以設計自己的物體,，可以為教室或年齡較小的孩子們制作，幫助主動學習者,。一般來說,，初次接觸3D打印機的學生都喜歡看打印機發(fā)揮它的魔力，制作物體,。年幼的學生會問一些關于打印機的問題,，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,。學生對機器本身充滿好奇，會去觸摸打印床或絲線,。3D打印機（甚至使用它們）可以作為學生良好行為或成績的獎品或獎勵,。最后，它可以引導已經(jīng)畢業(yè)的學生按照開源模式回饋他們成長的學校,。教室里的這些設備讓學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�,；驒C構(gòu)的IT系統(tǒng)需要允許可靠,、安全地訪問開源平臺和設計，教育工作者需要接受培訓,，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域的開源、3D打印的舉措,，正在推動教育工作者和學生們的這種急需的轉(zhuǎn)變,。


編譯自：3dprint