К вопросу о разработке проекта применения 3D-печати в вузе при изучении учебной дисциплины «Ботаника»



Статья посвящена решению некоторых актуальных проблем разработки и внедрения проекта применения 3D-печати [1] для создания 3-мерных макетов ботанических объектов, их структур и процессов, с целью повышения практико-ориентированности изучения объектов ботаники [16], которые иначе не могут быть показаны и изучены в рамках традиционного образовательного процесса.

Выявлена область применения аддитивных технологий [2] при изучении учебной дисциплины «Ботаника». Систематизированы на основе нормативных документов [1–4], отечественных и зарубежных публикаций [2, 4, 7, 11, 13–15, 22, 34] основные особенности, требования разработки и применения 3D-печати в вузе. Предложены: структура проекта применения 3D-печати, основные критерии качества свойств 3D-принтера [3] , возможные результаты внедрения проекта 3D-печати при изучении учебной дисциплины «Ботаника» на кафедре общей биологии и ботаники в вузе. Показана сущность инструмента PR-технологий в вузе как проекта 3D-печати.

Ключевые слова: алгоритм, ботаника, 3D-печать, методика, проект, прототипирование [4] , аддитивные технологии,

Введение. Востребованность, актуальность проекта применения 3D-печати при изучении учебной дисциплины «Ботаника»

В целях устойчивого развития цифровой экономики и информационного общества, науки и технологий в Республике Беларусь осуществляется развитие и совершенствование высшего, среднего и школьного образования, его образовательных программ, учебных дисциплин, осуществление цифровой трансформации процессов в системе образования [1–4].

Это достигается востребованностью и гармоничным внедрением современных достижений сферы инфокоммуникационных технологий: мобильных технологий, нейронных сетей, технологий искусственного интеллекта, инновационных технологий дополненной, виртуальной и смешанной реальности, аддитивных технологий (АДТ) в образовании [1–4].

Целью данной статьи является выявление основных факторов и особенностей, влияющих на разработку Проекта применения 3D-печати при изучении учебной дисциплины «Ботаника» [16]. Их знание и учет позволит качественную разработку и применение 3-мерных ботанических объектов 3D-печати для повышения качества практико-ориентированной подготовки студентов — будущих преподавателей при организации и проведении лекционных, практических и лабораторных занятий, дипломного проектирования, научных исследований, в частности, по учебной дисциплине «Ботаника» [16]

Использование 3D-печати необходимо для прототипирования 3-мерных макетов ботанических объектов, структур процессов в них, которые пока не изучаются упрощенно в рамках традиционного образовательного процесса при изучении и исследования в курсе ботаники. 3D-печать представляет неограниченные возможности — создание макетов, наглядная демонстрация уменьшенных копий реальных деталей и механизмов. Печать на 3D-принтере и АДТ в целом в настоящее время становятся важной и актуальной инновационной частью учебного процесса в вузе [7]. В связи с отмеченным выше разработка статьи является важной и актуальной.

В статье принято, что для системной разработки применения 3D-печати должна разрабатываться программа исследования или бизнес-план [7]. Предлагаемая программа названа как: «Проект 3D-печати в образовании по учебной дисциплине «Ботаника» (далее _Проект).

Установлено, что Проект имеет целью создание и использование 3D-печати для прототипирования указанных (и других, при наличии их 3-мерных цифровых программ для 3D-принтера) 3-мерных макетов ботанических объектов, структур процессов в них, которые пока не могут быть показаны и изучены в рамках традиционного образовательного процесса при изучении учебной дисциплины «Ботаника».

Анализ публикаций [2, 4, 6, 7, 11–15, 21–24] показал, что для достижения цели Проект должен содержать:

формулировку и обоснование цели и задач реализации АДТ 3D-печати с применением PR-технологий в сфере образования для конкретных учебных дисциплин;

обоснование выбора на кафедре конкретной модели 3D-принтера для прототипировании 3-мерных ботанических объектов;

описание планируемой деятельности;

прогноз предполагаемых результатов реализации внедрения 3D-принтера;

разработку поэтапного алгоритма реализации применения 3D-печати;

определение предполагаемых заинтересованных сторон при внедрении и использовании;

подходы к определению доходов и расходов; расходов на необходимое и вспомогательное оборудование;

разработку рекомендаций по реализации проекта применения 3D-печати как PR– технологии при изучении учебной дисциплины.

Данное содержание Проекта характеризует основные направления обоснования, разработки и применения 3D-печати в вузе при изучении учебной дисциплины «Ботаника». Содержание Проекта системно отражает сущность разработки применения 3D-печати и применимо при разработке Проекта изучении любой дисциплины.

Область применения аддитивных технологий в курсе ботаники

На основе анализа требований образовательного стандарта по специальности «Биология и химия» и содержания учебной дисциплины «Ботаника» [16], являющейся одной из профилирующих при освоении специальности, определена область применения АДТ при прототипировании 3D-принтером 3-мерных ботанических объектов. Как показал предварительный анализ, для прототипирования в качестве объектов ботаники могут быть, например, востребованы [16]:

морфолого-биологические характеристики основных таксонов растений, водорослей, грибов и лишайников, их роли в природных экосистемах;

способы бесполого и полового размножения, закономерности онтогенеза, циклов развития и направления эволюции различных систематических групп растений, грибов, водорослей и лишайников;

строение, принципы расположения и функционирования растительных тканей;

микро- и макроструктуры вегетативных и генеративных органов растений в связи с выполняемыми ими функциями и адаптациями к среде обитания;

анатомо-морфологической характеристики ботанических объектов, варианты их рационального использования, охраны окружающей среды [16].

При изменении содержания требований заказчика, образовательного стандарта, учебной программы дисциплин имеется возможность изменять область применения аддитивных технологий в курсе ботаники, тем самым. улучшать фактическое состояние практико-ориентированной подготовки по специальности будущих преподавателей, потребностей Заказчиков, работодателей по практическому овладению будущими преподавателями (выпускниками) 3D-печатью, в частности, по учебной дисциплине «Ботаника» [1–416]. [1–4].

Область применения АДТ характеризуется требуемым разнообразием прототипов 3-мерных ботанических объектов, изготавливаемых 3D-принтером для обучения, исследований студентов, преподавателей. Это разнообразие зависит от возможности разработки соответствующих цифровых трехмерных моделей требуемых для 3D-прототипирования объектов. Эта проблема решается при цифровой трансформации образования пока, в основном, использованием цифровых трехмерных моделей требуемых для 3D-прототипирования объектов по направлению изучаемых учебных дисциплин. Эти цифровые продукты поставляются современными сервисами сети Интернет и облачных программных продуктов [4, 6, 7, 9, 11].

Особенностью является и необходимость осуществлять повышение уровня специальной подготовки студентов и преподавателей в сфере информационно–коммуникационных инновационных технологий для самостоятельной разработки таких трехмерных моделей 3D-прототипирования, в частности, 3-мерных ботанических объектов.

Особенности выбора конкретного 3D-принтера из некоторого множества анализируемых 3D-принтеров

При организации прототипирования очень важным при разработке трехмерных моделей для 3D-прототипирования является качество [27–29].

Из анализа документов [1–5] и публикаций [6–15, 21–29] следует, что выбор и использование 3D-принтера является одной из важнейших и актуальных задач развития учебного и практико-ориентированного процессов высшего образования в вузе при переходе к Шестому технологическому укладу NBIC, инновационные технологии которого органично связаны с развитием аддитивных технологий и их внедрением.

Для выбора конкретного образца из анализируемых 3D-принтеров [27–29] с целью его практического освоения и использования преподавателями, инженерами учебно-научной лаборатории, студентами, аспирантами вуза в ходе обучения, были систематизированы: востребованность [1–5, 16], опыт применения, эксплуатации 3D-принтеров [27–29], используемых ими технологий и материалов [27–29] для аддитивного прототипировании 3-мерных ботанических объектов, применяемых в образовательном процессе по дисциплине «Ботаника».

При принятии решения о выборе конкретного 3D-принтера, как показал анализ ряда источников [5–7, 9–16, 21–30], обязателен учет и использование такой информации как:

1) Требования современной нормативной правовой базы в Беларуси по осуществлению устойчивого развития цифровой экономики и информационного общества, науки и технологий, цифровой трансформации процессов в системе образования.

2) Содержание компетенций студентов по дисциплине «Ботаника».

3) Мнение и потребность работодателей в овладении будущими преподавателями (выпускниками) практического владения 3D-печатью.

4) Финансовые возможности вуза.

5) Перспективы развития аддитивных технологий, 3D-печати в вузе, на факультете, на кафедре [2, 4, 6–11].

6) Оценка востребованности для аддитивного прототипировании 3-мерных ботанических объектов, применяемых в образовательном процессе по дисциплине «Ботаника» с применением 3D–принтеров [16].

7) Анализ и выбор из существующих типов аддитивных технологий (таких как [7, 12, 13–15]: послойная печать расплавленной полимерной нитью; технология струйного моделирования; стереолитография; лазерное спекание порошковых материалов; технология склеивания порошков; ламинирование листовых материалов; облучение ультрафиолетом через фотомаску) наиболее широко применяемого типа при создании 3-мерных прототипов FDM — технологии послойной печати расплавленной полимерной нитью как [13–15]. Это самая популярная, развитая и дешевая в вузовской системе технология для получения единичных изделий

8) Оценка конструктивного решения, технических характеристик, основных параметров, программного обеспечения, обслуживания, материалов для печати, особенностей эксплуатации, и исходя из этого определение стоимости его эксплуатации и обслуживания (стоимости владения).

Как показал анализ [13, 15, 21, 22, 25, 26], при принятии решения о том, какой 3D-принтер лучше приобрести на первый план выходит не столько цена объекта (3D-принтера), сколько стоимость его эксплуатации и обслуживания [13].

С учетом сказанного выше при выборе приемлемого образца из группы 3D-принтеров [27–29] использовались следующие основные рекомендуемые критерии [13, 15, 30]: цена 3D-принтера и расходных материалов; особенности применения двухголового экструдера; толщина слоя печати; скорость печати; область печати; особенности и сложности управления 3D-принтером; конструкция 3D-принтера .

По этим критериям оценены пригодность каждого из группы 3D–принтеров и осуществлен выбор конкретной модели 3D-принтера для 3D-печати 3-мерных ботанических объектов, которые целесообразно применять в образовательном процессе по дисциплине «Ботаника».

Одной из важнейших особенностей разработки Проекта является то, что он является инструментом применения PR-технологий в сфере образования, где изучается учебная дисциплина «Ботаника»).

Главным PR инструментом считается образовательная база вуза, которая состоит из форм, направлений и способов обучения, преподавательского состава и один из важнейших инструментов техническая оснащенность кафедр вуза.

Под PR-технологией в данной статье понимаются знания, умения, навыки, методы, средства которые необходимы при разработке проекта применения 3D-печати для решения практических задач, применения методов и процессов изучения учебной дисциплины «Ботаника» [16] и достижения при этом «максимального результата при заданных ресурсах или при минимальных ресурсах». для развития инновационного оборудования 3D-печати [17–20].

Вывод

Реализация Проекта как инструмента является новым и важным направлением в цифровой трансформации процессов формирования знаний, умений, навыков студентов [4, 5].

С учетом рассмотренных в статье требований, особенностей и предложенной структуры содержания разработка Проекта должна обеспечить создание его поэтапного алгоритма реализации Проекта с учетом финансирования в назначенные сроки, прогноз результатов реализации внедрения 3D-печати и внедрение инновационной технологии 3D-печати с современными инфокоммуникационными устройствами и расходными материалами для изготовления макетов ботанических объектов и повысить качество практико-ориентированной подготовки будущих преподавателей по учебной дисциплине «Ботаника».

Предлагаемые решения должны позволить упростить организацию применении 3D-печати в вузе не только при изучении ботаники, но и других учебных дисциплин на различных видах занятий и при проведении исследовательской работы. Важность и актуальность решения задач подтверждается приведенным анализом документов [1–4] и публикаций [2, 4, 7, 11, 13–15, 22].

Решение этих задач обеспечит качественную разработку проекта применения 3D-печати при изучении учебной дисциплины «Ботаника» на кафедре общей биологии и ботаники и предполагает использование в качестве инструмента РR-технологии.

Внедрение АДТ, прототипирования свойств 3-мерных ботанических объектов на лекциях, практических, лабораторных занятиях обеспечит более качественное, убедительное обоснование содержания и получения новых результатов в курсовых и дипломных проектах, при проведении студентами научных исследований в научных работах [6–16, 21].

Улучшение практико-ориентированной подготовки будущих преподавателей по учебной дисциплине «Ботаника» на основе освоения 3D-печати является объективно необходимым и обязательным элементом подготовки студентов — будущих педагогов при организации и проведении лекционных, практических и лабораторных занятий, дипломного проектирования, научных исследований [16]. Внедрение 3D-печати в образовательный процесс аддитивных технологий повысит его эффективность.

Литература:

1. Концепция Национальной стратегии устойчивого развития Республики Беларусь на период до 2035 года Минск: Министерство экономики Республики Беларусь. 2018.
2. Стратегия «Наука и технологии: 2018–2040»: утверждено Постановлением Президиума Национальной академии наук Беларуси 26.02.2018 № 17.
3. Государственная программа развития цифровой экономики и информационного общества на 2016–2020 годы. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://bit.ly/2HJscWV. — Дата доступа: 23.12.2019.
4. Концепция цифровой трансформации процессов в системе образования Республики Беларусь на 2019–2025 годы. –Министерство образования Республики Беларусь. 2019.
5. Об оснащении школ. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.belta.by/ tech/view/ karpenko-ob-osnaschenii-shkol-multibordy-stanki-dlja-kabinetov-truda-i-3d-printery-378504–2020/ 5 февраля, Минск /.
6. Цифровая трансформация образования. [Электронный ресурс]: сб. мат. 2-й Межд. науч.-практ. конф., Минск, 27 марта 2019 г. / отв. ред. А. Б. Бельский. — Минск: ГИАЦ Минобразования, 2019. — Режим доступа: http://dtconf.unibel.by/doc/Conference_2019.pdf. Дата доступа: 23.03.2020.
7. Обоснование актуальности аддитивных технологий для развития университета и/или университетской среды [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://bit.ly/2HJscWV. — Дата доступа: 24.12.2019 https://innovector.tsu.ru/initiatives/page/712/.
8. Грант Президента Беларуси назначен доценту факультета естествознания В. Н. Коваленко. — [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://fezn.bspu.by/news/nauka/ grant-prezidenta- belarusi-naznachen-docentu-fakulteta-estestvoznaniya-vn-kovalenko. — Дата доступа: 17.03.2020.
9. Коваленко В. Н. 3D-прототипирование в естественнонаучном образовании: цикл лабораторных работ: методическая разработка. — Минск: БГПУ, Факультет естествознания, 2018. — 26 с.
10. Прототипирование на физмате. — Электронный ресурс. — Режим доступа: https:// fmath. bspu.by/news/ universitet/ laboratornye -zanyatiya-po-3d-prototipirovaniyu-na-fizmate. — Дата доступа: 18.03.2020.
11. Указ Президента Республике Беларусь от 19 января 2018 г. № 32 рп. — Дата доступа: 23.12.2019.
12. Заседатель В. С. Образовательный потенциал технологий быстрого прототипирования. — Томский государственный университет» «Институт дистанционного образования» Россия, Томск — [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://elibrary.ru/author_profile.asp?id=504630. — Дата доступа: 21.03.2020.
13. Каменев, Р. В. Применение 3D-принтеров в образовании / А. М. Лейбов, О. М. Осокина // Инновационные образовательные технологии в вузе. — Новосибирск: Новосибирский государственный педагогический университет, 2014. — С. 83–87.
14. Технологии трехмерной печати: [электронный ресурс]. — Режим доступа: http://tehnika.expert/cifrovaya/printer/3d. — Дата доступа: 22.02.2020.
15. Валетов В. А. Аддитивные технологии (состояние и перспективы). Учебное пособие. — СПб.: Университет ИТМО, 2015, — 63с.
16. 16.Учебная программа по учебной дисциплине «Ботаника». — Минск: факультет естествознания БГПУ. 2019.
17. Филатова О. Г. Технологии и методы PR-продвижения информационных ресурсов. — СПб.: НИУ ИТМО, 2012. — 73 с.
18. PR в сфере образования. — [Электронный ресурс]. — Режим доступа: 02.03. http://www.prstudent.ru/sferapr/pr-v-sfere-obrazovaniya — Дата доступа: 20.02.2020.
19. Сологуб Н. С., Науменко Н. В. Межфакультетский STEAM-центр БГПУ как инновационный механизм реализации взаимодействия участников образовательного процесса. — Минск: Координационный центр «Образование в интересах устойчивого развития» БГПУ им. М. Танка, 2018.
20. Ковальчук Л. С., Евланов И. В. PR-технологии в сфере образования. Электронный ресурс. — Режим доступа: Репозиторий БГПУ. Дата доступа: 14.03.2020.
21. Принтер в образовании — технология будущего. — Электронный ресурс. — Режим доступа: https://infourok.ru/d-printeri-v-obrazovanii-tehnologiya-buduschego.– Дата доступа: 15.03.2020.
22. Применение 3Д принтеров в образовании. — Электронный ресурс. — Режим доступа: https://3d-m.ru/ primenenie-3d-printerov-v-obrazovanii-2. — Дата доступа:05.03.2020.
23. 3D-принтеры на службе у белорусов. — Электронный ресурс. — Режим доступа: https://tech.onliner.by/2014/04/09/3d-printers. Дата доступа:05.03.2020.
24. Использование 3 D принтеров в образовании — Электронный ресурс. — Режим доступа: https:// top3dshop.ru/ wiki/3d-print-education.html. — Дата доступа:25.03.2020.
25. Классификация 3D-принтеров (7 технологий 3D-печати): [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://geektimes.ru/post/208906/.
26. Обзор 3D–принтера ZENIT DUO. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https:// www.youtube.com/ watch. — Дата доступа: 23.12.2019.
27. Руководство по эксплуатации 3D-принтера BiZon Prusa i3 Steel Dual V2. — Москва: 3D-Today, 2018 год.
28. Инструкция. 3D-принтер «ZENIT 3D». — Раменское, «Зенит», 2018.
29. Инструкция по эксплуатации MZ3D-105.– Москва: МЗТО, 2017.
30. Зленко М. А. Аддитивные технологии в машиностроении / Пособие для инженеров.– М.: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» 2015. — 219 с.
31. Липницкий Л. А., Аддитивные технологии и их перспективы в образовательном процессе / Т. В. Пильгун // Системный анализ и прикладная информатика. — № 3, 2018Минск, Белорусский национальный технический университет. — С. 76–84.
32. Дурягіна З. А. Спiвпраця наукових осерередкiв країн Євросоюзу та України в галузi впровадження адитивних технологiй бiомедичних выробiв / Плешаков Е. І. и др., // Вісник ХНАДУ, вип. 88, 2020, т. ІНаціональний університет «Львівська політехніка».– С. 30–36.

---

[1] 3D-печать [9]: процесс создания на основе трёхмерной цифровой модели объекта прототипа заданного трехмерного объекта (например, прототипа некоторого 3-мерного ботанического объекта) практически любой геометрической формы с применением 3 D принтера последовательно наносимыми им слоями, отображающими контуры модели точно, строго в соответствии с заданным масштабом.

[2] Аддитивные технологии (от английского Additive Fabrication) – обобщенное название технологий, предполагающих изготовление изделия по данным 3-мерной цифровой модели (или CAD-модели) методом послойного добавления (add, англ. – добавлять) материала.

[3] 3 D принтер – специальное компьютерное устройство для выращивания физических материальных объектов, (например, 3-мерных ботанических объектов) из некоторого материала. Позволяет визуализировать знания, в нашем случае, о 3-мерных ботанических объектах полученные в ходе изучения ботаники. Совершенствуют процесс обучения, развивают образное мышление, приучают к пониманию и использованию цифровых технологий.

[4] Прототипирование: процесс создания на основе имеющейся компьютерной трехмерной цифровой математической модели с применением 3D-печати объемного 3-мерного физического объекта (например, некоторого 3-мерного макета ботанического объекта из специального материала) с применением 3 D принтера.