使用3D打印機(jī)制造開(kāi)源教具，成本降低超90%

毫無(wú)疑問(wèn)，無(wú)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(guò)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(kāi)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(xiàng)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用低成本的3D打印機(jī)（RepRap）打印開(kāi)源設(shè)計(jì)，而不是直接購(gòu)買(mǎi)價(jià)格較高的商業(yè)化學(xué)習(xí)輔助工具，教師（甚至家長(zhǎng)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(jià)格在200美元以下的桌面3D打印機(jī)，生產(chǎn)出來(lái)的零件質(zhì)量也很合理，使用myminifactory等平臺(tái)上的開(kāi)源設(shè)計(jì)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(shí)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(shuō)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(shí)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(wèn)設(shè)計(jì)并打印出來(lái)。對(duì)于投資者來(lái)說(shuō)，投資開(kāi)發(fā)教育開(kāi)源教具的投資回報(bào)率平均在100%以上。

該研究報(bào)告由材料科學(xué)與工程和電氣與計(jì)算機(jī)工程教授Joshua Pearce博士共同撰寫(xiě)，他在開(kāi)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(kāi)源實(shí)驗(yàn)室"，使學(xué)生和研究人員能夠3D打印自己的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室設(shè)備或?qū)嶒?yàn)室用品的限制。它還使研究人員能夠設(shè)計(jì)和3D打印定制的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，并在網(wǎng)上分享這些設(shè)備，從而也鼓勵(lì)開(kāi)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(xiàng)研究中，詳細(xì)分析了學(xué)習(xí)輔助器設(shè)計(jì)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(xiàng)研究中考慮了38種學(xué)習(xí)輔助工具，結(jié)果顯示，通過(guò)3D打印每種學(xué)習(xí)輔助工具的開(kāi)源設(shè)計(jì)，教育工作者可以為每種學(xué)習(xí)輔助工具節(jié)省4.5萬(wàn)美元（根據(jù)下載次數(shù)計(jì)算），可以為全球教育工作者節(jié)省170萬(wàn)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(duì)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(jì)時(shí)，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(jì)、技術(shù)、物理、數(shù)學(xué)、地理、歷史，每個(gè)子類(lèi)別選擇兩個(gè)設(shè)計(jì)。同時(shí)對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)的下載頻率（本研究中使用的學(xué)習(xí)輔助設(shè)計(jì)平均下載次數(shù)超過(guò)1500次）和可用性進(jìn)行了評(píng)估。此外，我們還找到了亞馬遜上的同類(lèi)產(chǎn)品，并將其用于比較。本研究選擇了五個(gè)最具代表性的模型，分別是一個(gè)時(shí)鐘、一個(gè)大腦、一個(gè)畢達(dá)哥拉斯視覺(jué)輔助工具、一個(gè)脊髓和一個(gè)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(cè)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(shí)，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(shí)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(jià)值。例如，廣告是亞馬遜零售的學(xué)習(xí)輔助產(chǎn)品價(jià)格中包含的一項(xiàng)成本。然而這個(gè)成本并沒(méi)有給教育者增加任何價(jià)值，盡管他們必須為此支付費(fèi)用才能獲得產(chǎn)品。而使用3D打印、開(kāi)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(jià)值。

有趣的是，通過(guò)3D打印學(xué)習(xí)輔助工具所節(jié)省的成本（與通過(guò)零售購(gòu)買(mǎi)消費(fèi)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(duì)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(duì)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�(lái)說(shuō)，從絕對(duì)值來(lái)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(fèi)產(chǎn)品的購(gòu)買(mǎi)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(shí)踐方法，并賦予學(xué)生或教育者開(kāi)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(jí)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(kāi)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(gè)人和學(xué)生帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)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(jì)算成本），教育工作者每年就可以節(jié)省45萬(wàn)美元，平均每個(gè)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(guò)3D打印機(jī)成為可能？正如研究報(bào)告所說(shuō)。

現(xiàn)在打印物體的機(jī)會(huì)可以給學(xué)生帶來(lái)一些期待，此外，學(xué)生們還可以設(shè)計(jì)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(dòng)學(xué)習(xí)者。一般來(lái)說(shuō)，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(huì)問(wèn)一些關(guān)于打印機(jī)的問(wèn)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(duì)機(jī)器本身充滿好奇，會(huì)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(jī)的獎(jiǎng)品或獎(jiǎng)勵(lì)。最后，它可以引導(dǎo)已經(jīng)畢業(yè)的學(xué)生按照開(kāi)源模式回饋他們成長(zhǎng)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(huì)提升教育質(zhì)量（如評(píng)級(jí)），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(shí)現(xiàn)這些節(jié)約還存在挑戰(zhàn)，因?yàn)閷W(xué)�；驒C(jī)構(gòu)的IT系統(tǒng)需要允許可靠、安全地訪問(wèn)開(kāi)源平臺(tái)和設(shè)計(jì)，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(tái)到物理平臺(tái)之間輕松瀏覽。而這正是Joshua Pearce在開(kāi)源教育方面的工作，以及其他一些教育領(lǐng)域的開(kāi)源、3D打印的舉措，正在推動(dòng)教育工作者和學(xué)生們的這種急需的轉(zhuǎn)變。


編譯自：3dprint