Будущее высшего образования: повышение качества обучения с помощью 3D-печати

Украшенный четырьмя высокими известняковыми колоннами и фламандской перевязкой кирпичной кладки, горно-строительный факультет Мэки университета Невады в Рено долгое время был важной частью истории Серебряного штата. Факультет назван в честь ирландского иммигранта и «Короля жилы Комстока» Джона Мэки, литая бронзовая статуя которого стоит перед самым входом в здание. Над ней работал Гутзон Борглум, скульптор Горы Рашмор, и, возможно, именно это помогло школе заполучить место в Национальном реестре исторических мест США. А за его дубовыми дверями творится один из наиболее интригующих образовательных экспериментов последнего времени – это, несомненно, образовательное учреждение нового типа. Трехэтажный атриум факультета выглядит как мини-музей, в котором выставлены модели, сделанные на 3D-принтере и, возможно, именно это притягивает сюда как учителей, так и учеников. Однако большей популярностью пользуются не модели молекул и пластиковые шестеренки, а два 3D-принтера, благодаря которым все это появилась на свет: профессиональный Stratasys uPrint SE Plus и любительский 3DTouch machine.

Ранее в этом году Деламарская библиотека науки и техники стала первой в США академической библиотекой, снабдившей всех студентов, преподавательский состав и просто людей с улицы оборудованием для 3D-сканирования и печати. Это – часть плана директора Тода Колгрува по преобразованию библиотечной инфраструктуры, суть которого заключается в том, чтобы знание постигалось не только при помощи книг, но и благодаря реальным технологиям, стимулирующим творческое мышление. Зная, что в последнее время 3D-принтеры перестали быть просто фантазией гиков и превратились в нечто гораздо более ощутимое, Колгрув полагает, что эти девайсы смогут послужить отличным средством для продвижения образования в целом и «деламарской эволюции» в частности.

«Если посмотреть на библиотеки 2000-летней давности, включая Александрийскую, мы увидим, что они покупали технологии, чтобы сделать знания более доступными для простых людей», – говорит Колгрув. «Но, в конце концов, все свелось к простому коллекционированию книг, пускай и самых лучших. Мы заблудились».

Бумага или пластик?

По мнению Колгрува, многие библиотеки потеряли свое предназначение, превратившись в скучные, продезинфицированные помещения. Потому что в прежние времена неотъемлемой частью библиотек было общение – фундаментальный элемент как обучения, так и человеческой натуры.

Например, на стенах Деламарской библиотеки есть места, специально отведенные под доски, на которых студенты могут выражать свои идеи или планировать групповые вычисления.

«Нашей самой большой ошибкой было позволить книгам выселить читателей, из-за чего библиотеки превратились в тихое место, где нельзя ни разговаривать, ни пить и ни есть», – говорит Колгрув. «Нужно, чтобы разговоры, звучащие в головах, стали реальными делами и дискуссиями между людьми».

Размышляя над тем, как вывести Деламар на новый уровень, Колгув пришел к мысли, что необходима некая приманка, которая будет привлекать самых разнообразных людей и тем самым способствовать созданию творческого сотрудничества. Именно поэтому он задумался о 3D-принтерах. Несмотря на то, что эта технология известна еще с 80-х годов, для многих людей она все еще в новинку и только недавно стала доступна простому потребителю. А новизна создания фактически трехмерных объектов путем послойной «печати» с помощью жидкого пластика одаряет эту технологию «фактором крутости». Дайте людям возможность воплощать свои идеи в нечто осязаемое, и у вас появится методика, которая может здорово послужить  образовательным целям, считает Колгрув.

3D-принтеры – это здорово, однако, перед библиотекой стоит один большой вопрос: цена. Хотя и существуют такие устройства, как MakerBot Replicator стоимостью около 2000$, Колгруву требовалась машина, способная печатать быстро и с высоким разрешением, но в то же время – выдерживать жесткую эксплуатацию. Он решил приобрести два девайса: профессиональный Stratasys uPrint SE Plus за 20000$ и любительский 3DTouch за 4000$. Добавьте к этой сумме стоимость 3D-сканера и годовых запасов жидкого пластика, и в итоге у вас получится сумма от 30000 до 40000$.

После того, как Великая Рецессия практически уничтожила бюджет штата, что повлекло сокращение финансовых вливаний в университетскую систему, Колгрув беспокоился, что его планы так и останутся просто планами. Но после долгих раздумий он все же решил попробовать.

«Когда я впервые задумался о финансировании своего проекта, меня очень пугал вопрос цены», – говорит Колгрув. «Но однажды мне сказали, что столько же стоит один микроскоп, после чего я подумал: «Что ж, значит, дела не так уж плохи».

Материал будущего

Благодаря совокупному финансированию из грантов и университетских пожертвований библиотека вскоре заполучила оба своих 3D-принтера. Первым, 27 апреля, прибыл 3DTouch и тут же принялся за свою первую работу: прототип ротора для рабочего колеса насоса, который группа студентов-инженеров спроектировала буквально за минуту до этого. Через три дня ротор был готов.

«Едва открыв коробку, студенты тут же принялись печатать», – говорит Лиз Кёрт(Lisa Kurt), деламарский библиотекарь, занимающаяся техникой и развивающимися технологиями. «Они были настолько взволнованы, что я буквально ощущала исходящую от них энергию».

27 июня прибыл второй принтер, Stratasys uPrint SE Plus. Он печатает в четыре раза быстрей, чем 3DTouch, за что получил от Колгрува шутливое прозвище «Мерседес-Бенс», и непрерывно функционирует с тех пор, как выполнил свою первую работу, т.е. с 3 июля. Студенты создали множество работ, в диапазоне от бюста мастера Йоды и составных элементов для установки RepRap до моделей молекул и шкива двигателя. Несколько творений, вышедших из-под «пера» принтеров, красуются рядом с ними на дисплее, а неподалеку стоит «Коробка разочарования», куда складывают работы, получившиеся не совсем удачно. Для Колгрува такой жаркий интерес к принтерам означает, что его ставка на привнесение в библиотеку технологий сработала.

«Меня очень трогает, когда я вижу, какие очереди возникают возле принтеров», – говорит Колгрув.

В августе очереди стали еще длинней, потому что 3DTouch отключили из-за проблемы с печатающей головкой.  Кроме того, после изготовления серии работ с признаками деформации библиотека планирует заменить строительную платформу этого принтера на более современную.

Тем временем, «годовой запас» из 35 полных PLA и ABS катушек с пластиком буквально за пару месяцев был израсходован на две трети. Но проблема сырья должна быть решена, когда университет начнет взимать деньги за материал: 50 центов за дюймовый кубик на 3DTouch и 4,5 доллара за тот же эквивалент на Stratasys. Кёрт говорит, что интерес к принтерам не утихнет, т.к. начался осенний семестр и снова студенты вернулись к учебе.

«Весть о нас распространилась по всему кампусу, из-за чего мы были очень заняты даже летом», – говорит Кёрт. «Но это приятная проблема. Ведь лучше, если люди приходят в библиотеку, чтобы поработать на 3D-принтере, чем там не будет вообще никого».

Новое измерение в обучении

Для многих университетов 3D-печать стала обязательным пунктом в программе продвижения обучения и образования. «На факультете архитектуры и городского планирования Колумбийского университета 3D-принтеры стали обыденной частью повседневной студенческой жизни. Здесь начали баловаться с ними еще в 2000 году. Был даже такой, который в качестве сырья использовал воск. Затея оказалась настолько удачной, что пришлось приобрести еще машину. Факультеты медицины, техники и искусств также обзавелись собственными 3D-принтерами», – говорит Карлито Бейн, заведующий производственной мастерской факультета.

«Во время своих презентаций студенты используют как модели, так и просто изображения, чтобы продемонстрировать, каким образом проходил процесс проектирования», – продолжает он. «Это позволяет увидеть, какие учителя и профессоры действительно работали конструктивно, а какие – просто для красивого результата. Обычные двухмерные изображения не могут дать такого понимания, потому что это только одна точка зрения».

В Массачусетском технологическом институте (МИТ) такие студенты, как Стивен Китинг, рассматривают 3D-принтеры в качестве прогрессивного способа выйти за пределы простых моделей. Он описывает эту технологию, как ценный исследовательский инструмент, потому что она может помочь ускорить проект, т.к. на традиционные методы моделирования требуется несколько больше времени. Также 3D-принтеры помогают сделать более доступным процессы, которые, если выполнять их традиционным путем, технически слишком сложны для простого обывателя.

«3D-печать не требует много времени на создание или воссоздание прототипа, поэтому, что касается дизайна, она очень подходит в качестве тестовой и игровой площадки», –  говорит Китинг. «Любой, у кого есть программа вроде Sketchup может создать что-либо, даже если у него нет пропуска в машинную мастерскую или он не умеет обращаться с тамошним оборудованием. Я думаю, нас ждет Ренессанс в промышленности и мире дизайна, потому что даже простому обывателю будет не сложно научиться работать на 3D-принтере».

Китинг является частью команды, которая  учится новым цифровым техникам производства, включая большеразмерную 3D-печать. Их конечная цель? Строить целые здания. Одна из исследовательских задач Китинга – это поиск более быстрого метода печати, чем тот, что используется сейчас («слой за слоем»), как у машин вроде Makerbot. Одна из разработок команды Китинга – это возможность печатать что-либо прямо на месте. Также существует концепт «мобильного печатающего роя», состоящего из роботов, экструдирующих быстро твердеющий материал. Вначале создается твердая опалубка, которая затем заполняется теплоизолирующим слоем. Добавьте сюда невысокую стоимость и возможность создавать какие угодно формы, и у вас на руках невероятно быстрая строительная технология. «Мы считаем, что стену обычного одноэтажного дома вместе с экстерьером можно напечатать за день», – говорит Китинг. «Мы уже сделали несколько успешных тестов в небольших масштабах, а в следующем году надеемся поработать над более крупными проектами».

Следующая ступень

Да, печать молекул, шестеренок и других любительских проектов из пластика – это отличный первый шаг, но ученых по-настоящему волнует потенциальное использование в 3D-печати других материалов. «Один из примеров использования этой технологии в биологии – это создание человеческой ткани», – говорит Али Хадемосейни, член-корреспондент медицинского факультета в Гарварде, а также участник совместного проекта Гарварда и МИТ по интеграции физических и биомедицинских технологий. Хадемосейни и его коллеги пытаются создать 3D-структуры, которые смогут имитировать работу клеток и ткани, и даже быть имплантированными в человеческий организм. Для этого требуется такой материал, который способен справится с целым набором уникальных задач. «Обычно мы работаем с гелем или около гелевыми жидкостями, в которые мы инкапсулируем клетки», – говорит Хадемосейни. «Напечатав клетки лишь однажды, можно соединять их всевозможным образом, создавая геле-подобные структуры. Поэтому материал получается разным… и очень влажным».

В прошлом ученые пытались перепрофилировать принтеры для своих нужд, но встретились с рядом проблем, одна из которых – засорение. Теперь же они печатают биологическим материалом при помощи устройств, которые изготавливает, например, компания Organovo из Сан-Диего. По словам Хадемосейни, такие исследования способны увеличить скорость клинических испытаний по созданию клеток и ткани, которые, в свою очередь, могут использоваться в экспериментальных лекарствах. Другой плюс – стоимость крупных исследований (ценой в миллиард долларов) может быть снижена до более приемлемых сумм. Но все это в будущем, а на данный момент работа ученых с биологической печатью возымела успех как минимум в области создания материала для лечения обожженной кожи. Однако создание более сложных клеток требует больше времени.

«Сейчас перед нами стоит задача создания клеток сердца с большим количеством кровеносных сосудов, а также клеток печени, имеющих функцию метаболизма», – говорит Хадемосейни. «Впереди еще много нерешенных вопросов, но мы уже можем похвастаться большим прогрессом. Даже простое умение делать клетки позволяет создавать новые лекарства, а это уже немалого стоит».

«В целом у 3D-принтеров есть одна проблема – скорость», – говорит Педро Рейс, доцент МИТ в области механики, гражданского строительства и охраны окружающей среды. «Конечно, у 3D-печати есть преимущества, как у инструмента для создания прототипов, но она все еще уступает традиционным промышленным методам, если говорить о массовом производстве. С другой стороны, не стоит забывать и про способность 3D-печати к раскрытию творческих талантов человека независимо от того, работает ли он в команде или один».

«Когда я вижу те сумасшедшие объекты, с которыми ко мне приходят студенты, я не представляю, чем еще я могу им помочь. Все, что я могу сказать – это «Вау!» Эта технология открывает им небывалый простор не только для полета мысли, но и для реального воплощения собственных идей», – говорит Рейс.

Много голов лучше, чем одна

Солнечные лучи проникают в беспокойный деламарский атриум, освещая посетителей, которые суетятся вокруг 3D-принтеров и наблюдают за ходом своих проектов. Вот, в одном из углов учитель осматривает модель молекулы, напечатанную его коллегой, а затем заводит разговор со студентом, который стоит неподалеку и забавляется с 3D-сканером. По словам Бена Кинга, члена-корреспондента факультета Мэки в области химии, одна из проблем соединения науки и технологий – это существование целой пропасти в общении между людьми. Он видит в 3D-принтеры не только как инструмент для воплощения идей и создания крутых вещиц, но и как средство для демонстрации своих результатов людям других специальностей.

«Например, одна из самых сложных вещей в преподавании химии – это объяснение того, что молекула имеет форму», – говорит Кинг. «А благодаря 3D-печати эта сложность сходит на нет… В результате мы меняем наш подход к преподаванию химии и наш взгляд на то, как выглядят молекулы. В конце концов, это просто весело».

Гульермо Мартинс, аспирант в области компьютерных наук и технических программ, согласен с этим.

«В сфере робототехники и механического проектирования возможность создавать движущиеся части без сварки убирает множество барьеров в создании прототипов», – говорит он. «Кроме того, использование 3D-принтеров также мотивирует вас заняться изучением 3D-редакторов».

В противоположной части комнаты возле доски один студент взаимодействует с другим, держа руках сэндвич и напиток. И вместо того, чтобы попросить их соблюдать тишину и избавиться от еды, Колгрув подходит к ним и заводит беседу.

«Когда я впервые появился здесь (пару лет назад), я сказал декану: «Знаете, ученые и инженеры посетили немало лекций, но урок на тему «Как быть тихоней» прошел мимо них». Нам нужно вернуть общение в библиотеку», – сказал Колгрув.

Своим величайшим достижением Колгрув считает посещение библиотеки людьми совершенно разных интересов и специальностей. Ведь будучи библиотекой одного из лучших горно-строительных факультетов страны, Деламар оставил свой след только в истории гео-наук. Пускай и очень весомый. Теперь же, с появлением 3D-принтеров геологи и минералоги толкаются локтями вместе с биологами, художниками, компьютерщиками и т.д.

Крис Беннет, второкурсник, будущий разработчик компьютерных систем, говорит, что он посещает деламарскую библиотеку в первую очередь из-за знакомств с новыми людьми. Он немного общался с проектировщицей городского пространства Алисией Вич, которая планирует использовать 3D-принтеры для создания литых каноэ для гоночных соревнований по всей стране.

«Вы приходите сюда, чтобы встретить таких же технарей, как и вы, но не менее приятно встретить здесь биологов или артистов», – продолжает Беннет. «Это позволяет нам выйти за пределы своей зоны комфорта и запустить процесс перекрестного опыления, что в обычных условиях не может произойти. Во всем этом есть дух мэйкерспейсов – крутые штуки появляются, когда люди собираются вместе».

Подобные встречи самых разнообразных умов – это именно то, на что надеется Колгрув, наблюдая за тем, как все больше людей узнают о 3D-принтерах. Он ссылается на гартнерский Цикл зрелости технологий, описывающий различные фазы, через которые технология проходит в процессе принятия. Цикл начинается с создания, затем идет этап завышенных ожиданий, разочарование, просветление и финальная стадия – принятие. Колгрув считает, что 3D-печать уже миновала этап разочарования и сейчас потихоньку начинает завоевывать людские умы и сердца. Теперь скорость наступления эпохи, когда мы, наконец, начнем печатать органы и создавать репликаторов из «Звездного пути», зависит от того, сколько людей займется этой технологией прямо сейчас. Ключ – в сотрудничестве между людьми, которое ускоряет процесс обучения, добавляет он.

«Старая модель, когда все разбредаются по отдельным башням и бункерам… что в этом хорошего?», – говорит Колгрув. «Вот мы видим инженеров, беседующих с артистами и создающих новые формы знания. Взамен устаревшей парадигмы, когда знание снисходит от сидящего на сцене мудреца, у нас есть новая модель, суть которой в том, чтобы учиться друг у друга, создавая искру, способную вырасти в настоящее Пламя. Осталось только соединить все эти точки».

Опубликовано в рубрике Статьи, 1 комментарий.

Комментарии

Вы должны войти, чтобы оставить комментарий.
В Российские универы бы такое понимание быстрей бы.
0 - +
Восстановить комментарий