Введение
Новые Федеральные государственные образовательные стандарты высшего профессионального образования, введенные в вузах России, преобразуют концепцию преподавания дисциплин предметно-методического профиля [1, 2]. Эти изменения предполагают для студентов больше самостоятельной работы, для преподавателей – поиск и внедрение в учебный процесс новых эффективных образовательных технологий.
Аддитивные технологии известны уже почти 40 лет. В последние годы использование подобных современных технологий значительно повышает качество обучения, улучшает восприятие учебного материала. Под аддитивными технологиями мы понимаем методы и средства создания трехмерных объектов, деталей путем послойного добавления материала (такого как разогретый пластик, полимер и др.) [3].
В современной биологии 3D-технологии нашли широкое применение. Намечается существенный рост использования трехмерного моделирования и печати в образовательных учреждениях, где эти технологии являются отличными помощниками в организации учебного процесса [4, 5]. Особенно это касается изучения биологии. Поэтому в настоящее время перед преподавателями биологических дисциплин ставится задача существенного преобразования учебного процесса, на передний план выдвигаются задачи активизации познавательного интереса обучающихся, а именно стимулирование их самостоятельной познавательной деятельности. Так и преподавание зоологии и анатомии животных требует усовершенствования технологии обучения студентов и решения задач по развитию их мыслительного и креативного потенциала, самоорганизации в приобретении знаний. И особенно важно максимальное использование возможностей практико-ориентированного образования, которое включает: активные приемы приобретения и овладения знаниями; мотивированное обеспечение учебной деятельности; поддержку свободы научного поиска; анализ личного опыта; усиление социальной интеграции в учебный процесс. В решении этих задач могут оказать существенную помощь аддитивные технологии [6]. Трехмерное моделирование – это построение виртуальной модели объекта в трехмерном пространстве. Этот процесс максимально точно передает форму, внешний вид модели и другие параметры.
При изучении курсов зоологии позвоночных и сравнительной анатомии животных из-за отсутствия достаточного количества зоологического материала и ограниченного аудиторного времени на занятиях практически не проводятся анатомо-морфологические исследования и не применяются методы диссекции. Поэтому преимущество получают 3D-модели, с которыми работать намного легче, так как можно подробно рассмотреть любой анатомический орган со всех сторон, даже самый мелкий, для этого необходимо просто увеличить масштаб объекта. Файлы с 3D-моделями можно пересылать, выкладывать на образовательном портале и обсуждать дистанционно. С учетом того, что 3D-принтеры становятся все доступнее, у преподавателей появляется больше возможностей применения этих технологий в лабораториях, что сделает исследования более интересными и полноценными.
В одной из работ ранее был показан опыт применения аддитивных технологий в проектной деятельности студентов биологических профилей педагогического университета: Биология; Биология и Химия [7].
Процесс трехмерного моделирования анатомических структур подразумевает хорошее знание анатомии, понимание пространственной организации, топографии отдельных органов. Освоение анатомии животных проходит более успешно, если обучающиеся активно участвуют в исследовательской работе, при этом особый акцент делается на особенностях эволюции и морфологии отдельных органов и систем. Здесь проектный метод позволяет студентам создавать действительность, формировать и развивать обучающую ситуацию, получать конкретный продукт проектной деятельности.
У студентов в процессе изучения осевого скелета животных возникают некоторые трудности в создании объемного зрительного образа, пространственного представления анатомии разных по форме типов позвонков.
Поэтому целью исследования было создать коллекцию разных типов позвонков животных с применением современных технологий трехмерного моделирования и печати.
Материал и методы исследования
В проектной работе для создания трехмерных моделей пяти разных типов позвонков животных использовалась распространяемая бесплатно профессиональная программа Blender [8]. Эта программа позволяет пользоваться разными видами и техниками моделирования, что дает возможность разрабатывать более точные модели. Для подготовки моделей к печати применялось программное обеспечение UltiMaker Cura. После перемещения файла в редактор (слайсер) и некоторой подготовки программа сама «нарезает» модель на слои, выставляет опоры под нависающие элементы, рассчитывает время. Непосредственно печать осуществлялась на принтере компании ZENIT, модель ZENIT DUO. Этот принтер относится к так называемым FDM (Fused Deposition Modeling), все устройства данного типа достаточно просты в работе и не требуют специализированной подготовки [9]. В качестве материала для печати использовался термопластик в виде катушки нитей черного и белого цветов.
Результаты исследования и их обсуждение
В биологии используется огромное множество разнообразных наглядных учебных пособий: таблицы, схемы, модели и, конечно, натуральные объекты. Эти средства обучения делают занятия более интересными, облегчают понимание и усвоение материала, привлекают интерес, развивают мышление и память. Но современные студенты предпочитают при подготовке к занятиям использовать различного рода информационные и коммуникационные технологии, в том числе продукты 3D-технологий (например, имеющийся в нашем распоряжении электронный анатомический атлас «Пирогов»). С внедрением цифровых технологий в процесс обучения и у преподавателей возникла необходимость применения самых разнообразных форм и методов подачи учебного материала [10]. Трехмерное моделирование является результативным способом изучения отдельных органов и систем в анатомии животных. Непосредственно в учебном процессе при изучении биологии моделирование не используется, применение оно получило в учебно-исследовательской и проектной деятельности студентов.
Работа над проектом на разных этапах была организована в индивидуальной и групповой формах. По времени выполнения проект можно отнести к длительным, так как работа проводилась в течение всего учебного года во внеучебное время, после того как заканчивались основные занятия. Участники проектной группы проявляли личную заинтересованность и с первых этапов работы понимали значимость своей работы.
На практических занятиях по зоологии позвоночных и сравнительной анатомии животных используется разный раздаточный материал, в том числе скелеты животных, комплекты гомологичных костей и разные типы позвонков: амфицельные, процельные, опистоцельные, гетероцельные и платицельные. Но позвонки мелкие, находятся в фиксированном состоянии (вклеены в коробку), что усложняет их детальное изучение. Поэтому в рамках проектной работы студентов было принято решение студентам самостоятельно разработать 3D-модели разных типов позвонков и напечатать их на 3D-принтере.
В учебных планах студентов педагогических университетов, обучающихся по направлениям 44.03.05 Педагогическое образование (с двумя профилями подготовки) «Биология и химия» и 06.03.01 Биология «Биоэкология» нет таких специальных дисциплин, как «Компьютерная графика», «Моделирование». Поэтому перед реализацией проекта была проделана большая подготовительная работа.
В технопарке университета прошел мастер-класс для преподавателей по основам 3D-моделирования и 3D-печати, где авторы [C1]изучили основные принципы построения моделей, этапы и способы работы с 3D-принтером. Затем подобное мероприятие прошло для студентов, где у обучающихся 3-го курса профиля «Биоэкология» и возникла идея создания коллекции разных типов позвонков животных. В ходе реализации проекта были намечены следующие этапы.
1. Подготовительный этап: выбор темы проекта, постановка цели и задач.
2. Теоретический этап: изучение анатомии и морфологических характеристик разных типов позвонков.
3. Практический этап: разработка 3D-моделей будущих позвонков, подготовка моделей в специальной программе для 3D-печати, собственно печать на 3D-принтере и обработка напечатанных деталей.
4. Заключительный этап: обработка результатов проведенной работы, оформление готовой коллекции разных типов позвонков [9].
Участники проектной группы проделали большую теоретическую работу по поиску современной информации и изучили особенности анатомии и морфометрические характеристики амфицельных, опистоцельных, процельных, гетероцельных и платицельных позвонков животных. Выяснили, что тела позвонков бывают разной формы, форма сочленовных поверхностей разных типов позвонков изменяется в зависимости от потребностей животных в подвижности тела. Изменения в типах передвижения привели к адаптивным морфологическим изменениям и к появлению разных типов позвонков.
После большой подготовительной и теоретической работы приступили собственно к реализации проекта, 3D-моделированию и печати. Проектирование и изготовление моделей позвонков мы разделили на отдельные блоки. Вначале студенты моделировали цифровой вариант каждого типа позвонка, этот процесс занимает достаточно много времени и требует тщательной проработки отдельных мелких морфологических особенностей (рис. 1).
Рис. 1. Работа в программе Blender по созданию модели платицельного позвонка млекопитающего
Так, создание туловищной и хвостовой костей амфицельных позвонков заняло 4 часа, гетероцельных позвонков птицы – 6 часов, но необходимо учитывать, что время создания напрямую зависит от сложности геометрии кости, а также навыков и опыта человека, работающего в этой программе. Одним из важных факторов также является мощность оборудования, в данном случае компьютера.
Следующий этап – 3D-печать изготовленной модели на принтере. После создания модели и экспорта ее в специальный (STL) формат, который используют программы для 3D-печати, она должна быть помещена в программу – слайсер, которая подготовит модель к печати.
Для этих целей мы использовали программу Cura. Она является одной из самых популярных программ-слайсеров и предоставляет пользователю широкий спектр настроек, достаточных для хороших результатов печати. Этот процесс не такой длительный, и модель позвонка можно изготовить за 1–3 часа.
После выставления всех параметров программа преобразует модель в файл G-code, с которым работает принтер. Печать осуществлялась на 2 разных принтерах: DoBot и 3DQ Spark.
Оба принтера используют технологию FDM (Fused Deposition Modeling), все устройства данного типа достаточно просты и не требуют специализированной подготовки. Чтобы начать печать, необходимо поместить катушку с филоментом на специальную стойку и один конец полимера поместить в экструдер. Получаемые модели остаются чистыми, сухими, что предполагает выполнение постобработки сразу после получения последней модели. Данная технология обрела большую популярность за последнее время – такими принтерами оснащены практически все вузы и школы.
Временной фактор очень важен для проектной деятельности, так как у студентов появляется возможность не только изучить морфологию и описать изучаемый объект, но и создать его в реальной, твердой копии, оценивая результаты и проводя исследования сразу на занятиях [7].
Существуют определенные требования, предъявляемые к изготовленным моделям: пропорциональность, информативность, схематичность, невысокая трудоемкость [8]. Исходя из этих требований, была представлена морфология будущих моделей позвонков разных классов животных. Напечатанные модели позвонков являются хорошими масштабированными копиями, которые точно передают сложную анатомию, пространственную структуру каждого типа позвонка и дают возможность подробно ее изучить (рис. 2).
Рис. 2. Коллекция изготовленных моделей разных форм позвонков животных
Заключение
В процессе работы над проектом студенты более качественно изучили осевой скелет, выявили основные морфофизиологические адаптации в ряду позвоночных животных при переходе от водного образа жизни к активному наземному. Ими были изучены возможности технологий 3D-моделирования и печати анатомических объектов. В результате были изготовлены модели 5 разных типов позвонков, которые используются при изучении осевого скелета позвоночных животных на дисциплинах «Зоология позвоночных» и «Сравнительная анатомия животных».
Работа над проектом способствовала активации познавательной деятельности студентов и формированию умения работать в группе. Создание объемных моделей разных типов позвонков помогало развитию абстрактного мышления, формированию навыков работы в информационном пространстве. Такого рода творческая работа создает хороший эмоциональный настрой, повышает мотивацию к обучению и уровень самооценки и существенно дополняет процесс изучения анатомии животных.
Таким образом, применение аддитивных технологий в проектной деятельности студентов биологических специальностей способствует перспективному росту будущих биологов и учителей биологии, повышению мотивации к занятиям научной работой студентами и формированию их последующей научной связи с другими дисциплинами, а работа с аддитивными технологиями является эффективным инструментом повышения качества учебного процесса в педагогическом вузе.