UNIVERZA V LJUBLJANI
PEDAGOŠKA FAKULTETA
TINA PERŠE
PROJEKTNO UČNO DELO S POMOČJO 3D TISKA V 8. RAZREDU OSNOVNE ŠOLE
Magistrsko delo
Ljubljana, 2020
UNIVERZA V LJUBLJANI
PEDAGOŠKA FAKULTETA
POUČEVANJE, PREDMETNO POUČEVANJE
TINA PERŠE
PROJEKTNO UČNO DELO S POMOČJO 3D TISKA V 8. RAZREDU OSNOVNE ŠOLE
Magistrsko delo
Mentor: doc. dr. Stanislav Avsec
Ljubljana, 2020
Zahvala
Zahvaljujem se doc. dr. Stanislavu Avscu za mentorstvo, hitre odgovore, pomoč pri statistični analizi in strokovno usmerjanje.
Hvala Ines in Patriciji za vse lepe trenutke, pomoč in podporo v času študija.
Iskrena hvala družini, ki mi vedno stoji ob strani.
Hvala tudi vsem ostalim, ki ste na kakršenkoli način pomagali pri nastajanju magistrskega dela.
POVZETEK
Začetki tehnologije 3D tiskanja so v osemdesetih letih prejšnjega stoletja, dandanes pa se te tehnologije hitro razvijajo in počasi pronicajo tudi v šolski prostor. Tudi tu bi lahko pomembno izboljšale kakovost pouka. Širina in univerzalnost 3D tehnologij omogočata različna področja uporabe – od izdelave didaktičnih pripomočkov do uporabe pri izdelavi izdelka, projekta. Na splošno 3D tiskanje postavlja uporabnika v središče in od njega zahteva aktivnost, zato je vpeljava 3D tehnologij najbolj smotrna, ko je pri pouku podprta z metodami aktivnega učenja.
Induktivne metode poučevanja predstavljajo nasprotje od klasičnega, tradicionalnega pouka, saj v ospredje postavljajo učenca in od njega zahtevajo neprestano aktivnost in uporabo višjih kognitivnih procesov. Ena izmed metod je tudi poizvedovalno učenje, ki posnema pristop pravega znanstvenega raziskovanja. Poleg tega pa poizvedovalno učenje pri učencih izzove kognitivne konflikte, z razrešitvijo teh pa učenci razvijajo kritično mišljenje in druge veščine.
V teoretičnem delu magistrskega dela se najprej srečamo s tehnologijo 3D tiskanja.
Podrobno je opisana tehnologija neprestanega ciljnega nalaganja (FDM ali FFF), ki je najbolj razširjena za vsesplošno uporabo in smo jo tudi uporabili pri našem eksperimentu. Zatem sledi pregled pogosto uporabljenih metod aktivnega učenja, podrobneje je predstavljena metoda poizvedovalnega učenja. Sledi še definicija kritičnega mišljenja, smernice poučevanja in pomembnost z vidika tehnike in tehnologije.
Cilj naše raziskave je ugotoviti, kako uporaba 3D tiskalnika vpliva na razvoj kritičnega mišljenja pri učencih 8. razreda osnovne šole. Zanimalo nas je tudi, ali obstajajo kakšne povezave med tem, kako učenci cenijo kritično mišljenje in v prirastku njihovega napredka v kritičnem mišljenju.
Raziskava temelji na deskriptivni in kavzalni kvazi-eksperimentalni metodi, pristop je kvantitativen. V razredu smo izvedli 5 šolskih ur v obliki tehniškega dneva na temo gonil. Pouk smo načrtovali po induktivni metodi izobraževalnega modela poizvedovalnega učenja 5E (ang. Engage, Explore, Explain, Elaborate in Evaluate). V raziskavo so bili vključeni učenci dveh oddelkov 8. razreda osnovne šole v šolskem letu 2018/2019. Celotni vzorec predstavlja 55 učencev. Od tega je bilo 25 učencev v eksperimentalni skupini, v kateri smo izvedli tehniški dan s 3D tiskanjem, pouk je bil
podprt s poizvedovalnim učenjem, preostalih 30 učencev pa je sestavljalo kontrolno skupino, kjer je pouk potekal na klasičen način. V obeh skupinah smo pred obravnavo teme gonil izvedli predtest kritičnega mišljenja, po koncu obravnave pa smo izvedli še posttest. Učenci obeh skupin so po obravnavi izpolnili še vprašalnik o kritičnem mišljenju, ki preverja učenčev odnos do kritičnega mišljenja. Iz rezultatov na pred- in posttestu smo izračunali prirastek kritičnega mišljenja in glede na preostale faktorje ugotavljali vpliv 3D tehnologij – še posebej 3D tiskanja – na razvoj kritičnega mišljenja.
Iz dobljenih rezultatov lahko ugotovimo, da so učenci na splošno napredovali, saj so v povprečju na posttestu (𝑥 = 30,91 %) dosegli boljše rezultate kot na predtestu (𝑥 = 26,55 %). V povprečju so učenci eksperimentalne skupine (𝑥 = 8,53 %) bolj napredovali kot učenci kontrolne skupine (𝑥 = 3,69 %) izraženo s povprečnim normaliziranim prirastkom skupine. Če pogledamo rezultate normaliziranega prirastka skupine po spolu, ugotovimo, da so v povprečju učenci (𝑥 = 6,44 %) bolj napredovali kot učenke (𝑥 = 5,56 %). Rezultati vprašalnika kritičnega mišljenja kažejo, da imajo učenci eksperimentalne skupine v povprečju boljši odnos do kritičnega mišljena oziroma ga bolj cenijo kot učenci kontrolne skupine, medtem ko učenci kontrolne skupine bolje zaznavajo napačna razumevanja v povezavi s kritičnim mišljenjem.
Rezultati so pokazali, da so v povprečju učenci, ki bolj vrednotijo kritično mišljenje, tudi bolj napredovali v kritičnem mišljenju. Nasprotno pa zgolj zaupanje v kritično mišljenje oziroma v svoje sposobnosti biti kritični mislec ni zadosti za napredovanje v samem kritičnem mišljenju.
Zavedati se moramo omejitev naše raziskave, kjer je vzorec precej majhen in intervencija zelo kratka. Dobljeni rezultati niso pokazali statistično pomembnih vplivov prisotnosti 3D tehnologij pri razvoju kritičnega mišljenja, kljub temu pa zaznamo trend rezultatov, ki kažejo v prid 3D tiskanju ter metodi 5E poizvedovalnega učenja. Za ugotovitev vplivov bi morali raziskavo razširiti in povečati časovni obseg intervencij.
Magistrsko delo je uporabno za učitelje tehnike in tehnologije, ki se spoznavajo s tehnologijo 3D tiskanja ali pa bi želeli 3D tiskalnik vnesti v pouk tehnike in tehnologije.
Prav tako je namenjena učiteljem, ki si želijo v pouk vpeljati metode induktivnega učenja – še posebej poizvedovalno učenje – in s tem pri učencih spodbujati razvijanje kritičnega mišljenja, timskega sodelovanja, komunikacijskih spretnosti in drugih veščin.
KLJUČNE BESEDE
Tehnika in tehnologija, aktivno učenje, model poizvedovalnega učenja 5E, 3D tiskanje, kritično mišljenje
PROJECT-BASED LEARNING OF EIGHTH GRADERS USING 3D PRINTING
ABSTRACT
The beginnings of 3D printing technology date back to the 1980s, and today these technologies are rapidly evolving and slowly becoming available in schools as well.
When implemented effectively, they can significantly improve school lessons. The universality of 3D technologies enables different fields of application – from manufacturing artefacts that aid learning to teaching students about 3D printing and enabling them to use this technology. In general 3D printing technologies are a maker- centered tool so engaging pupils in 3D printing technology activities offers the benefits of innovative learning methods such as active learning.
Inductive teaching and learning methods are the opposite of traditional teaching, as they are learner-centered, which means they impose more responsibility on pupils for their own learning and require constant activity and the use of higher cognitive processes. One of the methods is inquiry-based learning, which imitates the approach of authentic scientific research. In addition, inquiry learning provokes cognitive conflicts in students, and by resolving these, students develop critical thinking and other skills.
In the theoretical part, first the 3D printing technology is presented. FDM and FFF technology, which is the most widely used, is described in detail and was also used in our experiment. Inductive teaching and learning methods are introduced, focused on inquiry-based learning method. Critical thinking and its importance for STEM classes are also presented.
The aim of our research is to determine how the use of a 3D printer affects the development of critical thinking in 8th grade elementary school students. We were also interested in whether there are any correlations between students’ value of critical thinking and their progress in critical thinking.
The research is based on a descriptive and causal quasi-experimental method and quantitative approach. Implementation of the school activity day lasted for 5 school hours, the main topic was gears. The lesson was planned according to the inductive method of inquiry-based learning model 5E (Engage, Explore, Explain, Elaborate and Evaluate). The study included students from two classes of the 8th grade of primary
school in the 2018/2019 school year. The sample represents 55 students, 25 of whom participated in the school activity day, in which we conducted 3D printing activities supported by inquiry-based learning (experimental group). The remaining 30 students consisted of a control group, where the lesson took place in the classical way. In both groups, a pre-test of critical thinking was conducted before addressing the topic of gearboxes, and a posttest was performed after the implementation of the school activity day. Through the test of critical thinking we obtained information about the students’ critical thinking level. A few weeks after the implementation of the school activity day, the students of both groups completed a questionnaire of critical thinking, which showed us the students' attitude towards critical thinking.
From the obtained results, it can be concluded that all the students generally progressed, as on average they achieved better results on the posttest (𝑥 = 30,91 %) than on the pretest (𝑥 = 26,55 %). On average, students in the experimental group (𝑥 = 8,53 %) progressed more than students in the control group (𝑥 = 3,69 %), expressed with the class average normalized gain. A comparison of the genders reveals that, on average, male students (𝑥 = 6,44 %) progressed more than female students (𝑥 = 5,56 %), also using the class average normalized gain. The results of the questionnaire of the critical thinking show that, on average, the students in the experimental group have a better attitude towards critical thinking and they value it more than the students in the control group, while students in the control group have better perceived misconceptions in relation to critical thinking. The results showed that, on average, students who valued critical thinking more also made more progress in critical thinking. Conversely, confidence in critical thinking or in one’s ability of critical thinking is not enough to advance oneself in critical thinking itself.
It is important to be aware of the limitations of our research, where the sample is quite small and the intervention is very short. The obtained results did not show statistically significant influences of the presence of 3D technologies in the development of critical thinking. However, we notice a trend of results that show in favor of 3D printing and the 5E model of inquiry learning. In order to determine the impact, the research should be expanded and the time of the intervention increased.
The master's thesis is useful for teachers of design and technology who are familiar with 3D printing technology or would like to involve a 3D printer in the class. It is also
intended for teachers who want to introduce inductive learning methods into teaching, especially inquiry learning, and thus encourage students to develop critical thinking, teamwork, communication skills and other skills.
KEY WORDS
Design and technology, active learning, inquiry-based learning model 5E, 3D printing, critical thinking
KAZALO
1 UVOD ... 1
1.1 Opis področja dela in opredelitev raziskovalnega vprašanja ... 1
1.2 Cilji in raziskovalna vprašanja ... 3
1.3 Raziskovalni pristopi in metode ... 3
1.4 Pregled vsebine ostalih poglavij ... 4
2 TEHNOLOGIJA 3D TISKANJA ... 6
2.1 Opis in definicija tehnologije 3D tiskanja in 3D tiskalnikov ... 6
2.2 Razvoj in pregled različnih tehnologij 3D tiskanja ... 7
2.2.1 Tehnologija tiska SLA ... 8
2.2.2 Tehnologija tiska FDM ali FFF ... 8
2.2.3 Tehnologija tiska LOM ...10
2.2.4 Tehnologija tiska SLS ...10
2.2.5 Tehnologija tiska 3DP ...10
2.3 Pregled učnega načrta TiT in umestitev 3D tiska v pouk TiT ... 11
2.4 Učinki vpeljave 3D tiska v pouk TiT ... 12
2.5 Praktični napotki učiteljem pred uporabo 3D tiskalnikov pri pouku ... 14
3 AKTIVNO UČENJE IN POUČEVANJE ... 18
3.1 Na splošno o aktivnem učenju ... 18
3.1.1 Slabosti aktivnega učenja ...19
3.1.2 Prednosti aktivnega učenja ...19
3.2 Metode aktivnega učenja in poučevanja ... 20
3.2.1 Problemsko učenje (ang. problem-based learning) ...20
3.2.2 Učenje na primerih (ang. case-based learning) ...21
3.2.3 Projektno učenje (ang. project-based learning) ...21
3.2.4 Učenje ravno ob pravem času (ang. just-in-time learning) ...22
3.2.5 Učenje z odkrivanjem (ang. discovery learning) ...23
3.3 Poizvedovalno učenje (ang. inquiry-based learning) ... 23
3.3.1 Vloga učitelja poizvedovalnem učenju ...24
3.3.2 Oblike poizvedovalnega učenja ...25
3.3.3 Proces poizvedovalnega učenja po modelu 5E ...26
3.3.4 Učinki poizvedovalnega učenja na pouk TiT ...28
4 KRITIČNO MIŠLJENJE PRI POUKU TEHNIKE IN TEHNOLOGIJE ... 29
4.1 Opredelitev kritičnega mišljenja ... 29
4.1.1 Kritično mišljenje kot ena izmed treh dimenzij tehnološke pismenosti ...32
4.2 Smernice za poučevanje in razvijanje kritičnega mišljenja ... 33
5 RAZISKAVA UČINKOV 3D TISKA IN AKTIVNEGA UČENJA ... 35
5.1 Opredelitev raziskovalnega problema in cilji ... 35
5.2 Raziskovalna vprašanja ... 35
5.3 Metodologija ... 36
5.3.1 Raziskovalna metoda ...36
5.3.2 Načrtovanje tehniškega dne s tehnologijo 3D tiska podprto modelom 5E ...36
5.3.3 Opis vzorca ...37
5.3.4 Instrumentarij in opis postopka zbiranja podatkov ...37
5.3.5 Postopki statistične obdelave podatkov ...42
6 REZULTATI RAZISKAVE ... 43
6.1 Zanesljivost ... 43
6.1.1 Test kritičnega mišljenja ...43
6.1.2 Vprašalnik o kritičnem mišljenju ...43
6.2 Težavnost ... 44
6.3 Občutljivost ... 45
6.4 Učinki pouka na kritično mišljenje ... 47
6.4.1 Rezultati testa kritičnega mišljenja ...47
6.4.2 Rezultati vprašalnika kritičnega mišljenja ...56
7 DISKUSIJA ... 59
8 ZAKLJUČEK ... 65
9 LITERATURA IN VIRI ... 67 10 PRILOGE ... I 10.1 Učna priprava ... I 10.2 Test kritičnega mišljenja ... VII 10.3 Vprašalnik o kritičnem mišljenju... XV
KAZALO SLIK
Slika 2.1: Prikaz slojnega dodajanja tehnologije 3D tiskanja (3D Hubs, b. d.). ... 7 Slika 2.2: 3D tiskalnik s tehnologijo FDM oziroma FFF (XYZprinting, b. d.). ... 8 Slika 2.3: Delovanje 3D tiskalnika s tehnologijo tiska FDM ali FFF (3D Hubs, b. d.). . 9 Slika 2.4: Primerjava v kakovosti tiskanja stebrov natisnjenih vertikalno (na sliki levo) in stebrov natisnjenih horizontalno (na sliki desno) (Pikovnik, 2015, str. 2). ... 16 Slika 2.5: Primeri različnih gostot zapolnitve – od satovja (na sliki levo), goste zapolnitve (na sliki na sredini) do polne zapolnitve (na sliki desno) (3D Hubs, b. d.). 16 Slika 4.1: Veščine kritičnega mišljenja (Rupnik Vec, 2010 c, str. 386). ... 32
KAZALO GRAFOV
Graf 6.1: Porazdelitev odstotnih točk pri merjenju KM učencev 8. razreda OŠ pred izvedbo PU po modelu 5E (𝑁 = 55). ... 49 Graf 6.2: Porazdelitev odstotnih točk pri merjenju KM učencev eksperimentalne skupine 8. razreda OŠ pred izvedbo PU po modelu 5E (𝑁 = 25). ... 50 Graf 6.3: Porazdelitev odstotnih točk pri merjenju KM učencev kontrolne skupine 8.
razreda OŠ pred izvedbo PU po modelu 5E (𝑁 = 30). ... 50 Graf 6.4: Porazdelitev odstotnih točk pri merjenju KM učencev 8. razreda OŠ po izvedbi PU po modelu 5E (𝑁 = 55). ... 52 Graf 6.5: Porazdelitev odstotnih točk pri merjenju KM učencev eksperimentalne skupine 8. razreda OŠ po izvedbi PU po modelu 5E (𝑁 = 25). ... 52 Graf 6.6: Porazdelitev odstotnih točk pri merjenju KM učencev kontrolne skupine 8.
razreda OŠ po izvedbi PU po modelu 5E (𝑁 = 30). ... 53 Graf 6.7: Primerjava dosežkov [%] učencev glede na predtest in posttest (𝑁 = 55). 53
KAZALO PREGLEDNIC
Preglednica 3.1: Oblike PU glede na poznavanje ključnih treh korakov (problem,
postopek, rezultat) PU. ... 26
Preglednica 5.1: Razporeditev postavk testa KM po petih kategorijah TP. ... 41
Preglednica 5.2: Razporeditev postavk vprašalnika KM po treh kategorijah KM. ... 42
Preglednica 6.1: Zanesljivost Cronbach α pred- in posttesta KM. ... 43
Preglednica 6.2: Zanesljivost Cronbach α vprašalnika KM po treh kategorijah. ... 44
Preglednica 6.3: Težavnost p posttesta kritičnega mišljenja. ... 44
Preglednica 6.4: Občutljivost postavk 𝑟𝑝𝑏𝑖𝑠 posttesta kritičnega mišljenja... 46
Preglednica 6.5: Aritmetična sredina (𝑥𝑝𝑟𝑒𝑑) in standardni odklon (𝑠𝑝𝑟𝑒𝑑) postavk predtesta ter aritmetična sredina (𝑥𝑝𝑜𝑠𝑡) in standardni odklon (𝑠𝑝𝑜𝑠𝑡) postavk posttesta KM. ... 48
Preglednica 6.6: Nivo KM učencev pred izpeljavo PU po modelu 5E. ... 48
Preglednica 6.7: Nivo KM učencev po izpeljavi PU po modelu 5E. ... 51
Preglednica 6.8: Prirastek KM glede na eksperimentalno in kontrolno skupino. ... 54
Preglednica 6.9: Prirastek KM glede na spol. ... 55
Preglednica 6.10: Prirastek KM glede na spol v posamezni skupini. ... 56
Preglednica 6.11: Aritmetična sredina (𝑥) in standardni odklon (𝑠) postavk vprašalnika KM glede na eksperimentalno (E) in kontrolno (K) skupino. Lestvica zaznavanja napačnih razumevanj je inverzna. ... 57
Preglednica 6.12: Aritmetična sredina (𝑥) in standardni odklon (𝑠) postavk vprašalnika KM glede na spol – učenke (Ž) in učenci (M). ... 58
Preglednica 6.13: Večkratna regresija, kjer so 𝐵 nestandardiziran koeficient in 𝑠 pripadajočia standardna napaka, β naklonski koeficient, 𝑡 statistika in α statistična pomembnost. ... 58
AKRONIMI IN OKRAJŠAVE
3D Tridimenzionalno
CAD Computer Aided Design
CAM Computer Aided Manufacturing KM Kritično mišljenje
KMO Kritično mišljenje in sposobnost odločanja OŠ Osnovna šola
PU Poizvedovalno učenje TiT Tehnika in tehnologija TP Tehnološka pismenost TPO Testna postavka
UN Učni načrt
1 UVOD
Tehnologija se v današnjem času razvija izjemno hitro in predstavlja pomemben del našega vsakdana. V naša življenja je vpletena na številnih področjih, zato si življenje brez nje težko, tudi neradi, zamislimo. Trg je preplavljen z različnimi izdelki in storitvami, zato smo nenehno primorani tehtati, sprejemati odločitve. Večkrat se srečamo s kakšno problemsko situacijo, s področja tehnike ali tehnologije, ki jo želimo rešiti čimprej in čimbolj učinkovito. Pri tem so nam v veliko pomoč dobro razvite strategije odločanja in kritičnega mišljenja (KM). Prav tako lahko probleme rešimo veliko hitreje, če znamo k njim pravilno pristopiti in se z različnimi veščinami vseživljenjskega učenja s problemom spopasti.
Tehnika in tehnologija (TiT) je pomemben predmet v osnovni šoli (OŠ), saj so učenci večkrat v takih situacijah, kjer morajo sprejemati odločitve, kritično razsojati in reševati probleme. To pripomore k razvijanju različnih veščin ter od učenca zahteva aktivno učenje, če so situacije pravilno in smiselno načrtovanje.
Tehnologije, ki omogočajo 3-dimenzionalno vizualno predstavnost (3D), še posebej 3D tisk, vedno bolj prodira v osnovnošolski prostor. Učence želimo opremiti z znanjem in spretnostmi, da bi čimbolj učinkovito rokovali s 3D tehnologijami ter prenesti usvojeno v nadaljnje življenje.
1.1 Opis področja dela in opredelitev raziskovalnega vprašanja
3D tehnologije so v svetu inženirstva prisotne že več desetletij, v zadnjem času pa uspešno pronicajo tudi širši svet vsesplošne uporabe. Razvoj in cenovna dostopnost 3D tiskalnikov sta povzročila veliko razširjenost. Vse več je ljubiteljskih uporabnikov, ki imajo doma 3D tiskalnik, pojavljajo se tudi v šolah. Prisotnost na tehniških univerzah in srednjih šolah je logična, vse več 3D tiskalnikov pa bo moč srečati tudi v osnovnih šolah. Prevladujoča je tehnologija neprestanega ciljnega nalaganja filamenta oziroma tehnologija FDM (ang. Fused Deposition Modeling) ali FFF (ang. Fused Filament Fabrication).
3D tehnologije predstavljajo z didaktičnega in izobraževalnega vidika veliko prednosti.
Zelo smiselno lahko 3D modeliranje in tiskanje vpletemo v pouk TiT. Na ta način učencem lahko približamo dotično tehnologijo in jih pritegnemo za zanimanje različnih
naravoslovno-tehniških tem. Poleg tega pa spoznavanje s 3D tehnologijami tudi učitelja do neke mere prisili, da poglobi svoje znanja in spozna kakšno novo tehnologijo (Novak in Wisdom, 2018).
Učencem bo izkušnja s 3D tehnologijami omogočila realizacijo kakšnih zahtevnejših, drznejših oblik pri svojih izdelkih in spodbujala njihovo snovalsko mišljenje (Greenhalgh, 2016).
Implementacija 3D tehnologij v pouk zahteva drugačno metodiko dela od klasičnega.
Najbolj smiselno je 3D tehnologije v pouk vplesti prek metode aktivnega učenja, ki je osredotočena na učenca in spodbuja razvijanje njegovih kognitivnih sposobnosti, veščin KM in tudi skupinskega dela ter komunikacijskih spretnosti (Novak in Wisdom, 2018).
Tudi na splošno, brez vpeljave 3D tiskalnikov v pouk TiT, je priporočljivo izvajanje aktivnih, tudi induktivnih, metod učenja. Kljub pestremu naboru načinov poučevanja, se učitelji velikokrat nagibajo k tradicionalnim oblikam, ki so z vidika porabljenega časa sicer precej učinkovite, tako za učence kot učitelje. Vseeno pa je smiselno imeti pred sabo širšo sliko in željo učencem podati več kot le znanje. Poskusimo jih naučiti razmišljati z lastno glavo, sprejemati odgovorne odločitve, sodelovati v skupini. Za urjenje teh veščin se moramo opreti na metode induktivnega učenja. Te oblike od učencev zahtevajo več miselne aktivnosti, hkrati pa omogočajo razvoj različnih spretnosti in veščin, ena od teh je tudi kritično mišljenje (KM).
KM je ena izmed treh komponent tehnološke pismenosti (TP). Poleg tega se večkrat srečamo s pojmom kompetence ali spretnosti in znanja 21. stoletja. Zagotovo je ena izmed teh veščin poleg kreativnosti in ustvarjalnosti, spretnosti sodelovanja in komuniciranja v timu, reševanja problemov ter vseživljenjskega učenja, tudi KM.
Pomembno je, da učence urimo tudi na teh področjih, ne zgolj prenašamo svojega znanja.
Naša motivacija je približati 3D tiskanje učencem in prenesti teorije induktivnega učenja iz teorije v prakso, s poudarkom na razvijanju KM. Z izdelavo magistrskega dela želimo ugotoviti, kako 3D tiskanje in induktivna metoda poizvedovalnega učenja po modelu 5E vplivata na razvoj KM in učenčev odnos do KM. Osredotočili se bomo na 8. razred OŠ, saj se 3D modeliranje navezuje na izometrično projekcijo in bodo učenci lahko samostojno modelirali in tiskali objekte.
1.2 Cilji in raziskovalna vprašanja
Namen magistrskega dela je vpeljati tehnologijo 3D tiska v pouk TiT ter jo podpreti z uporabo poizvedovalnega učenja (PU).
Za magistrsko delo smo si zadali naslednje cilje (C 1–4):
C1: Predstaviti, katere 3D tehnologije obstajajo in katere so primerne za uporabo v šolskem prostoru.
C2: Podati pregled obstoječih strategij pouka vsebin TiT in ciljno izbrati najprimernejšo za učno implementacijo tehnologije 3D tiska.
C3: Kritično analizirati in ovrednotiti učinke vpeljave 3D tehnologij z uporabo poizvedovalnega učenja.
C4: Podati priporočila in smernice za delo učitelja TiT pri obravnavi vsebin, ki so podprte s 3D tehnologijo.
Poskušali bomo odgovoriti na zadana raziskovalna vprašanja (RV 1–4):
RV1: Kako učenci zaznajo kritično mišljenje, kako ga cenijo in kako razumejo napačna razumevanja?
RV2: Kakšni so učinki pouka vsebin TiT na kritično mišljenje učencev?
RV3: Ali obstajajo razlike med spoloma glede na prirast kompetenc kritičnega mišljenja?
RV4: Ali obstaja kakšna povezava med učenčevim odnosom do kritičnega mišljenja in učinkom pouka na razvoj kritičnega mišljenja, in če da, kakšna je ta korelacija?
1.3 Raziskovalni pristopi in metode
Pri raziskovanju smo uporabili kvalitativni in kvantitativni raziskovalni pristop, prevladujoči metodi pa sta:
M1: Teoretično-kavzalna metoda: zbiranje in pregled domače ter tuje literature, deskriptivna metoda teoretičnih prispevkov, analiza in interpretacija izsledkov.
M2: Kavzalno-eksperimentalna metoda, izvedba tehniškega dne z uporabo tehnologij 3D tiska podprtih s poizvedovalnim učenjem po modelu 5E, pred- in posttest, ki preverja KM, vprašalnik o KM ter vrednotenje zbranih podatkov.
Podatke smo pridobili s pomočjo pred- in posttesta, ki preverja KM ter vprašalnika o KM. Predtest in vprašalnik so učenci reševali pred obravnavo sklopa gonil, posttest pa po obravnavi. Raziskovalni vzorec je namenski. Predstavlja ga 55 učencev in učenk, ki so v šolskem letu 2018/2019 obiskovali 8. razred osnovne šole (starih 13 ali 14 let) in so bili razdeljeni v eksperimentalno in kontrolno skupino.
Test vsebuje dvajset testnih postavk (TPO), vzete so iz testne baterije, ki jo je sestavil Avsec (2012). Vprašanja pokrivajo vseh pet kategorij standardov TP (narava tehnike in tehnologije, tehnika in družba, oblikovanje in projektiranje, zmožnosti za ustvarjanje tehnološke družbe ter svet oblikovanja, konstruiranja in projektiranja). Vsa vprašanja pa zajemajo in preverjajo zgolj eno dimenzijo TP in sicer kritično mišljenje in sposobnost odločanja.
Vprašalnik o KM je povzet iz testne baterije, ki so jo sestavili Stupple, Maratos, Elander, Hunt, Cheung in Aubeeluck (2017). Zajema tri dimenzije odnosa učencev do KM (zaznavanje napačnih razumevanj, vrednotenje KM in zaupanje v KM).
Postopek zbiranja podatkov smo hkrati izvedli tako v eksperimentalni kot kontrolni skupini.
1.4 Pregled vsebine ostalih poglavij
Drugo poglavje magistrskega dela najprej na kratko oriše zgodovino 3D tiskanja, opisane so različne tehnologije, bolj podrobno pa je predstavljena tehnologija 3D tiskanja FDM/FFF. Zatem sledi pregled učnega načrta (UN), podanih je nekaj predlogov, pri kateri učni temi lahko smiselno vpeljemo 3D tiskanje v pouk TiT. Opisani so tudi učinki vpeljave 3D tiskanja, ki so jih zaznali tuji raziskovalci, tako za učitelje kot učence. Na koncu pa so podani še praktični napotki za delo s 3D tiskalnikom, ki smo jih spoznali med izvajanjem empiričnega dela raziskave.
V tretjem poglavju je najprej podano aktivno učenje, kratka zgodovina ter prednosti in slabosti aktivnega učenja na splošno. Zatem so predstavljene različne metode aktivnega učenja, podrobno pa je opisana metoda poizvedovalnega učenja (PU).
Predstavljene so tudi različne oblike PU, podan je tudi opis modela 5E, po katerem
smo izvedli tehniški dan. Na koncu je podana tudi zasnova učne priprave, po kateri smo izvedli tehniški dan.
Četrto poglavje podaja in opredeljuje pojem KM, ga opredeli kot eno izmed treh dimenzij TP in orisuje smernice poučevanja KM.
V petem poglavju se osredotočimo na empirični del raziskave. Predstavimo izvedbo eksperimenta, opišemo raziskovalne metode in vzorec. Opišemo in predstavimo karakteristike (zanesljivost, težavnost in občutljivost) instrumentov – test KM in vprašalnik o KM.
Šesto poglavje se osredotoča na analizo in vrednotenje empiričnega dela. Podani so načini preverjanja karakteristik pred- in posttesta KM ter vprašalnika KM. Predstavljeni tudi rezultati raziskave, nivo KM in odnos učencev do KM.
V sedmem poglavju sledi diskusija, v okviru katere opišemo, v kolikšni meri smo dosegli zastavljene cilje ter, ali smo potrdili ali ovrgli raziskovalna vprašanja.
Osmo poglavje je zaključek magistrskega dela, v katerem kritično vrednotimo izvedeno delo.
2 TEHNOLOGIJA 3D TISKANJA
Tehnologija 3D tiskanja se v današnjem času razvija in napreduje izjemno hitro. Opaziti je porast ponudbe 3D tiskalnikov na trgu. Ti so sicer večinoma namenjeni raznim podjetjem, saj jim omogočajo dokaj hitro, enostavno in kvalitetno izdelavo prototipov, lastnih orodij, sestavnih delov in tudi končnih izdelkov. Prav tako so 3D tiskalniki zelo uporabni pri tistih izdelkih, kjer je treba kaj narediti po meri. Pomembna lastnost 3D tiskalnikov je tudi učinkovita poraba materiala, odpadkov je namreč precej manj kot pri klasični izdelavi oziroma jih skoraj ni. Celoten napredek v razvoju 3D tiskanja je omogočil širok spekter materialov, ki jih lahko uporabljamo pri tej tehnologiji, ter visoko kakovost tiskanja, kar pomeni kvaliteten in natančen končni izdelek. Poleg same uporabe 3D tiskalnikov za industrijske namene, pa so ti dandanes cenovno dostopni tudi za domačo rabo. Soliden 3D tiskalnik lahko na trgu dobimo že za 300,00 EUR, prav tako je brezplačno dostopna tudi zadovoljiva programska oprema, 3D tiskalniki pa so tudi zmernih velikosti in lahko natisnejo 3D objekt dimenzij 15 x 15 x 15 cm (Krizmanić, 2018).
Glede na razširjenost in cenovno dostopnost tehnologije 3D tiska je velika verjetnost, da se bodo (naši bodoči) učenci s temi tehnologijami srečali v vsakdanjem življenju.
Zato bi bilo smiselno, da bi jim 3D tisk predstavili že v šoli – pri pouku TiT. Poleg spoznavanja učencev s tehnologijo 3D tiska pa ima vključevanje teh tehnologij v pouk TiT še veliko drugih prednosti, ki pa jih bomo spoznali in predstavili v naslednjih poglavjih.
V nadaljevanju poglavja si bomo najprej pogledali razvoj 3D tiskalnikov, pregledali bomo najbolj razširjene tehnologije 3D tiska ter pregledali UN za predmet TiT in poskušali umestiti 3D tisk v pouk TiT.
2.1 Opis in definicija tehnologije 3D tiskanja in 3D tiskalnikov
Najprej omenimo, da 3D tehnologijo na splošno zajemajo tri različne vrste tehnologij in sicer 3D skeniranje, 3D modeliranje ter 3D tiskanje (Urbas, 2019).
Osredotočili se bomo zgolj na 3D tiskanje, ki nam omogoča, da iz danega 3D modela ustvarimo tak predmet v fizični obliki, kar je prikazano na sliki 2.1. Poglejmo si definicijo
3D tiskanja. To je proces, pri katerem z dodajanjem materiala pridemo do končnega rezultata, ki je 3D predmet oz. objekt (Krizmanić, 2018).
Slika 2.1: Prikaz slojnega dodajanja tehnologije 3D tiskanja (3D Hubs, b. d.).
Do realizacije objekta s pomočjo 3D tiskalnika pridemo tako, da najprej ustrezen 3D model kreiramo v izbranem CAD programskem okolju, ga shranimo v ustreznem formatu (po navadi je to .stl) in ga natisnemo na 3D tiskalniku (Urbas, 2019).
V splošnem je najpogostejši filament, ki ga uporabljajo 3D tiskalniki, iz različnih umetnih snovi. Še zdaleč pa nismo omejeni zgolj na umetne snovi, saj je razvoj 3D tiskalnikov poskrbel za izjemno širok nabor različnih materialov od betona, keramike, različnih kovinskih zlitin, vse do tiskanja hrane in celo organov (3D printing, b. d.).
2.2 Razvoj in pregled različnih tehnologij 3D tiskanja
Začetki razvoja 3D tiskanja segajo v prejšnje tisočletje, bolj natančno v osemdeseta leta 20. stoletja. Izumitelja 3D tiskalnikov je težko določiti, različni viri kot začetnika omenjajo Japonca Kodamo, drugi pa Američana Chucka Hulla (3D printing, b. d., Krizmanić, 2018). Hullov prvotni 3D tiskalnik je deloval s tekočino, ki se je strjevala ob prisotnosti UV žarkov. Sčasoma pa je poleg omenjene tekočine ugotovil, da tudi različni drugi tekoči mediji na prisotnost UV-svetlobe reagirajo s strjevanjem in tako razvil temelje današnjega 3D tiska. To tehnologijo danes imenujemo stereo-litografija (Krizmanić, 2018).
Na splošno je kriterij uporabe tehnologije v šolskem prostoru predvsem cenovna dostopnost 3D tiskalnikov. Večina opisanih tehnologij se aktivno razvija in dovolj precizno tiska objekte.
2.2.1 Tehnologija tiska SLA
Prva tehnologija 3D tiskanja je bila torej stereo-litografija ali SLA. Pri tem gre za strjevanje materiala (fotopolimera) ob prisotnosti svetlobnega vira (največkrat UV- svetloba), čemur rečemo tudi fotopolimerizacija (Krizmanić, 2018).
2.2.2 Tehnologija tiska FDM ali FFF
Kmalu za razvojem stereolitografije se je razvila do sedaj najbolj razširjena tehnologija, ki je v rabi predvsem ljubiteljsko in se posledično največkrat pojavi tudi v (osnovno) šolskem prostoru, to je Fused Deposition Modeling (FDM) ali Fused Filament Fabrication (FFF) oziroma po slovensko postopek neprekinjenega ciljnega nalaganja.
Pri tem postopku gre za slojno dodajanje staljenega materiala, kar imenujemo tudi ekstrudiranje, ki se sproti hitro strjuje (Krizmanić, 2018).
Tehnologija tiska FDM ali FFF je vsesplošno pogosto uporabljena. Izmed predstavljenih tehnologij je cenovno najbolj dostopna. Tudi učenci so na tehniškem dnevu uporabljali 3D tiskalnike, ki delujejo na principu te tehnologije, zato jo bomo bolj podrobno opisali. Učenci so uporabljali tiskalnike da Vinci miniMaker, prikazan je tudi na sliki 2.2.
Slika 2.2: 3D tiskalnik s tehnologijo FDM oziroma FFF (XYZprinting, b. d.).
Na sliki 2.3 je prikazano delovanje 3D tiskalnika s tehnologijo FDM. Sestavljajo ga trije glavni deli in sicer nosilna konstrukcija, mehanizem za premikanje brizgalne šobe ter podajalna miza, na kateri nastaja 3D objekt. Polimerna nit (filament) je običajno navita
na kolute in je preko podajalnega mehanizma speljana do ogrevalnih šob. Te polimer stalijo do pol tekočega stanja, ki se naprej prek brizgalnih šob plast za plastjo nanaša in sproti strjuje na podajno mizo in tako oblikuje 3D objekt. Glede na zahtevnost konstrukcije tiskalnik dodaja tudi podporne strukture, ki služijo kot opora in omogočajo kakovostnejše in natančnejše tiskanje ter jih po koncu vedno odstranimo (Krizmanić, 2018 in Urbas, 2019).
Slika 2.3: Delovanje 3D tiskalnika s tehnologijo tiska FDM ali FFF (3D Hubs, b. d.).
Glede na število brizgalnih šob ločimo dva različna tipa tiskalnikov s tehnologijo FDM, in sicer tiskalnik z eno in tiskalnik z dvema šobama. Tiskalnik z dvema brizgalnima šobama je prikazan na sliki 2.3 in ima dve navitji filamenta – glavnega za objekt ter filament za podporne strukture. Tiskalniki z eno šobo imajo eno navitje filamenta in tako za objekt kot tudi za podporne strukture uporabljajo isti material. Lažjo odstranitev
podpornih struktur po koncu tiskanja pa dosežemo z različnimi nastavitvami (različne debeline slojev za podpore in objekt ali pa različna temperatura tiskanja, s čimer preprečimo popolno spojitev materiala) (Krizmanić, 2018).
Najpogostejši materiali, ki jih lahko uporabimo pri tehnologiji FDM, so PLA, ABS, ASA in PET/PETG. Gre za umetne snovi z različnimi lastnostmi. Najbolj razširjen je PLA, ki za tiskanje ne potrebuje ogrevanje osnovne plošče, je cenovno dostopen, med tiskanjem se ne viha. Je pa tudi biorazgradljiv (glavna sestavina je koruzni škrob), kar posledično pomeni tudi neobstojnost na visoki zračni vlažnosti (Krizmanić, 2018).
2.2.3 Tehnologija tiska LOM
Za tem se je pojavila tehnologija 3D tiska Laminated Object Manufacturing ali LOM.
Že iz prevoda razberemo, da gre pri tem postopku za nalaganje laminiranih plasti, kar pomeni, da pri tem postopku tiskalnik reže tanke plasti materiala, te pa se potem nalagajo ena na drugo. Ta tehnologija ni doživela posebnega preboja, saj je oteženo tiskanje votlih objektov (Krizmanić, 2018).
2.2.4 Tehnologija tiska SLS
Naslednja velika prelomnica v razvoju 3D tiskalnikov je bila tehnologija selektivnega laserskega sintranja ali SLS. Pri tem postopku laser posamezni sloj praška sintra1 drugega za drugim in na ta način formira 3D objekt. Ta tehnologija ima veliko prednosti.
Ne potrebujemo na primer opor, saj to funkcijo opravi že prašek. Prav tako pri tej tehnologiji lahko uporabimo širok spekter materialov od umetnih snovi, do kovin in celo keramike (Krizmanić, 2018).
2.2.5 Tehnologija tiska 3DP
Podobna tehnologija kot se uporablja pri »klasičnih« 2D tiskalnikih je tehnologija 3D Print ali 3DP. Gre za nanašanje tekočega materiala na praškast material. Tehnologija
1 Glagol sintrati po Slovarju slovenskega knjižnega jezika pomeni (2014) »s segrevanjem delati, povzročati, da se delci česa natalijo in sprimejo«.
je podobna tehnologiji SLS, le da pri tehnologiji 3DP prašek spojimo s kapljičnim dodajanjem materiala, ne pa z laserjem (Krizmanić, 2018).
2.3 Pregled učnega načrta TiT in umestitev 3D tiska v pouk TiT
V obstoječem osnovnošolskem učnem načrtu (UN) za TiT pri nas (Fakin idr., 2011) niti med operativnimi cilji in vsebinami niti med standardi znanja ni zaslediti 3D tiskanja, kar je sicer razumljivo, saj so osnovnošolske delavnice oziroma učilnice, kjer poteka pouk TiT, zelo različno opremljene. Poleg tega je UN tudi dokaj star – iz leta 2011 – takrat je bila tehnologija 3D tiska v OŠ še bolj redka kot v današnjih dneh. Torej prisotnost 3D tiskalnika v učilnici ali delavnici za pouk TiT ni samoumevna. Kljub temu pa, kot smo že ugotovili, se zaradi razširjenosti in dostopnosti 3D tiskalniki vedno pogosteje pojavljajo v šolskem prostoru. Čeprav uporaba 3D tiskalnika po UN ni začrtana, pa se vseeno pojavijo operativni cilji ter standardi znanja, ki pa predvidevajo spoznavanje s 3D modeliranjem z računalniškim grafičnim orodjem (CAD). Še več, ti sklopi so kot priporočeni mišljeni od vključno 6. do 8. razreda OŠ pri pouku TiT (Fakin idr., 2011).
Učitelji, ki imajo dostop do 3D tiskalnikov, pa imajo veliko možnosti, da te vpeljejo v pouk TiT. Učenci v 7. razredu OŠ pri TiT obravnavajo umetne snovi, njihove lastnosti in proizvodnjo, vpliv na okolje ter spoznajo različne obdelovalne postopke. Kot smo že omenili, so zelo pogosti filamenti za 3D tiskanje iz umetnih snovi. Tako lahko učencem dodatno predstavimo tudi tehnologijo 3D tiskanja kot enega izmed hitro razvijajočih se obdelovalnih postopkov umetnih snovi. Poleg spoznavanja tehnologije pa lahko v 8.
razredu zelo smiselno vpeljemo tudi praktično seznanitev s tehnologijo 3D tiska.
Učenci namreč v 8. razredu pri TiT obravnavajo skiciranje in risanje predmetov v izometrični projekciji. To znanje je zaželeno tudi pri 3D modeliranju. Smiselno je torej učencem najprej predstaviti izometrično projekcijo, nato pa kot že UN predvideva, jih spoznati še s 3D modeliranjem v ustreznem CAD programu. Ta naj bo dovolj preprosta. Uporabimo lahko na primer programsko okolje SketchUp, ki je glede zahtevnosti primerno za učence v OŠ in tudi brezplačno. Poleg 3D modeliranja, lahko uporabo 3D tiskalnikov povežemo tudi z obravnavanjem učnega sklopa motorjev in gonil ter izdelka iz kovin. Učenci bi namreč lahko izdelali izdelek iz kovin in umetnih snovi, pri čemer bi sestavne dele iz umetnih snovi natisnili s 3D tiskalnikom. Prav tako pa lahko 3D tiskanje povežemo še z izbirnimi vsebinami, ki predvidevajo obravnavanje
vloge računalnika pri krmiljenju delovnih procesov, spoznavanje z vhodnimi in izhodnimi enotami in principi delovanja CAM in CAD sistemov (Fakin idr., 2011).
2.4 Učinki vpeljave 3D tiska v pouk TiT
Avtorici Novak in Wisdom (2018) ugotavljata, da je tehnologija 3D tiskanja idealna za umestitev v pouk TiT, saj povezuje sodobno inženirstvo in tehnologijo. Uporaba 3D modeliranja in tiskanja naj bi pozitivno vplivala predvsem na razvijanje kreativnosti in motivacije. Vseeno pa moramo učne ure z uporabo 3D tiskalnika skrbno načrtovati, saj zgolj tiskanje neke igrače ali figurice brez povezave z učnim načrtom ni smiselno (Novak in Wisdom, 2019).
Tehnologija 3D tiskanja je v uporabnika naravnana in zato zelo primerna za implementacijo v različne metode aktivnega učenja. Z uporabo 3D tiskalnika pri pouku lahko učitelj prevetri svoje poučevalne metode in strategije ter načrtuje tudi razvijanje višjih kognitivnih stopenj. Poleg tega s pomočjo 3D tiska razvijamo snovalsko razmišljanje (ang. design thinking) in kreativnost. Tako snovalsko razmišljanje kot kreativnost sta izjemno pomembni pri reševanju problemov in sta eni izmed pomembnejših veščin/spretnosti 21. stoletja (Novak in Wisdom, 2019).
Vpeljava 3D tiskanja je za večino učiteljev izziv, saj se s to tehnologijo še ne poznajo in je verjetno ne uporabljajo niti doma niti pri pouku. Učitelji, ki sprejmejo izziv, gredo tudi sami skozi proces učenja, kar je dober primer vseživljenjskega učenja. Učitelji bodo tako tudi lažje predvideli, kje se bodo pojavile morebitne težave in se bodo bolje pripravili na odpravljanje le teh. Poleg tega bodo učitelji tudi poglobili svoje strokovno znanje, kar jim omogoča tudi pedagoško rast (Novak in Wisdom, 2019). Strokovno znanje je namreč pri osnovnošolskih učiteljih, poudarek je na učiteljih, ki poučujejo TiT v nižjih razredih OŠ, večkrat površno, zanimanje za naravoslovno tehniške predmete je šibko, zato avtorici Novak in Wisdom (2018) ugotavljata, da se naravoslovno tehniške predmete poučuje preveč površinsko.
Rezultati raziskave 3D Printing Science Project (Novak in Wisdom, 2018, Novak in Wisdom, 2019) so pokazali, da so po uporabi 3D tiskalnika učitelji:
- pokazali več zanimanja za znanost oziroma naravoslovje in tehniko (ang.
science),
- višje ocenili učinkovitost (ang. efficacy) svojega poučevanja in
- se je zmanjšal njihov strah pred poučevanjem naravoslovno tehniških tem.
Poleg tega pa lahko učitelji, vešči uporabe 3D tiskalnika, uporabijo tega tudi kot pomoč pri izvedbi pouka. Učitelji lahko natisnejo različne modele, didaktična učila in pripomočke. Na drugi strani pa lahko učitelj vpelje 3D tiskanje v pouk in ga uporabljajo tudi učenci pri različnih projektih in razvijajo njihovo snovalsko razmišljanje. Rezultati raziskave so pokazali, da so učenci, ki so dizajnirali prototipe s pomočjo 3D tiskalnika izdelali zahtevnejše, kompleksnejše prototipe. V primerjavi z učenci, ki so se izdelave prototipov lotili na klasičen način, se niso omejili zgolj na linearne oblike, ampak so pri dizajniranju uporabili tudi različne krivulje višjega reda, ne le krožnice. Raziskovalci domnevajo, da se predvsem tisti, ki so prototipe izdelovali na tradicionalen način, kljub morebitnim kompleksnejšim začetnim idejam med postopkom izdelave vrnejo korak nazaj in idejo zaradi lažje izdelave poenostavijo. Pri 3D tiskalniku pa konstrukcij ni treba poenostavljati in zato se raven kompleksnosti ohranja ali celo dviga (Greenhalgh, 2016).
Avtorja Ford in Minshall (2019) ugotavljata, da je tehnologija 3D tiska kljub hitremu razvoju večkrat neoptimalno vključena v izobraževalni proces. Uporabo 3D tiskalnika v šolskem prostoru razdelita na naslednje kategorije (Ford in Minshall, 2019):
Uporaba 3D tiskalnika za namen:
1. učenja učencev o tehnologiji 3D tiska, 2. učenja učiteljev o tehnologiji 3D tiska,
3. učenja in razvijanja snovalskega mišljenja, kreativnosti in metodologij, 4. izdelovanja didaktičnih pripomočkov in
5. ustvarjanja pomožnih (ang. assistive) tehnologij.
Pri izdelovanju didaktičnih pripomočkov je 3D tiskalnik zelo univerzalen. Lahko natisnemo različne modele molekul, delov telesa, geometrijskih oblik, različnih fizikalnih modelov in drugih objektov. Pri zamislih nas omejuje zgolj lastna kreativnost.
Drumm in ostali (2016) podajajo veliko (preprostih) idej za projekt s 3D tiskalnikom.
Ford in Minshall (2019) pa dodajata, da lahko zelo dobro implementiramo 3D tisk in izdelke v poučevanje učencev s posebnimi potrebami. Tako lahko učitelj za učence s slepoto in slabovidnostjo pripravijo gradivo tudi s pomočjo 3D tiskalnika.
Na splošno vsi avtorji (Ford in Minshall, 2019, Greenhalgh, 2016, Novak in Wisdom, 2018) ugotavljajo, da je na področju 3D tiska v izobraževalnem procesu dokaj malo kvantitativnih ali kvalitativnih raziskav.
2.5 Praktični napotki učiteljem pred uporabo 3D tiskalnikov pri pouku
Med empiričnem delom raziskave smo uporabljali 3D tiskalnike in smo naleteli na nekaj nevšečnosti. V nadaljevanju bodo predstavljeni praktični napotki za lažji potek dela.
1. Povezava 3D tiskalnikov in računalnikov v električno omrežje.
Empirični del smo izvajali v učilnici TiT. Uporabljali smo 3D tiskalnike da Vinci miniMaker, ki je prikazan na sliki 2.2. Gre za dokaj osnoven model 3D tiskalnika, ki potrebuje stalno napajanje iz omrežne napetosti, z računalnikom je povezan preko vtičnika USB 2.0. Povezava z računalnikom je potrebna samo v času prenosa 3D modela na tiskalnik, potem jo lahko prekinemo. V času izvedbe smo imeli v učilnici na omrežno napetost prek več električnih priključkov povezanih 5 prenosnih računalnikov in 5 3D tiskalnikov. Enkrat je prišlo do preobremenitve na električnem priključku in se je nekaj tiskalnikov izklopilo, kar zna biti precej neprijetno, če so ti že začeli proces tiskanja. Smiselno moramo priključiti vse naprave v električno omrežje, da ne pride do preobremenitve in izpada električnega toka.
2. Programska in računalniška oprema.
Pred tiskanjem poskrbimo, da je programska oprema za 3D modeliranje nameščena na vse računalnike in je tudi posodobljena. Smiselno je tudi imeti na vseh računalnikih enako verzijo programske opreme. Če bomo uporabljali spletno verzijo, pa poskrbimo za kar se da hitro povezavo, saj bo drugače modeliranje precej težje in bo učencem predstavljalo neprijetno izkušnjo. Če bomo modelirali v računalniški učilnici, potem so verjetno vsi računalniki opremljeni tudi z računalniško miško. Ta je za 3D modeliranje skoraj nujna. Modeliranje na prenosnem računalniku brez miške začetnikom še dodatno oteži delo, česar pa ne želimo našim učencem. Če sta lokaciji modeliranja in tiskanja drugi, moramo razmisliti še o prenosu 3D modelov na tiskalnik. Učenci lahko prinesejo svoje USB ključke, lahko vsi naložijo modele na učiteljev ključ ali pa na primer povežejo en računalnik z vsemi tiskalniki. To je dobro razmisliti in poiskati rešitev že pred začetkom tiskanja.
3. Priprava 3D modelov na tiskanje.
Učenci morajo že med modeliranjem imeti v mislih, kakšne so največje možne dimenzije izdelka. Povedati jim moramo tudi, da je 3D tiskanje dokaj počasen proces in jim postaviti okvirje, kaj je še sprejemljivo, da natisnejo. 3D tiskalnik, ki smo ga uporabili mi, ima največje mere natisnjenega izdelka v velikosti 150 x 150 x 150 mm.
Poleg same omejitve v velikosti, moramo pred tiskanjem pogledati sam model. Ta mora biti zaprt in vodotesen. Na to nas sicer opozori že sam program, lahko pa uporabimo še dodatna programska okolja, ki pregledajo ustreznost 3D modela za tiskanje. Poleg tega moramo paziti še na skupne robove, debeline sten … Prav tako pa moramo učence že pred modeliranjem opomniti na smiselno modeliranje. Če želimo na primer natisniti zatič v obliki kvadra, ga bomo že modelirali tako, da bo ploskev, ki ima največjo ploščino, ležala na XY ravnini (oziroma vodoravno). Tudi tu nam programi pomagajo in najbolj smiselno postavijo 3D model. Vseeno pa je učence dobro na to opozoriti. Velika razlika v kvaliteti 3D tiska je prikazana na sliki 2.4. Poleg vsega pa pred samim tiskanjem uredimo še zadnje nastavitve – izberemo kvaliteto tiska, izberemo gostoto zapolnitve, natančnost in podporne elemente (odvisno od 3D modela). Različne gostote zapolnitve modela so prikazane na sliki 2.5. Glede na želeno togost modela izbiramo različne zapolnitve. V večini primerov že satovje da predmetu zadostno togost. Če pa želimo še bolj tog objekt, pa izberemo čim gostejšo ali celo polno zapolnitev. Upoštevati pa moramo, da to tudi bistveno podaljša čas tiskanja.
Slika 2.4: Primerjava v kakovosti tiskanja stebrov natisnjenih vertikalno (na sliki levo) in stebrov natisnjenih horizontalno (na sliki desno) (Pikovnik, 2015, str. 2).
Slika 2.5: Primeri različnih gostot zapolnitve – od satovja (na sliki levo), goste zapolnitve (na sliki na sredini) do polne zapolnitve (na sliki desno) (3D Hubs, b. d.).
4. 3D tiskanje.
Preden zaženemo postopek tiskanja preverimo, ali je na kolutu dovolj filamenta ter da ni slučajno kje čudno navit ali celo pretrgan. V mislih moramo imeti, da se filamenti različnih barv malenkost drugače obnašajo, ne glede na to, da so vsi filamenti materiala PLA. Smiselno je že prej malo testirati. Filamenti so dokaj občutljivi na vlago in nizke temperature. Zato moramo razmisliti tudi o ustreznem prostoru za hranjenje 3D tiskalnikov. Neprijetno je, da med postopkom tiskanja zmanjka filamenta ali se ta strga. V primeru, da se strga in smo ves čas prisotni, to lahko dokaj učinkovito rešimo.
Ko enkrat začnemo s procesom 3D tiskanja, imejmo v mislih, da gre za dolgotrajen proces. Pouk moramo načrtovati tako, da učence med tem časom dodatno zaposlimo.
Nekaj časa naj namenijo ogledu postopka 3D tiskanja, saj jim bo prvič zagotovo zanimivo. Lahko celo tako načrtujemo, da se proces 3D tiskanja zamakne v čas odmora ali celo v čas po pouku. V tem primeru pa je vseeno smiselno imeti vsaj delni pregled nad tiskalniki, če slučajno pride do kakšne napake, zmanjka kateremu tiskalniki filamenta, se prekine kakšna povezava … Učence moramo opozoriti, da med procesom tiskanja ne segajo z roko v bližino brizgalne šobe, saj se lahko opečejo in tudi zmotijo proces tiskanja.
3 AKTIVNO UČENJE IN POUČEVANJE
Tako učitelji kot učenci s(m)o se v 21. stoletju znašli v poplavi informacij, hitremu napredku raznih tehnologij in s(m)o priča velikim spremembam v življenjskem ritmu.
Vse to pa je seveda vplivalo tudi na šolski prostor, ki se počasi prilagaja korenitim spremembam. S sodobnimi metodami in načini poučevanja lahko učitelji veliko prispevamo k tem spremembam. Ena izmed teh je zagotovo tudi aktivno poučevanje in učenje. To namreč postavlja učenca v središče učnega procesa, učitelju pa omogoči ne le predajanje svojega znanja, temveč tudi postavljanje izzivov svojim učencem in posledično s tem razvijanje tako osebnostnih kot tudi kognitivnih kompetenc pri učencih.
V danem poglavju se bomo najprej spoznali z aktivnim učenjem, zatem bomo na kratko predstavili nekaj metod aktivnega učenja, podrobno pa bomo opisali poizvedovalno učenje po modelu 5E. V zadnjem delu poglavja si bomo pogledali še povezavo med aktivnim učenjem in uporabo tehnologije 3D tiska.
3.1 Na splošno o aktivnem učenju
Kranjc (2015) povzema različne mednarodne raziskave, v katerih strokovnjaki s področja poučevanja naravoslovja opažajo upad popularnosti študija naravoslovnih smeri. Kot odziv na te ugotovitve, so bile predlagane različne bolj ali manj uspešne rešitve. Ena izmed učinkovitih metod je aktivno poučevanje in učenje. To bi lahko preprosto povzeli kot »Prebral sem in pozabil. Videl sem in sem si zapomnil. Naredil sem in znam!« (Kranjc, 2015, str. 388). Poglejmo, kaj se skriva v ozadju te modrosti.
Prvotne koncepte aktivnega učenja je postavil John Dewey že v začetku 20. stoletja.
Kranjc (2015) povzame misli Deweya, ki trdi, da je ključno pri poučevanju naravoslovja seznanjanje učencev z načinom razmišljanja in primernim pristopom, ne pa zgolj podajanje snovi. Vidimo, da osnovni koncepti aktivnega učenja temeljijo predvsem na raziskovanju in posnemajo znanstveno raziskovalni proces ter prilagajajo njegovo kompleksnost uporabi v šolskem prostoru. Učenci naj bi s pomočjo samostojnega načrtovanja poskusov ter raziskovanja postavljali svoje hipoteze, jih ovrgli ali potrdili, iskali povezave, diskutirali o dobljenih rezultatih in o njih tudi podvomili. Hkrati bi se tudi urili v timskem delu in izboljševali svoje socialne kompetence (Kranjc, 2015).
3.1.1 Slabosti aktivnega učenja
Prvotni koncepti aktivnega učenja in poučevanja se zdijo zelo smiselno zasnovani za poučevanje naravoslovnih predmetov, med katere sodi tudi TiT. Kljub temu pa so na poti do učinkovitega izvajanja aktivnega učenja tudi nekatere ovire.
Prva in morda najbolj očitna je časovna obremenitev tako za učence kot tudi za učitelja.
Ne eni, ne drugi namreč niso navajeni takega načina dela, ki od vseh udeleženih zahteva več koncentracije, stalno sodelovanje, več vloženega truda ter predhodnih priprav. Prav to se večkrat odraža tudi v nezadovoljstvu učencev, kar pa se seveda pokaže tudi na slabših rezultatih pri testiranju znanja v primerjavi z rezultati, doseženimi pri klasičnem frontalnem pouku. Kljub vsemu pa je še vedno smiselno vztrajati z aktivnim učenjem, saj se pozitivni rezultati kažejo, a šele takrat, ko so učenci že navajeni na tak način dela in vzpostavijo določeno raven delovne vneme, da pouk normalno steče (Kranjc, 2015).
Poleg dolgoročnosti zastavljanja ciljev, učitelje pri vpeljavi aktivnega učenja lahko večkrat omejuje tudi obsežen UN. Prav tako pa za učitelja pomeni vpeljava aktivnega učenja veliko več načrtovanja. Poleg tega mora biti učitelj pripravljen stopiti iz svojih okvirjev, da se sploh odloči za uvajanje aktivnega učenja. Od učitelja tak pouk torej zahteva ogromno predhodne priprave, iznajdljivosti, razumevanja in potrpežljivosti (Kranjc, 2015).
3.1.2 Prednosti aktivnega učenja
Kranjc (2015) navaja, da je, kljub nekaj slabostim uvajanja aktivnega učenja v pouk, zaznati dolgoročne pozitivne učinke aktivnega učenja. Ti se odražajo predvsem pri pridobivanju različnih kompetenc, globini razumevanja snovi, ne pa zgolj pri bistveno boljših rezultatih na testih znanja. Kot posebej pomembne faktorje, ki vplivajo na pozitivne učinke, lahko izpostavimo večjo dinamiko in timsko delo, stalno samodejno ponavljanje med odkrivanjem novih razlag in spoznavanje učencev s strategijami reševanja problemov. Poleg tega pa so med aktivnim učenjem učenci prisiljeni iskati, prepoznavati, primerjati problem z že obstoječim znanjem, ki ne spada nujno na samo področje TiT, in tako vzpostavljajo nove (medpredmetne oziroma medkontekstualne) povezave (Kranjc, 2015).
3.2 Metode aktivnega učenja in poučevanja
Aktivno učenje zajema širok spekter različnih strategij in metod poučevanja, vse pa imajo za skupni imenovalec to, da v ospredje postavljajo učenca in njegovo odkrivanje oziroma raziskovanje. V strokovni literaturi ga večkrat poimenujejo tudi induktivno učenje. Učitelj je tisti, ki glede na zastavljene učne cilje, skupino učencev ter časovni okvir, izbere obliko aktivnega učenja. V nadaljevanju si bomo pogledali nekaj najpogosteje uporabljenih induktivnih metod učenja, s skupnimi lastnostmi, ki smo jih že omenili, a se v nekaterih strategijah in elementih bistveno razlikujejo.
3.2.1 Problemsko učenje (ang. problem-based learning)
Moderna oblika problemskega učenja se je začela razvijati na medicinskih in zdravstvenih šolah ter fakultetah. Tu se namreč učeči pogosto seznanijo z odprtim, življenjskim problemom, ki ga morajo hitro in učinkovito rešiti v aktivu. Poleg področja medicine, se ta način dela velikokrat pojavi tudi na področju arhitekture, psihologije … Prav začetni problem je tisti ključni element problemskega učenja. Prince in Felder (2006) ugotavljata, da se projektno učenje začne takrat, ko učitelj učence seznani z odprtim, nestrukturiranim problemom, s katerim se bodo morda učenci tudi srečali v realnem življenju. Ta mora biti izjemno dobro zastavljen, tako da reševanje problema učence vodi do uporabe vsega svojega znanja ter od njih zahteva sklepanje in povezovanje različnih konceptov. Učenci so pri projektnem učnem delu običajno razdeljeni v skupine, in sicer od 3 do 5 učencev. Trajanje takega načina dela pa je različno, lahko načrtujemo pouk na ta način tudi za več ur zaporedoma. Naloga učitelja je pomemba, a bolj posredna. Učitelj namreč spremlja napredek skupin, odgovarja na vprašanja in jih (po potrebi) usmerja, ni pa primarni vir znanja. Za neizkušene učitelje je tak način dela zahteven, saj gre za precej kompleksno in zahtevno metodo induktivnega učenja. Od učitelja zahteva širok spekter strokovnega znanja, predhodne priprave na pouk in tudi iznajdljivosti (Prince in Felder, 2006, Prince in Felder 2007).
Osnovni koraki problemskega učenja naj bi bili (Prince in Felder, 2006, Prince in Felder, 2007):
1. imenovanje – imenovanje oziroma identificiranje glavnih vprašanj v zvezi s podanim problemom,
2. okvirjanje – ustvarjanje omejitev danega problema, določanje širine problema, 3. premikanje – eksperimentalno delo,
4. odsev – evalviranje in konstruktivno kritiziranje izvedbe 2. in 3. koraka.
Prince in Felder (2006) podobno kot Kranjc (2015) ugotavljata, da so študije v več primerih pokazale negativne učinke na usvojitev novega znanja pri problemskem učenju kot pa pozitivne. Razlogi so zopet podobni, kot smo jih že našteli in sicer kratkoročnost zastavljenih ciljev. Študije, ki so preverjale dolgoročni učinek so večinsko pokazale pozitivne učinke na usvojitev novega znanja z metodo problemskega učenja.
Poleg pozitivnega učinka na usvojitev novega znanja, so študije pokazale tudi druge pozitivne strani problemskega učenja. Kažejo se v boljšem razumevanju snovi, boljše razumevanje povezav med koncepti, izboljšanje spretnosti v timskem delu ter razvijanje sposobnosti reševanja problemov in uporabe metakognitivnih strategij in celo višja prisotnost na predavanjih (Prince in Felder, 2006, Prince in Felder, 2007).
3.2.2 Učenje na primerih (ang. case-based learning)
To metodo učenja so prvotno uporabljali predvsem na pravnih fakultetah, kasneje pa se je področje uporabe razširilo tudi na medicino, administracijo, management … Pri metodi učenja na primerih učenci preučujejo dano zgodovinsko ali hipotetično situacijo, ki vključuje reševanje problemov ter sprejemanje različnih odločitev. Analiziranje dane situacije oziroma primera naj bi potekalo po naslednjih korakih (Prince in Felder, 2006):
1. pregled vsebine primera, 2. izjave učencev,
3. zbiranje primernih informacij, 4. razvijanje alternativnih rešitev, 5. evalviranje alternativnih rešitev, 6. izbor in
7. evalviranje rešitev.
Rezultati raziskav so pokazali, da učenje na primerih pri učečih se razvija sposobnosti reševanja problemov in razbiranja ključnih podatkov, niso pa bili zaznani pozitivni učinki v prirastu novega znanja (Prince in Felder, 2006).
3.2.3 Projektno učenje (ang. project-based learning)
Projektno učno delo predstavlja zelo kompleksno metodo induktivnega učenja.
Podobno kot pri problemskem učenju, tudi pri projektnem učenju učenci problem rešujejo timsko. Poleg tega, imata projektno in problemsko učenje še veliko skupnih
lastnosti, bistveno pa se razlikujeta po končnem cilju. Pri projektnem učenju je poudarek na uporabi novo usvojenega znanja na nekem končnem izdelku, računalniški simulaciji, modelu … Pri problemskem učenju pa ni toliko poudarka na končnem izdelku, ampak na pridobivanju novih znanj in strategij ter uporabi teh pri nadaljnjem reševanju problemov (Prince in Felder, 2006, Prince in Felder, 2007).
Učiteljeva naloga je izbira primernega projekta, v katerem je treba smiselno zajeti izbrane učne cilje. Projektno učenje običajno vključuje temo, ki omogoča medpredmetno povezovanje, ter presega časovni okvir ene šolske ure. Učenci se na začetku soočijo s problemom ali zahtevo po nekem izdelku, na koncu pa se od njih običajno pričakuje bodisi pisno bodisi ustno poročilo, kjer je predstavljeno načrtovanje izdelka ter izdelek sam. Glede na stopnjo učenčeve avtonomije ločimo tri tipe projektov, in sicer (Prince in Felder, 2006, Prince in Felder, 2007):
1. projektna naloga – metode reševanja so določene, učenci imajo malo avtonomije, rešujejo projekt, ki jim ga je zadal učitelj.
2. tematski projekt – učitelj določi tematiko in splošne pogoje reševanja projekta, učenci pa sami izberejo projekt in napovejo pristop reševanja.
3. problemski projekt – učenci si sami zamislijo projekt, pristope reševanja in vse to tudi poskušajo realizirati. Tu so učenci povsem avtonomni.
Različne študije so tudi za projektno učenje pokazale bistveno bolj razvite sposobnosti konceptualnega razumevanja, reševanja problemov, uporabe metakognitivnih strategij in tudi pozitiven odnos do učenja. Rezultati v primerjavi novo usvojenega znanja s klasičnim poukom pa so primerljivi (Prince in Felder, 2006, Prince in Felder, 2007).
3.2.4 Učenje ravno ob pravem času (ang. just-in-time learning)
Pri učenju ravno ob pravem času gre za preplet predhodne uporabe IKT tehnologije in aktivnega učenja v učilnici. Učenci naj bi pred začetkom učne ure na spletu rešili naloge oziroma odgovorili na vprašanja. Učiteljeva naloga pa je, da te naloge in odgovore pregleda ter ustrezno prilagodi razlago. To naj bi se ponovilo večkrat tedensko. Poleg nalog naj bi učenci vnaprej pregledali tudi učno snov. Ta naj bi bila predstavljena tako, da so izpostavljeni tisti koncepti, pri katerih bi imeli učenci predvidoma več težav z napačnim razumevanjem. Ta metoda zahteva veliko časovnega angažiranja tako s strani učencev kot učiteljev. Učenci morajo pravočasno rešiti in oddati naloge, učitelji pa morajo vnaprej pripraviti konceptualne naloge,
pregledati odgovore učencev in jih upoštevati pri načrtovanju učne ure. Kljub temu pa rezultati različnih raziskav pokažejo, da je več pozitivnih učinkov te metode. Eden bistvenih je zmanjšana obremenitev učečih se v primerjavi s klasičnim poukom (Prince in Felder, 2006).
3.2.5 Učenje z odkrivanjem (ang. discovery learning)
Metoda učenja z odkrivanjem je del pristopa poizvedovalnega učenja. Učenci se soočijo z vprašanji, na katera morajo poiskati odgovore, problem, ki ga morajo rešiti ali pa morajo podati ugotovitve in razlago nekih opazovanj. Gre za konstruktivistično metodo, kar pomeni, da učenci sami konstruirajo svoje znanje, učitelj jih zgolj podpira in usmerja pri izgrajevanju znanja. Tak pristop od učencev zahteva veliko samostojnosti in aktivnosti, od učitelja pa veliko predhodne priprave. Večkrat se v praksi uporabi metoda vodenega odkrivanja, ki predvideva več usmerjanja in vodenja učencev pri izgrajevanju znanja. Rezultati različnih študij niso pokazali statistično pomembnih učinkov pri usvajanju novega znanja (Prince in Felder, 2006, Prince in Felder, 2007).
Glede na stopnjo nadzora učitelja, ločimo tri različne oblike učenja z odkrivanjem, in sicer (Smitha, 2012, povzeto po Šinigoj, 2015):
1. vodeno odkrivanje (ang. guided discovery) – učitelj razloži snov, poda nalogo in tudi namige, pripravi material za izvedbo. Učitelj postavlja vprašanja, učenci jim sledijo in rešujejo naloge postopoma. Učenci podajo ideje za raziskovanje, sami (individualno ali skupinsko) pridobijo podatke, formulirajo sklepe. Če ne pridejo do pravilnih odgovorov, jih učitelj spodbuja, usmerja ter jim nudi pomoč.
2. odkrivanje z minimalnim nadzorom (ang. minimally guided discovery) – učitelj nudi učencem minimalno pomoč.
3. odprto odkrivanje (ang. pure discovery) – učitelj zagotovi učencem vse potrebne pripomočke, a med raziskovanjem učenci niso deležni direktne učiteljeve pomoči in usmerjanja. Učenci sami izberejo metode in formulirajo lastne zaključke in ugotovitve.
3.3 Poizvedovalno učenje (ang. inquiry-based learning)
Temelji poizvedovalnega učenja (PU) izvirajo iz konstruktivizma, na katerem so osnovane na splošno vse metode induktivnega poučevanja. Korenine PU segajo že v
17. stoletje, kasneje pa je raziskovanje v svoji pedagoški teoriji prevzel tudi Rousseau.
Zatem se je razvil konstruktivizem s Piagetom, Deweyem, Brunerjem in Vigotskym na čelu (Maas in Artigue, 2013).
Poizvedovanje (ang. inquiry) je sicer večplastna dejavnost, ki vključuje opazovanje, zastavljanje vprašanj, preučevanje literature in drugih že znanih podatkov, analiziranje in interpretacijo podatkov, raziskovanje in napovedovanje rezultatov (Maas in Artigue, 2013).
S procesom poizvedovanja oziroma iskanjem odgovorov na zastavljena vprašanja tudi iskanjem resnice se srečamo že zelo zgodaj, kmalu po rojstvu. Prav tako pa z odkrivanjem okolice, iskanjem različnih rešitev in poti nadaljujemo celo svoje življenje (Exline, 2004). Prince in Felder (2006) pa ugotavljata, da ima PU tudi v znanstvenem izobraževanju dolgo in dobro zasidrano tradicijo. PU naj bi se razvilo kot rešitev na zaznane probleme pri klasičnem načinu poučevanja, kjer si morajo učenci zgolj zapomniti podano snov (Hmelo-Silver, Duncan in Chinn, 2007, povzeto po Jensterle, 2017).
PU poudarja razumevanje, zastavljanje vprašanj in enako kot druge metode aktivnega učenja postavlja učenca v center dejavnosti (Eick in Reed, 2002). Metoda PU po mnenju raziskovalcev »v najširšem pomenu opisuje procese učenja s poizvedovanjem in raziskovanjem« (Stanić in Avsec, 2014, str. 177). PU, tudi učenje s poizvedovanjem, je torej ena izmed metod aktivnega učenja, ki bolj poudarja in razvija KM, zastavljanje smotrnih vprašanj, strategije reševanja problemov ter komunikacijske sposobnosti kot usvajanje novega znanja (Eick in Reed, 2002). Kot osrednji cilj PU je tako postavljen
»razvoj učenčevih raziskovalnih sposobnosti in priprava na vseživljenjsko učenje«
(Stanić in Avsec, 2014, str. 177).
3.3.1 Vloga učitelja poizvedovalnem učenju
Smernice v razvoju pedagoškega procesa stremijo k vedno bolj pasivni vlogi učitelja ter vedno bolj aktivni vlogi učenca pri pouku. Poglejmo si, kaj so glavne vloge in naloge učiteljev in učencev pri PU.
Učiteljeva naloga pri PU se razlikuje od nalog pri tradicionalnem pouku. Glavne naloge učitelja pri PU so (Maas in Artigue, 2013, povzeto po Jensterle, 2017):
voditi učence skozi vprašanja in problemsko situacijo,
