使用3D打印机制造开源教具，成本降低超90%

毫无疑问，无论是在幼儿园还是大学阶段，3D打印都能提高教育的质量和效果。在过去的十年里，基于丝材的3D打印机和材料的成本已经大幅下降，3D打印在教育中的质量、可获得性和可用性都得到了改善，这主要得益于开源工具、文件和信息。

△毕达哥拉斯定理学习辅助工具，图片由MDPI期刊、2020年11月和密歇根理工大学提供

在密歇根理工大学最近发表的一项研究中，研究人员发现，通过使用低成本的3D打印机（RepRap）打印开源设计，而不是直接购买价格较高的商业化学习辅助工具，教师（甚至家长或社区）可以为教育者节省86%的学习辅助工具成本。

市面上有几款价格在200美元以下的桌面3D打印机，生产出来的零件质量也很合理，使用myminifactory等平台上的开源设计文件打印高质量的学具，半天就可以轻松收回投资成本。事实上，即使学校要投资更昂贵的商用3D打印机，按照研究人员的说法，也有可能在前100天本身就能收回投资。

这种方法还可以实现学习教具的分散供应和按需制造：世界上任何拥有3D打印机的人都可以访问设计并打印出来。对于投资者来说，投资开发教育开源教具的投资回报率平均在100%以上。

该研究报告由材料科学与工程和电气与计算机工程教授Joshua Pearce博士共同撰写，他在开源硬件尤其是3D打印在教育领域的研究和工作非常著名。他的举措之一包括 "开源实验室"，使学生和研究人员能够3D打印自己的实验室设备或用品，降低成本，提高使用效率，使研究摆脱传统实验室设备或实验室用品的限制。它还使研究人员能够设计和3D打印定制的实验室设备，并在网上分享这些设备，从而也鼓励开放创新。

△脊柱学习助手，图片由MDPI期刊和密歇根理工大学提供

在这项研究中，详细分析了学习辅助器设计的经济可行性（考虑到3D打印和组装成本）。研究人员在这项研究中考虑了38种学习辅助工具，结果显示，通过3D打印每种学习辅助工具的开源设计，教育工作者可以为每种学习辅助工具节省4.5万美元（根据下载次数计算），可以为全球教育工作者节省170万美元（38种工具的总节省成本）。

△3D打印与零售产品成本对比，图片由MDPI杂志和密歇根理工大学提供

在选择学习辅助设计时，选择了MyMiniFactory上提供的初中到高中的关键科目：化学、生物、设计、技术、物理、数学、地理、历史，每个子类别选择两个设计。同时对每个设计的下载频率（本研究中使用的学习辅助设计平均下载次数超过1500次）和可用性进行了评估。此外，我们还找到了亚马逊上的同类产品，并将其用于比较。本研究选择了五个最具代表性的模型，分别是一个时钟、一个大脑、一个毕达哥拉斯视觉辅助工具、一个脊髓和一个内燃机。

△内燃机学习辅助工具，图片由MDPI杂志和密歇根理工大学提供

测量了打印这五种产品的材料和水电成本，并与亚马逊上的同等商业产品进行了比较。在比较3D打印产品与零售产品的经济可行性时，研究人员核算了零售产品的所有成本（包括研发、广告、包装、运输、质保等），同时也要看这些学习辅助工具为教师或课堂的终端用户增加了价值。例如，广告是亚马逊零售的学习辅助产品价格中包含的一项成本。然而这个成本并没有给教育者增加任何价值，尽管他们必须为此支付费用才能获得产品。而使用3D打印、开源的学习辅助工具，就不需要支付这样的成本--只需要核算制造成本，直接为教育者增加价值。

有趣的是，通过3D打印学习辅助工具所节省的成本（与通过零售购买消费品相比）如何与 "维生素 "或任何额外/附加材料的成本相关联，用于制作学习辅助工具。对于像螺丝钉这样的教具，大部分由单一的3D打印材料制成，节省的成本高达99.92%! 然而，对于像摆锤波浪机这样的教具，在3D打印部件之外，还使用了额外的部件或材料，节省的成本降到了30.4%。总的来说，从绝对值来看，3D打印学习辅助工具的平均制作成本为3.10美元，而同等消费产品的购买成本接近30美元。

△脑模型学习辅助工具，图片由MDPI杂志和密歇根理工大学提供

这样的学习辅助工具还可以将发明或创造的元素引入学习，提供一种所有人都能接受的实践方法，并赋予学生或教育者开发自己的教育工具的能力。这样的学习辅助工具也可以相当复杂，如基于超声波的导航支持系统，或其他用于高级科学课的系统（如光学机械系统、生物粘附等）。这些已经被应用于各种教育领域，从医学教育、解剖学、假肢、特殊教育、历史和文化教育到地球科学、工程、STEM课程、可持续发展教育、机电一体化，甚至是构建机器人硬件或3D打印机组件。

低成本、基于开源的分布式制造不仅提高和改变了学习效率和灵活性，也为全球教师个人和学生带来了巨大的经济价值。仅仅是打印本研究中考虑的38种学习辅助工具（按照在全球范围内平均被下载了1500次计算成本），教育工作者每年就可以节省45万美元，平均每个学习辅助工具每年节省11822美元。那么其他的好处呢，通过3D打印机成为可能？正如研究报告所说。

现在打印物体的机会可以给学生带来一些期待，此外，学生们还可以设计自己的物体，可以为教室或年龄较小的孩子们制作，帮助主动学习者。一般来说，初次接触3D打印机的学生都喜欢看打印机发挥它的魔力，制作物体。年幼的学生会问一些关于打印机的问题，如 "它要多热才能把塑料熔化？"、"它怎么知道怎么打印出我们想要的东西？"等。学生对机器本身充满好奇，会去触摸打印床或丝线。3D打印机（甚至使用它们）可以作为学生良好行为或成绩的奖品或奖励。最后，它可以引导已经毕业的学生按照开源模式回馈他们成长的学校。教室里的这些设备让学校有了更高的科技感。这最终可能会提升教育质量（如评级），吸引更多的学生（如资金）。(Pearce, M Joshua, 'The Economics of Classroom 3D printing of Open-Source Digital Designs of Learning Aids', MDPI Journal, November 2020)

当然，教育工作者要充分实现这些节约还存在挑战，因为学校或机构的IT系统需要允许可靠、安全地访问开源平台和设计，教育工作者需要接受培训，以有效地使用3D软件和工具，并在数字平台到物理平台之间轻松浏览。而这正是Joshua Pearce在开源教育方面的工作，以及其他一些教育领域的开源、3D打印的举措，正在推动教育工作者和学生们的这种急需的转变。


编译自：3dprint