3D Druck in Bildung und Schule

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Im 20. Jahrhundert galt der Einsatz des Fließbandes als große Revolution. Plötzlich konnten zahlreiche Produkte zu geringen Kosten produziert werden. Im 21. Jahrhundert hat sich jetzt eine Abkehr von der Massenproduktion herauskristallisiert. Mit dem 3D-Druck können individuelle Produkte zu relativ geringen Kosten in automatisierten Vorgängen produziert werden. Es ist anzunehmen, dass diese Produktionstechnologie die heutige Fließbandarbeit ablösen wird und das dominierende Produktionsverfahren wird. Auch wenn der 3D-Druck heutzutage eher noch experimentell und noch nicht flächendeckend eingesetzt wird, ist dieser dennoch eine große Chance und zugleich eine Herausforderung. Damit Kinder schon mit dieser neuen Technologie vertraut werden und später im Berufsleben mit dieser Technik besser zurechtkommen, ist es sinnvoll, wenn diese bereits in den Schulen integriert wird.

Doch wie genau findet der 3D-Druck zurzeit in Schulen statt und wie kann dieser sinnvoll eingesetzt werden? Schließlich sind die Kosten derzeit noch relativ hoch und die Anschaffung professioneller 3D-Drucker mit hohen Investitionen verbunden. Sind diese Kosten gerechtfertigt und bieten die 3D-Modelle direkte Vorteile im Unterricht? Auf diese und weitere Fragen gehen wir in diesem Artikel ein.

Das Wichtigste in Kürze:

Der 3D-Druck wird voraussichtlich das dominierende Produktionsverfahren der Zukunft sein, da er individuelle Produkte zu relativ geringen Kosten in automatisierten Vorgängen produzieren kann.
Digitale Medien sollten in jeder Schule zum gängigen Lernmaterial gehören. Dazu gehört auch der Einsatz von 3D-Druckern, die Schülern eine bessere räumliche Vorstellung und kognitive Entwicklung ermöglichen können.
Der 3D-Druck kann sehr vielfältig und fächerübergreifend eingesetzt werden, insbesondere im Kunst- und Technikunterricht.
Durch den 3D-Druck können Schüler maßgeblich an der Gestaltung der Modelle teilnehmen, was die Kreativität und das kritische Denken verbessern kann.
Workshops und Kooperationen mit Universitäten und Fab-Labs bieten Schülern die Möglichkeit, den 3D-Druck kennenzulernen, auch wenn die Schule selbst noch nicht über entsprechende Geräte verfügt.

Der 3D-Druck in Schulen

Digitale Medien sollten in jeder Schule zum gängigen Lernmaterial gehören. Schließlich ist die Welt zunehmend immer mehr vernetzt und vieles findet digital statt. Damit Schüler auf diese Realität vorbereitet werden, gehört der Einsatz von digitalen Unterrichtsmaterialien heutzutage zum Alltag. Dazu gehören spezielle Tafeln, Tablets oder PCs, die während des Unterrichts genutzt werden.

Innerhalb dieses Bereichs nimmt der 3D-Druck eine Sonderrolle ein. Während die herkömmlichen digitalen Medien eine weite Verbreitung gefunden haben, ist der 3D-Druck für viele Schulen noch ein sehr neues Medium. Dabei werden die neuen Medien nicht zum Selbstzweck eingesetzt.

Sie werden als Werkzeug genutzt, um Lerninhalte besser zu vermitteln und die Schüler an die neuen Technologien heranzuführen. Der 3D-Druck kann dabei sehr vielfältig und fächerübergreifend eingesetzt werden. Gerade im Kunstunterricht ergeben sich sehr viele Chancen, die durch die Schulen erschlossen werden sollten.

Aus diesem Grund ist in NRW fest verankert, dass digitale Medien, darunter fällt auch der 3D-Druck, im Unterricht eingesetzt werden sollen. Auch wenn der derzeitige Einsatz nur in Einzelfällen möglich ist, soll dies in Zukunft ausgebaut werden.

Chancen für die Schule

Doch weshalb lohnen sich die hohen Investitionen in den 3D-Druck für Schulen?

Grundsätzlich soll der 3D-Drucker als Lernmittel eingesetzt werden. Dabei ist er nicht nur als herkömmlicher Drucker zu sehen, welcher ein fertiges Produkt ausdruckt, sondern die Schüler sollen maßgeblich an der Gestaltung der Modelle teilnehmen. Somit steht nicht nur das fertige Modell im Vordergrund, sondern auch der Prozess, der zu dem Ergebnis führt. Um auf die Komplexität der Modelle Rücksicht zu nehmen, können dabei komplett neue Modelle entworfen, oder vorhandene Modelle abgewandelt werden.

Als Vorteil wird hier vor allem gesehen, dass nicht mehr nur zweidimensionale Abbildungen möglich sind. Während bisherige Veranschaulichungen vor allem in Papierform üblich wahren, bieten dreidimensionale Modelle auch physische Berührungspunkte.

Schüler können damit die Modelle greifen und diese besser wahrnehmen. Dies bietet einen entscheidenden Vorteil, wenn die Räumlichkeit wesentlich ist, oder auch Bewegungen nachvollzogen werden sollen.

Für Schüler sind sie in der Regel auch interessanter. Dies bedeutet, dass Schüler den Modellen eine höhere Aufmerksamkeit widmen und besser dem Unterricht folgen. Dadurch erhöht sich der Lernerfolg und das Wissen kann besser vermittelt werden.

Didaktische Aspekte

Die räumliche Vorstellung und dessen Erfahrungen sind ein zentraler Bestandteil für die Entwicklung der kognitiven Fähigkeiten. Bei der Verwendung von zweidimensionalen Unterrichtsmaterialien wird das räumliche Verständnis kaum gefördert.

Durch den Einsatz von 3D-Modellen kann jedoch die kognitive Entwicklung gefördert werden, wenn der Einsatz sinnvoll erscheint.

Im Geografieunterricht können beispielsweise Karten im 3D-Modell besser die Höhenverläufe darstellen. Dadurch wird den Schülern die Ausmaße eines Gebirges oder die Tiefe des Ozeans besser vermittelt. Die räumliche Vorstellung von Längeneinheiten verbessert sich und die Karte ist für Sie besser greifbar.

In der Chemie können im dreidimensionalen Raum zum Beispiel Moleküle dargestellt werden. Schüler können hierbei selber bestimmte Vorgänge bestimmen und besser nachvollziehen, weshalb bestimmte Reaktionen von Stoffen zur Bildung von neuen Molekülen führt.

Bewegungsmodelle im Sportunterricht zeigen die Bewegungen der Gelenke an. Der Unterschied zwischen dem Schulter- und dem Kniegelenk wird besser verstanden und kann durch praktische Bewegungsausführungen am Modell besser nachvollzogen werden.

Dies sind nur wenige Einsatzmöglichkeiten im Unterricht. Hierbei sind der Kreativität der Lehrer praktisch keine Grenzen gesetzt und so können die Schüler aktiv den Unterricht gestalten und die Ergebnisse an Hand der Modelle besser nachvollziehen. Die Aufmerksamkeit ist höher und die Schüler folgen dem Unterricht sehr viel zielgerichteter.

Der 3D-Druck im Kunst- und Technikunterricht

Die meisten Vorteile des 3D-Drucks ergeben sich im Kunst- und Technikunterricht. Da beim Kunstunterricht die Gestaltung sehr frei ist und von den Schülern erwartet wird selber Modelle zu fertigen, ist der 3D-Druck ein hervorragendes Medium, um der Kreativität Ausdruck zu verleihen.

Besonders werden hierbei die Bereiche der Architektur, Design oder plastisches Gestalten hervorgehoben. Als Grundlage beginnen die Schüler mit Skizzen, die weiterentwickelt werden, um im Ergebnis am 3D-Drucker verwirklicht werden können. Für eine tiefergreifende Gestaltung ist eine Computerunterstützung sinnvoll. So kombinieren Schüler sowohl händisch gezeichnete Skizzen als auch computergenerierte Modelle.

Im Technikunterricht entweder an weiterführenden- oder Berufsschulen können komplexere Themen durch den 3D-Druck veranschaulicht und vereinfacht werden. Hier können zum Beispiel CAD-Programme helfen, die Modelle zu kreieren und im Druck zu verwirklichen. Hierbei dienen die Modelle nicht nur der Veranschaulichung, sondern es können auch die Funktionen erprobt werden. So kann direkt erkannt werden, ob das Modell noch verbesserungswürdig ist oder bereits voll funktionsfähig nutzbar. Dies fördert den Umgang mit CAD-Programmen und das räumliche Denkvermögen.

Doch welche bereits vorhandenen Beispiele zeigen, wie der 3D-Druck im Unterricht eingesetzt werden kann und welche Vorteile ergeben sich daraus?

Mehr Kreativität durch 3D-Druck

In Australien ist der Einsatz der 3D-Drucker in sogenannten „Makerspaces“ an Schulen mit Fokus auf den MINT-Fächern schon länger im Gange. Dadurch lassen sich die Auswirkungen und der Erfolg der neuen Technologie besser erörtern. Um zu sehen, welche Vorteile sich durch die 3D-Drucker ergeben, haben 27 Lehrer und über 500 Schüler in einer großen Studie teilgenommen, die erörtern sollte, welchen Einfluss der 3D-Drucker im Unterricht hat.

Die Studie erstreckte sich über ein Jahr und begann im August 2017. Grundlage der Studie war der Umgang mit der Modellierungssoftware von Makers Empire.

Schüler haben mithilfe der Software die Modelle selbst frei gestaltet und anschließend im 3D-Druck umgesetzt. Die Studie kommt hierbei zu dem Ergebnis, dass die Kreativität, das kritische Denken und die digitalen Fähigkeiten der Schüler verbessert wurden.

Herausragend ist hierbei, dass weniger leistungsfähige Schüler Ihr Selbstvertrauen und das kritische Denken verbessern konnten. Damit haben Sie sich besser in den Klassenverbund integriert und insgesamt hat sich die Lernatmosphäre verbessert.

Doch nicht nur für die Schüler, sondern auch für die Lehrer ergeben sich Vorteile im Umgang mit der neuen Technologie. So sind die Lehrer nun selbstbewusster im Umgang mit den 3D-Druckern und generell offener für neue Technologien. Auch die Zusammenarbeit mit den Schülern hat sich verbessert. Denn durch den gesamten Prozess des kreieren, eines 3D-Modells lernen die Lehrer die Schüler besser kennen und können auf die individuellen Bedürfnisse besser eingehen. Es findet also viel mehr eine Zusammenarbeit statt und kein Frontalunterricht.

Mehr als 90 Prozent der Schüler haben zudem angegeben, dass Sie auch nach der schulischen Ausbildung mit großem Interesse den 3D-Druck oder zumindest das Design verwenden möchten. Einige der Schüler können sich zudem vorstellen den 3D-Druck später im Berufsleben zu verwenden.

Schulessen aus dem Drucker

3D-Drucker sind eher dafür bekannt, Modelle und andere Materialien zu verarbeiten. Diese sind nicht essbar und eher als Anschauungsobjekt von Interesse.

Als Neuheit gibt es aber auch immer mehr 3D-Drucker, die für den Einsatz von Lebensmitteln zugelassen sind. Mit Hilfe dieser Drucker können beispielsweise Pfannkuchen und andere einfache Gerichte hergestellt werden. Darunter zum Beispiel Schokolade oder auch Pizza.

An einer Schule in Ost-London sollen mit Hilfe der Gerichte aus dem 3D-Drucker mehr Schüler für die MINT-Karriere begeistert werden. Der Fachkräftemangel sorgt für ein großes Problem in den Unternehmen und diese suchen händeringend nach gut ausgebildeten Ingenieuren. Mit Hilfe dieser kreativen Lösung sollen mehr Schüler diesen Karriereweg einschlagen.

Konkret geht es in diesem Beispiel um die Grundschule St. Helen. An dieser können sich die Schüler das Essen selber am 3D-Drucker ausdrucken. So können Chips, Fisch und sechseckige Bohnen gedruckt werden.

Die Kinder sollen auf diese Weise an die neue Technologie herangeführt werden. Mit großen Erfolg, wie eine Umfrage unter den Schülern zeigte. So befürwortet eine große Mehrheit, dass der 3D-Drucker auch im regulären Unterricht vermehrt eingesetzt wird.

Doch St. Helen im Osten Londons ist nicht das einzige Beispiel für Nahrung aus dem 3D-Drucker. In den Niederlanden gibt es ein komplettes Restaurant, dass sich auf die Nahrung aus dem 3D-Drucker spezialisiert hat. Zahlreiche Forscher aus China und Südkorea arbeiten zudem daran, dass zukünftig noch mehr Speisen aus dem 3D-Drucker entstehen können. So ist es vorstellbar, dass in Zukunft sehr individuelle Speisen entstehen können und in der Schulkantine bald nur noch solche Drucker für die Essensausgabe verantwortlich sind.

Workshops für Schüler

Da die moderne Technologie noch nicht fest im Alltag an den Schulen integriert ist, wird vielen Schülern der Zugang über spezielle Workshops ermöglicht. Mit Hilfe dieser können an diesen mehrtägigen Veranstaltungen ein intensiver Kontakt stattfinden.

Innerhalb der Workshops erlernen die Schüler den kompletten Umgang, von der Erstellung des Modells bis zum Druck. Die Objekte, wie Stifthalter oder andere Modelle, können im Anschluss nach Hause genommen werden.

Besonders vorteilhaft ist zudem die Integration von bestimmten Scantechniken. So können zum Beispiel Ritterrüstungen eingescannt und diese im Anschluss als kleines Modell gedruckt werden. So erhalten die Schüler einen ersten Zugang zu dieser modernen Technologie.

In den meisten Fällen basiert diese Zusammenarbeit mit bestimmten Fab-Labs, welche die Geräte zur Verfügung stellen und den Workshop leiten. Aber auch Universitäten bieten solche Workshops an. Für interessierte Schulklassen ist dies eine hervorragende Möglichkeit die Zukunftstechnologie zu nutzen, selbst wenn die Schule noch nicht über entsprechende Geräte verfügt.

Fazit

Der 3D-Druck wird gerne als Revolution des 21. Jahrhunderts bezeichnet und ihm wird nachgesagt, dass er einen ähnlichen Einfluss auf die Produktion haben wird, wie die Einführung des Fließbandes. Daher ist es nur verständlich, wenn Schüler bereits an diese zukunftsversprechende Technologie herangeführt werden. Schließlich ist dies die neue Generation, die mit hoher Wahrscheinlichkeit am künftigen Arbeitsplatz mit den 3D-Druckern arbeiten werden.

In Schulen in Deutschland ist die Einführung der 3D-Drucker noch eher verhalten. Schließlich sind damit hohe Investitionen verbunden und der Einsatz der digitalen Medien steht zwar auf sämtlichen Lehrplänen, die Realisierung läuft aber noch schleppend.

Anders sieht dies in anderen Ländern aus. Hier zeigen praktische Ergebnisse und Studien, dass durch die Integration des 3D-Drucks und der Modelle die kreativen Fähigkeiten und das kritische Denken gesteigert werden können. Schüler folgen dem Lehrstoff aufmerksamer und der Lernerfolg wird merklich verbessert. So können selbst komplexe Sachverhalte wie bestimmte Gelenke und deren Bewegungen besser veranschaulicht werden.

Andere Berührungspunkte bestehen in der Kantine, wo durch den Einsatz der 3D-Drucker das Interesse an dieser Technologie geweckt werden soll. Einfache Gerichte können komplett ausgedruckt werden.

Abschließend bewerten viele Experten, dass es nur noch eine Frage der Zeit sei, bis 3D-Drucker zum Alltag in Schulen gehören. Schließlich können diese den Unterricht und die Vermittlung von Lerninhalten maßgeblich vereinfachen.