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Gestalten, drucken, lernen – 3-D-Druck als 21st century skill

Vor dem Hintergrund einer immer komplexer werdenden und zunehmend technisierten Gesellschaft werden Medienbildung und digitales Lernen auch im Bildungsbereich unabdingbar. Es gibt mehr und mehr hoch spezialisierte Berufsbilder, für die die sogenannten 21st century skills wie digitale Affinität, vernetztes Denken und Problemlösefähigkeit eine zentrale Rolle spielen. Gleichzeitig ist im Hinblick auf aktuelle gesamtgesellschaftliche Themen und Probleme wie den Klimawandel ein interdisziplinäres Denken und Arbeiten notwendig geworden. Ziel der Schulen muss es dabei sein, genau hier anzusetzen, um Schüler*innen auf neue Herausforderungen in der Berufs- und Lebenswelt vorzubereiten.

Ein Beitrag von Aileen Fahrländer

Der 3-D-Druck kann dabei insbesondere in den MINT-Fächern eine innovative Möglichkeit sein, wichtige Fähigkeiten wie systemisches Denken und Problemlösestrategie zu fördern, und bietet durch seine Anschaulichkeit einen ganz entscheidenden Mehrwert. Wichtig dabei ist, dass er (wie alle neuen Medien auch) kein Selbstzweck bleibt, sondern neues Werkzeug im Lerngeschehen wird, dessen Einsatz in ein pädagogisches Konzept eingebettet sein muss.

Intention von MINT-Angeboten in der Schule

MINT-Angebote und somit auch der 3-DDruck sollten im Schul- und im Bildungskontext allgemein unter anderem folgende Intentionen aufweisen und daher inhaltlich sowie didaktisch/methodisch entsprechend ausgerichtet werden:

  • Neugier an MINT wird spielerisch geweckt, es werden alltagsnahe Phänomene erkundet und die Umwelt wird entdeckt.
  • Die Schüler*innen lernen neue Technologien kennen und probieren sie aus.
  • Dabei wird ihr natürlicher Forschungsdrang genutzt.
  • Das Selbstkonzept der Lernenden wird gestärkt.
  • Lehrplan und außerschulische Aktivitäten werden verknüpft.
  • Die Selbstwahrnehmung der Lernenden in Bezug auf die eigenen Kompetenzen wird gestärkt.

Möglichkeiten und Hürden des 3-D-Drucks

Und hier kommen der 3-D-Druck und insbesondere das vorausgehende 3-D-Design ins Spiel. Besonders die hohe Anschaulichkeit, die Haptik, die Möglichkeit, selbst tätig zu werden, sowie das forschende Ausprobieren sind hier als bildungsbezogene Vorteile der Technologie zu nennen. Sollen 3-D-Drucktechnologien in MINT-Angebote integriert werden, ist es aus organisatorischer Sicht sinnvoll, bereits bestehende regionale Angebote zu eruieren und mitunter darauf zurückzugreifen. An vielen Standorten gibt es bereits gut eingerichtete Makerspaces, also offene Jugendwerkstätten, in denen erste Erfahrungen mit dem 3-D-Druck gesammelt werden können. Auch sind an einigen Schulen bereits 3-D-Drucker vorhanden, können jedoch wegen fehlender Expertise der Lehrkräfte teilweise nicht genutzt werden. Hier wird deutlich, dass eine technische, inhaltliche und didaktische Einarbeitung der Lehrkräfte essenziell ist, um die Möglichkeiten, die der 3-D-Druck im Bildungsbereich bietet, voll ausschöpfen zu können. Da außerdem die Anschaffung von 3-D-Druckern oft mit höheren Kosten verbunden ist, ist auch unter diesen Gesichtspunkten die Kooperation mit Druckwerkstätten sinnvoll.

So kann 3-D-Druck ins Curriculum eingebettet werden

Der 3-D-Druck lässt sich in nahezu jedem Fach und jeder Klassenstufe sinnvoll und mit Alltagsbezügen in den Lehrplan integrieren:

mit mathematischen Methoden Schmuck
oder Origami-Vasen designen

Bilder und Karten durch Übertrag von 2-D
in 3-D für Blinde „sichtbar“ machen

geometrische Modelle und Zeichnungen
erfahrbar machen

Ersatzteile für Spielzeug drucken

einfaches Modell eines künstlichen Gelenks drucken, Bewegungen und Strukturen sichtbar machen

Kunst – Design, Alltagsbezüge
Mathematik – Symmetrien

Gemeinschaftskunde, Ethik – Inklusion, Teilhabe
Geografie – Topografie, Reliefkarten

Mathematik – Verläufe von Graphen im dreidimensionalen Koordinatensystem; geometrische Darstellungen

Technik, Physik – Funktionsweisen verstehen, Mechanik

Sport, Physik – dreidimensionale Bewegungsmodelle
Chemie – Molekülstrukturen

Gefahrenanalyse der Drucker

Im Bereich des 3-D-Drucks gibt es zahlreiche Druckverfahren und -materialien, deren Auswahl je nach Anwendungsbereich der zu druckenden Modelle erfolgt. Folgende Fragen spielen beispielsweise bei der Auswahl eine Rolle:

  • Soll das Modell besonders robust oder witterungsbeständig sein?
  • Ist es wichtig, dass das zu druckende Material ungiftig ist?
  • Ist eine besonders lange Haltbarkeit des Modells nötig?
  • Wie lange darf die Druckzeit sein?

Da im Bildungsbereich sowohl das Verfahren als auch das Druckmaterial vollständig ungiftig und ungefährlich sein muss, wird fast immer der FDM-Druck verwendet. Bei diesem Verfahren wird mit fast vollständig biokompatiblen Kunststoffen gedruckt; außerdem wird das Druckbett nur ca. 60 °C heiß, sodass keine Verbrennungsgefahr besteht. FDM-Drucker sind relativ leicht zu bedienen und zu warten und erfordern keine besonderen Standortbedingungen. Bei der Auswahl der zu druckenden Modelle ist wiederum darauf zu achten, dass die Druckzeiten für den Einsatz in der Schule nicht zu lange sind.

Praktikabilitätsanalyse der Software

Wie bei den Druckverfahren gibt es auch in der Auswahl der Software für das 3-D Design Unterschiede. Software, die im Bildungsbereich eingesetzt werden soll, muss intuitiv sein, darf zumindest für Einsteiger*innen und jüngere Kinder kein Vorwissen oder großes technisches Know-how erfordern und sollte im Idealfall recht anschaulich sowie kostenlos sein. Aufgrund dieser Kriterien findet vor allem die Software Tinkercad Anwendung. Tinkercad funktioniert nach dem Baukastensystem, indem einfache geometrische Grundformen per Drag-and-drop zu Modellen zusammengefügt werden – entweder durch Festkörper oder durch sogenannte Bohrungen (Hohlformen). Die Software eignet sich daher explizit für 3-D-Design Einsteiger*innen,
ist aber nur begrenzt für die Konstruktion komplexerer Modelle geeignet. Eine Alternative bietet Onshape. Onshape ist ebenfalls eine kostenlose, webbasierte CAD-Software; im 

3-D-Druck lässt sich in nahezu jedem Fach sinnvoll integrieren, etwa in Kunst mit dem Design einer Vase

Gegensatz zu Tinkercad wird bei Onshape ein 3-D-Körper mittels einer 2-D-Skizze durch Extrusion oder Rotation erzeugt. Dieser Zugang ist weniger intuitiv als bei Tinkercad, dafür bietet Onshape aber deutlich mehr mathematische Hilfsmittel bei der Modellerstellung, etwa die Konstruktion von Mittelpunkten, Tangenten und Parallelen, und lässt sich somit im Bildungsbereich ab Klasse 8 sinnvoll einsetzen.

Mehrwert von 3-D-Druck im Schulalltag

Die Implementierung des 3-D-Drucks kann im Schulalltag eine entscheidende Bereicherung darstellen. Durch offene und kreative Zusammenarbeit kann die Begeisterung der Schüler*innen insbesondere für die MINT-Fächer gefördert werden und innovative Ideen können entstehen. Durch den praktischen und haptischen Umgang mit den gedruckten Objekten kann räumliches Denken gestärkt werden, technische Funktionsweisen sind leichter verständlich (hohe Anschaulichkeit; Raumerfahrung). Die Möglichkeit, ein Projekt oder eine Aufgabe von der Planung bis zur Realisierung zu begleiten, ist extrem motivierend und erlaubt einen konstruktiven und offenen Umgang mit Fehlern. Heuristische Problemlösestrategien sind möglich (Trial and Error, Optimierung von Ergebnissen). Interdisziplinäres und damit kontextualisiertes und alltagsbezogenes Lernen ist möglich, Berufsbezüge können realistisch aufgezeigt werden. Der Review Cycle (im Prinzip der Forschungskreislauf) kann deutlich gemacht werden. Das Betrachten und Anfassen von 3-D-Objekten erhöht inhaltliches Verständnis, Inhalt wird „greifbar“. Daten bleiben besser im Gedächtnis. Im Sinne der Multisensorik ist eine Verknüpfung mit auditiven und pneumatischen Daten denkbar; es ist eine große Dichte an Daten „auf einen Blick“ erfahrbar. Körperliche Datenrepräsentation kann als Modernisierung der Kulturtechnik angesehen werden (Sumerer verwendeten beispielsweise Lehmbrocken zur Mengendarstellung). Und letztlich hat 3-D-Druck ein enormes Begeisterungspotenzial.

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