SS24- Erstellung von Manipulatives für den Mathematikunterricht mit dem 3D-Drucker

Bevor Sie sich für dieses Seminar entscheiden, lesen Sie sich den folgenden Text gut durch. Es wird erwartet, dass Sie die Informationen im Seminar präsent haben.

Allgemeines Link zu Überschrift

In diesem Seminar werden wir uns mit dem Erstellen von Manipulatives für den Mathematikunterricht mit 3D-Druck befassen. Dafür werden wir zu Beginn Zielsetzungen und Grundlagen für die Materialerstellung festlegen und besprechen, und dann konkrete Modelle mithilfe von OpenSCAD erstellen und mit dem PrusaSlicer druckfähig machen.

Manipulatives Link zu Überschrift

3D-gedruckte Manipulatives haben hohes Potenzial, komplexe Probleme zu veranschaulichen oder greifbar zu machen. Indem Mathematik anfassbar gemacht wird (siehe EIS-Prinzip) erhalten die Schüler*innen die Möglichkeit, von neuen Perspektiven auf mathematische Inhalte zu schauen. Gleichzeitig ist das Erarbeiten von Manipulatives für angehende Lehrkräfte eine hervorragende Möglichkeit, die eigenen didaktischen Kompetenzen nicht nur anzuwenden, sondern auch zu vertiefen.

Essenziell ist dabei immer: Manipulatives muss einen Zweck erfüllen. Dieses Ziel muss Ihnen beim Erstellen klar sein. Zusätzlich dazu ist 3D-Druck nicht eine Möglichkeit, um “einfach alles” zu drucken, denn so ein Drucker kostet mehrere Hunderte bis Tausende Euro. Es muss also auch eine Notwendigkeit für den 3D-Druck bei den Manipulatives vorhanden sein; Gibt es sowas vielleicht nicht zu kaufen? Können Sie damit Spezialfälle abdecken, die Sie sonst nicht abdecken können? Diesen und weiteren Fragen müssen Sie sich stellen.

Technisches - Modelle erstellen Link zu Überschrift

Erstellt wird unser Modell im Programm OpenSCAD. Mithilfe von OpenSCAD lassen sich, anders als vielleicht bei anderen blockbasierten Sprachen oder Modellierprogrammen, mathematisch genaue Berechnungen durchführen und exakte Modelle erstellen. Gleichzeitig sind wir mit diesen in der Lage, auch mächtigere Werkzeuge wie Schleifen oder Verzweigungen zu nutzen. Kenntnisse über Programmierung sind von Vorteil, aber nicht nötig.

Technisches - Modelle vorbereiten Link zu Überschrift

Sobald ein Modell aus Blender exportiert wird muss es für den Druck noch vorbereitet werden. Ein 3D-Drucker ist hardwareperspektivisch höchst filigran und leistungsstark, aber softwaretechnisch führt dieser “nur” Befehle aus. Diese Befehle erhält er von einem sogenannten “Slicer”, welcher ein 3D-Modell für den Druck vorbereitet. Der Slicer, wie der Name schon vermuten lässt, nimmt ein Modell und schneidet es in Schichten. Der Drucker kann immer nur eine Schicht nach der anderen drucken. Was genau der Drucker aber an welcher Stelle drucken soll, sagt ihm der Slicer. Der im Seminar empfohlene und behandelte Slicer ist der PrusaSlicer.

Technisches - Geslicete Modelle drucken Link zu Überschrift

Wir haben im Seminar sieben (sechs aktive) Drucker zur Verfügung der Marke “Prusa 3D”: Einen MK3S, zwei MK3S+, und vier Prusa Mini+. Diese Drucker sind in der 3D-Druck Szene verbreitet, gut dokumentiert, und haben viele Features, die sie sehr wartungsarm und gut umgänglich machen. Mit dem Drucker ist aber immer vorsichtig umzugehen. Mit über 200° C wird heißes Plastik (PLA-Filament auf Basis von Maisstärke) auf eine warme Metallplatte gedruckt. Während des Drucks kann vieles gut gehen, einiges aber auch schief, weshalb Sie bei Ihren Drucken immer anwesend sein müssen. Wenn Sie Modelle haben, die insgesamt 9h drucken, so müssen Sie auch insgesamt 9h beim Drucker anwesend sein. Beispiele für schiefgegangene Drucke, die auch am Ende von langen Druckzeiten auftreten, sehen Sie hier: Youtube.

Anforderungen Link zu Überschrift

Da es sich um ein mathematikdidaktisches Vertiefungsseminar handelt müssen Sie die laut Ihrer Studienordnung erforderlichen Module, die vorausgesetzt werden, erfolgreich abgeschlossen haben.

Sie benötigen kein Vorwissen zu 3D-Druck oder Programmierung. Alles Wichtige werden Sie im Seminar lernen. Von Ihnen wird aber im Seminar verlangt, dass Sie sich in die teils komplexen Programme einarbeiten. Es handelt sich hier um ein Hands-on Seminar zur Anwendung und Vertiefung mathematikdidaktischer Kenntnisse. Um Materialkosten zu decken werden zu Beginn von allen Teilnehmenden 5 € eingesammelt.

Literatur zum Weiterlesen Link zu Überschrift

Dilling, F., Pielsticker, F., Schneider, R. & Vogler, A. (2022). 3D-Druck im empirisch-gegenständlichen Mathematikunterricht. MNU-Journal, 2022(01), 37-45.
Dilling, F., Milicic, G. & Vogler, A. (2022). Algorithmen mit Computer-Aided Design erkunden - Ideen für den Mathematikunterricht. MNU-Journal, 2022(01), 53–65.
Gente, R. (2022). Sternstunden mit linearen Funktionen. MNU-Journal, 2022(01), 45–49.
Hausegger, P. (2022). 3D-Druck und CAD-Programme im MINT-Unterricht. MNU-Journal, 2022(01), 7-14.
Witzke, S., Weidenhiller, P. & Nerdel, C. (2022). 3D-Druck zur Förderung des Erkenntnisgewinnungsprozesses in den Naturwissenschaften. MNU-Journal, 2022(01), 65–70.