使用3D列印教導盲人學生

本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點

盲人學生學習視覺概念的方式與視力正常的同齡人不同。諸如凸線圖之類的觸覺圖形長期以來一直用於幫助有視覺障礙的學生，但是簡單地在為視力正常學生設計的圖形上增加第三維度，會帶來許多假設——例如關於透視的假設——這些假設與盲人學生理解世界的方式不同步。 

洛杉磯教育工作者邁克·切維裡和洛爾·辛德勒是3D印表機的早期採用者，他們使用3D印表機為視障學生建立模型，以學習抽象的數學和科學概念。兩年前，我們遇到了切維裡（藝術與科學院山谷分校的視障教師）和辛德勒（洛杉磯聯合學區視障技術專家）。我們將他們與一群希望進行夏季3D列印專案的帕薩迪納城市學院學生聚集在一起。我們指導了這個小組，並決定建立一個學校的觸覺地圖，該學校有很多視障學生。

觸覺地圖使用凸起的符號、盲文和結構輪廓，使盲人能夠在空間中導航。這張地圖是為年幼的盲人學生設計的，供他們在學習導航校園時使用。當時正在出現一些標準，描述3D列印盲文的最佳方法以及地圖上使用的符號，但在很大程度上，我們不得不邊走邊發明。這並非總是順利。有一次，我們認為我們會發明一個符號來表示門口的位置，結果成功使用了現有的“女士洗手間”符號。哎呀。

關於支援科學新聞

如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續報道關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。

建立物理和抽象資訊混合的3D模型，例如帶有房間號和註釋（如我們在上一段中提到的地圖）的兩層學校，需要在包含多少資訊方面做出很多權衡。很容易建立無法辨認的盲文點和物理模型細節的密集區域。任何表示——即使是對像建築物這樣並非特別抽象的事物的表示——也必須有點像卡通，強調某些事物而忽略其他事物。

當然，並非只有我們才在考慮這個問題。切維裡與其他教師合作，製作了他學生居住的社群的3D列印地圖、哈勃太空望遠鏡的模型以及簡單的數學模型，例如直尺和量角器。他目前正在教一位盲人學生使用名為OpenSCAD的基於文字的設計軟體來建立螺釘和螺栓的設計。而且這並非唯一的此類努力。盲人物理學本科生切爾西·庫克的感人2013

TedX演講講述了她在弗吉尼亞理工大學透過3D列印物體學習物理和數學的經歷，這清楚地表明瞭這項技術的潛力。

我們曾幫助指導帕薩迪納的學生製作了一些模型，但在接下來的兩年裡，我們一直在探索如何幫助將3D可列印設計提供給所有需要它們的視障學生教師。3D列印過程的第一步是生成可列印的計算機輔助設計檔案，稱為立體光刻 (STL) 檔案。有很多網站提供免費的 STL 檔案下載，但是教師找到他們想要的確切檔案的機率很低，並且這些檔案的質量可能參差不齊。我們發現，視障學生的教師通常沒有時間學習使用計算機輔助設計軟體或搜尋現有檔案。但是，許多人可以使用 3D 印表機，如果他們有設計，就可以打印出來。

然而，有一群人確實有時間製作 3D 可列印設計，那就是學習 3D 列印或 3D 設計的學生。許多學校、圖書館和類似的團體在過去一兩年裡已經開始建立創客空間或 3D 列印實驗室，他們都需要用他們的新技術做一些事情。在我們看來，顯然有必要將視障學生的教師與正在尋找使用他們購買的 3D 印表機方法的學校聯絡起來。

我們參加了2016年Hackaday Prize競賽，旨在在全球範圍內建立這樣一個社群。Hackaday Prize 的組織者表示，他們鼓勵使用硬體、程式碼、科學研究、設計以及電氣和機械能力來為世界帶來積極的改變。我們的參賽作品建立了一個公共的Google Group，我們可以在其中幫助教師釋出設計請求。教師、圖書管理員或其他有學生尋找 3D 列印專案的人可以認領建立這些設計。我們記錄了與請求者合作建立模型的技巧，這些模型在（就它們應該代表的內容而言）是準確的、易於可靠列印的，並且對盲人有用。

為了演示這個過程，我們滿足了一位老師的要求，設計了不同形狀的物體——圓錐體、圓柱體等等——它們都具有相同的體積。老師們希望這些物體是空心的，並且有一個開口側，這樣學生就可以將水從一個物體倒入另一個物體，以證明內部體積相同。但他們也希望有一種方法來完成形狀，我們透過為每個物體建模一個可移動的蓋子或底座來解決這個問題。我們知道人們會希望在各種不同的 3D 印表機上列印它們，並且可能使用不同的材料，因此設計需要考慮到這一點。最後，老師們要求我們鈍化尖銳的點（如圓錐體的尖端），使盲人可以舒適地處理它們。我們透過在圓錐體和金字塔等尖頭物體的頂部新增一個小球來實現這一點。截至 11 月 6 日，開源設計已被下載 729 次。

該專案被選為半決賽入圍者——最高榮譽授予了為搜尋和救援行動設計的模組化機器人。但除了獎項之外，還有更大的意義。為盲人學生建立模型只是為觸覺學習者製作模型的一個極端版本，觸覺學習者通常在典型的白板方程教學數學和科學的方式中表現不佳。建立物理模型需要深刻的理解，遠遠超出勉強透過測驗可能需要的理解。我們希望我們的 Google Group 將促進學生和教師之間新型的協作學習方式。