Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Imprimez en 3D vos propres outils de mesure tactiles pour les malvoyants

En partenariat avec la Missouri School for the Blind, le laboratoire D’Arcy du département de chimie de la Washington University à St. Louis crée des outils didactiques passionnants pour les étudiants malvoyants. Un accent particulier est mis sur la mesure et l’orientation spatiale - les conceptions finales incluent à la fois une carte de mesure braille et un pied à coulisse braille (disponibles en téléchargement). Nous cherchons à élargir la portée de notre projet en créant des objets plus complexes qui aideront les étudiants à comprendre les principes fondamentaux de la symétrie, un concept essentiel pour la chimie, les mathématiques, les beaux-arts, etc.

Les étudiants des cours de chimie organique du premier cycle se heurtent souvent à un mur où une représentation bidimensionnelle d'une molécule ne se traduit pas par l'objet tridimensionnel recherché. La difficulté à conceptualiser l'espace tridimensionnel est une source de frustration pour beaucoup, car ce ne sont pas des connaissances qui peuvent être transmises par la mémorisation par cœur. Il est courant que les cours de chimie organique de niveau collégial recommandent l’utilisation de «kits de modélisation» pour aider les étudiants à établir des liens tactiles avec des concepts visualisés. Ces kits sont souvent limités dans leur capacité à représenter des systèmes avec des exceptions, transmettant faussement une notion de «rigidité» de la géométrie associée à la chimie, tandis que les étudiants découvrent simultanément des distorsions géométriques et des états de transition favorables.En tant que groupe composé principalement de chimistes de formation, nous avons initialement concentré nos efforts sur la conception de molécules «exceptionnelles» pour l'impression 3D, qui aideraient à comprendre les distorsions géométriques. Nous avons approfondi ce concept en marquant les molécules avec des bosses tactiles et des indicateurs, ce qui permet de suivre la manipulation d'une molécule dans l'espace uniquement par le toucher.

Relayer des informations basées uniquement sur la tactilité n'est pas une idée nouvelle. La réalisation la plus réussie et la plus facilement reconnaissable d’un système d’écriture tactile est le Braille, développé par l’écrivain français Louis Braille en 1824, à l’âge de quinze ans. Nous avons commencé à expérimenter différentes manières de mettre en œuvre le braille dans nos conceptions. En fin de compte, le processus d'impression par modélisation par dépôt en fusion permet la création facile de bosses en relief sur des faces non planes, parfait pour le braille. Nos premières conceptions étaient simplistes et centrées sur la géométrie moléculaire (telles que les impressions 3D présentées sur la photo ci-dessous), une tentative de familiarisation avec la conception et l'impression de modèles 3D.

Braille intégré dans une représentation moléculaire du dioxyde de carbone, avec de l'ammoniac, de l'ammonium, un tétraèdre et un octaèdre à proximité. Des structures conçues et imprimées par Zac Christensen, Emma Mehlmann et Daniel Cotton.

Une écriture de dioxyde de carbone linéaire est intégrée à notre tentative d’écriture de «CO2» en braille - elle se lit plutôt maladroitement comme «capitale c capitale numéro trois». Il est important de noter que le braille utilisé aujourd’hui n’est pas directement translitératif. Bien que le braille puisse être utilisé pour exprimer les 26 lettres de l'alphabet latin, permettant ainsi une translittération possible de tout texte dans n'importe quelle langue par un simple changement de police, il a été optimisé au fil des années pour différentes langues. Le braille anglais unifié est constitué d'une vaste archive de contractions, d'indicateurs et de symboles servant à optimiser la lisibilité des textes en braille. Le verso du modèle indique correctement «Linéaire», faisant référence à la géométrie moléculaire du dioxyde de carbone, mais nous savions en fin de compte que les informations intégrées dans les conceptions futures devaient être relayées clairement et de manière succincte, sans créer de confusion excessive. Cet objectif serait impossible à atteindre sans l'aide des éducateurs et étudiants en braille de l'école voisine du Missouri pour aveugles, qui nous fournissent des informations et des suggestions précieuses. La Missouri School for the Blind est reconnue comme la première institution aux États-Unis à adopter officiellement le braille en 1860. La patience et la volonté des enseignants et des étudiants de MSB de travailler avec nous et de fournir des commentaires honnêtes et approfondis sur nos projets nous ont amenés à: le travail décrit ici.

Après avoir montré nos modèles à plusieurs enseignants de MSB et discuté de pédagogie, la professeure de mathématiques a mentionné la difficulté que ses élèves éprouvaient à faire des mesures avec des règles. Les élèves reçoivent des règles incorporées en braille, distribuées par l'American Printing Company for Blind (APH). Il s’avère que la difficulté majeure de la mesure ne vient pas des règles elles-mêmes, mais de l’orientation spatiale nécessaire pour mesurer trois dimensions distinctes, à savoir la longueur, la largeur et la hauteur. Les élèves font souvent pivoter des objets dans leurs mains lorsqu'ils effectuent des mesures, perdant rapidement la trace du côté précédemment mesuré, ce qui crée de la confusion. Cela est parfaitement compréhensible - il n’existe pas de système à axes fixes lors de la rotation d’un objet dans l’espace et, par conséquent, les distinctions de «hauteur, largeur et longueur» sont complètement arbitraires. Il est donc particulièrement difficile pour un enseignant de s’assurer que toute sa classe travaille avec le même ensemble d’axes. Nous avons entrepris de créer des objets qui permettraient à l’étudiant de différencier certains côtés, même après la rotation. Ces cuboïdes ont des textures intégrées pour permettre une affectation fixe des côtés et des directions:

Notre conception initiale comprenait des triangles pointant vers le haut pour désigner à la fois le côté communément désigné par «longueur» et le haut de l'objet. Le côté “largeur” est incrusté d'arêtes verticales parallèles. Une autre conception comprend un indicateur en forme de «croix» pour le haut de l'objet et des lignes perpendiculaires sur les deux ensembles de faces pour un cuboïde et un cube. Une tentative de relayer l'idée d'un axe de coordonnées cartésien fixe est également illustrée, où un point d'origine (0, 0, 0) est défini par l'intersection de trois identificateurs uniques d'arêtes surélevées, un carré, un arrondi et un séparé. . Le modèle peut pivoter librement dans l'espace tout en conservant son ensemble d'axes d'origine.

Lors de la présentation de ces objets aux étudiants de MSB, nous avons été ravis de les voir aussi fascinés par le processus d'impression 3D. Leur sens du toucher est si raffiné qu'ils ont immédiatement remarqué les arêtes séparant les couches individuelles du filament de PLA avant de remarquer les différences de texture les plus importantes entre les côtés. Nous nous sommes rendus compte que le niveau d’explication requis faisait rapidement de ces objets une source de confusion: «Les triangles de chacun sont-ils orientés vers le haut, à gauche et à droite de leurs cuboïdes?» N’est pas nécessairement succinct ni clair. En outre, le fait que la mesure se limitait à des objets spécialement conçus rendait la mise en œuvre peu pratique - que se passera-t-il si l'élève veut mesurer un livre?

Le brainstorming avec les enseignants de la MSB nous a amenés à créer une «base» qui servirait de système de coordonnées tridimensionnel fixe. De cette manière, tout objet peut être mesuré, car il n’est pas nécessaire de l’intégrer à des repères d’orientation spéciaux. Sur plusieurs mois, la conception a été optimisée et le produit final est présenté ci-dessous. La carte a été conçue en AutoCAD, importée dans VCarve Pro et enfin découpée dans un panneau de fibres à densité moyenne avec un routeur à commande numérique par ordinateur Shopbot Desktop. Initialement, nous avions prévu d’utiliser trois règles de braille APH comme axes x, y et z. Ceci est compatible avec les axes y et z, mais lors de la rotation de la règle pour l'axe des x, la numérotation s'avère être inversée. Nous avons donc décidé de concevoir nos propres règles en braille pouvant être facilement imprimées sur n’importe quelle imprimante FDM. Comme ce sont principalement des objets plats avec des lettres en relief, ils sont incroyablement faciles à imprimer en haute résolution. Le braille incrusté sur leurs surfaces est dégagé, quoique un peu rugueux selon les élèves. Un léger ponçage était donc nécessaire. L’axe des z est spécialement conçu avec des rainures pour permettre à un guide de glisser de haut en bas dans la règle afin de faciliter la détermination de la hauteur d’un objet. Plusieurs itérations de cette conception ont été effectuées et il a été déterminé que les rainures étaient optimales, permettant ainsi au guide de glisser avec une force douce mais non due à la gravité.

La règle d'axe z complète avec guide

Un espace est prévu pour les mosaïques «Titre», permettant de décrire le système de mesure (c'est-à-dire métrique, démarcations de 1 cm).

Un axe de coordonnées cartésien mesure les dimensions d’un modèle à l’échelle de la cellule élémentaire d’un réseau cristallin de diamant. Réseau de diamants conçu et imprimé par Micah Rubin.

La conception de l'axe z nous a amenés à envisager une autre conception pouvant être utilisée indépendamment ou conjointement avec le tableau de mesure. Un étudiant en particulier était enthousiasmé par la perspective de disposer de son propre tableau de mesure et de ses règles chez lui. Nous avons donc décidé de concevoir un outil légèrement plus portable, apprécié des fabricants: un pied à coulisse. La conception de la règle est similaire à celle de la règle de l'axe des ordonnées sur la photo ci-dessus, bien que le braille ait été légèrement modifié pour compter de 0 à 18 cm. L'étrier est imprimé en quatre parties: une base, un sommet, une diapositive et la règle elle-même. La glissière est montée sur les rails de guidage, et le haut et la base sont fixés à la règle avec de la résine époxy, comme indiqué sur la photo ci-dessous.

Pied à coulisse en braille entièrement imprimé en 3D pour des mesures faciles.

La collaboration entre notre laboratoire et la Missouri School for the Blind se poursuit et nous prévoyons de nombreuses autres conceptions passionnantes. À la suite de ce projet, la MSB a reçu une subvention importante qui lui a permis d’acheter sa propre imprimante 3D. Ceci, bien sûr, a été un succès parmi les étudiants. Nous aidons les enseignants de MSB à expérimenter le programme de modélisation 3D Rhinoceros, un outil puissant qui leur permettra d’apporter des modifications à nos conceptions, ainsi que de créer leurs propres conceptions en cas de besoin. Les projets futurs incluent des structures moléculaires avec des engrenages internes permettant des rotations de liaisons et un ajustement de l'angle de liaison, des modèles avec des orbitales moléculaires marquées, des réseaux cristallins plus complexes, etc.

Vous pouvez télécharger les fichiers STL et 3DM des modèles illustrés ici. Pour obtenir des informations de contact et plus sur ces projets, veuillez visiter le site Web de notre laboratoire. Pour plus d'informations, vous pouvez également visiter l'école pour aveugles du Missouri.

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