4D打印技術與“人工智能+教育”的融合應用

徐哲

摘 要：本文通過對4D打印技術的簡單介紹，基于其技術的特點，提出了其技術與“人工智能+教育”融合應用的具體途徑，旨在進一步提高4D打印技術在“人工智能+教育”中的應用水平，進而在推動4D技術發展的同時，為我國教育提供新的現代化改革與發展的視角，全面提升我國教育水平。

關鍵詞：4D打印技術人工智能教育

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（b）-0092-02

相比于傳統的3D打印技術，4D打印技術的優勢在于增加了時間這一維度，為4D打印技術提供了智能性、人本性與生態性等應用優勢，經4D打印技術制造的產品具有基于時間，隨著外部刺激因子而出現變化的能力。因此，這種技術為“做中學、體驗式教育”等教育理念的實現，提供了可能。目前，4D打印技術廣泛應用于生物、醫療領域、軍事工業領域、產品設計領域、交通工具、建筑與航空航天領域、教育領域，但相對于應用較為成熟的生物醫療以及軍事等領域，其在教育方面的應用，目前仍處于探索階段。鑒于此，本文對4D打印技術與“人工智能+教育”的融合應用進行研究，具有極為重要的理論意義與現實意義。

1 4D打印技術簡介

4D打印技術是在3D打印的基礎上發展而來，不論是在硬件設施，還是在軟件配置上，均是3D打印技術的升級版，能夠打印更多種類的材料。4D打印的概念最初由麻省理工學院在2013年提出，將其定義為3D打印技術和時間維度的結合，而這里所說的“結合”主要表現在：利用3D打印技術打印出的結構，會受到光、水、熱等外部因素的刺激而在時間的維度上出現一定變化。所以，很多學者認為，4D打印的過程，不僅需要復合材料的參與，而且這種復合材料還必須具有在外部環境影響下能夠隨時間而變化能力。而經由4D打印技術打印出來的結構體，不再是傳統3D打印生產的靜態物體，其自身具有一定的可變成型，同時還具有可以獨立轉換的智能結構[1]。總而言之，4D打印的物體在屬性、外形以及功能上均具有變化特性，而其構成要素可以分為以下四個部分，即4D打印設備、智能或刺激反饋材料、刺激因子以及智能化設計過程。

2 4D打印技術與“人工智能+教育”的融合途徑

人工智能與教育的融合由來已久，ITS（智能教學系統）、IPA（智能教學代理）以及游戲教學等均在一定范圍內得到了應用，推動了我國教育的現代化改革進程[2]。而4D打印技術作為一種新型增材制造技術，其可以彌補傳統在線應用型技術的不足，把智能產品的存在方式，從虛擬空間延伸至物理空間，簡單來說，就是將虛擬的智能化教學產品實現實體化，進而為學生提供個性化的、全面的智能學習環境與智慧學習體驗。本文認為，將4D打印技術與“人工智能+教育”相融合，主要應從以下幾個方面入手：

2.1 創建智能化的學習環境

以往由學校或教師所創建的學習環境，大多是“只有教室，沒有設計”，而學習需要學生天性的釋放，需要學生的高度投入。因此，為了讓學生更快、更好地投入到學習當中，必須要創建智能化的學習環境。通過4D打印技術，便可以實現這一目標，如打印出能夠隨季節而變換色彩的墻，在炎熱的夏季呈現冷色調，給學生帶來清涼感，而在冬季呈現暖色調，讓學生感受到溫暖。

2.2 制造智能化的玩具與教具

制造智能化的玩具與教具是4D打印技術與智能、教育相結合的最簡單的途徑，通過將智能化的教育工具、教學設備等融入到教學過程中，來提高學生學習的興趣與效率。

第一，在實踐性課程中，教師可利用4D打印設備來對實踐所需的實物進行設計、打印，還可以讓學生通過自己的想法參與到設計與打印的整個過程中，以此來對實踐場景進行模擬，同時提高學生系統創新設計思維。

第二，通過4D打印設備，以往經普通打印或3D打印的教具、玩具，均是靜態的，不具有“智慧性”，因而在教育中的應用，存在很大局限性[3]。而通過4D打印技術能夠打印出智能化的玩具與教具，如智能七巧板玩具，具有自動組裝相應形狀的功能，極大的便于學生進行形象認知，而其在被拆開時又會恢復到原狀，也便于重新使用。智能化玩具與教具的打印，對于低齡兒童，尤其是學前教育時期的兒童教育極為重要，通過玩具，以“過家家”的形式，來對現實生活進行模擬，進而更好地幫助學生成長，而4D打印技術為打印出的智能玩具賦予了“生命力”，能夠更好地吸引學生興趣，調動學生的想象力。

第三，在教師的教具方面，也可通過4D打印技術，來制造智能化教具，這種教具可以按照實際教學的需求，為教師提供準確反饋，進而提高教學的真實性以及實用性。例如，在生物課堂上講解到細胞分裂時，教師便可以利用4D打印技術制造細胞模型，并使其在不同的因子刺激下進行不同形態與過程的分裂，為學生提供直觀的、可以觸及的學習體驗。同時，在外語教學中，教師可以利用4D打印技術打印出人的口腔模型，以不同的生源刺激，使口腔模型呈現出不同的形狀，進而讓學生了解到英語發音時正確的口腔形狀。4D打印技術應用于教學領域的主要模式，詳見表1。

2.3 展示體驗

利用4D打印技術打印出的教學資源，在課堂上對教師難以用語言來描繪的場景進行模擬仿真，從多個維度來將學習內容呈現出來，進而充分調動起學生的觸覺、聽覺、視覺以及動覺等感官，使學生能夠真正地全身心投入到學習當中，體驗到“身臨其境”的感覺。4D打印技術應用于教育領域的最主要優勢，就是其可以以動態呈現的方式，來幫助學生構建起更為直觀的認知模式。

3 結語

4D打印技術的發展與應用，不僅為增材制造行業提供了新的發展活力，同時也成為了其他行業發展的關鍵性契機。盡管目前4D打印技術在教育領域的應用還不夠成熟，但其能夠為學生創造趣味性、個性化、社會化的創新實踐環境的優勢，決定了其在該領域的未來應用前景。

參考文獻

[1] 趙峰，李素麗，劉偉.4D打印技術的應用及展望[J].輕工科技，2015，46（9）：76-77.

[2] 李滌塵，劉佳煜，王延杰，等.4D打印-智能材料的增材制造技術[J].機電工程技術，2014，16（5）：1-9.

[3] 康劉陽，徐飛寧，朱燦一，等.淺談3D打印與4D打印技術[J].裝備制造技術，2016，23（5）：101-102.