4D打印技术与“人工智能+教育”的融合应用

徐哲

摘 要：本文通过对4D打印技术的简单介绍，基于其技术的特点，提出了其技术与“人工智能+教育”融合应用的具体途径，旨在进一步提高4D打印技术在“人工智能+教育”中的应用水平，进而在推动4D技术发展的同时，为我国教育提供新的现代化改革与发展的视角，全面提升我国教育水平。

关键词：4D打印技术人工智能教育

中图分类号：G632 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）06（b）-0092-02

相比于传统的3D打印技术，4D打印技术的优势在于增加了时间这一维度，为4D打印技术提供了智能性、人本性与生态性等应用优势，经4D打印技术制造的产品具有基于时间，随着外部刺激因子而出现变化的能力。因此，这种技术为“做中学、体验式教育”等教育理念的实现，提供了可能。目前，4D打印技术广泛应用于生物、医疗领域、军事工业领域、产品设计领域、交通工具、建筑与航空航天领域、教育领域，但相对于应用较为成熟的生物医疗以及军事等领域，其在教育方面的应用，目前仍处于探索阶段。鉴于此，本文对4D打印技术与“人工智能+教育”的融合应用进行研究，具有极为重要的理论意义与现实意义。

1 4D打印技术简介

4D打印技术是在3D打印的基础上发展而来，不论是在硬件设施，还是在软件配置上，均是3D打印技术的升级版，能够打印更多种类的材料。4D打印的概念最初由麻省理工学院在2013年提出，将其定义为3D打印技术和时间维度的结合，而这里所说的“结合”主要表现在：利用3D打印技术打印出的结构，会受到光、水、热等外部因素的刺激而在时间的维度上出现一定变化。所以，很多学者认为，4D打印的过程，不仅需要复合材料的参与，而且这种复合材料还必须具有在外部环境影响下能够随时间而变化能力。而经由4D打印技术打印出来的结构体，不再是传统3D打印生产的静态物体，其自身具有一定的可变成型，同时还具有可以独立转换的智能结构[1]。总而言之，4D打印的物体在属性、外形以及功能上均具有变化特性，而其构成要素可以分为以下四个部分，即4D打印设备、智能或刺激反馈材料、刺激因子以及智能化设计过程。

2 4D打印技术与“人工智能+教育”的融合途徑

人工智能与教育的融合由来已久，ITS（智能教学系统）、IPA（智能教学代理）以及游戏教学等均在一定范围内得到了应用，推动了我国教育的现代化改革进程[2]。而4D打印技术作为一种新型增材制造技术，其可以弥补传统在线应用型技术的不足，把智能产品的存在方式，从虚拟空间延伸至物理空间，简单来说，就是将虚拟的智能化教学产品实现实体化，进而为学生提供个性化的、全面的智能学习环境与智慧学习体验。本文认为，将4D打印技术与“人工智能+教育”相融合，主要应从以下几个方面入手：

2.1 创建智能化的学习环境

以往由学校或教师所创建的学习环境，大多是“只有教室，没有设计”，而学习需要学生天性的释放，需要学生的高度投入。因此，为了让学生更快、更好地投入到学习当中，必须要创建智能化的学习环境。通过4D打印技术，便可以实现这一目标，如打印出能够随季节而变换色彩的墙，在炎热的夏季呈现冷色调，给学生带来清凉感，而在冬季呈现暖色调，让学生感受到温暖。

2.2 制造智能化的玩具与教具

制造智能化的玩具与教具是4D打印技术与智能、教育相结合的最简单的途径，通过将智能化的教育工具、教学设备等融入到教学过程中，来提高学生学习的兴趣与效率。

第一，在实践性课程中，教师可利用4D打印设备来对实践所需的实物进行设计、打印，还可以让学生通过自己的想法参与到设计与打印的整个过程中，以此来对实践场景进行模拟，同时提高学生系统创新设计思维。

第二，通过4D打印设备，以往经普通打印或3D打印的教具、玩具，均是静态的，不具有“智慧性”，因而在教育中的应用，存在很大局限性[3]。而通过4D打印技术能够打印出智能化的玩具与教具，如智能七巧板玩具，具有自动组装相应形状的功能，极大的便于学生进行形象认知，而其在被拆开时又会恢复到原状，也便于重新使用。智能化玩具与教具的打印，对于低龄儿童，尤其是学前教育时期的儿童教育极为重要，通过玩具，以“过家家”的形式，来对现实生活进行模拟，进而更好地帮助学生成长，而4D打印技术为打印出的智能玩具赋予了“生命力”，能够更好地吸引学生兴趣，调动学生的想象力。

第三，在教师的教具方面，也可通过4D打印技术，来制造智能化教具，这种教具可以按照实际教学的需求，为教师提供准确反馈，进而提高教学的真实性以及实用性。例如，在生物课堂上讲解到细胞分裂时，教师便可以利用4D打印技术制造细胞模型，并使其在不同的因子刺激下进行不同形态与过程的分裂，为学生提供直观的、可以触及的学习体验。同时，在外语教学中，教师可以利用4D打印技术打印出人的口腔模型，以不同的生源刺激，使口腔模型呈现出不同的形状，进而让学生了解到英语发音时正确的口腔形状。4D打印技术应用于教学领域的主要模式，详见表1。

2.3 展示体验

利用4D打印技术打印出的教学资源，在课堂上对教师难以用语言来描绘的场景进行模拟仿真，从多个维度来将学习内容呈现出来，进而充分调动起学生的触觉、听觉、视觉以及动觉等感官，使学生能够真正地全身心投入到学习当中，体验到“身临其境”的感觉。4D打印技术应用于教育领域的最主要优势，就是其可以以动态呈现的方式，来帮助学生构建起更为直观的认知模式。

3 结语

4D打印技术的发展与应用，不仅为增材制造行业提供了新的发展活力，同时也成为了其他行业发展的关键性契机。尽管目前4D打印技术在教育领域的应用还不够成熟，但其能够为学生创造趣味性、个性化、社会化的创新实践环境的优势，决定了其在该领域的未来应用前景。

参考文献

[1] 赵峰，李素丽，刘伟.4D打印技术的应用及展望[J].轻工科技，2015，46（9）：76-77.

[2] 李涤尘，刘佳煜，王延杰，等.4D打印-智能材料的增材制造技术[J].机电工程技术，2014，16（5）：1-9.

[3] 康刘阳，徐飞宁，朱灿一，等.浅谈3D打印与4D打印技术[J].装备制造技术，2016，23（5）：101-102.