4D打印技術(shù)與“人工智能+教育”的融合應(yīng)用

徐哲

摘 要：本文通過對(duì)4D打印技術(shù)的簡(jiǎn)單介紹，基于其技術(shù)的特點(diǎn)，提出了其技術(shù)與“人工智能+教育”融合應(yīng)用的具體途徑，旨在進(jìn)一步提高4D打印技術(shù)在“人工智能+教育”中的應(yīng)用水平，進(jìn)而在推動(dòng)4D技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，為我國教育提供新的現(xiàn)代化改革與發(fā)展的視角，全面提升我國教育水平。

關(guān)鍵詞：4D打印技術(shù)人工智能教育

中圖分類號(hào)：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）06（b）-0092-02

相比于傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)，4D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于增加了時(shí)間這一維度，為4D打印技術(shù)提供了智能性、人本性與生態(tài)性等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，經(jīng)4D打印技術(shù)制造的產(chǎn)品具有基于時(shí)間，隨著外部刺激因子而出現(xiàn)變化的能力。因此，這種技術(shù)為“做中學(xué)、體驗(yàn)式教育”等教育理念的實(shí)現(xiàn)，提供了可能。目前，4D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)療領(lǐng)域、軍事工業(yè)領(lǐng)域、產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域、交通工具、建筑與航空航天領(lǐng)域、教育領(lǐng)域，但相對(duì)于應(yīng)用較為成熟的生物醫(yī)療以及軍事等領(lǐng)域，其在教育方面的應(yīng)用，目前仍處于探索階段。鑒于此，本文對(duì)4D打印技術(shù)與“人工智能+教育”的融合應(yīng)用進(jìn)行研究，具有極為重要的理論意義與現(xiàn)實(shí)意義。

1 4D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

4D打印技術(shù)是在3D打印的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，不論是在硬件設(shè)施，還是在軟件配置上，均是3D打印技術(shù)的升級(jí)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(xué)院在2013年提出，將其定義為3D打印技術(shù)和時(shí)間維度的結(jié)合，而這里所說的“結(jié)合”主要表現(xiàn)在：利用3D打印技術(shù)打印出的結(jié)構(gòu)，會(huì)受到光、水、熱等外部因素的刺激而在時(shí)間的維度上出現(xiàn)一定變化。所以，很多學(xué)者認(rèn)為，4D打印的過程，不僅需要復(fù)合材料的參與，而且這種復(fù)合材料還必須具有在外部環(huán)境影響下能夠隨時(shí)間而變化能力。而經(jīng)由4D打印技術(shù)打印出來的結(jié)構(gòu)體，不再是傳統(tǒng)3D打印生產(chǎn)的靜態(tài)物體，其自身具有一定的可變成型，同時(shí)還具有可以獨(dú)立轉(zhuǎn)換的智能結(jié)構(gòu)[1]?？偠灾?D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(gòu)成要素可以分為以下四個(gè)部分，即4D打印設(shè)備、智能或刺激反饋材料、刺激因子以及智能化設(shè)計(jì)過程。

2 4D打印技術(shù)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(xué)系統(tǒng)）、IPA（智能教學(xué)代理）以及游戲教學(xué)等均在一定范圍內(nèi)得到了應(yīng)用，推動(dòng)了我國教育的現(xiàn)代化改革進(jìn)程[2]。而4D打印技術(shù)作為一種新型增材制造技術(shù)，其可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)在線應(yīng)用型技術(shù)的不足，把智能產(chǎn)品的存在方式，從虛擬空間延伸至物理空間，簡(jiǎn)單來說，就是將虛擬的智能化教學(xué)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)實(shí)體化，進(jìn)而為學(xué)生提供個(gè)性化的、全面的智能學(xué)習(xí)環(huán)境與智慧學(xué)習(xí)體驗(yàn)。本文認(rèn)為，將4D打印技術(shù)與“人工智能+教育”相融合，主要應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手：

2.1 創(chuàng)建智能化的學(xué)習(xí)環(huán)境

以往由學(xué)?；蚪處熕鶆?chuàng)建的學(xué)習(xí)環(huán)境，大多是“只有教室，沒有設(shè)計(jì)”，而學(xué)習(xí)需要學(xué)生天性的釋放，需要學(xué)生的高度投入。因此，為了讓學(xué)生更快、更好地投入到學(xué)習(xí)當(dāng)中，必須要?jiǎng)?chuàng)建智能化的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過4D打印技術(shù)，便可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，如打印出能夠隨季節(jié)而變換色彩的墻，在炎熱的夏季呈現(xiàn)冷色調(diào)，給學(xué)生帶來清涼感，而在冬季呈現(xiàn)暖色調(diào)，讓學(xué)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(shù)與智能、教育相結(jié)合的最簡(jiǎn)單的途徑，通過將智能化的教育工具、教學(xué)設(shè)備等融入到教學(xué)過程中，來提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與效率。

第一，在實(shí)踐性課程中，教師可利用4D打印設(shè)備來對(duì)實(shí)踐所需的實(shí)物進(jìn)行設(shè)計(jì)、打印，還可以讓學(xué)生通過自己的想法參與到設(shè)計(jì)與打印的整個(gè)過程中，以此來對(duì)實(shí)踐場(chǎng)景進(jìn)行模擬，同時(shí)提高學(xué)生系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維。

第二，通過4D打印設(shè)備，以往經(jīng)普通打印或3D打印的教具、玩具，均是靜態(tài)的，不具有“智慧性”，因而在教育中的應(yīng)用，存在很大局限性[3]。而通過4D打印技術(shù)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(dòng)組裝相應(yīng)形狀的功能，極大的便于學(xué)生進(jìn)行形象認(rèn)知，而其在被拆開時(shí)又會(huì)恢復(fù)到原狀，也便于重新使用。智能化玩具與教具的打印，對(duì)于低齡兒童，尤其是學(xué)前教育時(shí)期的兒童教育極為重要，通過玩具，以“過家家”的形式，來對(duì)現(xiàn)實(shí)生活進(jìn)行模擬，進(jìn)而更好地幫助學(xué)生成長(zhǎng)，而4D打印技術(shù)為打印出的智能玩具賦予了“生命力”，能夠更好地吸引學(xué)生興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的想象力。

第三，在教師的教具方面，也可通過4D打印技術(shù)，來制造智能化教具，這種教具可以按照實(shí)際教學(xué)的需求，為教師提供準(zhǔn)確反饋，進(jìn)而提高教學(xué)的真實(shí)性以及實(shí)用性。例如，在生物課堂上講解到細(xì)胞分裂時(shí)，教師便可以利用4D打印技術(shù)制造細(xì)胞模型，并使其在不同的因子刺激下進(jìn)行不同形態(tài)與過程的分裂，為學(xué)生提供直觀的、可以觸及的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。同時(shí)，在外語教學(xué)中，教師可以利用4D打印技術(shù)打印出人的口腔模型，以不同的生源刺激，使口腔模型呈現(xiàn)出不同的形狀，進(jìn)而讓學(xué)生了解到英語發(fā)音時(shí)正確的口腔形狀。4D打印技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域的主要模式，詳見表1。

2.3 展示體驗(yàn)

利用4D打印技術(shù)打印出的教學(xué)資源，在課堂上對(duì)教師難以用語言來描繪的場(chǎng)景進(jìn)行模擬仿真，從多個(gè)維度來將學(xué)習(xí)內(nèi)容呈現(xiàn)出來，進(jìn)而充分調(diào)動(dòng)起學(xué)生的觸覺、聽覺、視覺以及動(dòng)覺等感官，使學(xué)生能夠真正地全身心投入到學(xué)習(xí)當(dāng)中，體驗(yàn)到“身臨其境”的感覺。4D打印技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的最主要優(yōu)勢(shì)，就是其可以以動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)的方式，來幫助學(xué)生構(gòu)建起更為直觀的認(rèn)知模式。

3 結(jié)語

4D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，不僅為增材制造行業(yè)提供了新的發(fā)展活力，同時(shí)也成為了其他行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性契機(jī)。盡管目前4D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用還不夠成熟，但其能夠?yàn)閷W(xué)生創(chuàng)造趣味性、個(gè)性化、社會(huì)化的創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，決定了其在該領(lǐng)域的未來應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙峰，李素麗，劉偉.4D打印技術(shù)的應(yīng)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(shù)[J].機(jī)電工程技術(shù)，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(shù)[J].裝備制造技術(shù)，2016，23（5）：101-102.