4D打印技術(shù)在“人工智能+教育”中的應(yīng)用場(chǎng)景分析

段元超

摘要：目前關(guān)于4D打印技術(shù)應(yīng)用于“人工智能+教育”的研究并不是十分豐富，但是4D打印技術(shù)的出現(xiàn)的的確確為教育領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)了很多機(jī)遇。本文通過(guò)查閱文獻(xiàn)、案例分析，從以下六個(gè)方面分析基于“人工智能+教育”背景下4D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用：4D打印技術(shù)能夠提供個(gè)性化教學(xué)，有利于形成良好習(xí)慣;4D打印技術(shù)能夠構(gòu)建智能學(xué)習(xí)環(huán)境，有利于提升學(xué)習(xí)體驗(yàn);4D打印技術(shù)能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，有利于幫助學(xué)生理解知識(shí);4D打印技術(shù)應(yīng)用于STEAM教育，有利于培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)理念;4D打印技術(shù)增強(qiáng)教學(xué)“活性”，有利于自動(dòng)精確契合;4D打印能夠節(jié)約教學(xué)資源，有利于減少物力成本。

一、4D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

4D打印創(chuàng)造出一種能夠在完成打印之后依然可以發(fā)生改變的物體，而且這種物體能夠進(jìn)行自我調(diào)整。在過(guò)去，打印完成也就意味著創(chuàng)造過(guò)程的終結(jié)，但是隨著4D打印的出現(xiàn)，打印僅僅是創(chuàng)造的一條路徑，它既不是終點(diǎn)也不是起點(diǎn)。4D打印中復(fù)合材料的表現(xiàn)同記憶金屬的表現(xiàn)具有一些相似之處，但實(shí)際上完全不同。從麻省理工學(xué)院自組裝實(shí)驗(yàn)室對(duì)項(xiàng)目的介紹中可知，復(fù)合材料是使用Autodest最新研發(fā)出來(lái)的軟件Cyborg，對(duì)材料進(jìn)行編程模擬，從而使材料能夠在提前已經(jīng)設(shè)置完成的時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生變形。根據(jù)Tibbit的介紹來(lái)說(shuō)：讓物體能夠獲得機(jī)器般的制造能力，而不是先設(shè)定好物體再進(jìn)行制造。記憶金屬與其完全不同，記憶金屬是在一定的外部條件下重新恢復(fù)原來(lái)形狀，物體已經(jīng)經(jīng)過(guò)設(shè)定而不是被制造，由此可見(jiàn)記憶金屬與復(fù)合材料具有本質(zhì)上的差異。

Matin等人開(kāi)發(fā)出了一種能夠在3D打印中使用的磁響應(yīng)材料，通過(guò)表面處理后的氯化鐵對(duì)氯化鋁片做磁化處理，此操作能夠有效地增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料的磁響應(yīng)效果，從而有效地調(diào)控磁性顆粒的排列形式。在這項(xiàng)工作中，對(duì)可控排列填料的概念進(jìn)行了擴(kuò)展，對(duì)填料的選擇也成了影響復(fù)合材料增強(qiáng)的重要因素。由麻省理工學(xué)院的研究小組研制出了一種在水響應(yīng)基礎(chǔ)之上的4D打印材料。該小組在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中選擇了兩種孔隙率和吸水率均存在差異的材料，用這兩種材料制作成具有雙組份分的三維立體結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)的一側(cè)是多孔吸水材料，另一側(cè)為硬質(zhì)防水材料。將其置于水中，多孔吸水材料一側(cè)會(huì)因?yàn)槲胨侄娣e增大，而硬質(zhì)防水材料一側(cè)的體積不會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致材料向剛性一側(cè)傾斜。隨著時(shí)間變化，含有編程設(shè)計(jì)鉸鏈的直線結(jié)構(gòu)就能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)化為三維立體結(jié)構(gòu)。自修復(fù)材料是智能材料中非常重要的一種，盡管在過(guò)去3D打印的自修復(fù)材料已經(jīng)引起了十分廣泛的關(guān)注，但是基本上絕大部分的打印工作都是與非共價(jià)交聯(lián)凝膠材料聯(lián)系緊密。非共價(jià)交聯(lián)凝膠材料是在宿主與客體之間存在的影響作用、疏水作用以及氰鍵作用的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。

二、4D打印技術(shù)在“人工智能+教育”中的應(yīng)用場(chǎng)景分析

（一）提供個(gè)性化教學(xué)有利于形成良好習(xí)慣

教育要從娃娃抓起，但是娃娃的教育并不是容易“抓”的。嬰幼兒的認(rèn)知能力和接受水平都處于初步發(fā)展階段，對(duì)新事物的接受能力比較差，而且與外界的交流也不是十分順暢。4D打印技術(shù)的出現(xiàn)，能夠?yàn)閶胗變航逃龓?lái)一些幫助。

當(dāng)前家庭教育中十分重視對(duì)嬰幼兒良好習(xí)慣的培養(yǎng)，采用“過(guò)家家”的方式培養(yǎng)嬰幼兒的習(xí)慣收效甚微，其中一個(gè)重要原因就是使用的玩具不能夠及時(shí)地給予回應(yīng)，嬰幼兒也很難能夠在游戲中得到切實(shí)體會(huì)。4D打印技術(shù)的出現(xiàn)催生了智慧玩具，帶有“生命”的玩具將會(huì)給予嬰幼兒更好的游戲體驗(yàn)。例如，當(dāng)家長(zhǎng)教育嬰幼兒要愛(ài)護(hù)花草樹(shù)木、及時(shí)給植物澆水的時(shí)候，可以獎(jiǎng)勵(lì)給嬰幼兒一盆花草，當(dāng)嬰幼兒每天能夠及時(shí)澆水的時(shí)候，花草會(huì)不斷地長(zhǎng)高;當(dāng)嬰幼兒忘記澆水的時(shí)候，花草會(huì)枯萎。如此一來(lái)，嬰幼兒就能夠從自己的行為對(duì)花草生命的影響中體會(huì)到按時(shí)澆水的重要性，不僅能夠培養(yǎng)嬰幼兒愛(ài)護(hù)植物的愛(ài)心，還能夠增強(qiáng)嬰幼兒的責(zé)任感。

（二）智能學(xué)習(xí)環(huán)境有利于提升學(xué)習(xí)體驗(yàn)

在過(guò)去，無(wú)論中學(xué)還是大學(xué)，教室內(nèi)部裝飾千篇一律、千校一面。從一方面來(lái)說(shuō)，沒(méi)有體現(xiàn)不同學(xué)校的辦學(xué)特色;從另一方面來(lái)說(shuō)，也忽略了不同年齡階段對(duì)外界事物的偏好差異。物資匱乏的年代，有學(xué)習(xí)之地就能夠使人滿足。當(dāng)前社會(huì)迅速發(fā)展，學(xué)生對(duì)“美”的要求也有所提升。使用4D打印技術(shù)，能夠打印出會(huì)“呼吸”的墻壁，會(huì)“生長(zhǎng)”的窗花，會(huì)伴隨四季變化而呈現(xiàn)出不同色彩的壁紙。4D打印應(yīng)用的材料是可以進(jìn)行編程的材料，所以可以根據(jù)室內(nèi)溫度、濕度等因素的變化，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，創(chuàng)建更加適合學(xué)生學(xué)習(xí)的環(huán)境，為學(xué)生提供更加舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，還能夠滿足學(xué)生的審美要求。

（三）動(dòng)態(tài)展示有利于幫助學(xué)生理解知識(shí)

使用4D打印技術(shù)打印出來(lái)的教學(xué)資源，能夠在課堂上進(jìn)行仿真模擬，多方位調(diào)動(dòng)學(xué)生的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)等多個(gè)感官共同參與，使復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)通過(guò)仿真模擬更加具體地呈現(xiàn)給學(xué)生，幫助學(xué)生理解繁難知識(shí)點(diǎn)。例如，在生物課上會(huì)講到“細(xì)胞分裂”，有些學(xué)生對(duì)細(xì)胞的具體分裂過(guò)程感到抽象難以理解，通過(guò)4D打印技術(shù)可以全方位地向?qū)W生展示細(xì)胞分裂的過(guò)程，幫助學(xué)生理解。在化學(xué)課上會(huì)講到分子的運(yùn)動(dòng)，而分子的具體運(yùn)動(dòng)軌跡很難通過(guò)課本上的二維圖片進(jìn)行充分的理解，利用4D技術(shù)打印出的教學(xué)材料能夠非常生動(dòng)、直觀、具體地向?qū)W生展示分子的運(yùn)動(dòng)，不僅能夠?qū)⒊橄蟮闹R(shí)具體化，還能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，真正地做到寓教于樂(lè)。

（四）節(jié)約教學(xué)資源有利于減少物力成本

4D打印技術(shù)能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)程序直接放置到打印機(jī)之中，如此一來(lái)能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)理念，省略了實(shí)物造物步驟，使設(shè)計(jì)的物體能夠在無(wú)復(fù)雜機(jī)電設(shè)備支持的狀態(tài)下完成自我組裝、變形、生成等，這是對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品生產(chǎn)流程的極大創(chuàng)新。流程的簡(jiǎn)化能夠節(jié)約大量的人力、物力、財(cái)力，減少了對(duì)生產(chǎn)材料的消耗和浪費(fèi)。而且4D打印具有極高的精準(zhǔn)度，次品的出現(xiàn)概率非常低，提高了產(chǎn)品的精細(xì)化程度。

三、結(jié)論

研究得出，4D打印技術(shù)在“人工智能+教育”中的應(yīng)用場(chǎng)景主要有：4D打印技術(shù)能夠提供個(gè)性化教學(xué)，有利于形成良好習(xí)慣;4D打印技術(shù)能夠構(gòu)建智能學(xué)習(xí)環(huán)境，有利于提升學(xué)習(xí)體驗(yàn);4D打印技術(shù)能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，有利于幫助學(xué)生理解知識(shí);4D打印技術(shù)應(yīng)用于STEAM教育，有利于培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)理念;4D打印技術(shù)增強(qiáng)教學(xué)“活性”，有利于自動(dòng)精確契合;4D打印技術(shù)能夠節(jié)約教學(xué)資源，有利于減少物力成本。

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（作者單位：江西科技師范大學(xué)法學(xué)院）