4D打印技術在“人工智能+教育”中的應用場景分析

段元超

摘要：目前關于4D打印技術應用于“人工智能+教育”的研究并不是十分豐富，但是4D打印技術的出現的的確確為教育領域的發(fā)展帶來了很多機遇。本文通過查閱文獻、案例分析，從以下六個方面分析基于“人工智能+教育”背景下4D打印技術在教育領域的應用：4D打印技術能夠提供個性化教學，有利于形成良好習慣;4D打印技術能夠構建智能學習環(huán)境，有利于提升學習體驗;4D打印技術能夠進行動態(tài)展示，有利于幫助學生理解知識;4D打印技術應用于STEAM教育，有利于培養(yǎng)學生設計理念;4D打印技術增強教學“活性”，有利于自動精確契合;4D打印能夠節(jié)約教學資源，有利于減少物力成本。

一、4D打印技術的發(fā)展現狀

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行自我調整。在過去，打印完成也就意味著創(chuàng)造過程的終結，但是隨著4D打印的出現，打印僅僅是創(chuàng)造的一條路徑，它既不是終點也不是起點。4D打印中復合材料的表現同記憶金屬的表現具有一些相似之處，但實際上完全不同。從麻省理工學院自組裝實驗室對項目的介紹中可知，復合材料是使用Autodest最新研發(fā)出來的軟件Cyborg，對材料進行編程模擬，從而使材料能夠在提前已經設置完成的時間范圍內發(fā)生變形。根據Tibbit的介紹來說：讓物體能夠獲得機器般的制造能力，而不是先設定好物體再進行制造。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原來形狀，物體已經經過設定而不是被制造，由此可見記憶金屬與復合材料具有本質上的差異。

Matin等人開發(fā)出了一種能夠在3D打印中使用的磁響應材料，通過表面處理后的氯化鐵對氯化鋁片做磁化處理，此操作能夠有效地增強陶瓷復合材料的磁響應效果，從而有效地調控磁性顆粒的排列形式。在這項工作中，對可控排列填料的概念進行了擴展，對填料的選擇也成了影響復合材料增強的重要因素。由麻省理工學院的研究小組研制出了一種在水響應基礎之上的4D打印材料。該小組在實驗的過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構。這一結構的一側是多孔吸水材料，另一側為硬質防水材料。將其置于水中，多孔吸水材料一側會因為吸入水分而面積增大，而硬質防水材料一側的體積不會發(fā)生變化，導致材料向剛性一側傾斜。隨著時間變化，含有編程設計鉸鏈的直線結構就能夠自動轉化為三維立體結構。自修復材料是智能材料中非常重要的一種，盡管在過去3D打印的自修復材料已經引起了十分廣泛的關注，但是基本上絕大部分的打印工作都是與非共價交聯凝膠材料聯系緊密。非共價交聯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上產生的。

二、4D打印技術在“人工智能+教育”中的應用場景分析

（一）提供個性化教學有利于形成良好習慣

教育要從娃娃抓起，但是娃娃的教育并不是容易“抓”的。嬰幼兒的認知能力和接受水平都處于初步發(fā)展階段，對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打印技術的出現，能夠為嬰幼兒教育帶來一些幫助。

當前家庭教育中十分重視對嬰幼兒良好習慣的培養(yǎng)，采用“過家家”的方式培養(yǎng)嬰幼兒的習慣收效甚微，其中一個重要原因就是使用的玩具不能夠及時地給予回應，嬰幼兒也很難能夠在游戲中得到切實體會。4D打印技術的出現催生了智慧玩具，帶有“生命”的玩具將會給予嬰幼兒更好的游戲體驗。例如，當家長教育嬰幼兒要愛護花草樹木、及時給植物澆水的時候，可以獎勵給嬰幼兒一盆花草，當嬰幼兒每天能夠及時澆水的時候，花草會不斷地長高;當嬰幼兒忘記澆水的時候，花草會枯萎。如此一來，嬰幼兒就能夠從自己的行為對花草生命的影響中體會到按時澆水的重要性，不僅能夠培養(yǎng)嬰幼兒愛護植物的愛心，還能夠增強嬰幼兒的責任感。

（二）智能學習環(huán)境有利于提升學習體驗

在過去，無論中學還是大學，教室內部裝飾千篇一律、千校一面。從一方面來說，沒有體現不同學校的辦學特色;從另一方面來說，也忽略了不同年齡階段對外界事物的偏好差異。物資匱乏的年代，有學習之地就能夠使人滿足。當前社會迅速發(fā)展，學生對“美”的要求也有所提升。使用4D打印技術，能夠打印出會“呼吸”的墻壁，會“生長”的窗花，會伴隨四季變化而呈現出不同色彩的壁紙。4D打印應用的材料是可以進行編程的材料，所以可以根據室內溫度、濕度等因素的變化，調整相關參數，創(chuàng)建更加適合學生學習的環(huán)境，為學生提供更加舒適的學習環(huán)境，還能夠滿足學生的審美要求。

（三）動態(tài)展示有利于幫助學生理解知識

使用4D打印技術打印出來的教學資源，能夠在課堂上進行仿真模擬，多方位調動學生的視覺、聽覺、嗅覺、味覺等多個感官共同參與，使復雜的知識點通過仿真模擬更加具體地呈現給學生，幫助學生理解繁難知識點。例如，在生物課上會講到“細胞分裂”，有些學生對細胞的具體分裂過程感到抽象難以理解，通過4D打印技術可以全方位地向學生展示細胞分裂的過程，幫助學生理解。在化學課上會講到分子的運動，而分子的具體運動軌跡很難通過課本上的二維圖片進行充分的理解，利用4D技術打印出的教學材料能夠非常生動、直觀、具體地向學生展示分子的運動，不僅能夠將抽象的知識具體化，還能夠激發(fā)學生的學習興趣，真正地做到寓教于樂。

（四）節(jié)約教學資源有利于減少物力成本

4D打印技術能夠將設計程序直接放置到打印機之中，如此一來能夠簡化設計理念，省略了實物造物步驟，使設計的物體能夠在無復雜機電設備支持的狀態(tài)下完成自我組裝、變形、生成等，這是對傳統(tǒng)產品生產流程的極大創(chuàng)新。流程的簡化能夠節(jié)約大量的人力、物力、財力，減少了對生產材料的消耗和浪費。而且4D打印具有極高的精準度，次品的出現概率非常低，提高了產品的精細化程度。

三、結論

研究得出，4D打印技術在“人工智能+教育”中的應用場景主要有：4D打印技術能夠提供個性化教學，有利于形成良好習慣;4D打印技術能夠構建智能學習環(huán)境，有利于提升學習體驗;4D打印技術能夠進行動態(tài)展示，有利于幫助學生理解知識;4D打印技術應用于STEAM教育，有利于培養(yǎng)學生設計理念;4D打印技術增強教學“活性”，有利于自動精確契合;4D打印技術能夠節(jié)約教學資源，有利于減少物力成本。

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（作者單位：江西科技師范大學法學院）