4D打印技术及其教育应用展望*
——兼论与“人工智能+教育”的融合
2018-01-19陈卫东褚乐阳叶新东
陈卫东 褚乐阳 杨 丽 叶新东
（1.苏州科技大学 新媒体交互设计与应用研究所，江苏苏州 215011；2.温州大学 教育技术系，浙江温州 325035）
一、引言
从18世纪末至今，人类经历了分别以“规模制造”、“科学制造”、“网络制造”为代表的三次工业革命。近年来，互联网的高速发展，使得越来越多功能强大的、自主的微型电脑实现了与其它微型电脑的互联，物理世界和虚拟世界以“信息-物理”系统的形式实现了融合，由此引发了第四次工业革命——绿色工业革命[1]。
以“智能制造”为特征的第四次工业革命，将会是人类发展史上最为彻底的系统性变革。它在改变我们的工作方式、沟通方式、生活方式、思维方式和价值观念的同时，也必将改变我们的生产方式和一切社会关系[2]。这次革命的主要特征是技术的融合，消除着物理世界、数字世界和生物世界之间的界限。认识和理解这次革命需要跨界思维[3]，其核心是智能化与信息化，进而形成一个高度灵活、人性化、数字化的产品生产与服务模式[4]。
人工智能（AI）技术的迅速发展和广泛应用，将深刻改变人类的社会生活。国家发改委等四部门印发了《“互联网+”人工智能三年行动实施方案》，方案明确指出：要充分发挥人工智能技术创新的引领作用，支撑各行业领域“互联网+”创业创新[5]。2017年，国务院又下发了《关于印发新一代人工智能发展规划》，提出到2030年成为世界主要人工智能创新中心[6]。在教育领域，要利用人工智能技术，加快推动各类教育人才培养模式创新、教育教学方法改革，构建包含智能学习、交互式学习的新型教育体系[7]。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》也提出，充分利用优质资源和先进技术，创新运行机制和管理模式，实现技术对教育的革命性影响[8]。
作为第四次工业革命关键技术之一的4D打印，也是第四次工业革命开始的标志。4D打印“智能制造”是3D打印“个性化制造”的延续和升华[9]。作为培养未来的生存和工作的基本能力素养的教育，不仅需要培养学生能应对第四次工业革命浪潮所带来的冲击，更需要具有一定的前瞻性。而4D打印具有的强大造型能力，将改变人类对于传统制造业的认识，有助于我们的教育培养具有丰富想象能力、创意设计能力、动手实践能力的三位一体复合型人才。
二、4D打印技术的特点及工作原理
（一）4D打印的定义
自上世纪80年代第一个增材制造系统被提出以来，增材制造领域取得了巨大的发展[10]。增材制造（Additive Manufacturing）以3D打印或快速原型为大众所熟知，是一种可以将材料自由塑型的制造技术。3D打印技术能够快速制造出产品的预想结构，并且不需要额外的塑模与加工。
近年来，3D打印的材料价格不断下降，软硬件设施得到优化升级，可打印材料种类数目激增，推动了4D打印的出现。2013年，麻省理工学院自组装实验室首次提出了4D打印概念[11]。如图1所示，实验室负责人斯凯拉·蒂比茨（Skylar Tibbits）在TED演讲上向世人展示了其团队在实现4D打印技术上的努力：与Stratasys、Autodesk公司合作开发出一条由可延展与不可延展材料混合而成的线装打印体。这种复合材料结构体，由两种不同孔隙率和吸水性的材料组合而成，通过计算机辅助设计加入复杂的算法，使得线状物体遇水能够向指定方向形变，最终形成立方体结构。
图1 线状物体遇水变形成正方体结构[12]
因此，4D打印最初被定义为3D打印与时间维度的结合，这种结合表现为：通过3D打印出的结构在外部刺激因子（如，水、热、光）作用下在时间的维度中发生变化[13-15]。斯凯拉·蒂比茨等人认为，4D打印是一个全新的处理过程，“该过程需要复合材料的参与，同时，材料在外部触发下有能力随着时间而改变；或者是一个定制化的材料系统，可以从一种形状转变到另一种……第四个维度——时间，指的是随时间而变化，强调打印出的结构体不再是静态的物体，而是具有可编程性，并且能独立转换的智能结构”[16]。但根据Pei等人给出的定义：4D打印是使用特定的增材制造技术以及具有刺激反馈的智能材料来建造物体的过程。在被建造后，物体会根据外部刺激或者人为干预得到反馈，导致在时间维度下打印结构体产生物理或者化学变化[17]。
上述两种定义的不同点在于：Pei等人将4D打印归结于包含了打印体物理或者化学的变化；而蒂比茨等人以形态的变化为主要参考标准。随着研究的深入，针对4D打印的定义也在不断完善。Momeni等人给出了较为全面的定义：4D打印技术是对3D打印技术的优化升级，具体表现在打印产物形状、属性和功能三个方面。它具备自组装、多功能和自我修复能力，与此同时，它是基于时间的、独立于打印设备的以及可预测的[18]。
（二）4D打印的构成要素
如前所述，4D打印制造出的物体在其形状、属性和功能方面均可变化。这种特性很大程度上依赖于三维空间中智能材料的有机组合[19]。如果希望物体按预设的方式接收刺激、发生变化，则需要在打印之前对4D打印中材料的分布进行合理设计。因此，可利用数学模型支持在复合材料的结构体中进行不同材料的分布设计，以期达到预设的变形效果。由于4D打印结构体具备基于时间变化的特性，所以会存在形态1、形态2，甚至更多类别的稳定形态，这些形态能够在特定的刺激下转换[20]。如图2所示，4D打印的主要构成要素可以分为四个部分：智能或刺激反馈材料、4D打印设备、外部刺激因子、智能化设计过程。
图2 4D打印的主要构成要素
1.智能或刺激反馈材料
对于支持4D打印的特殊材料，在现有研究资料中，研究人员大多用 “智能”（Smart）、“刺激反馈”（Stimulated-response）以及“可编程”（Programmable）来表征其特性。4D打印产物能够根据应用场景的特定需求、刺激因子的特定作用条件的自发变化，展现出“智能”特性，使研究者将构成这类特殊物质的基本材料称之为“智能材料”（Smart Material），这种命名方式是以产物实际应用所表现出的自发行为作参考的。“刺激反馈”是构成4D打印体材料的基本属性之一，该命名方式侧重于材料能够接受预设刺激，并产生一定反馈结果的能力。前者从4D打印产物效能的角度对材料进行命名，而后者侧重于材料本身所具有的属性。可编程物质（Programmable Material）是指物体能够通过程序化的方式进行变化（包括形状、密度、模量、电导率、颜色等），特指美国国防高级研究项目署（DARPA）在2007年开始的“可编程物质”研究计划中的研究内容[21]。4D打印实际上使物质“可编程”成为现实，即通过设计理念阶段对产物预编程，从而使其具有智能变化的特征。因此，4D打印也被认为是3D打印与编程思想的结合，在某种程度上，可编程材料亦即智能材料。在此，特指实现4D打印技术的材料为“智能材料”。
3D打印技术发展至今，其可以处理的材料种类众多，但在这些材料中，智能材料却在近期引起了学者的广泛关注，因为它被认为是区别3D打印与4D打印技术的关键所在。但是，尽管智能材料被广泛研究与投入使用，其定义在学界仍然存在一定分歧[22]。有学者认为智能材料是一种能量转换的材料，例如，其能将热能转换成机械能[23]，该定义突出智能材料是一种能量转换的“媒介”。也有学者认为智能材料是一种能够感知外界物理环境的变化，并通过自身属性的变化进行反馈的材料[24]，这种定义将智能材料对外部刺激的反馈作为主要特点。我们认为，4D打印技术需要对两种定义进行整合：智能材料是一种在外部特定环境的刺激下，能够以有效的方式在不同物理域之间变化形态或属性的材料。智能材料的使用，能够保证打印出的物理结构按照预设的方式，在时间维度下产生变化。
现阶段许多4D打印应用，受限的原因就是没有找到合适的材料特性。例如，4D打印可以组装人造肌肉，但目前材料的相关变化机制和属性不足以达到人造生物肌肉的标准[25]。因此，先进的智能材料和打印设备，对于未来4D打印应用的普及至关重要。如图3所示，Sun等人将智能或刺激反馈材料进一步划分为多个子类。根据其分类特征，这类材料的性能可以归结为：自动感知、决策、可反馈、形体记忆、自适应、多功能和自我修复。
图3 刺激反馈材料[29]
2.4D打印设备
在通常情况下，4D打印结构是通过打印设备将不同材料合理分布并一次成型的结构体[26]。不同的材料属性，例如，溶胀比、热膨胀系数，可以使结构按特定方式变化成为可能。近年来，Stratasys公司所研发的聚合物喷射（Poly Jet Technology）3D打印技术，在处理复合材料打印方面取得了较大进展[27]；选择性激光熔化技术（Selective Laser Melting）则实现使用具有高能量密度的激光，熔化金属粉末层以创造均匀的3D金属结构，而不需要任何粘合剂和额外的支持[28]，这些进步都推动了4D打印的发展。
Jin Choi等学者使用通过基于材料成型技术（Material Extrusion）特制的3D打印设备，设计出在加热作用下能够定向弯曲的人造手假体[30]。该结构体是由热塑性聚氨酯（TPU），一种形状记忆聚合物的柔性材料组成。其使用的3D打印设备经过改良，材料喷嘴处涂覆聚四氟乙烯并设置加热温床，可有效避免TPU材料阻塞喷嘴以及制造过程中的热损失。
3.刺激因子
刺激因子是用来改变4D打印结构体形状、属性和功能变化的触发器。研究者目前在4D打印领域中已经运用的刺激因子包括：水、温度、紫外线、光与热的组合以及水与热的组合。刺激因子的选择取决于特定的应用领域，这同样也决定了4D打印结构体中智能材料的选择。
4D打印结构体能够基于一个或者多个刺激因子改变形状、属性和功能。但是，需要充分考虑特定材料的刺激因子与结构体形态改变之间的交互机制，以使结构体按照预定方式发生变化。例如，在目前4D打印技术的研究过程中，一个主要的交互机制为限制性热力作用机制 （Constrained-thermo-mechanics）。在这种机制下，刺激因子为温度的变化，智能材料具备形状记忆效果。
4.智能化设计过程
尽管智能材料自身在打印对象形态变化中扮演着至关重要的角色，但是，基于对交互机制、可预测行为和需求参数充分考虑的复杂的设计过程，也能够保证达到可控结果的环节之一[31]。4D打印技术的优势在于其在空间合理分布不同材料，以创造复杂的3D形态的能力。通过设计智能材料分布的方向、位置，我们可以使结构体受刺激因子的刺激后，产生形态上的变化。
如图4所示，Ge Q等学者制造出一种双层结构体：一层为定向的形体记忆聚合物纤维；另一层以弹性非金属材料作为基体结构，针对预设结构体中纤维的不同分布，在结构体受热后，使其变化为弯曲、盘绕或者扭曲的条带状，或者折叠形态以及其它复杂的可控形状[32]。Raviv等学者利用计算机辅助设计的方式计算出结构体折叠、卷曲、线性扩张、收缩以及其它变形方式所需要的相关系数，使得结构体可以在水中按照预设方式变化[33]。
图4 以形体记忆聚合物纤维为材料的4D打印结构
（三）4D打印流程
无论传统的制造业还是3D打印，其造物过程一般是先模拟、后制造，或者一边建物，一边调整模拟效果。由于4D打印结构体具有基于时间变化的特性，设计和制作流程中存在一个或多个中间形态。如图5和表1所示，本文以结构体的两种变化形态为例，即结构体存在两种稳定的形态，探究4D打印的设计和制作流程。
图5 4D打印流程
1．数字化设计过程
传统的3D打印技术，可以通过专业扫描仪或者DIY扫描设备获取对象的3D数据，也可以使用3D制作软件从零开始建立三维数字化模型。不同于3D打印先建模、后生产的制造流程，4D打印由于其能够变化的特性，在数字化建模之初，就将材料的触发介质、时间等变形因素，以及其它相关数字化参数预先植入打印材料中，如，Autodesk公司研发的Cyborg软件，可以实现自组装材料的编程过程。
2．中间件成型过程
中间件成型过程，即从3D打印设备开始工作到结构体离开工作台的过程。此过程需要全新的3D打印设施的工作。Gladman等人认为，4D打印过程中需要适当的数学模型的支持。在该过程中存在的数学问题包括：如何预测结构体基于时间的形态变化过程，包括变化后的形态；如何提供避免自组装行为过程中组件发生碰撞的理论模型；如何减少自组装过程中的试错性行为[34]。这些需要考虑的数学问题，必须通过智能化的计算芯片加以判断、解决。值得注意的是，未来人工智能芯片可植入到3D打印设备之中，即3D打印设备也将具有“智慧性”。通过对数字化设计完成之后，传输到打印设备上进行数据分析，可以对材料进行合理安排，以保证最后的打印效果。可以预测，未来4D打印设备会朝标准化、模块化的方向发展。不同模块的可替换性，能够基本保证针对不同材料、不同平台的支持。
三、4D打印技术的研究现状及潜在应用领域
2016年“加德纳新兴技术成熟度曲线”将4D打印列为处于技术萌芽期的新兴技术，并且显示人们对4D打印技术的期望值在不断上升[35]，如图6所示。与此同时，根据市场研究机构Markets and Markets的最新研究报告，预计到2025年，4D打印市场将达到5.556亿美元，目前，4D打印正处于商业化边缘[36]。
表1 4D打印与3D打印对比
图6 2016年新兴技术成熟度曲线
（一）生物、医疗领域
1.人体组织及其组织器官
4D打印血管的材料不一定需要患者本人身上的细胞组织，只需在材料内部通过软件设计编程置入实践、触发介质等参数，以解决材料的唯一性难题。4D打印产品自我调整的特性，使制作取用的即时性也成为可能。在应用的适应性方面，4D打印的血管具有自我调节和自我修复的效果，这使得其在生物、医疗领域的应用有着其它技术无法企及的效果。如，青岛尤尼科技采用的4D生物打印技术，在可编程网格微槽的多层结构中，建立起细胞 “微组织”，该微组织随着时间和环境的变化，可自发地进行细胞膜、细胞自组织和基质沉积的过程，从而优化了降解过程，使打印出的组织机构与人体的组织更接近[37]。4D打印出来的细胞能够自我融合生长，在应用于替换癌变或灼伤、烫伤的人体皮肤过程中，将实现与人体最大程度的契合，且能降低术后感染的风险。
2.医疗器械
4D打印的主要应用构想，集中在人体植入物方面的医疗器械，如，纳米机器人、器官支架等。利用4D打印技术打印的生物纳米机器人，凭借其自主装和形变能力，将可以进入非常微小的空间工作，如，将药物直接带进人体内开展治疗，或对癌细胞进行外科手术等。对于器官支架技术相对成熟的医疗领域而言，最主要的问题在于，传统的如心脏支架多为记忆金属材料制成而无法降解，而利用4D打印制造生物心脏支架，因其材料的生物相容性、可降解性和材料自身的记忆功能，就可以完成从植入到降解的整个过程。
（二）军事工业领域
4D打印的结构体具备自组装、多功能和自我修复能力，可以使未来军工设备根据部署现场环境和作战目标的不同，灵活调整以自适应实时战况，提高作战效能。结合4D打印技术的伪装服，可在兼顾轻便性的同时，能根据季节、周围环境重塑成需要的形态，为侦查人员执行任务提供便利性。美国陆军首席技术官格蕾丝·博赫内克（Grace Bochenek）表示，防弹衣可能会与4D打印技术结合，从而保证防护性以及便携性，实现从制造到使用的防护服成型、重塑、使用、打包等流程。4D打印还可以将大型军用设备，在未布置前以远比实际形状小得多的样子呈现，再将通过4D打印而成的结构放在特定的位置，然后自动变形、自动组装，在使用后还能回收带走。
（三）产品设计领域
与3D打印不同的是，4D打印将不再需要通过“定制”这一套程序来实现个性化产品制作，而是完全能即时地表达自己的想法并制作出来，且能随时更新自己的创意，从而用个性化元素构建自己的个性化生活，使得私人订制转向私人工厂，加快产品创新速度。以服装设计为例，美国麻省科技设计公司Nervous System制造出世界上第一款可以根据人体体型自动改变尺寸、裙面纹理的4D打印裙。在拉力的作用下，该布料纤维结构可随人体体态变化而变化[38]。与此同时，蒂比茨和他的团队还打印出了世界上第一双可以根据人脚的形状和大小自我调节的4D鞋，该技术已被阿迪达斯公司（Adidas）用于Futurecraft4D鞋款的制造，该鞋款中底使用可编程的液体树脂材料，通过“数字光合成”的4D打印来呈现[39]。在互联网+时代背景下，数字文件可在保证质量不受影响的情况下无限复制，而4D打印可以将这种数字精度扩展到实体领域，从而保证实体产品精确的批量生产，降低不良率，提高生产效率。
（四）交通工具
未来人们甚至可以根据所需汽车性能、外部形状、内部结构等购买汽车组件，随时随地通过组件的自组装形成个性化定制的汽车产品。与此同时，当前社会“停车难”的问题，随着资源、空间的日益消耗逐渐被放大，汽车以后甚至可以折叠成不占空间的形状，使停车问题不再令人头疼。未来4D打印汽车通过革新的智能材料，当重大事故或者自然灾害所产生的外部触发介质作用于材料时，其设计的反馈方式可最大程度保证车内乘客的安全，未来安全气囊可能被更具创造力的保护措施所取代。当下汽车厂商对4D打印技术与汽车工业的结合做了不懈的努力，碳纤维和新型复合材料已在宝马（BMW）汽车公司的概念车中得以应用，“BMW VISION NEXT 100”概念车应用了名为“灵动结构”的全新技术，车身形体的可变性，通过带有延展性的材料得以实现[40]。
（五）建筑与航空航天领域
4D打印在建筑领域具有无限的可能性，以地下排水系统为例，利用4D打印技术开发出的“自适应”水管，可以根据水管外壁受力的不同自行改变其管道直径、材料刚性，比如，遭遇洪水、地震等自然灾害时，能够扩大直径或者使材料变为柔性，以保证供水正常。另外，利用4D打印建构的房屋物理空间将被赋予可变性，根据光照变化等刺激因子的作用，房屋内部结构可以随用户需求而变化。例如会客时，卧室变为闲置空间。4D打印的房屋材料能通过一系列变化，将闲置卧室空间分配给会客所需的公共空间。
与建筑行业类似，航空航天工业对于空间的合理分配也有极高的要求，庞大的设备需要利用航天飞机的运送才能进入太空。而4D打印物体的自组装行为，能够为运输过程节省较大空间，可将打印完成的组件以便于运输的形状送往太空，在宇宙空间中完成自动变换形状、组装等行为，这将大大降低运输成本以及困难度。对于航空事业而言，运用4D打印技术制造的飞机，在面临特定环境变化时可以实现自我分解，以最为理想的状态（如，胶囊状安全防护罩）给乘客提供及时有效的保护。
（六）教育领域
4D打印也为教育行业打开了一扇新窗口，但目前鲜有机构、学者研究、探索如何将4D打印技术运用在教育领域中。我们搜索到互联网上仅有一篇关于4D打印教育构想的电子文档，来自于T.Holsinger，其构想主要是将4D打印物件作为课堂动态视觉辅助教具，运用在不同学科，如，生物、科学、文学、特殊教育以及政治科学[41]。传统教具、模型不具备“四维”的动态性，教师若通过特定的刺激方式使模型按照预定的变化方式，与课堂内容相结合，可以调动学习积极性、提高专注度。
四、4D打印技术的教育应用分析
（一）教育应用特性
1.人本性
互联网时代的个性化消费特点，主要体现在“用户至上、多样选择、参与设计与体验为王”四个方面，在教育领域也呈现这样的趋势。未来教育是面向学习者个体的，体现以人为本，为每一个学习者提供适合其特征的教学资源，关注每一个学习者的个体体验和学习需要。4D打印能够根据学习者的个体特征，提供适合个体需要的课桌椅的高度、温度；也能根据课程性质的不同，改变课桌的形状等，以满足学习者的学习需要。同时，教室的墙壁也可以根据季节的不同呈现不同的色彩，为学习者创设适宜的学习环境。
2.智能性
4D打印技术最重要的特征之一，就在于其打印材料的智能性和可编程性，在设计软件的支持下，可以对智能材料进行编程，从而使得打印材料能够在指定的时间内，在一定的外在条件刺激下，实现自动组装、变形和修复等，符合教与学过程的需要。
3.交互性
交互性是4D打印技术教育应用的重要特性之一，4D打印的资源要实现按照预先设定的变化规律进行变化，需要有一定的外在刺激条件，在与外在环境条件的交互过程中，实现其自动变形、组装等功能，可应用于教学中的交互活动。
4.生态性
由于4D打印技术直接将设计内置到打印材料中，简化了设计理念——实物的造物过程，能够让物体不需要借助任何复杂的机电设备，实现自我组装、自我修复，颠覆了传统的造物方式。通过摒弃生产线，直接降低了生产制造成本，大幅减少了生产材料的浪费。所以，依托4D打印技术，批量生产将更加敏捷，产品的精细化程度得到提升，有效降低了产品次品率。4D打印能有效减少打印材料的浪费，并实现打印资源的自我修复、分解、重复利用，从而可以减少对环境资源的浪费。
5.生成性
由于4D打印是通过3D打印出的结构在外部刺激因子（如，水、热、光等）作用下，在时间的维度中发生变化，因此，4D打印不再是创造过程的终结，而是一条路径，打印出来的产品可以进化，产品的进化过程就是一个生成过程。可见，4D打印是一个动态过程，它的创新在于“变”[42]。
（二）教育应用的理论基础
1.做中学
“做中学”是美国教育家杜威教育理论的重要观点之一，“做中学”即“从活动中学”、“从经验中学”。其主要观点是学习者从经验中获取和积累知识、从实际操作中进行学习，要求学习者更多地运用自己的手、耳等多重感官去亲身接触、了解和体验具体的事物，通过自我主动的加工、反思等认知活动，从感性认识上升到理性知识，最后自主解决问题。“做中学”的教学实践应当遵循“真实情境——发现问题——占有资料——提出假设——检验想法”这一过程。4D打印技术在教育中的应用，主要也是让学习者在进行创造设计、编程打印的过程中，获得能力的提升或是问题的解决。
2.“经验之塔”理论
戴尔的“经验之塔”理论认为人类的经验可根据他的抽象程度，分为三大类 （抽象、观察和做的经验）、十个层次[43]。其中每一次经验的获取方法及使用的媒介均有所不同，4D打印技术在教育中的应用，既能为学习者提供做的经验，同时4D打印作品的变形过程，亦可以为学习者提供观察的经验。此外，4D打印技术将抽象概念和创意设计引入现实世界的产品展示，对教学内容中的某些抽象概念或科学过程进行可视化或动态展现，能够更大程度上发挥“抽象的经验”在学习过程中的作用，使学习者获得更多的认知体验，从而提高学习者的高阶思维能力。
3.形塑学习理论（Solid Learning Theory）
基于3D打印技术的形塑学习模式（Solid Learning Model）由美国学者拉尼柯克·豪斯曼（K.K.Hausman）于2012年提出。形塑学习模式能使教学问题可视化、真实化，促进师生间更为及时有效的交互协作和评价，丰富了学习者的感知沉浸感，在立体化的理解知识框架内，培养了学习者的创新能力[44]。这一理论是基于3D技术提出的，4D打印技术除了具有3D打印的所有特点，能为学习者呈现更为真实的实物特征，有助于学生在这种较为真实的环境下获得更深刻的情境感知。同时，由于其动态的变换过程，还能够为学习者营造更好的个性化体验氛围。在这个氛围中，学习者更愿意及时呈现自己的设计作品，尝试不同的解决方案。4D打印的编程和打印过程，均有利于为学习者创造多角度的交流空间，促进学习者之间的行为互动和思维共享。
4.体验学习理论
库伯在前人关于体验学习研究的基础上提出体验学习理论，其主要观点是：学习不局限于获得抽象经验，而应包括“具体经验的习得——反思观察的进行——抽象概念的概括——主动实践的完成”这一周期活动的不断循环[45]。该理论强调学习者在新情境中参与具体活动，直接领悟、创造活动经验获得的具体经验，通过回顾、反思内化成合乎逻辑的抽象经验进行证实和运用，通过不断循环的连续过程，实现经验的创造、领悟与转化。因此，4D打印技术与教育领域的结合，必须要考虑到是否能为学习者提供具有个性化特征的具体经验的学习环境。
（三）4D打印的教育应用场景及分析
由于4D打印技术具有智能性和生成性等特点，在教育领域中，除了可以像3D打印一样，教师和学习者能够自己设计和打印出各种形状的教具、学具等作品外，4D打印技术还可以用于制作智能教具、智能玩具，用于智能化学习空间创设，提供丰富的教学展示体验，如，STAEM教育以及创新设计教育。
1．智能教具和玩具
传统的教具和玩具是静态的，没有生命的，不具有“智慧”的特性。利用4D打印技术，可以设计打印出七巧板智能玩具，分散的七巧板当被组合时，可以自动组装成相应的形状，方便学习者进行形象认知，当被拆开后又回到原形，方便重复使用。
在学前教育中，婴幼儿的习惯养成教育一直是父母及婴幼儿教育工作者关注的热点，目前多数情况下是通过玩具，以“过家家”的方式来模拟现实生活，借此培养孩子的责任心。但在这种方式中，由于儿童所使用的玩具不能给出及时的反馈，从而降低了婴幼儿玩游戏过程中的体验感，较难达到理想效果。借助于4D打印技术，我们可以较好地解决这个问题，如，我们可以打印智能植物，当婴幼儿进行浇水时，它会生长，但浇水过多或长时间不浇水时，则会枯萎，甚至死亡，通过这个过程让婴幼儿培育和看护植物，培养婴幼儿对于植物栽培的责任心。
4D打印的智能玩具由于是通过对智能材料的编程进行控制，从而更具有“生命力”。用户可以基于编程软件自主对智能玩具进行编程，使得智能玩具呈现多种形态或提供不同的玩法，这样的玩具既具有娱乐性，又能很好地激发使用者的想象力。
在教具方面，教师也可以利用4D打印技术，设计打印出智能教具，这种教具能够根据教学的需要，提供及时的、准确的反馈，让学习者获得接近于真实的体验。如，在生物教学中，教师讲解细胞分裂时，可以利用4D打印的细胞模型，在一定的刺激因子作用下，使其进行不同形态或过程的分裂，给学习者以直观的、可触及的学习体验；也可以在外语教学中，利用4D打印的口腔模型，根据不同的声音刺激，呈现不同的口腔形状，让学习者能更直接地体会英语音标发音练习过程中嘴巴的形状、舌头的位置等。
另外在体育教育中，为帮助学习者能够更快地掌握一些动作，可以利用4D打印技术打印相应的训练辅助教具，用于学习者的练习姿势矫正。如，当学习者的投篮姿势不准确时，教具由于受力的作用，会给出及时的反馈，提醒学习者或帮助学习者进行姿势的调整和纠正，从而提升学习效果。
2.智能学习环境创设
在我们所看到的学校学习场景中，往往是“只有教室、没有设计”，千校一面、整齐划一。今天，教学场景已不只是单纯的知识传授场所，人们不再满足于冰冷的建筑。孩子的天性需要释放，需要更多交往的空间和自由探索的领域，对于“美”，我们也有了更高的要求[46]。我们要让学习者更好地投入学习，就需要为他们创设更好的学习环境。利用4D打印技术，就可以打印出会呼吸的墙、随季节变化色彩的墙。由于4D打印使用的是智能的、可编程的材料，我们可以根据教室内部空气中的温度、湿度，或是二氧化碳的浓度、氧气含量等的不同，自动调整墙体的缝隙，进行室内空气质量的变换，保持优质温馨的学习环境。这个墙体也可以根据四季的不同，呈现不同的色彩，如，炎热的夏天可以呈现冷色调，给人以清凉感；寒冷的冬季可以呈现暖色调，给人以温暖感。
我们还可以利用4D打印的自变形、自组装能力，打印会变形的课桌，满足不同教学过程的需要。教室或实验室中的桌子、家具或实验装置等也可以不再需要人工，而实现自我组装。这里的自我组装，表现为能根据存在的部件组装成预设的样式，而不会出现偏差。这不仅能就其样式进行随心所欲的拼合设计，而且购买、搬运可以更方便轻松，且当其中某一部分出现损坏时，只需要更换该单一部分再重新组装，而不需整体舍弃。除了自我组装外，还可以实现依据不同学习者的身体特征进行自我调整，一方面，能更契合人体力学，当人坐在上面时做出适当调整，使人觉得舒适而不会劳累；另一方面，其结构能就承受的重量做出调整，使应力点变得越来越结实。
在传统的教学过程中，由于教室、实验室等学习空间的建筑特性无法进行动态的调整，而很难根据教学过程或学习任务完成的需要提供相应的空间支持，也很难充分发挥各个学习空间的使用效率。基于4D打印的学习空间可以较好地解决这一问题，四面墙体能自由地变形，依据教学需要，调整相应大小的学习空间，自动进行重新组合和分布，从而提高空间的有效利用率。
3.展示体验
正如谭维智所指出的，网络一代的学习者更习惯于不教的学习方式[47]。未来的学习过程不再是一个知识的被动识记过程，更多的是一个学习者主动利用学习资源的加工过程。在这个过程中，教学资源的呈现形式就显得尤为重要。基于4D打印技术打印的教学资源，可以将课堂上难以讲解的教学场景进行模拟仿真，多角度呈现学习内容，有效调动学生的视觉、听觉、触觉、动觉等多感官参与，从而创设一个情景化的学习环境，让学生们感受到极强的临场感。
4D打印资源的优势在于，这种动态呈现方式能够帮助学习者建立有效的认知模式。例如，4D打印作品的自动变形、自动组装等展示过程，以通俗化的表现形式，将欲传达的信息转换为直观、浅显、易懂的符号或图像语言，使学习者能够比较容易地懂得信息的内涵，并能够通过受众亲身参与和体验获得多重感官上的刺激，高效完成信息加工；对于在现实生活中无法观察到的自然现象或事物的变化过程，如，细胞的分裂、分子的运动、动物或人体运动过程中骨骼的运动等，借助4D打印的智能教具可以直观、形象、逼真地呈现抽象的概念和理论，有利于学生理解和掌握。这种实物的动态展示，具有生动、直观、逼真、可视化、立体感强的特点，能够通过相应部件的运动变化方式，增强视觉化、立体化的记忆能力，丰富和提升学生的学习体验。
4.STEAM教育
当下，STEAM教育已成为国内外基础教育关注的热点。STEAM教育不仅强调科学、技术、工程和数学等学科的知识运用，同样重视艺术、设计和人文科学在教育中的整合，使得课程体系更加均衡，也为学习者提供了一个将广泛的知识和技能在现实生活中相互联系的大图景。
4D打印在教育领域的应用，带来的不仅是打印手段的革新，它不再仅是一个建模的过程，而更多的是需要培养学习者的设计思维，关注产品设计的过程思维，如，物体在受热或受到外部刺激情况下所产生的形状、色彩或是质地等的变化过程。这个过程的设计，需要学习者掌握物理、化学、材料、生物、信息技术、艺术等多个学科的知识，它更注重学习者在设计过程中，进行跨学科的“知识融合”，而不局限于将想法进行“实践创造”。
4D打印技术在STEAM教学中的应用，可以使抽象的教学概念更易被理解，同时，学习者对科学、数学尤其是工程和设计创意的兴趣更易被激发。4D打印让学习者的想象更容易变成现实，在这个过程中，学习者的创新意识得到培养，创新实践得到鼓励。通过学习建模软件、编程软件的操作与应用，学习者可以发展立体空间思维和编程素养。基于4D打印实体的触觉过程和动态的变形组装过程，可以建立一种新型的学习通道：在打印主题上选择贴近社会、生活的建模主题，可以有效地培养学习者们利用新兴技术解决生活实际问题的能力；让学习者在将创意转化为实物的过程中，理解、完善知识体系，培养其跨学科解决问题能力、逻辑创新思维和科学动手实践能力。
5.设计教育
4D打印能直接把设计以编程的方式内置到打印机当中，使物体在打印后，从一种形态变成另一种形态，为物体提供更好的设计自由度，实现物体的自我变化和制造。由于4D打印不再局限于成型作品的打印，而更多地关注作品的变化过程设计，能够根据使用场景的不同，灵活进行产品的外形呈现或功能设计。在设计教育的视角下，4D打印弱化了传统3D打印可能带来的复杂模型造型、后期再加工的问题，使其具有“智能制造”的特性，可以使打印产物在外部刺激因子作用下成为“自为”的产品，减少人力、物力和时间成本。对于设计师而言，更多的是需要激发自身的想象力，拓展产品创意与创新空间。设计人员不再受传统工艺和制造资源约束，专注于产品形态创意和功能创新，在“设计即生产”、“设计即产品”的理念下，追求“创造无极限”[48]。
4D打印也给设计师增加了更多的可能与挑战，如，产品在不同形态变化下的美感、功能，或产品最佳形态变化方式的预期等，这些将考验设计师的智慧，给设计学科带来一些改变，也势必会对设计教育提出新的要求。未来的设计教育，不仅仅是一个造物设计，更多的是一个过程设计。设计者更多的是在设计之初，就应根据设计的需要对于设计产品的变形过程，中间过渡形态及最终呈现形态有一个完整的设计。未来的设计教育，更多地会是一个团队的合作设计，在设计过程中，每人设计整体设计中的一部分，最后基于程序的驱动能够自动组合成最终的产品。
6.创新文化
创新文化是科技创新的重要元素，是指与创新活动相关的文化形态，是社会共有的关于创新的价值观念和制度设计。它所体现的是一种社会对于创新的价值取向，映现了社会对新思想、新变革的积极态度。激发创造力是创新文化建设的目的[49]。4D打印技术是创新的最佳工具，是让不可能成为可能的一种加工方式。它所体现的创造理念不仅仅是静态的，而且可以是动态的、智能的创造。4D打印产品的过程，是一个体现智能造物的过程。从这个角度讲，它不仅仅是设计产品的创新，更是一个设计过程的创新。
4D打印技术的教育应用，将更有效地激发教育领域中的创新因素，培养适合未来社会发展所需的劳动者，更有效地培养学习者的跨学科能力。跨学科能力是一种通过多学科的协作共同解决同一问题的能力，也是一种能够灵活整合不同学科内容、运用跨学科方法解决问题的能力。Futures认为，运用跨学科方法解决问题能够使学习者灵活转换不同的思维模式，使学习者产生迁移、联想和顿悟。通过不同学科间交叉思维、跳跃式思维的应用，从而促进创新思维的产生[50]。
五、4D打印技术与“人工智能+教育”的融合
人工智能（Artificial Intelligence， AI）是一个模拟人类能力和智慧行为的跨领域学科[51]。从技术发展的角度看，人工智能技术可分为：计算智能、感知智能、认知智能三个阶段[52]。近年来，支持AI技术的技术生态趋于成熟，包括以大数据为支撑的数据源和以机器学习与深度学习为支撑的分析方法，以及应用层面中面向个体的图像、语音识别技术和自然语言处理技术的成熟[53]，这些都推动了AI应用的普及，使其能够走向普罗大众。因此，有学者称现在为“人工智能+”时代[54]或“人工智能 2.0”时代[55]。
人工智能与教育结缘已久，有学者认为，人工智能的发展史，就是人工智能教育应用的发展史[56]；也有学者认为，人工智能是伴随计算智能、感知智能和认知智能这三类智能技术的发展而逐渐被引入各类教学系统中的[57]。当下，国内外人工智能研究集中在感知智能阶段，未来人工智能技术的突破口是认知智能的应用实现与普及。“人工智能+教育”立足于当下人工智能的发展水平，探索与学习科学深度融合的方式，旨在实现面向学习者的大规模的个性化、自适应学习模式。
随着人工智能技术的发展，其在教育领域的运用的关注点已经从智能教学系统（ITS）、智能教学代理（IPA）和游戏教学转移到学习过程数据的收集、处理以及应用[58]。国家在《新一代人工智能发展规划》中提到，要“建立在线智能教育平台，完善人工智能教育体系”[59]，这表明人工智能技术的实施很大程度上依托于互联网平台的支持。吴永和等学者认为，“人工智能+教育”是对“互联网+教育”的深化，具有创新驱动、重塑结构、开放生态、尊重个性、服务智能、自治演进六个特征[60]。张坤颖等认为，人工智能在教育中的应用形态有主体性和辅助性两种特点，具体可以分为主体性融入模式、功能性嵌入模式以及作为辅助技术的模式，即AI技术是一种增能、使能和赋能的技术，以融合、辅助各类教学管理、学习评测等系统为主要方式与教育结合[61]。我们认为，“人工智能+教育”使得学习者由知识的消费者转变为知识的创造者；学习资源由单结构化向适应于学习者个体的跨媒介型非结构化形式转变；在教学方式上，把教师从繁杂事务中解放出来，关注于学习者个体的高阶思维模式。
人工智能也是一种在线应用型技术，而4D打印作为一种全新的增材制造技术，能够将人造“智慧”产物的存在方式从虚拟空间延伸至物理空间，两者的结合，能够为学习者提供全方位、个性化的智慧学习体验。结合以上分析，我们认为，4D打印技术与“人工智能+教育”的融合可以从以下途径入手：
1.智能工具与教学的融合
智能工具与教学的融合，是指将智能化的教育设备融入教与学的过程中。教育装备是使教育任务有效组织起来的系统，是保障教学活动所需的资料、学具、仪器、设备以及相关软件的总称[62]。它为创客教育和STEAM课程提供支撑，将教育装备与课堂教学结合起来，以培养学生的创新设计能力和问题解决能力[63]。
在4D打印技术支持下的智能教育设备，能够与不同教学场景有机融合，如表2所示。例如，4D打印物品的制造需要预先设计其变化过程、不同形态的呈现效果，这能够培养学习者个体的设计思维能力；利用4D打印技术的展示型设备，能够塑造比静态展示物更为真实的情境，有助于加深学习者对相关知识的理解；而4D打印玩具的可交互性、自组装行为，能够使学习者“做中学”，创造学习者之间的交流空间。“人工智能+教育”基于大数据技术的学习分析与评测，能够准确辨识学习者在这一系列过程中的学习水平及学习兴趣，通过智能系统与学习者沟通或者形成学习分析报告，能够帮助教师更好地把控教学进度，提高教学效率。
表2 4D打印技术与教学场景的融合模式
2.4D打印与编程教育的融合
技术使用的生产性和创新性是21世纪实践的重要特征之一，作为教育主体的教学者和学习者，面对层出不穷的新兴技术及这些技术在教育领域的应用，需要自身不断更新知识和能力，完善自身的素养结构。“编程素养”是这类素养结构中较为基础性的成分，它所指的是学习者通过以编程为主的学习模式，加强其逻辑思维的能力，以期适应当下社会快速更新的技术生态。利用4D打印技术进行编程教育与人工智能可以有机融合，例如，在人工智能系统的支持下，未来教育环境中的学习者能够大胆地对4D打印结果进行描述，人工智能系统识别需求之后通过逆向推导，将创意构想逻辑化。而学习者在理解其中的逻辑关系后，通过成功打印出具有动态属性的物体，使得学习成果不仅“可视”，而且“可交互”，从而能够加深对编程知识的理解。
3.项目协同式学习的实施
为了开展STEM教育的最佳实践，美国研究所与美国教育部联合发布了 《STEM 2026：STEM教育中的创新愿景》，报告中提出要建立网络化且参与度高的实践社区，包含用跨学科方法解决“大挑战”的教育经验等愿景[64]。“大挑战”是指当地社区、国家层面或者全球范围内还未解决的问题[65]，以公益性事业为主。公益事业本身可以使学习者感觉在为社会做出贡献，内在地获得社会责任感，从而能够激发其学习动机。在具体实施方面，人工智能系统能够为分布于世界各地的学习个体建立在线协同合作系统，该系统应具备不同语种的实时翻译以及与他人合作的社交机制，学习者通过线上协同式学习平台，各自获得参与机会以及众包任务，继而基于4D打印技术设计打印产物的模型、交互机制，通过网络平台传输到特定位置完成打印以及打印产物的自组装。这种项目协同式的学习过程，不仅能够培养学习者的协同学习能力，同时还能促进多元化社会文化交流，提高学习者的社会适应能力。
4．叙事教学
Bruner认为，儿童和青少年不仅需要“逻辑性思维”，同时也需要发展“叙事性思维”[66]。“叙事性思维”由学习者个人的想象力所触发，通过故事的形式表达，从而发展出一种个人或者群体的、深层次的意义建构[67]。“人工智能+教育”视角下的数字教学资源，能够使叙事主题内容根据观众的情绪变化产生多结尾、开放式的故事结构，使得学习者产生沉浸式的体验过程。4D打印可以将叙事主体实体化，例如，利用特定的打印部件还原历史事件发生的场景，并且利用程序预设多个触发点，通过触发交互机制使得静态场景能够“活起来”，增进学习者的学习兴趣，从而提高学习效率。
5.聋哑人语言康复训练
被边缘化的群体（Marginalized Group）是指在教育技术研究和实践中被忽视的人群，例如，残疾人群等[68]，其身心先天或者后天的不健全导致学习和发展受到了严重阻碍。因此，残疾人群在知觉能力、语言理解能力、社交能力等方面更需要人工智能技术的介入[69]。4D打印技术使人造物的“智慧”特征转移到物理空间，能针对残疾人群的康复训练提供实物支持，并与人工智能有机结合。例如，聋哑人由于失聪接收不到对方的声音而无法开口说话，通过4D打印出的类似口腔系统的训练模具能够利用声波这一外部刺激改变其形状，从而帮助聋哑人训练发音过程，而训练所需语音材料可以通过人工智能系统输出，以匹配聋哑学习个体的学习特征，提高其学习发音的效率。
六、结语
4D打印技术的“未来”已然到来，并且正在流行。人类自诞生以来就在不断适应世界，而4D打印的出现，使人类开始主动“修改”世界，人人都是创造者，可大胆发挥，拥有无限想象[70]。随着大数据、云计算、物联网及人工智能等新兴技术的快速发展，人类正迎来第六次认知革命，认知能力将再次飞跃，从而最终进入到智能化时代[71]。未来教育是人与人工智能协作的时代，以人工智能为核心的新技术将与教学融合，成为下一个教育改革的核心驱动力。新兴技术在改变人们的学习、工作和生活的同时，也给教育的创新发展带来了新的机遇。3D打印的物体是“死”的，而4D打印的物体却是“活”的[72]，正如凯文·凯利（Kevin Kelly）所言：人造物正在变得有生命，4D打印不再是创造过程的终结，而仅仅是一条路径、一个转向点、一个起点，打印出来的产品可以进化，使产品具有智慧的属性[73]。
在新技术决定创新教育质量的条件下，教育教学体系必须彻底革新传统的教育观念，应用于教育领域的技术不能仅仅是冷冰冰的、辅助性的、无内涵的机器和设备，而应是有温度、有内涵、有个性、有情感、有思维、有活力、有创造性的交互伙伴。而4D打印的“智能造物”技术，使得这一理念的实现成为可能。
虽然4D打印目前还并不成熟，但这项技术终将带来对生物科学、材料科学、计算科学、机器人、软件、制造业、教育、艺术等的革命性变化。 4D打印技术的教育应用，也势必能为学生提供解决现实问题的个性化、社会化、趣味性、综合性、开放性的创新实践。
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