4D打印技术在“人工智能+教育”中的应用场景分析

段元超

摘要：目前关于4D打印技术应用于“人工智能+教育”的研究并不是十分丰富，但是4D打印技术的出现的的确确为教育领域的发展带来了很多机遇。本文通过查阅文献、案例分析，从以下六个方面分析基于“人工智能+教育”背景下4D打印技术在教育领域的应用：4D打印技术能够提供个性化教学，有利于形成良好习惯;4D打印技术能够构建智能学习环境，有利于提升学习体验;4D打印技术能够进行动态展示，有利于帮助学生理解知识;4D打印技术应用于STEAM教育，有利于培养学生设计理念;4D打印技术增强教学“活性”，有利于自动精确契合;4D打印能够节约教学资源，有利于减少物力成本。

一、4D打印技术的发展现状

4D打印创造出一种能够在完成打印之后依然可以发生改变的物体，而且这种物体能够进行自我调整。在过去，打印完成也就意味着创造过程的终结，但是随着4D打印的出现，打印仅仅是创造的一条路径，它既不是终点也不是起点。4D打印中复合材料的表现同记忆金属的表现具有一些相似之处，但实际上完全不同。从麻省理工学院自组装实验室对项目的介绍中可知，复合材料是使用Autodest最新研发出来的软件Cyborg，对材料进行编程模拟，从而使材料能够在提前已经设置完成的时间范围内发生变形。根据Tibbit的介绍来说：让物体能够获得机器般的制造能力，而不是先设定好物体再进行制造。记忆金属与其完全不同，记忆金属是在一定的外部条件下重新恢复原来形状，物体已经经过设定而不是被制造，由此可见记忆金属与复合材料具有本质上的差异。

Matin等人开发出了一种能够在3D打印中使用的磁响应材料，通过表面处理后的氯化铁对氯化铝片做磁化处理，此操作能够有效地增强陶瓷复合材料的磁响应效果，从而有效地调控磁性颗粒的排列形式。在这项工作中，对可控排列填料的概念进行了扩展，对填料的选择也成了影响复合材料增强的重要因素。由麻省理工学院的研究小组研制出了一种在水响应基础之上的4D打印材料。该小组在实验的过程中选择了两种孔隙率和吸水率均存在差异的材料，用这两种材料制作成具有双组份分的三维立体结构。这一结构的一侧是多孔吸水材料，另一侧为硬质防水材料。将其置于水中，多孔吸水材料一侧会因为吸入水分而面积增大，而硬质防水材料一侧的体积不会发生变化，导致材料向刚性一侧倾斜。随着时间变化，含有编程设计铰链的直线结构就能够自动转化为三维立体结构。自修复材料是智能材料中非常重要的一种，尽管在过去3D打印的自修复材料已经引起了十分广泛的关注，但是基本上绝大部分的打印工作都是与非共价交联凝胶材料联系紧密。非共价交联凝胶材料是在宿主与客体之间存在的影响作用、疏水作用以及氰键作用的基础上产生的。

二、4D打印技术在“人工智能+教育”中的应用场景分析

（一）提供个性化教学有利于形成良好习惯

教育要从娃娃抓起，但是娃娃的教育并不是容易“抓”的。婴幼儿的认知能力和接受水平都处于初步发展阶段，对新事物的接受能力比较差，而且与外界的交流也不是十分顺畅。4D打印技术的出现，能够为婴幼儿教育带来一些帮助。

当前家庭教育中十分重视对婴幼儿良好习惯的培养，采用“过家家”的方式培养婴幼儿的习惯收效甚微，其中一个重要原因就是使用的玩具不能够及时地给予回应，婴幼儿也很难能够在游戏中得到切实体会。4D打印技术的出现催生了智慧玩具，带有“生命”的玩具将会给予婴幼儿更好的游戏体验。例如，当家长教育婴幼儿要爱护花草树木、及时给植物浇水的时候，可以奖励给婴幼儿一盆花草，当婴幼儿每天能够及时浇水的时候，花草会不断地长高;当婴幼儿忘记浇水的时候，花草会枯萎。如此一来，婴幼儿就能够从自己的行为对花草生命的影响中体会到按时浇水的重要性，不仅能够培养婴幼儿爱护植物的爱心，还能够增强婴幼儿的责任感。

（二）智能学习环境有利于提升学习体验

在过去，无论中学还是大学，教室内部装饰千篇一律、千校一面。从一方面来说，没有体现不同学校的办学特色;从另一方面来说，也忽略了不同年龄阶段对外界事物的偏好差异。物资匮乏的年代，有学习之地就能够使人满足。当前社会迅速发展，学生对“美”的要求也有所提升。使用4D打印技术，能够打印出会“呼吸”的墙壁，会“生长”的窗花，会伴随四季变化而呈现出不同色彩的壁纸。4D打印应用的材料是可以进行编程的材料，所以可以根據室内温度、湿度等因素的变化，调整相关参数，创建更加适合学生学习的环境，为学生提供更加舒适的学习环境，还能够满足学生的审美要求。

（三）动态展示有利于帮助学生理解知识

使用4D打印技术打印出来的教学资源，能够在课堂上进行仿真模拟，多方位调动学生的视觉、听觉、嗅觉、味觉等多个感官共同参与，使复杂的知识点通过仿真模拟更加具体地呈现给学生，帮助学生理解繁难知识点。例如，在生物课上会讲到“细胞分裂”，有些学生对细胞的具体分裂过程感到抽象难以理解，通过4D打印技术可以全方位地向学生展示细胞分裂的过程，帮助学生理解。在化学课上会讲到分子的运动，而分子的具体运动轨迹很难通过课本上的二维图片进行充分的理解，利用4D技术打印出的教学材料能够非常生动、直观、具体地向学生展示分子的运动，不仅能够将抽象的知识具体化，还能够激发学生的学习兴趣，真正地做到寓教于乐。

（四）节约教学资源有利于减少物力成本

4D打印技术能够将设计程序直接放置到打印机之中，如此一来能够简化设计理念，省略了实物造物步骤，使设计的物体能够在无复杂机电设备支持的状态下完成自我组装、变形、生成等，这是对传统产品生产流程的极大创新。流程的简化能够节约大量的人力、物力、财力，减少了对生产材料的消耗和浪费。而且4D打印具有极高的精准度，次品的出现概率非常低，提高了产品的精细化程度。

三、结论

研究得出，4D打印技术在“人工智能+教育”中的应用场景主要有：4D打印技术能够提供个性化教学，有利于形成良好习惯;4D打印技术能够构建智能学习环境，有利于提升学习体验;4D打印技术能够进行动态展示，有利于帮助学生理解知识;4D打印技术应用于STEAM教育，有利于培养学生设计理念;4D打印技术增强教学“活性”，有利于自动精确契合;4D打印技术能够节约教学资源，有利于减少物力成本。

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（作者单位：江西科技师范大学法学院）