陳衛(wèi)東 褚樂陽 楊 麗 葉新東

（1.蘇州科技大學(xué) 新媒體交互設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究所，江蘇蘇州 215011；2.溫州大學(xué) 教育技術(shù)系，浙江溫州 325035）

一、引言

從18世紀(jì)末至今，人類經(jīng)歷了分別以“規(guī)模制造”、“科學(xué)制造”、“網(wǎng)絡(luò)制造”為代表的三次工業(yè)革命。近年來，互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，使得越來越多功能強(qiáng)大的、自主的微型電腦實(shí)現(xiàn)了與其它微型電腦的互聯(lián)，物理世界和虛擬世界以“信息-物理”系統(tǒng)的形式實(shí)現(xiàn)了融合，由此引發(fā)了第四次工業(yè)革命——綠色工業(yè)革命[1]。

以“智能制造”為特征的第四次工業(yè)革命，將會(huì)是人類發(fā)展史上最為徹底的系統(tǒng)性變革。它在改變我們的工作方式、溝通方式、生活方式、思維方式和價(jià)值觀念的同時(shí)，也必將改變我們的生產(chǎn)方式和一切社會(huì)關(guān)系[2]。這次革命的主要特征是技術(shù)的融合，消除著物理世界、數(shù)字世界和生物世界之間的界限。認(rèn)識(shí)和理解這次革命需要跨界思維[3]，其核心是智能化與信息化，進(jìn)而形成一個(gè)高度靈活、人性化、數(shù)字化的產(chǎn)品生產(chǎn)與服務(wù)模式[4]。

人工智能（AI）技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，將深刻改變?nèi)祟惖纳鐣?huì)生活。國家發(fā)改委等四部門印發(fā)了《“互聯(lián)網(wǎng)+”人工智能三年行動(dòng)實(shí)施方案》，方案明確指出：要充分發(fā)揮人工智能技術(shù)創(chuàng)新的引領(lǐng)作用，支撐各行業(yè)領(lǐng)域“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新[5]。2017年，國務(wù)院又下發(fā)了《關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出到2030年成為世界主要人工智能創(chuàng)新中心[6]。在教育領(lǐng)域，要利用人工智能技術(shù)，加快推動(dòng)各類教育人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新、教育教學(xué)方法改革，構(gòu)建包含智能學(xué)習(xí)、交互式學(xué)習(xí)的新型教育體系[7]?！秶抑虚L(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》也提出，充分利用優(yōu)質(zhì)資源和先進(jìn)技術(shù)，創(chuàng)新運(yùn)行機(jī)制和管理模式，實(shí)現(xiàn)技術(shù)對(duì)教育的革命性影響[8]。

作為第四次工業(yè)革命關(guān)鍵技術(shù)之一的4D打印，也是第四次工業(yè)革命開始的標(biāo)志。4D打印“智能制造”是3D打印“個(gè)性化制造”的延續(xù)和升華[9]。作為培養(yǎng)未來的生存和工作的基本能力素養(yǎng)的教育，不僅需要培養(yǎng)學(xué)生能應(yīng)對(duì)第四次工業(yè)革命浪潮所帶來的沖擊，更需要具有一定的前瞻性。而4D打印具有的強(qiáng)大造型能力，將改變?nèi)祟悓?duì)于傳統(tǒng)制造業(yè)的認(rèn)識(shí)，有助于我們的教育培養(yǎng)具有豐富想象能力、創(chuàng)意設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手實(shí)踐能力的三位一體復(fù)合型人才。

二、4D打印技術(shù)的特點(diǎn)及工作原理

（一）4D打印的定義

自上世紀(jì)80年代第一個(gè)增材制造系統(tǒng)被提出以來，增材制造領(lǐng)域取得了巨大的發(fā)展[10]。增材制造（Additive Manufacturing）以3D打印或快速原型為大眾所熟知，是一種可以將材料自由塑型的制造技術(shù)。3D打印技術(shù)能夠快速制造出產(chǎn)品的預(yù)想結(jié)構(gòu)，并且不需要額外的塑模與加工。

近年來，3D打印的材料價(jià)格不斷下降，軟硬件設(shè)施得到優(yōu)化升級(jí)，可打印材料種類數(shù)目激增，推動(dòng)了4D打印的出現(xiàn)。2013年，麻省理工學(xué)院自組裝實(shí)驗(yàn)室首次提出了4D打印概念[11]。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人斯凱拉·蒂比茨（Skylar Tibbits）在TED演講上向世人展示了其團(tuán)隊(duì)在實(shí)現(xiàn)4D打印技術(shù)上的努力：與Stratasys、Autodesk公司合作開發(fā)出一條由可延展與不可延展材料混合而成的線裝打印體。這種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體，由兩種不同孔隙率和吸水性的材料組合而成，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)加入復(fù)雜的算法，使得線狀物體遇水能夠向指定方向形變，最終形成立方體結(jié)構(gòu)。

圖1 線狀物體遇水變形成正方體結(jié)構(gòu)[12]

因此，4D打印最初被定義為3D打印與時(shí)間維度的結(jié)合，這種結(jié)合表現(xiàn)為：通過3D打印出的結(jié)構(gòu)在外部刺激因子（如，水、熱、光）作用下在時(shí)間的維度中發(fā)生變化[13-15]。斯凱拉·蒂比茨等人認(rèn)為，4D打印是一個(gè)全新的處理過程，“該過程需要復(fù)合材料的參與，同時(shí)，材料在外部觸發(fā)下有能力隨著時(shí)間而改變；或者是一個(gè)定制化的材料系統(tǒng)，可以從一種形狀轉(zhuǎn)變到另一種……第四個(gè)維度——時(shí)間，指的是隨時(shí)間而變化，強(qiáng)調(diào)打印出的結(jié)構(gòu)體不再是靜態(tài)的物體，而是具有可編程性，并且能獨(dú)立轉(zhuǎn)換的智能結(jié)構(gòu)”[16]。但根據(jù)Pei等人給出的定義：4D打印是使用特定的增材制造技術(shù)以及具有刺激反饋的智能材料來建造物體的過程。在被建造后，物體會(huì)根據(jù)外部刺激或者人為干預(yù)得到反饋，導(dǎo)致在時(shí)間維度下打印結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生物理或者化學(xué)變化[17]。

上述兩種定義的不同點(diǎn)在于：Pei等人將4D打印歸結(jié)于包含了打印體物理或者化學(xué)的變化；而蒂比茨等人以形態(tài)的變化為主要參考標(biāo)準(zhǔn)。隨著研究的深入，針對(duì)4D打印的定義也在不斷完善。Momeni等人給出了較為全面的定義：4D打印技術(shù)是對(duì)3D打印技術(shù)的優(yōu)化升級(jí)，具體表現(xiàn)在打印產(chǎn)物形狀、屬性和功能三個(gè)方面。它具備自組裝、多功能和自我修復(fù)能力，與此同時(shí)，它是基于時(shí)間的、獨(dú)立于打印設(shè)備的以及可預(yù)測(cè)的[18]。

（二）4D打印的構(gòu)成要素

如前所述，4D打印制造出的物體在其形狀、屬性和功能方面均可變化。這種特性很大程度上依賴于三維空間中智能材料的有機(jī)組合[19]。如果希望物體按預(yù)設(shè)的方式接收刺激、發(fā)生變化，則需要在打印之前對(duì)4D打印中材料的分布進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。因此，可利用數(shù)學(xué)模型支持在復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)體中進(jìn)行不同材料的分布設(shè)計(jì)，以期達(dá)到預(yù)設(shè)的變形效果。由于4D打印結(jié)構(gòu)體具備基于時(shí)間變化的特性，所以會(huì)存在形態(tài)1、形態(tài)2，甚至更多類別的穩(wěn)定形態(tài)，這些形態(tài)能夠在特定的刺激下轉(zhuǎn)換[20]。如圖2所示，4D打印的主要構(gòu)成要素可以分為四個(gè)部分：智能或刺激反饋材料、4D打印設(shè)備、外部刺激因子、智能化設(shè)計(jì)過程。

圖2 4D打印的主要構(gòu)成要素

1.智能或刺激反饋材料

對(duì)于支持4D打印的特殊材料，在現(xiàn)有研究資料中，研究人員大多用 “智能”（Smart）、“刺激反饋”（Stimulated-response）以及“可編程”（Programmable）來表征其特性。4D打印產(chǎn)物能夠根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的特定需求、刺激因子的特定作用條件的自發(fā)變化，展現(xiàn)出“智能”特性，使研究者將構(gòu)成這類特殊物質(zhì)的基本材料稱之為“智能材料”（Smart Material），這種命名方式是以產(chǎn)物實(shí)際應(yīng)用所表現(xiàn)出的自發(fā)行為作參考的。“刺激反饋”是構(gòu)成4D打印體材料的基本屬性之一，該命名方式側(cè)重于材料能夠接受預(yù)設(shè)刺激，并產(chǎn)生一定反饋結(jié)果的能力。前者從4D打印產(chǎn)物效能的角度對(duì)材料進(jìn)行命名，而后者側(cè)重于材料本身所具有的屬性?？删幊涛镔|(zhì)（Programmable Material）是指物體能夠通過程序化的方式進(jìn)行變化（包括形狀、密度、模量、電導(dǎo)率、顏色等），特指美國國防高級(jí)研究項(xiàng)目署（DARPA）在2007年開始的“可編程物質(zhì)”研究計(jì)劃中的研究?jī)?nèi)容[21]。4D打印實(shí)際上使物質(zhì)“可編程”成為現(xiàn)實(shí)，即通過設(shè)計(jì)理念階段對(duì)產(chǎn)物預(yù)編程，從而使其具有智能變化的特征。因此，4D打印也被認(rèn)為是3D打印與編程思想的結(jié)合，在某種程度上，可編程材料亦即智能材料。在此，特指實(shí)現(xiàn)4D打印技術(shù)的材料為“智能材料”。

3D打印技術(shù)發(fā)展至今，其可以處理的材料種類眾多，但在這些材料中，智能材料卻在近期引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注，因?yàn)樗徽J(rèn)為是區(qū)別3D打印與4D打印技術(shù)的關(guān)鍵所在。但是，盡管智能材料被廣泛研究與投入使用，其定義在學(xué)界仍然存在一定分歧[22]。有學(xué)者認(rèn)為智能材料是一種能量轉(zhuǎn)換的材料，例如，其能將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能[23]，該定義突出智能材料是一種能量轉(zhuǎn)換的“媒介”。也有學(xué)者認(rèn)為智能材料是一種能夠感知外界物理環(huán)境的變化，并通過自身屬性的變化進(jìn)行反饋的材料[24]，這種定義將智能材料對(duì)外部刺激的反饋?zhàn)鳛橹饕攸c(diǎn)。我們認(rèn)為，4D打印技術(shù)需要對(duì)兩種定義進(jìn)行整合：智能材料是一種在外部特定環(huán)境的刺激下，能夠以有效的方式在不同物理域之間變化形態(tài)或?qū)傩缘牟牧稀Ｖ悄懿牧系氖褂?，能夠保證打印出的物理結(jié)構(gòu)按照預(yù)設(shè)的方式，在時(shí)間維度下產(chǎn)生變化。

現(xiàn)階段許多4D打印應(yīng)用，受限的原因就是沒有找到合適的材料特性。例如，4D打印可以組裝人造肌肉，但目前材料的相關(guān)變化機(jī)制和屬性不足以達(dá)到人造生物肌肉的標(biāo)準(zhǔn)[25]。因此，先進(jìn)的智能材料和打印設(shè)備，對(duì)于未來4D打印應(yīng)用的普及至關(guān)重要。如圖3所示，Sun等人將智能或刺激反饋材料進(jìn)一步劃分為多個(gè)子類。根據(jù)其分類特征，這類材料的性能可以歸結(jié)為：自動(dòng)感知、決策、可反饋、形體記憶、自適應(yīng)、多功能和自我修復(fù)。

圖3 刺激反饋材料[29]

2.4D打印設(shè)備

在通常情況下，4D打印結(jié)構(gòu)是通過打印設(shè)備將不同材料合理分布并一次成型的結(jié)構(gòu)體[26]。不同的材料屬性，例如，溶脹比、熱膨脹系數(shù)，可以使結(jié)構(gòu)按特定方式變化成為可能。近年來，Stratasys公司所研發(fā)的聚合物噴射（Poly Jet Technology）3D打印技術(shù)，在處理復(fù)合材料打印方面取得了較大進(jìn)展[27]；選擇性激光熔化技術(shù)（Selective Laser Melting）則實(shí)現(xiàn)使用具有高能量密度的激光，熔化金屬粉末層以創(chuàng)造均勻的3D金屬結(jié)構(gòu)，而不需要任何粘合劑和額外的支持[28]，這些進(jìn)步都推動(dòng)了4D打印的發(fā)展。

Jin Choi等學(xué)者使用通過基于材料成型技術(shù)（Material Extrusion）特制的3D打印設(shè)備，設(shè)計(jì)出在加熱作用下能夠定向彎曲的人造手假體[30]。該結(jié)構(gòu)體是由熱塑性聚氨酯（TPU），一種形狀記憶聚合物的柔性材料組成。其使用的3D打印設(shè)備經(jīng)過改良，材料噴嘴處涂覆聚四氟乙烯并設(shè)置加熱溫床，可有效避免TPU材料阻塞噴嘴以及制造過程中的熱損失。

3.刺激因子

刺激因子是用來改變4D打印結(jié)構(gòu)體形狀、屬性和功能變化的觸發(fā)器。研究者目前在4D打印領(lǐng)域中已經(jīng)運(yùn)用的刺激因子包括：水、溫度、紫外線、光與熱的組合以及水與熱的組合。刺激因子的選擇取決于特定的應(yīng)用領(lǐng)域，這同樣也決定了4D打印結(jié)構(gòu)體中智能材料的選擇。

4D打印結(jié)構(gòu)體能夠基于一個(gè)或者多個(gè)刺激因子改變形狀、屬性和功能。但是，需要充分考慮特定材料的刺激因子與結(jié)構(gòu)體形態(tài)改變之間的交互機(jī)制，以使結(jié)構(gòu)體按照預(yù)定方式發(fā)生變化。例如，在目前4D打印技術(shù)的研究過程中，一個(gè)主要的交互機(jī)制為限制性熱力作用機(jī)制 （Constrained-thermo-mechanics）。在這種機(jī)制下，刺激因子為溫度的變化，智能材料具備形狀記憶效果。

4.智能化設(shè)計(jì)過程

盡管智能材料自身在打印對(duì)象形態(tài)變化中扮演著至關(guān)重要的角色，但是，基于對(duì)交互機(jī)制、可預(yù)測(cè)行為和需求參數(shù)充分考慮的復(fù)雜的設(shè)計(jì)過程，也能夠保證達(dá)到可控結(jié)果的環(huán)節(jié)之一[31]。4D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其在空間合理分布不同材料，以創(chuàng)造復(fù)雜的3D形態(tài)的能力。通過設(shè)計(jì)智能材料分布的方向、位置，我們可以使結(jié)構(gòu)體受刺激因子的刺激后，產(chǎn)生形態(tài)上的變化。

如圖4所示，Ge Q等學(xué)者制造出一種雙層結(jié)構(gòu)體：一層為定向的形體記憶聚合物纖維；另一層以彈性非金屬材料作為基體結(jié)構(gòu)，針對(duì)預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)體中纖維的不同分布，在結(jié)構(gòu)體受熱后，使其變化為彎曲、盤繞或者扭曲的條帶狀，或者折疊形態(tài)以及其它復(fù)雜的可控形狀[32]。Raviv等學(xué)者利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方式計(jì)算出結(jié)構(gòu)體折疊、卷曲、線性擴(kuò)張、收縮以及其它變形方式所需要的相關(guān)系數(shù)，使得結(jié)構(gòu)體可以在水中按照預(yù)設(shè)方式變化[33]。

圖4 以形體記憶聚合物纖維為材料的4D打印結(jié)構(gòu)

（三）4D打印流程

無論傳統(tǒng)的制造業(yè)還是3D打印，其造物過程一般是先模擬、后制造，或者一邊建物，一邊調(diào)整模擬效果。由于4D打印結(jié)構(gòu)體具有基于時(shí)間變化的特性，設(shè)計(jì)和制作流程中存在一個(gè)或多個(gè)中間形態(tài)。如圖5和表1所示，本文以結(jié)構(gòu)體的兩種變化形態(tài)為例，即結(jié)構(gòu)體存在兩種穩(wěn)定的形態(tài)，探究4D打印的設(shè)計(jì)和制作流程。

圖5 4D打印流程

1．?dāng)?shù)字化設(shè)計(jì)過程

傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)，可以通過專業(yè)掃描儀或者DIY掃描設(shè)備獲取對(duì)象的3D數(shù)據(jù)，也可以使用3D制作軟件從零開始建立三維數(shù)字化模型。不同于3D打印先建模、后生產(chǎn)的制造流程，4D打印由于其能夠變化的特性，在數(shù)字化建模之初，就將材料的觸發(fā)介質(zhì)、時(shí)間等變形因素，以及其它相關(guān)數(shù)字化參數(shù)預(yù)先植入打印材料中，如，Autodesk公司研發(fā)的Cyborg軟件，可以實(shí)現(xiàn)自組裝材料的編程過程。

2．中間件成型過程

中間件成型過程，即從3D打印設(shè)備開始工作到結(jié)構(gòu)體離開工作臺(tái)的過程。此過程需要全新的3D打印設(shè)施的工作。Gladman等人認(rèn)為，4D打印過程中需要適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型的支持。在該過程中存在的數(shù)學(xué)問題包括：如何預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)體基于時(shí)間的形態(tài)變化過程，包括變化后的形態(tài)；如何提供避免自組裝行為過程中組件發(fā)生碰撞的理論模型；如何減少自組裝過程中的試錯(cuò)性行為[34]。這些需要考慮的數(shù)學(xué)問題，必須通過智能化的計(jì)算芯片加以判斷、解決。值得注意的是，未來人工智能芯片可植入到3D打印設(shè)備之中，即3D打印設(shè)備也將具有“智慧性”。通過對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)完成之后，傳輸?shù)酱蛴≡O(shè)備上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以對(duì)材料進(jìn)行合理安排，以保證最后的打印效果。可以預(yù)測(cè)，未來4D打印設(shè)備會(huì)朝標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的方向發(fā)展。不同模塊的可替換性，能夠基本保證針對(duì)不同材料、不同平臺(tái)的支持。

三、4D打印技術(shù)的研究現(xiàn)狀及潛在應(yīng)用領(lǐng)域

2016年“加德納新興技術(shù)成熟度曲線”將4D打印列為處于技術(shù)萌芽期的新興技術(shù)，并且顯示人們對(duì)4D打印技術(shù)的期望值在不斷上升[35]，如圖6所示。與此同時(shí)，根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Markets and Markets的最新研究報(bào)告，預(yù)計(jì)到2025年，4D打印市場(chǎng)將達(dá)到5.556億美元，目前，4D打印正處于商業(yè)化邊緣[36]。

表1 4D打印與3D打印對(duì)比

圖6 2016年新興技術(shù)成熟度曲線

（一）生物、醫(yī)療領(lǐng)域

1.人體組織及其組織器官

4D打印血管的材料不一定需要患者本人身上的細(xì)胞組織，只需在材料內(nèi)部通過軟件設(shè)計(jì)編程置入實(shí)踐、觸發(fā)介質(zhì)等參數(shù)，以解決材料的唯一性難題。4D打印產(chǎn)品自我調(diào)整的特性，使制作取用的即時(shí)性也成為可能。在應(yīng)用的適應(yīng)性方面，4D打印的血管具有自我調(diào)節(jié)和自我修復(fù)的效果，這使得其在生物、醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用有著其它技術(shù)無法企及的效果。如，青島尤尼科技采用的4D生物打印技術(shù)，在可編程網(wǎng)格微槽的多層結(jié)構(gòu)中，建立起細(xì)胞 “微組織”，該微組織隨著時(shí)間和環(huán)境的變化，可自發(fā)地進(jìn)行細(xì)胞膜、細(xì)胞自組織和基質(zhì)沉積的過程，從而優(yōu)化了降解過程，使打印出的組織機(jī)構(gòu)與人體的組織更接近[37]。4D打印出來的細(xì)胞能夠自我融合生長(zhǎng)，在應(yīng)用于替換癌變或灼傷、燙傷的人體皮膚過程中，將實(shí)現(xiàn)與人體最大程度的契合，且能降低術(shù)后感染的風(fēng)險(xiǎn)。

2.醫(yī)療器械

4D打印的主要應(yīng)用構(gòu)想，集中在人體植入物方面的醫(yī)療器械，如，納米機(jī)器人、器官支架等。利用4D打印技術(shù)打印的生物納米機(jī)器人，憑借其自主裝和形變能力，將可以進(jìn)入非常微小的空間工作，如，將藥物直接帶進(jìn)人體內(nèi)開展治療，或?qū)Π┘?xì)胞進(jìn)行外科手術(shù)等。對(duì)于器官支架技術(shù)相對(duì)成熟的醫(yī)療領(lǐng)域而言，最主要的問題在于，傳統(tǒng)的如心臟支架多為記憶金屬材料制成而無法降解，而利用4D打印制造生物心臟支架，因其材料的生物相容性、可降解性和材料自身的記憶功能，就可以完成從植入到降解的整個(gè)過程。

（二）軍事工業(yè)領(lǐng)域

4D打印的結(jié)構(gòu)體具備自組裝、多功能和自我修復(fù)能力，可以使未來軍工設(shè)備根據(jù)部署現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和作戰(zhàn)目標(biāo)的不同，靈活調(diào)整以自適應(yīng)實(shí)時(shí)戰(zhàn)況，提高作戰(zhàn)效能。結(jié)合4D打印技術(shù)的偽裝服，可在兼顧輕便性的同時(shí)，能根據(jù)季節(jié)、周圍環(huán)境重塑成需要的形態(tài)，為偵查人員執(zhí)行任務(wù)提供便利性。美國陸軍首席技術(shù)官格蕾絲·博赫內(nèi)克（Grace Bochenek）表示，防彈衣可能會(huì)與4D打印技術(shù)結(jié)合，從而保證防護(hù)性以及便攜性，實(shí)現(xiàn)從制造到使用的防護(hù)服成型、重塑、使用、打包等流程。4D打印還可以將大型軍用設(shè)備，在未布置前以遠(yuǎn)比實(shí)際形狀小得多的樣子呈現(xiàn)，再將通過4D打印而成的結(jié)構(gòu)放在特定的位置，然后自動(dòng)變形、自動(dòng)組裝，在使用后還能回收帶走。

（三）產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域

與3D打印不同的是，4D打印將不再需要通過“定制”這一套程序來實(shí)現(xiàn)個(gè)性化產(chǎn)品制作，而是完全能即時(shí)地表達(dá)自己的想法并制作出來，且能隨時(shí)更新自己的創(chuàng)意，從而用個(gè)性化元素構(gòu)建自己的個(gè)性化生活，使得私人訂制轉(zhuǎn)向私人工廠，加快產(chǎn)品創(chuàng)新速度。以服裝設(shè)計(jì)為例，美國麻省科技設(shè)計(jì)公司Nervous System制造出世界上第一款可以根據(jù)人體體型自動(dòng)改變尺寸、裙面紋理的4D打印裙。在拉力的作用下，該布料纖維結(jié)構(gòu)可隨人體體態(tài)變化而變化[38]。與此同時(shí)，蒂比茨和他的團(tuán)隊(duì)還打印出了世界上第一雙可以根據(jù)人腳的形狀和大小自我調(diào)節(jié)的4D鞋，該技術(shù)已被阿迪達(dá)斯公司（Adidas）用于Futurecraft4D鞋款的制造，該鞋款中底使用可編程的液體樹脂材料，通過“數(shù)字光合成”的4D打印來呈現(xiàn)[39]。在互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代背景下，數(shù)字文件可在保證質(zhì)量不受影響的情況下無限復(fù)制，而4D打印可以將這種數(shù)字精度擴(kuò)展到實(shí)體領(lǐng)域，從而保證實(shí)體產(chǎn)品精確的批量生產(chǎn)，降低不良率，提高生產(chǎn)效率。

（四）交通工具

未來人們甚至可以根據(jù)所需汽車性能、外部形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等購買汽車組件，隨時(shí)隨地通過組件的自組裝形成個(gè)性化定制的汽車產(chǎn)品。與此同時(shí)，當(dāng)前社會(huì)“停車難”的問題，隨著資源、空間的日益消耗逐漸被放大，汽車以后甚至可以折疊成不占空間的形狀，使停車問題不再令人頭疼。未來4D打印汽車通過革新的智能材料，當(dāng)重大事故或者自然災(zāi)害所產(chǎn)生的外部觸發(fā)介質(zhì)作用于材料時(shí)，其設(shè)計(jì)的反饋方式可最大程度保證車內(nèi)乘客的安全，未來安全氣囊可能被更具創(chuàng)造力的保護(hù)措施所取代。當(dāng)下汽車廠商對(duì)4D打印技術(shù)與汽車工業(yè)的結(jié)合做了不懈的努力，碳纖維和新型復(fù)合材料已在寶馬（BMW）汽車公司的概念車中得以應(yīng)用，“BMW VISION NEXT 100”概念車應(yīng)用了名為“靈動(dòng)結(jié)構(gòu)”的全新技術(shù)，車身形體的可變性，通過帶有延展性的材料得以實(shí)現(xiàn)[40]。

（五）建筑與航空航天領(lǐng)域

4D打印在建筑領(lǐng)域具有無限的可能性，以地下排水系統(tǒng)為例，利用4D打印技術(shù)開發(fā)出的“自適應(yīng)”水管，可以根據(jù)水管外壁受力的不同自行改變其管道直徑、材料剛性，比如，遭遇洪水、地震等自然災(zāi)害時(shí)，能夠擴(kuò)大直徑或者使材料變?yōu)槿嵝?，以保證供水正常。另外，利用4D打印建構(gòu)的房屋物理空間將被賦予可變性，根據(jù)光照變化等刺激因子的作用，房屋內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以隨用戶需求而變化。例如會(huì)客時(shí)，臥室變?yōu)殚e置空間。4D打印的房屋材料能通過一系列變化，將閑置臥室空間分配給會(huì)客所需的公共空間。

與建筑行業(yè)類似，航空航天工業(yè)對(duì)于空間的合理分配也有極高的要求，龐大的設(shè)備需要利用航天飛機(jī)的運(yùn)送才能進(jìn)入太空。而4D打印物體的自組裝行為，能夠?yàn)檫\(yùn)輸過程節(jié)省較大空間，可將打印完成的組件以便于運(yùn)輸?shù)男螤钏屯?，在宇宙空間中完成自動(dòng)變換形狀、組裝等行為，這將大大降低運(yùn)輸成本以及困難度。對(duì)于航空事業(yè)而言，運(yùn)用4D打印技術(shù)制造的飛機(jī)，在面臨特定環(huán)境變化時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自我分解，以最為理想的狀態(tài)（如，膠囊狀安全防護(hù)罩）給乘客提供及時(shí)有效的保護(hù)。

（六）教育領(lǐng)域

4D打印也為教育行業(yè)打開了一扇新窗口，但目前鮮有機(jī)構(gòu)、學(xué)者研究、探索如何將4D打印技術(shù)運(yùn)用在教育領(lǐng)域中。我們搜索到互聯(lián)網(wǎng)上僅有一篇關(guān)于4D打印教育構(gòu)想的電子文檔，來自于T.Holsinger，其構(gòu)想主要是將4D打印物件作為課堂動(dòng)態(tài)視覺輔助教具，運(yùn)用在不同學(xué)科，如，生物、科學(xué)、文學(xué)、特殊教育以及政治科學(xué)[41]。傳統(tǒng)教具、模型不具備“四維”的動(dòng)態(tài)性，教師若通過特定的刺激方式使模型按照預(yù)定的變化方式，與課堂內(nèi)容相結(jié)合，可以調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性、提高專注度。

四、4D打印技術(shù)的教育應(yīng)用分析

（一）教育應(yīng)用特性

1.人本性

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的個(gè)性化消費(fèi)特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在“用戶至上、多樣選擇、參與設(shè)計(jì)與體驗(yàn)為王”四個(gè)方面，在教育領(lǐng)域也呈現(xiàn)這樣的趨勢(shì)。未來教育是面向?qū)W習(xí)者個(gè)體的，體現(xiàn)以人為本，為每一個(gè)學(xué)習(xí)者提供適合其特征的教學(xué)資源，關(guān)注每一個(gè)學(xué)習(xí)者的個(gè)體體驗(yàn)和學(xué)習(xí)需要。4D打印能夠根據(jù)學(xué)習(xí)者的個(gè)體特征，提供適合個(gè)體需要的課桌椅的高度、溫度；也能根據(jù)課程性質(zhì)的不同，改變課桌的形狀等，以滿足學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)需要。同時(shí)，教室的墻壁也可以根據(jù)季節(jié)的不同呈現(xiàn)不同的色彩，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)適宜的學(xué)習(xí)環(huán)境。

2.智能性

4D打印技術(shù)最重要的特征之一，就在于其打印材料的智能性和可編程性，在設(shè)計(jì)軟件的支持下，可以對(duì)智能材料進(jìn)行編程，從而使得打印材料能夠在指定的時(shí)間內(nèi)，在一定的外在條件刺激下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組裝、變形和修復(fù)等，符合教與學(xué)過程的需要。

3.交互性

交互性是4D打印技術(shù)教育應(yīng)用的重要特性之一，4D打印的資源要實(shí)現(xiàn)按照預(yù)先設(shè)定的變化規(guī)律進(jìn)行變化，需要有一定的外在刺激條件，在與外在環(huán)境條件的交互過程中，實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)變形、組裝等功能，可應(yīng)用于教學(xué)中的交互活動(dòng)。

4.生態(tài)性

由于4D打印技術(shù)直接將設(shè)計(jì)內(nèi)置到打印材料中，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)理念——實(shí)物的造物過程，能夠讓物體不需要借助任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自我組裝、自我修復(fù)，顛覆了傳統(tǒng)的造物方式。通過摒棄生產(chǎn)線，直接降低了生產(chǎn)制造成本，大幅減少了生產(chǎn)材料的浪費(fèi)。所以，依托4D打印技術(shù)，批量生產(chǎn)將更加敏捷，產(chǎn)品的精細(xì)化程度得到提升，有效降低了產(chǎn)品次品率。4D打印能有效減少打印材料的浪費(fèi)，并實(shí)現(xiàn)打印資源的自我修復(fù)、分解、重復(fù)利用，從而可以減少對(duì)環(huán)境資源的浪費(fèi)。

5.生成性

由于4D打印是通過3D打印出的結(jié)構(gòu)在外部刺激因子（如，水、熱、光等）作用下，在時(shí)間的維度中發(fā)生變化，因此，4D打印不再是創(chuàng)造過程的終結(jié)，而是一條路徑，打印出來的產(chǎn)品可以進(jìn)化，產(chǎn)品的進(jìn)化過程就是一個(gè)生成過程。可見，4D打印是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，它的創(chuàng)新在于“變”[42]。

（二）教育應(yīng)用的理論基礎(chǔ)

1.做中學(xué)

“做中學(xué)”是美國教育家杜威教育理論的重要觀點(diǎn)之一，“做中學(xué)”即“從活動(dòng)中學(xué)”、“從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)”。其主要觀點(diǎn)是學(xué)習(xí)者從經(jīng)驗(yàn)中獲取和積累知識(shí)、從實(shí)際操作中進(jìn)行學(xué)習(xí)，要求學(xué)習(xí)者更多地運(yùn)用自己的手、耳等多重感官去親身接觸、了解和體驗(yàn)具體的事物，通過自我主動(dòng)的加工、反思等認(rèn)知活動(dòng)，從感性認(rèn)識(shí)上升到理性知識(shí)，最后自主解決問題?！白鲋袑W(xué)”的教學(xué)實(shí)踐應(yīng)當(dāng)遵循“真實(shí)情境——發(fā)現(xiàn)問題——占有資料——提出假設(shè)——檢驗(yàn)想法”這一過程。4D打印技術(shù)在教育中的應(yīng)用，主要也是讓學(xué)習(xí)者在進(jìn)行創(chuàng)造設(shè)計(jì)、編程打印的過程中，獲得能力的提升或是問題的解決。

2.“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論

戴爾的“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論認(rèn)為人類的經(jīng)驗(yàn)可根據(jù)他的抽象程度，分為三大類 （抽象、觀察和做的經(jīng)驗(yàn)）、十個(gè)層次[43]。其中每一次經(jīng)驗(yàn)的獲取方法及使用的媒介均有所不同，4D打印技術(shù)在教育中的應(yīng)用，既能為學(xué)習(xí)者提供做的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)4D打印作品的變形過程，亦可以為學(xué)習(xí)者提供觀察的經(jīng)驗(yàn)。此外，4D打印技術(shù)將抽象概念和創(chuàng)意設(shè)計(jì)引入現(xiàn)實(shí)世界的產(chǎn)品展示，對(duì)教學(xué)內(nèi)容中的某些抽象概念或科學(xué)過程進(jìn)行可視化或動(dòng)態(tài)展現(xiàn)，能夠更大程度上發(fā)揮“抽象的經(jīng)驗(yàn)”在學(xué)習(xí)過程中的作用，使學(xué)習(xí)者獲得更多的認(rèn)知體驗(yàn)，從而提高學(xué)習(xí)者的高階思維能力。

3.形塑學(xué)習(xí)理論（Solid Learning Theory）

基于3D打印技術(shù)的形塑學(xué)習(xí)模式（Solid Learning Model）由美國學(xué)者拉尼柯克·豪斯曼（K.K.Hausman）于2012年提出。形塑學(xué)習(xí)模式能使教學(xué)問題可視化、真實(shí)化，促進(jìn)師生間更為及時(shí)有效的交互協(xié)作和評(píng)價(jià)，豐富了學(xué)習(xí)者的感知沉浸感，在立體化的理解知識(shí)框架內(nèi)，培養(yǎng)了學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新能力[44]。這一理論是基于3D技術(shù)提出的，4D打印技術(shù)除了具有3D打印的所有特點(diǎn)，能為學(xué)習(xí)者呈現(xiàn)更為真實(shí)的實(shí)物特征，有助于學(xué)生在這種較為真實(shí)的環(huán)境下獲得更深刻的情境感知。同時(shí)，由于其動(dòng)態(tài)的變換過程，還能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者營造更好的個(gè)性化體驗(yàn)氛圍。在這個(gè)氛圍中，學(xué)習(xí)者更愿意及時(shí)呈現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)作品，嘗試不同的解決方案。4D打印的編程和打印過程，均有利于為學(xué)習(xí)者創(chuàng)造多角度的交流空間，促進(jìn)學(xué)習(xí)者之間的行為互動(dòng)和思維共享。

4.體驗(yàn)學(xué)習(xí)理論

庫伯在前人關(guān)于體驗(yàn)學(xué)習(xí)研究的基礎(chǔ)上提出體驗(yàn)學(xué)習(xí)理論，其主要觀點(diǎn)是：學(xué)習(xí)不局限于獲得抽象經(jīng)驗(yàn)，而應(yīng)包括“具體經(jīng)驗(yàn)的習(xí)得——反思觀察的進(jìn)行——抽象概念的概括——主動(dòng)實(shí)踐的完成”這一周期活動(dòng)的不斷循環(huán)[45]。該理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者在新情境中參與具體活動(dòng)，直接領(lǐng)悟、創(chuàng)造活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)獲得的具體經(jīng)驗(yàn)，通過回顧、反思內(nèi)化成合乎邏輯的抽象經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行證實(shí)和運(yùn)用，通過不斷循環(huán)的連續(xù)過程，實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)的創(chuàng)造、領(lǐng)悟與轉(zhuǎn)化。因此，4D打印技術(shù)與教育領(lǐng)域的結(jié)合，必須要考慮到是否能為學(xué)習(xí)者提供具有個(gè)性化特征的具體經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)環(huán)境。

（三）4D打印的教育應(yīng)用場(chǎng)景及分析

由于4D打印技術(shù)具有智能性和生成性等特點(diǎn)，在教育領(lǐng)域中，除了可以像3D打印一樣，教師和學(xué)習(xí)者能夠自己設(shè)計(jì)和打印出各種形狀的教具、學(xué)具等作品外，4D打印技術(shù)還可以用于制作智能教具、智能玩具，用于智能化學(xué)習(xí)空間創(chuàng)設(shè)，提供豐富的教學(xué)展示體驗(yàn)，如，STAEM教育以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)教育。

1．智能教具和玩具

傳統(tǒng)的教具和玩具是靜態(tài)的，沒有生命的，不具有“智慧”的特性。利用4D打印技術(shù)，可以設(shè)計(jì)打印出七巧板智能玩具，分散的七巧板當(dāng)被組合時(shí)，可以自動(dòng)組裝成相應(yīng)的形狀，方便學(xué)習(xí)者進(jìn)行形象認(rèn)知，當(dāng)被拆開后又回到原形，方便重復(fù)使用。

在學(xué)前教育中，嬰幼兒的習(xí)慣養(yǎng)成教育一直是父母及嬰幼兒教育工作者關(guān)注的熱點(diǎn)，目前多數(shù)情況下是通過玩具，以“過家家”的方式來模擬現(xiàn)實(shí)生活，借此培養(yǎng)孩子的責(zé)任心。但在這種方式中，由于兒童所使用的玩具不能給出及時(shí)的反饋，從而降低了嬰幼兒玩游戲過程中的體驗(yàn)感，較難達(dá)到理想效果。借助于4D打印技術(shù)，我們可以較好地解決這個(gè)問題，如，我們可以打印智能植物，當(dāng)嬰幼兒進(jìn)行澆水時(shí)，它會(huì)生長(zhǎng)，但澆水過多或長(zhǎng)時(shí)間不澆水時(shí)，則會(huì)枯萎，甚至死亡，通過這個(gè)過程讓嬰幼兒培育和看護(hù)植物，培養(yǎng)嬰幼兒對(duì)于植物栽培的責(zé)任心。

4D打印的智能玩具由于是通過對(duì)智能材料的編程進(jìn)行控制，從而更具有“生命力”。用戶可以基于編程軟件自主對(duì)智能玩具進(jìn)行編程，使得智能玩具呈現(xiàn)多種形態(tài)或提供不同的玩法，這樣的玩具既具有娛樂性，又能很好地激發(fā)使用者的想象力。

在教具方面，教師也可以利用4D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)打印出智能教具，這種教具能夠根據(jù)教學(xué)的需要，提供及時(shí)的、準(zhǔn)確的反饋，讓學(xué)習(xí)者獲得接近于真實(shí)的體驗(yàn)。如，在生物教學(xué)中，教師講解細(xì)胞分裂時(shí)，可以利用4D打印的細(xì)胞模型，在一定的刺激因子作用下，使其進(jìn)行不同形態(tài)或過程的分裂，給學(xué)習(xí)者以直觀的、可觸及的學(xué)習(xí)體驗(yàn)；也可以在外語教學(xué)中，利用4D打印的口腔模型，根據(jù)不同的聲音刺激，呈現(xiàn)不同的口腔形狀，讓學(xué)習(xí)者能更直接地體會(huì)英語音標(biāo)發(fā)音練習(xí)過程中嘴巴的形狀、舌頭的位置等。

另外在體育教育中，為幫助學(xué)習(xí)者能夠更快地掌握一些動(dòng)作，可以利用4D打印技術(shù)打印相應(yīng)的訓(xùn)練輔助教具，用于學(xué)習(xí)者的練習(xí)姿勢(shì)矯正。如，當(dāng)學(xué)習(xí)者的投籃姿勢(shì)不準(zhǔn)確時(shí)，教具由于受力的作用，會(huì)給出及時(shí)的反饋，提醒學(xué)習(xí)者或幫助學(xué)習(xí)者進(jìn)行姿勢(shì)的調(diào)整和糾正，從而提升學(xué)習(xí)效果。

2.智能學(xué)習(xí)環(huán)境創(chuàng)設(shè)

在我們所看到的學(xué)校學(xué)習(xí)場(chǎng)景中，往往是“只有教室、沒有設(shè)計(jì)”，千校一面、整齊劃一。今天，教學(xué)場(chǎng)景已不只是單純的知識(shí)傳授場(chǎng)所，人們不再滿足于冰冷的建筑。孩子的天性需要釋放，需要更多交往的空間和自由探索的領(lǐng)域，對(duì)于“美”，我們也有了更高的要求[46]。我們要讓學(xué)習(xí)者更好地投入學(xué)習(xí)，就需要為他們創(chuàng)設(shè)更好的學(xué)習(xí)環(huán)境。利用4D打印技術(shù)，就可以打印出會(huì)呼吸的墻、隨季節(jié)變化色彩的墻。由于4D打印使用的是智能的、可編程的材料，我們可以根據(jù)教室內(nèi)部空氣中的溫度、濕度，或是二氧化碳的濃度、氧氣含量等的不同，自動(dòng)調(diào)整墻體的縫隙，進(jìn)行室內(nèi)空氣質(zhì)量的變換，保持優(yōu)質(zhì)溫馨的學(xué)習(xí)環(huán)境。這個(gè)墻體也可以根據(jù)四季的不同，呈現(xiàn)不同的色彩，如，炎熱的夏天可以呈現(xiàn)冷色調(diào)，給人以清涼感；寒冷的冬季可以呈現(xiàn)暖色調(diào)，給人以溫暖感。

我們還可以利用4D打印的自變形、自組裝能力，打印會(huì)變形的課桌，滿足不同教學(xué)過程的需要。教室或?qū)嶒?yàn)室中的桌子、家具或?qū)嶒?yàn)裝置等也可以不再需要人工，而實(shí)現(xiàn)自我組裝。這里的自我組裝，表現(xiàn)為能根據(jù)存在的部件組裝成預(yù)設(shè)的樣式，而不會(huì)出現(xiàn)偏差。這不僅能就其樣式進(jìn)行隨心所欲的拼合設(shè)計(jì)，而且購買、搬運(yùn)可以更方便輕松，且當(dāng)其中某一部分出現(xiàn)損壞時(shí)，只需要更換該單一部分再重新組裝，而不需整體舍棄。除了自我組裝外，還可以實(shí)現(xiàn)依據(jù)不同學(xué)習(xí)者的身體特征進(jìn)行自我調(diào)整，一方面，能更契合人體力學(xué)，當(dāng)人坐在上面時(shí)做出適當(dāng)調(diào)整，使人覺得舒適而不會(huì)勞累；另一方面，其結(jié)構(gòu)能就承受的重量做出調(diào)整，使應(yīng)力點(diǎn)變得越來越結(jié)實(shí)。

在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，由于教室、實(shí)驗(yàn)室等學(xué)習(xí)空間的建筑特性無法進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整，而很難根據(jù)教學(xué)過程或?qū)W習(xí)任務(wù)完成的需要提供相應(yīng)的空間支持，也很難充分發(fā)揮各個(gè)學(xué)習(xí)空間的使用效率?；?D打印的學(xué)習(xí)空間可以較好地解決這一問題，四面墻體能自由地變形，依據(jù)教學(xué)需要，調(diào)整相應(yīng)大小的學(xué)習(xí)空間，自動(dòng)進(jìn)行重新組合和分布，從而提高空間的有效利用率。

3.展示體驗(yàn)

正如譚維智所指出的，網(wǎng)絡(luò)一代的學(xué)習(xí)者更習(xí)慣于不教的學(xué)習(xí)方式[47]。未來的學(xué)習(xí)過程不再是一個(gè)知識(shí)的被動(dòng)識(shí)記過程，更多的是一個(gè)學(xué)習(xí)者主動(dòng)利用學(xué)習(xí)資源的加工過程。在這個(gè)過程中，教學(xué)資源的呈現(xiàn)形式就顯得尤為重要。基于4D打印技術(shù)打印的教學(xué)資源，可以將課堂上難以講解的教學(xué)場(chǎng)景進(jìn)行模擬仿真，多角度呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的視覺、聽覺、觸覺、動(dòng)覺等多感官參與，從而創(chuàng)設(shè)一個(gè)情景化的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生們感受到極強(qiáng)的臨場(chǎng)感。

4D打印資源的優(yōu)勢(shì)在于，這種動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)方式能夠幫助學(xué)習(xí)者建立有效的認(rèn)知模式。例如，4D打印作品的自動(dòng)變形、自動(dòng)組裝等展示過程，以通俗化的表現(xiàn)形式，將欲傳達(dá)的信息轉(zhuǎn)換為直觀、淺顯、易懂的符號(hào)或圖像語言，使學(xué)習(xí)者能夠比較容易地懂得信息的內(nèi)涵，并能夠通過受眾親身參與和體驗(yàn)獲得多重感官上的刺激，高效完成信息加工；對(duì)于在現(xiàn)實(shí)生活中無法觀察到的自然現(xiàn)象或事物的變化過程，如，細(xì)胞的分裂、分子的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)物或人體運(yùn)動(dòng)過程中骨骼的運(yùn)動(dòng)等，借助4D打印的智能教具可以直觀、形象、逼真地呈現(xiàn)抽象的概念和理論，有利于學(xué)生理解和掌握。這種實(shí)物的動(dòng)態(tài)展示，具有生動(dòng)、直觀、逼真、可視化、立體感強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠通過相應(yīng)部件的運(yùn)動(dòng)變化方式，增強(qiáng)視覺化、立體化的記憶能力，豐富和提升學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

4.STEAM教育

當(dāng)下，STEAM教育已成為國內(nèi)外基礎(chǔ)教育關(guān)注的熱點(diǎn)。STEAM教育不僅強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科的知識(shí)運(yùn)用，同樣重視藝術(shù)、設(shè)計(jì)和人文科學(xué)在教育中的整合，使得課程體系更加均衡，也為學(xué)習(xí)者提供了一個(gè)將廣泛的知識(shí)和技能在現(xiàn)實(shí)生活中相互聯(lián)系的大圖景。

4D打印在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，帶來的不僅是打印手段的革新，它不再僅是一個(gè)建模的過程，而更多的是需要培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的設(shè)計(jì)思維，關(guān)注產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程思維，如，物體在受熱或受到外部刺激情況下所產(chǎn)生的形狀、色彩或是質(zhì)地等的變化過程。這個(gè)過程的設(shè)計(jì)，需要學(xué)習(xí)者掌握物理、化學(xué)、材料、生物、信息技術(shù)、藝術(shù)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，它更注重學(xué)習(xí)者在設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)行跨學(xué)科的“知識(shí)融合”，而不局限于將想法進(jìn)行“實(shí)踐創(chuàng)造”。

4D打印技術(shù)在STEAM教學(xué)中的應(yīng)用，可以使抽象的教學(xué)概念更易被理解，同時(shí)，學(xué)習(xí)者對(duì)科學(xué)、數(shù)學(xué)尤其是工程和設(shè)計(jì)創(chuàng)意的興趣更易被激發(fā)。4D打印讓學(xué)習(xí)者的想象更容易變成現(xiàn)實(shí)，在這個(gè)過程中，學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新意識(shí)得到培養(yǎng)，創(chuàng)新實(shí)踐得到鼓勵(lì)。通過學(xué)習(xí)建模軟件、編程軟件的操作與應(yīng)用，學(xué)習(xí)者可以發(fā)展立體空間思維和編程素養(yǎng)?；?D打印實(shí)體的觸覺過程和動(dòng)態(tài)的變形組裝過程，可以建立一種新型的學(xué)習(xí)通道：在打印主題上選擇貼近社會(huì)、生活的建模主題，可以有效地培養(yǎng)學(xué)習(xí)者們利用新興技術(shù)解決生活實(shí)際問題的能力；讓學(xué)習(xí)者在將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為實(shí)物的過程中，理解、完善知識(shí)體系，培養(yǎng)其跨學(xué)科解決問題能力、邏輯創(chuàng)新思維和科學(xué)動(dòng)手實(shí)踐能力。

5.設(shè)計(jì)教育

4D打印能直接把設(shè)計(jì)以編程的方式內(nèi)置到打印機(jī)當(dāng)中，使物體在打印后，從一種形態(tài)變成另一種形態(tài)，為物體提供更好的設(shè)計(jì)自由度，實(shí)現(xiàn)物體的自我變化和制造。由于4D打印不再局限于成型作品的打印，而更多地關(guān)注作品的變化過程設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)使用場(chǎng)景的不同，靈活進(jìn)行產(chǎn)品的外形呈現(xiàn)或功能設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)教育的視角下，4D打印弱化了傳統(tǒng)3D打印可能帶來的復(fù)雜模型造型、后期再加工的問題，使其具有“智能制造”的特性，可以使打印產(chǎn)物在外部刺激因子作用下成為“自為”的產(chǎn)品，減少人力、物力和時(shí)間成本。對(duì)于設(shè)計(jì)師而言，更多的是需要激發(fā)自身的想象力，拓展產(chǎn)品創(chuàng)意與創(chuàng)新空間。設(shè)計(jì)人員不再受傳統(tǒng)工藝和制造資源約束，專注于產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)意和功能創(chuàng)新，在“設(shè)計(jì)即生產(chǎn)”、“設(shè)計(jì)即產(chǎn)品”的理念下，追求“創(chuàng)造無極限”[48]。

4D打印也給設(shè)計(jì)師增加了更多的可能與挑戰(zhàn)，如，產(chǎn)品在不同形態(tài)變化下的美感、功能，或產(chǎn)品最佳形態(tài)變化方式的預(yù)期等，這些將考驗(yàn)設(shè)計(jì)師的智慧，給設(shè)計(jì)學(xué)科帶來一些改變，也勢(shì)必會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)教育提出新的要求。未來的設(shè)計(jì)教育，不僅僅是一個(gè)造物設(shè)計(jì)，更多的是一個(gè)過程設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者更多的是在設(shè)計(jì)之初，就應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的需要對(duì)于設(shè)計(jì)產(chǎn)品的變形過程，中間過渡形態(tài)及最終呈現(xiàn)形態(tài)有一個(gè)完整的設(shè)計(jì)。未來的設(shè)計(jì)教育，更多地會(huì)是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的合作設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中，每人設(shè)計(jì)整體設(shè)計(jì)中的一部分，最后基于程序的驅(qū)動(dòng)能夠自動(dòng)組合成最終的產(chǎn)品。

6.創(chuàng)新文化

創(chuàng)新文化是科技創(chuàng)新的重要元素，是指與創(chuàng)新活動(dòng)相關(guān)的文化形態(tài)，是社會(huì)共有的關(guān)于創(chuàng)新的價(jià)值觀念和制度設(shè)計(jì)。它所體現(xiàn)的是一種社會(huì)對(duì)于創(chuàng)新的價(jià)值取向，映現(xiàn)了社會(huì)對(duì)新思想、新變革的積極態(tài)度。激發(fā)創(chuàng)造力是創(chuàng)新文化建設(shè)的目的[49]。4D打印技術(shù)是創(chuàng)新的最佳工具，是讓不可能成為可能的一種加工方式。它所體現(xiàn)的創(chuàng)造理念不僅僅是靜態(tài)的，而且可以是動(dòng)態(tài)的、智能的創(chuàng)造。4D打印產(chǎn)品的過程，是一個(gè)體現(xiàn)智能造物的過程。從這個(gè)角度講，它不僅僅是設(shè)計(jì)產(chǎn)品的創(chuàng)新，更是一個(gè)設(shè)計(jì)過程的創(chuàng)新。

4D打印技術(shù)的教育應(yīng)用，將更有效地激發(fā)教育領(lǐng)域中的創(chuàng)新因素，培養(yǎng)適合未來社會(huì)發(fā)展所需的勞動(dòng)者，更有效地培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的跨學(xué)科能力?？鐚W(xué)科能力是一種通過多學(xué)科的協(xié)作共同解決同一問題的能力，也是一種能夠靈活整合不同學(xué)科內(nèi)容、運(yùn)用跨學(xué)科方法解決問題的能力。Futures認(rèn)為，運(yùn)用跨學(xué)科方法解決問題能夠使學(xué)習(xí)者靈活轉(zhuǎn)換不同的思維模式，使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生遷移、聯(lián)想和頓悟。通過不同學(xué)科間交叉思維、跳躍式思維的應(yīng)用，從而促進(jìn)創(chuàng)新思維的產(chǎn)生[50]。

五、4D打印技術(shù)與“人工智能+教育”的融合

人工智能（Artificial Intelligence， AI）是一個(gè)模擬人類能力和智慧行為的跨領(lǐng)域?qū)W科[51]。從技術(shù)發(fā)展的角度看，人工智能技術(shù)可分為：計(jì)算智能、感知智能、認(rèn)知智能三個(gè)階段[52]。近年來，支持AI技術(shù)的技術(shù)生態(tài)趨于成熟，包括以大數(shù)據(jù)為支撐的數(shù)據(jù)源和以機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)為支撐的分析方法，以及應(yīng)用層面中面向個(gè)體的圖像、語音識(shí)別技術(shù)和自然語言處理技術(shù)的成熟[53]，這些都推動(dòng)了AI應(yīng)用的普及，使其能夠走向普羅大眾。因此，有學(xué)者稱現(xiàn)在為“人工智能+”時(shí)代[54]或“人工智能 2.0”時(shí)代[55]。

人工智能與教育結(jié)緣已久，有學(xué)者認(rèn)為，人工智能的發(fā)展史，就是人工智能教育應(yīng)用的發(fā)展史[56]；也有學(xué)者認(rèn)為，人工智能是伴隨計(jì)算智能、感知智能和認(rèn)知智能這三類智能技術(shù)的發(fā)展而逐漸被引入各類教學(xué)系統(tǒng)中的[57]。當(dāng)下，國內(nèi)外人工智能研究集中在感知智能階段，未來人工智能技術(shù)的突破口是認(rèn)知智能的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)與普及?！叭斯ぶ悄?教育”立足于當(dāng)下人工智能的發(fā)展水平，探索與學(xué)習(xí)科學(xué)深度融合的方式，旨在實(shí)現(xiàn)面向?qū)W習(xí)者的大規(guī)模的個(gè)性化、自適應(yīng)學(xué)習(xí)模式。

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，其在教育領(lǐng)域的運(yùn)用的關(guān)注點(diǎn)已經(jīng)從智能教學(xué)系統(tǒng)（ITS）、智能教學(xué)代理（IPA）和游戲教學(xué)轉(zhuǎn)移到學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)的收集、處理以及應(yīng)用[58]。國家在《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中提到，要“建立在線智能教育平臺(tái)，完善人工智能教育體系”[59]，這表明人工智能技術(shù)的實(shí)施很大程度上依托于互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的支持。吳永和等學(xué)者認(rèn)為，“人工智能+教育”是對(duì)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的深化，具有創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、重塑結(jié)構(gòu)、開放生態(tài)、尊重個(gè)性、服務(wù)智能、自治演進(jìn)六個(gè)特征[60]。張坤穎等認(rèn)為，人工智能在教育中的應(yīng)用形態(tài)有主體性和輔助性兩種特點(diǎn)，具體可以分為主體性融入模式、功能性嵌入模式以及作為輔助技術(shù)的模式，即AI技術(shù)是一種增能、使能和賦能的技術(shù)，以融合、輔助各類教學(xué)管理、學(xué)習(xí)評(píng)測(cè)等系統(tǒng)為主要方式與教育結(jié)合[61]。我們認(rèn)為，“人工智能+教育”使得學(xué)習(xí)者由知識(shí)的消費(fèi)者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)的創(chuàng)造者；學(xué)習(xí)資源由單結(jié)構(gòu)化向適應(yīng)于學(xué)習(xí)者個(gè)體的跨媒介型非結(jié)構(gòu)化形式轉(zhuǎn)變；在教學(xué)方式上，把教師從繁雜事務(wù)中解放出來，關(guān)注于學(xué)習(xí)者個(gè)體的高階思維模式。

人工智能也是一種在線應(yīng)用型技術(shù)，而4D打印作為一種全新的增材制造技術(shù)，能夠?qū)⑷嗽臁爸腔邸碑a(chǎn)物的存在方式從虛擬空間延伸至物理空間，兩者的結(jié)合，能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者提供全方位、個(gè)性化的智慧學(xué)習(xí)體驗(yàn)。結(jié)合以上分析，我們認(rèn)為，4D打印技術(shù)與“人工智能+教育”的融合可以從以下途徑入手：

1.智能工具與教學(xué)的融合

智能工具與教學(xué)的融合，是指將智能化的教育設(shè)備融入教與學(xué)的過程中。教育裝備是使教育任務(wù)有效組織起來的系統(tǒng)，是保障教學(xué)活動(dòng)所需的資料、學(xué)具、儀器、設(shè)備以及相關(guān)軟件的總稱[62]。它為創(chuàng)客教育和STEAM課程提供支撐，將教育裝備與課堂教學(xué)結(jié)合起來，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和問題解決能力[63]。

在4D打印技術(shù)支持下的智能教育設(shè)備，能夠與不同教學(xué)場(chǎng)景有機(jī)融合，如表2所示。例如，4D打印物品的制造需要預(yù)先設(shè)計(jì)其變化過程、不同形態(tài)的呈現(xiàn)效果，這能夠培養(yǎng)學(xué)習(xí)者個(gè)體的設(shè)計(jì)思維能力；利用4D打印技術(shù)的展示型設(shè)備，能夠塑造比靜態(tài)展示物更為真實(shí)的情境，有助于加深學(xué)習(xí)者對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解；而4D打印玩具的可交互性、自組裝行為，能夠使學(xué)習(xí)者“做中學(xué)”，創(chuàng)造學(xué)習(xí)者之間的交流空間。“人工智能+教育”基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的學(xué)習(xí)分析與評(píng)測(cè)，能夠準(zhǔn)確辨識(shí)學(xué)習(xí)者在這一系列過程中的學(xué)習(xí)水平及學(xué)習(xí)興趣，通過智能系統(tǒng)與學(xué)習(xí)者溝通或者形成學(xué)習(xí)分析報(bào)告，能夠幫助教師更好地把控教學(xué)進(jìn)度，提高教學(xué)效率。

表2 4D打印技術(shù)與教學(xué)場(chǎng)景的融合模式

2.4D打印與編程教育的融合

技術(shù)使用的生產(chǎn)性和創(chuàng)新性是21世紀(jì)實(shí)踐的重要特征之一，作為教育主體的教學(xué)者和學(xué)習(xí)者，面對(duì)層出不窮的新興技術(shù)及這些技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，需要自身不斷更新知識(shí)和能力，完善自身的素養(yǎng)結(jié)構(gòu)?！熬幊趟仞B(yǎng)”是這類素養(yǎng)結(jié)構(gòu)中較為基礎(chǔ)性的成分，它所指的是學(xué)習(xí)者通過以編程為主的學(xué)習(xí)模式，加強(qiáng)其邏輯思維的能力，以期適應(yīng)當(dāng)下社會(huì)快速更新的技術(shù)生態(tài)。利用4D打印技術(shù)進(jìn)行編程教育與人工智能可以有機(jī)融合，例如，在人工智能系統(tǒng)的支持下，未來教育環(huán)境中的學(xué)習(xí)者能夠大膽地對(duì)4D打印結(jié)果進(jìn)行描述，人工智能系統(tǒng)識(shí)別需求之后通過逆向推導(dǎo)，將創(chuàng)意構(gòu)想邏輯化。而學(xué)習(xí)者在理解其中的邏輯關(guān)系后，通過成功打印出具有動(dòng)態(tài)屬性的物體，使得學(xué)習(xí)成果不僅“可視”，而且“可交互”，從而能夠加深對(duì)編程知識(shí)的理解。

3.項(xiàng)目協(xié)同式學(xué)習(xí)的實(shí)施

為了開展STEM教育的最佳實(shí)踐，美國研究所與美國教育部聯(lián)合發(fā)布了 《STEM 2026：STEM教育中的創(chuàng)新愿景》，報(bào)告中提出要建立網(wǎng)絡(luò)化且參與度高的實(shí)踐社區(qū)，包含用跨學(xué)科方法解決“大挑戰(zhàn)”的教育經(jīng)驗(yàn)等愿景[64]。“大挑戰(zhàn)”是指當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)、國家層面或者全球范圍內(nèi)還未解決的問題[65]，以公益性事業(yè)為主。公益事業(yè)本身可以使學(xué)習(xí)者感覺在為社會(huì)做出貢獻(xiàn)，內(nèi)在地獲得社會(huì)責(zé)任感，從而能夠激發(fā)其學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。在具體實(shí)施方面，人工智能系統(tǒng)能夠?yàn)榉植加谑澜绺鞯氐膶W(xué)習(xí)個(gè)體建立在線協(xié)同合作系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)具備不同語種的實(shí)時(shí)翻譯以及與他人合作的社交機(jī)制，學(xué)習(xí)者通過線上協(xié)同式學(xué)習(xí)平臺(tái)，各自獲得參與機(jī)會(huì)以及眾包任務(wù)，繼而基于4D打印技術(shù)設(shè)計(jì)打印產(chǎn)物的模型、交互機(jī)制，通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)傳輸?shù)教囟ㄎ恢猛瓿纱蛴∫约按蛴‘a(chǎn)物的自組裝。這種項(xiàng)目協(xié)同式的學(xué)習(xí)過程，不僅能夠培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的協(xié)同學(xué)習(xí)能力，同時(shí)還能促進(jìn)多元化社會(huì)文化交流，提高學(xué)習(xí)者的社會(huì)適應(yīng)能力。

4．?dāng)⑹陆虒W(xué)

Bruner認(rèn)為，兒童和青少年不僅需要“邏輯性思維”，同時(shí)也需要發(fā)展“敘事性思維”[66]?！皵⑹滦运季S”由學(xué)習(xí)者個(gè)人的想象力所觸發(fā)，通過故事的形式表達(dá)，從而發(fā)展出一種個(gè)人或者群體的、深層次的意義建構(gòu)[67]。“人工智能+教育”視角下的數(shù)字教學(xué)資源，能夠使敘事主題內(nèi)容根據(jù)觀眾的情緒變化產(chǎn)生多結(jié)尾、開放式的故事結(jié)構(gòu)，使得學(xué)習(xí)者產(chǎn)生沉浸式的體驗(yàn)過程。4D打印可以將敘事主體實(shí)體化，例如，利用特定的打印部件還原歷史事件發(fā)生的場(chǎng)景，并且利用程序預(yù)設(shè)多個(gè)觸發(fā)點(diǎn)，通過觸發(fā)交互機(jī)制使得靜態(tài)場(chǎng)景能夠“活起來”，增進(jìn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，從而提高學(xué)習(xí)效率。

5.聾啞人語言康復(fù)訓(xùn)練

被邊緣化的群體（Marginalized Group）是指在教育技術(shù)研究和實(shí)踐中被忽視的人群，例如，殘疾人群等[68]，其身心先天或者后天的不健全導(dǎo)致學(xué)習(xí)和發(fā)展受到了嚴(yán)重阻礙。因此，殘疾人群在知覺能力、語言理解能力、社交能力等方面更需要人工智能技術(shù)的介入[69]。4D打印技術(shù)使人造物的“智慧”特征轉(zhuǎn)移到物理空間，能針對(duì)殘疾人群的康復(fù)訓(xùn)練提供實(shí)物支持，并與人工智能有機(jī)結(jié)合。例如，聾啞人由于失聰接收不到對(duì)方的聲音而無法開口說話，通過4D打印出的類似口腔系統(tǒng)的訓(xùn)練模具能夠利用聲波這一外部刺激改變其形狀，從而幫助聾啞人訓(xùn)練發(fā)音過程，而訓(xùn)練所需語音材料可以通過人工智能系統(tǒng)輸出，以匹配聾啞學(xué)習(xí)個(gè)體的學(xué)習(xí)特征，提高其學(xué)習(xí)發(fā)音的效率。

六、結(jié)語

4D打印技術(shù)的“未來”已然到來，并且正在流行。人類自誕生以來就在不斷適應(yīng)世界，而4D打印的出現(xiàn)，使人類開始主動(dòng)“修改”世界，人人都是創(chuàng)造者，可大膽發(fā)揮，擁有無限想象[70]。隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)及人工智能等新興技術(shù)的快速發(fā)展，人類正迎來第六次認(rèn)知革命，認(rèn)知能力將再次飛躍，從而最終進(jìn)入到智能化時(shí)代[71]。未來教育是人與人工智能協(xié)作的時(shí)代，以人工智能為核心的新技術(shù)將與教學(xué)融合，成為下一個(gè)教育改革的核心驅(qū)動(dòng)力。新興技術(shù)在改變?nèi)藗兊膶W(xué)習(xí)、工作和生活的同時(shí)，也給教育的創(chuàng)新發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。3D打印的物體是“死”的，而4D打印的物體卻是“活”的[72]，正如凱文·凱利（Kevin Kelly）所言：人造物正在變得有生命，4D打印不再是創(chuàng)造過程的終結(jié)，而僅僅是一條路徑、一個(gè)轉(zhuǎn)向點(diǎn)、一個(gè)起點(diǎn)，打印出來的產(chǎn)品可以進(jìn)化，使產(chǎn)品具有智慧的屬性[73]。

在新技術(shù)決定創(chuàng)新教育質(zhì)量的條件下，教育教學(xué)體系必須徹底革新傳統(tǒng)的教育觀念，應(yīng)用于教育領(lǐng)域的技術(shù)不能僅僅是冷冰冰的、輔助性的、無內(nèi)涵的機(jī)器和設(shè)備，而應(yīng)是有溫度、有內(nèi)涵、有個(gè)性、有情感、有思維、有活力、有創(chuàng)造性的交互伙伴。而4D打印的“智能造物”技術(shù)，使得這一理念的實(shí)現(xiàn)成為可能。

雖然4D打印目前還并不成熟，但這項(xiàng)技術(shù)終將帶來對(duì)生物科學(xué)、材料科學(xué)、計(jì)算科學(xué)、機(jī)器人、軟件、制造業(yè)、教育、藝術(shù)等的革命性變化。 4D打印技術(shù)的教育應(yīng)用，也勢(shì)必能為學(xué)生提供解決現(xiàn)實(shí)問題的個(gè)性化、社會(huì)化、趣味性、綜合性、開放性的創(chuàng)新實(shí)踐。

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