導(dǎo)語：4D打印技術(shù)在特殊教育的運用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:4d打印技術(shù)雖處于研發(fā)階段，尚未廣泛普及，但應(yīng)用前景十分可觀?；?a href="http://www.eimio.cn/lunwen/jylw/tsjylw/201911/711452.html" target="_blank">特殊教育教學(xué)對象的特殊性，將4D打印技術(shù)應(yīng)用于特殊教育教學(xué)，能夠?qū)崿F(xiàn)“四維”動態(tài)教學(xué)、智能教學(xué)空間、靈動創(chuàng)新教具、雙向主體沉浸式互動學(xué)習(xí)，激發(fā)特殊兒童的學(xué)習(xí)興趣，構(gòu)建參與式互動教學(xué)模式，提升特殊教育教學(xué)效果，為特殊教育事業(yè)帶來新的發(fā)展機遇。

關(guān)鍵詞:4D打印技術(shù);特殊教育;特殊兒童;動態(tài)教學(xué);教學(xué)效果;技術(shù)應(yīng)用

一、引言

隨著時代的發(fā)展，人們的學(xué)習(xí)方式發(fā)生了巨大的變化，由被動學(xué)習(xí)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)。信息技術(shù)不斷涌入人們的生活，人類隨即也迎來了以“智能制造”領(lǐng)航的第四次工業(yè)革命。科學(xué)技術(shù)正改變著人們工作、生活的方方面面，包括交流方式、思維方式以及價值觀念等，未來甚至?xí)淖內(nèi)祟惖纳a(chǎn)方式以及一切社會關(guān)系。［1］在以人為本的教育領(lǐng)域，利用新興技術(shù)創(chuàng)新各類教育人才的培養(yǎng)模式，在變革教育教學(xué)方法的同時轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式，推進形成智能與交互式學(xué)習(xí)為特征的新型教育體系成為當(dāng)前研究的熱點話題。［2］《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》指出，要充分利用現(xiàn)有的優(yōu)質(zhì)資源及國際先進技術(shù)，創(chuàng)新運行機制和管理模式，以實現(xiàn)技術(shù)對教育的革命性影響。［3］在特殊教育領(lǐng)域，特殊兒童的抽象思維能力較弱、注意力難以保持長時間集中等認(rèn)知特點嚴(yán)重影響其學(xué)習(xí)效果，這種特殊的認(rèn)知特點也決定了采用形象、直觀、立體的教具更加符合他們的身心發(fā)展規(guī)律以及學(xué)習(xí)特點。4D打印技術(shù)運用智能的可編程材料作為打印原料，設(shè)計者通過輸入預(yù)定程序，以智能材料為媒介制作出立體教具，將事物初始狀態(tài)直到長大成形的動態(tài)過程直觀地演繹出來，這有助于特殊兒童對知識的理解與學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。本文從4D打印技術(shù)的原理層面剖析4D打印技術(shù)的內(nèi)涵及其優(yōu)勢，探討其在特殊教育領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性，分析并展望未來智能技術(shù)帶給特殊教育的改變和發(fā)展機遇。

二、4D打印技術(shù)的緣起及其發(fā)展

(一)內(nèi)涵。2013年，美國麻省理工學(xué)院(MIT)自動化實驗室的創(chuàng)始人Tibbits首次提出了4D打印的概念，他認(rèn)為4D打印技術(shù)就像在打印材料中植入了智慧，運用該項技術(shù)不僅能打印出自己設(shè)計的產(chǎn)品，還能使得產(chǎn)品不再是單一概念下的物體，而是能夠發(fā)展、進化的。［4］不同于3D打印，4D打印技術(shù)增加了時間維度，用于4D打印的智能材料結(jié)構(gòu)能夠隨時間而變化，三維實體結(jié)構(gòu)也不再是靜態(tài)、無生命的，而是一個可以隨外部環(huán)境的改變產(chǎn)生相應(yīng)變化的智能對象。因此，4D打印技術(shù)是指用可編程物質(zhì)(通常為智能復(fù)合材料)作為打印材料，通過3D打印創(chuàng)建三維對象，打印出的物體可以在受到預(yù)定刺激(如遇水、冷卻或通電、光照、加熱、加壓)后，實現(xiàn)物理屬性(如結(jié)構(gòu)、形態(tài)、體積、密度、色彩、亮度、彈性、硬度、導(dǎo)電性、電磁特性和光學(xué)特性等)及功能的自我轉(zhuǎn)換，［5－6］其具有自動折疊、可二次變形的特點。(二)研究現(xiàn)狀。目前，4D打印技術(shù)尚處于初級階段，發(fā)展還不成熟，未被廣泛應(yīng)用，但已有研究者在生物、服飾等領(lǐng)域展開探索。在生物方面，加拿大阿爾伯塔大學(xué)的Ingenuity實驗室于2017年12月宣布，將現(xiàn)有的3D打印設(shè)備與程序設(shè)置相結(jié)合，制造出了一種由天然蛋白質(zhì)和水凝膠材料組成的全新的葉狀4D打印結(jié)構(gòu)，這種4D打印“葉子”是一種特殊的樹脂材料打印而成的，由銀納米顆粒、碳納米管和蛋白質(zhì)膜混合而成的特殊樹脂材料能夠?qū)Σ煌沫h(huán)境和刺激做出物理反應(yīng)，是“葉子”實現(xiàn)二次態(tài)成型的物理基礎(chǔ)。當(dāng)這片“葉子”浸入水中并暴露在紫外線下時，材料自身就會與水反應(yīng)，分解水分子并產(chǎn)生氫氣。研究人員認(rèn)為，對葉狀4D打印結(jié)構(gòu)的研究將成為人體器官移植領(lǐng)域的重大突破。簡言之，4D打印的水凝膠葉片標(biāo)志著人類對于3D生物打印器官的研究實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。［7］在服飾方面，美國科技設(shè)計公司“NervousSystem”研發(fā)出了一種可使用4D打印技術(shù)制造的彈性織物，并運用這種彈性貼身布料設(shè)計并制作出了世界上第一條“4D裙”。這條“4D裙”由2279個三角形和3316個相扣的織物纖維接縫制成，任何身材特點的女性均可隨意穿著，完美地解決了穿戴者不合身的問題。［8］同時，在打印材料方面，研究者探索出了智能材料之外的新技術(shù)。2018年9月，中國香港城市大學(xué)呂堅教授和他的研究團隊首次實現(xiàn)了陶瓷4D打印，這項新技術(shù)有望應(yīng)用于太空探索、電子產(chǎn)品和航空發(fā)動機制造等領(lǐng)域。［9］4D打印技術(shù)的潛力正在不斷被人類發(fā)掘，其直觀化、形象化、動態(tài)化的特性也為特殊兒童的教學(xué)帶來了重大機遇，將4D打印這項前沿技術(shù)引入特殊教育領(lǐng)域，有助于特殊兒童突破認(rèn)知上的局限，更好地提升學(xué)習(xí)效果。

三、4D打印技術(shù)在特殊教育中的應(yīng)用

(一)轉(zhuǎn)變教學(xué)方式，激發(fā)特殊兒童的學(xué)習(xí)興趣。傳統(tǒng)的教學(xué)方式是講授法與演示法相結(jié)合，穿插PPT幻燈片及一些形象、生動的教學(xué)視頻，教學(xué)方法單一，缺乏師生互動，學(xué)生對教師具有很強的依賴性。［10］而現(xiàn)代教育提出在學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)方面應(yīng)以增進學(xué)生自主思考為主，進行數(shù)學(xué)的、語言的、理性的、邏輯的、分析的、計算的和符號的抽象思維教育，要著重開發(fā)學(xué)生的想象力，進行情景模擬、空間感知、抽象圖形、立體直觀的形象思維教育，培養(yǎng)創(chuàng)造型、創(chuàng)新型人才。［11］4D打印技術(shù)的引進將改變特殊教育教師的教學(xué)方式。由于特殊教育的對象與普通兒童相比具有獨特性，他們對于教學(xué)方式以及教師自身素質(zhì)的要求更高，因此需要運用更加有針對性、有效的策略來組織教學(xué)。將先進的4D打印技術(shù)應(yīng)用于特殊教育中，可更加便捷地針對特殊兒童的不同特點與學(xué)習(xí)需求制作出適合他們的教具，進而滿足不同兒童的興趣需要。與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相結(jié)合，4D打印技術(shù)的引進能調(diào)動特殊兒童學(xué)習(xí)的積極性，從而激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣;遵循從“做中學(xué)”的教育理念，在不斷體驗變化的過程中學(xué)習(xí)，讓特殊兒童獲得課堂的參與感，而非“局外人”。(二)改變學(xué)習(xí)方式，變被動接受為主動學(xué)習(xí)。在特殊教育領(lǐng)域，課堂的學(xué)習(xí)方式以教師講授、學(xué)生傾聽為主。但大部分特殊兒童由于其身心存在缺陷，在課堂中學(xué)習(xí)方式單一且較為被動，學(xué)習(xí)興致不高且效率低下。同時，由于特殊兒童認(rèn)知發(fā)展水平與普通兒童相比存在差距，持續(xù)注意時間較短，在注意力的發(fā)展上存在某種程度的缺陷，［12］傳統(tǒng)課堂的教學(xué)模式有時又易使教學(xué)枯燥無味，此時，教師應(yīng)該設(shè)置多種新穎的教學(xué)形式。例如:培智學(xué)校的兒童對于視覺注意以及觸摸學(xué)習(xí)的教學(xué)效果要優(yōu)于其他教學(xué)方式，在課堂上播放視頻或圖片，在此基礎(chǔ)上增加實物教學(xué)的效果要更優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)。4D打印技術(shù)通過豐富教學(xué)形式，形象化教具，讓學(xué)生對教具及學(xué)具感興趣，進而改變學(xué)生被動接受知識的局面，使其樂于求知，主動學(xué)習(xí)，讓特殊兒童對學(xué)習(xí)產(chǎn)生更多的主動性，給特殊教育教學(xué)帶來了福音。(三)改善師生關(guān)系，特殊兒童與教師關(guān)系更加融洽。教育活動的開展需要師生共同參與。教師與學(xué)生都是能動的主體，因而教育活動是一種雙邊活動，主體間是相互影響、相互作用的。在長期互動中，教師與學(xué)生形成了變化和發(fā)展的師生關(guān)系。簡言之，師生間沒有互動，無法構(gòu)建師生關(guān)系，教育活動便不存在，因此，良好師生關(guān)系的構(gòu)建作為教育教學(xué)的一種背景和環(huán)境保障著教學(xué)的順利開展。［13］4D打印技術(shù)需要師生溝通與交流，共同編程并制作教具。教師需要了解每位學(xué)生的學(xué)習(xí)需求以及學(xué)習(xí)特點，制定難度不一的編程方案，讓學(xué)生參與到編程過程中，他們不再是“高高在上”地俯視學(xué)生，而是“彎下腰來”與學(xué)生共同探討，創(chuàng)造出優(yōu)質(zhì)的課程與教學(xué)材料。特殊教育不再是“孤軍奮戰(zhàn)”，而是教師運用4D打印技術(shù)打印出的教具，觀察智能材料在預(yù)定刺激下產(chǎn)生的變化，引導(dǎo)學(xué)生主動求知，讓師生在互動中共同參與完成教學(xué)任務(wù)，拉近兩者之間的距離，使教與學(xué)的過程更加順利地實現(xiàn)，增進兒童與教師間的情感聯(lián)結(jié)。

四、將4D打印技術(shù)應(yīng)用于特殊教育的展望

(一)“四維”動態(tài)教學(xué)?！八木S”，即是在“三維”的基礎(chǔ)上增加了一條時間軸。因此，“四維”與4D打印技術(shù)的概念不謀而合。物體不再是三維世界中靜止的事物，而是通過設(shè)定程序隨時間變化而不斷改變，是動態(tài)的。在這個過程中，可以將傳統(tǒng)三維實物無法實現(xiàn)的教學(xué)通過4D打印技術(shù)呈現(xiàn)出來?；?D打印技術(shù)制作的教學(xué)資源可以模擬課堂上難以講解的教學(xué)場景，多角度地呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，有效調(diào)動學(xué)生視覺、聽覺、觸覺、動覺等多感官共同參與，使學(xué)習(xí)環(huán)境情景化，讓學(xué)生身臨其境，擁有極強的臨場感。［14］344D打印制作出的物體具有“四維”動態(tài)性，教師若運用該項技術(shù)，使模型在受到某種預(yù)定刺激后產(chǎn)生形態(tài)變化，將“變化”與課堂教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，可以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動性，提升教師課堂教學(xué)效果。4D打印技術(shù)沿襲了3D打印的優(yōu)勢，可以迅速、便捷地通過技術(shù)打印機的形式打印出自己需要的實物，多角度、多形式地展現(xiàn)同一物體。如，植物的生長往往是一個動態(tài)、長期的過程，傳統(tǒng)教學(xué)中只是讓學(xué)生觀看圖片、視頻，或是讓學(xué)生自己動手去種植，學(xué)習(xí)效果并不理想。對特殊兒童而言，他們在視覺記憶方面具有一定的優(yōu)勢，但仍以機械記憶為主。記憶的特殊性使得特殊兒童對事物無法直觀地理解并感知，如果運用的教學(xué)方法過于抽象就會使教學(xué)浮于表面，流于形式。同時，有些植物從發(fā)芽、開花到結(jié)果的成長周期長，學(xué)生學(xué)習(xí)以及教師教學(xué)的進度被延滯。加之有的學(xué)生動手能力較弱，無法實際跟隨教師及同伴去種植，因此，參與感的下降使得學(xué)生的學(xué)習(xí)效果未能達到理想水平。采用4D打印技術(shù)可以事先編好程序，讓植物在適宜的溫度及濕度下迅速生長，每位特殊兒童都可以直觀地看到植物的生長變化過程，有效地吸引特殊兒童的注意力，提升課堂教學(xué)效果。對于盲童而言，“四維”教具可以將原本虛擬的智能化教學(xué)產(chǎn)品由虛幻轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實，實現(xiàn)教具實體化，讓他們觸摸到逼真的物體形象，感知事物真實的存在，將觸覺、聽覺等多感官結(jié)合，提高學(xué)習(xí)效率，增強其對事物的理解。(二)智能教學(xué)空間。兒童在學(xué)校開展的學(xué)習(xí)不能脫離教室的物理環(huán)境。然而，有研究者對學(xué)校物理環(huán)境特征進行探究時發(fā)現(xiàn):鮮有研究對學(xué)校的墻面顏色、照明、聲學(xué)、垂直空間等與教學(xué)密切相關(guān)的因素給予關(guān)注并進行開發(fā)設(shè)計。兒童是積極的觀察者，他們在環(huán)境中發(fā)現(xiàn)、探索、吸收信息的同時辨別物體，用自己的方式獲得廣泛存在于環(huán)境中的豐富的信息資源。因此，學(xué)習(xí)不能脫離自身發(fā)生的物理環(huán)境。［14］10－194D打印技術(shù)將使學(xué)校物理環(huán)境更加人性化的同時體現(xiàn)師生的交互性以及教學(xué)空間的趣味性。由于4D打印技術(shù)所使用的材料具有可折疊、變形以及智能化編程等特點，因此，利用4D打印技術(shù)，可將師生的教學(xué)互動空間變得更加舒適、多樣化的同時將學(xué)習(xí)泛在化。首先，教室環(huán)境應(yīng)是讓師生感到愉悅、舒適的，良好教學(xué)環(huán)境的創(chuàng)設(shè)得益于清新的空氣，4D打印技術(shù)可以運用智能材料提前編程，根據(jù)教室中空氣的溫度、濕度、二氧化碳的濃度以及氧氣含量等的不同自動調(diào)整墻體的縫隙，使教室能夠?qū)崿F(xiàn)自主換氣，為兒童營造良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。其次，教室物理環(huán)境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)講求時效性。根據(jù)不同時期課程主題以及課程目標(biāo)的多樣性布置教室，讓特殊兒童在潛移默化中感知課程。如，本周的學(xué)習(xí)目標(biāo)是“認(rèn)識瓜類”，在制作西瓜、南瓜、絲瓜等4D教具的同時可以將墻體、桌子、椅子等變換成瓜類的圖案，讓特殊兒童不斷地重復(fù)指認(rèn)，增強對事物的認(rèn)識。此外，讓特殊兒童體驗到生態(tài)化的教學(xué)環(huán)境，使墻體可以呼吸，能隨季節(jié)變化色彩。夏季呈現(xiàn)出藍色、淺綠色等，使特殊兒童感覺不那么悶熱、煩躁;冬季可以呈現(xiàn)一些暖色調(diào)，如米黃色，給兒童一種舒適感和溫暖感;秋天的墻體則可以出現(xiàn)一些落葉和莊稼豐收的場景，讓特殊兒童在潛移默化中感知四季變化的同時了解每個季節(jié)變換的特征，在愉悅的環(huán)境中無意識地獲取知識。最后，特殊教育與普通教育的課堂相比更重要的是要調(diào)動特殊兒童學(xué)習(xí)的積極性，因此，首要的教學(xué)任務(wù)是保持教學(xué)空間的趣味性，故而對于教室的布置應(yīng)充滿童趣，但在課堂上為了避免室內(nèi)布置吸引兒童注意力，可對智能材料預(yù)先編程，上課時則恢復(fù)課堂的教學(xué)空間設(shè)置。(三)創(chuàng)新課程實踐。當(dāng)前素質(zhì)教育理念倡導(dǎo)培養(yǎng)兒童的想象力與創(chuàng)造力，近年來興起的創(chuàng)造教育教學(xué)模式的最終目的即是如此。創(chuàng)造教育在關(guān)注科技、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識的同時，還將藝術(shù)、設(shè)計和人文科學(xué)與教育進行整合，將藝術(shù)教育融入特殊兒童的教學(xué)中。這種學(xué)科間的全新建構(gòu)模式不僅可以增強學(xué)習(xí)興趣，還可以使得特殊兒童擁有廣泛的興趣愛好，有利于增進其與同伴的溝通交往，滿足精神文化需求，為今后更好地融入社會打下基礎(chǔ)。4D打印技術(shù)的應(yīng)用將為創(chuàng)新課程的實踐提供更多的可能。4D打印技術(shù)的亮點在于可預(yù)先編輯狀態(tài)發(fā)生改變的條件以及物體變形后的形態(tài)，對發(fā)展兒童的動手能力、想象思維能力等大有裨益。將4D打印技術(shù)應(yīng)用于開發(fā)特殊兒童的想象力與創(chuàng)造力，可以使原本抽象的教學(xué)概念更易被理解。同時，特殊兒童對科學(xué)、數(shù)學(xué)尤其是工程和設(shè)計創(chuàng)意的興趣更易被激發(fā)。4D打印技術(shù)讓兒童天馬行空的想象成為現(xiàn)實，在編程制作的過程中，特殊兒童的創(chuàng)新意識得到培養(yǎng)，創(chuàng)新實踐得到鼓勵。特殊教育學(xué)校結(jié)合4D打印技術(shù)，還可以開設(shè)建模軟件、編程軟件操作與應(yīng)用等課程，發(fā)展特殊兒童立體空間思維和編程素養(yǎng)，讓他們在學(xué)習(xí)的過程中體驗到思考的魅力與動手的樂趣。在對4D打印物體進行觸摸、感知動態(tài)變形組裝的過程中，可以創(chuàng)建一種新型的學(xué)習(xí)通道。在打印主題的選擇上應(yīng)關(guān)注社會現(xiàn)實、貼近社會生活，這樣可以培養(yǎng)特殊兒童利用新興技術(shù)解決生活中遇到的實際問題的能力，讓兒童在將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為實物的過程中理解和完善相應(yīng)的學(xué)科知識體系，靈活運用多種學(xué)科知識，學(xué)會跨學(xué)科解決問題，增強邏輯創(chuàng)新思維和科學(xué)實踐的能力。(四)雙向參與學(xué)習(xí)。雙向，即構(gòu)建以教師與學(xué)生為中心的雙向主體教學(xué)模式。以教師為主體的教學(xué)結(jié)構(gòu)將被重塑，未來的課堂將是以教與學(xué)雙向為主體的新格局。特殊教育課堂教學(xué)強調(diào)師生互動，教師要對兒童按照障礙類別及掌握知識的程度分層次進行教學(xué)。引進4D打印技術(shù)將使教學(xué)化繁為簡，在突出學(xué)科教學(xué)特點的同時使教師教學(xué)更簡單化，學(xué)生學(xué)習(xí)更具趣味性，激活雙向主體的參與式互動教學(xué)模式。由于特殊兒童的形象思維能力優(yōu)于抽象思維能力，因此，直觀、立體的教具教學(xué)效果更優(yōu)。在生活數(shù)學(xué)、生活語文、音樂、美術(shù)、生活自理等特殊教育課堂上可以結(jié)合各學(xué)科的需要制作出可二次成型的教具進行重復(fù)利用，在避免資源浪費的同時縮減了教具的存放空間。如，在生活數(shù)學(xué)課堂中，教師在教授圖形時需要同時攜帶多種教具，4D打印技術(shù)可通過編程，使智能材料受到預(yù)定刺激后進行變形，此時，一種智能教具即可滿足師生的需要。參與學(xué)習(xí)，即提供給學(xué)習(xí)者一種環(huán)境，通過視覺、聽覺、觸覺等多種感官進行模擬的方式，使學(xué)習(xí)者仿佛置身于真實環(huán)境之中。沉浸式參與最重要的是要激活學(xué)習(xí)者的身體圖式，使其有真實的參與感，其中“真實”又包括語言文字、圖像、場景等的真實性。目前，最常用的方法是虛擬現(xiàn)實技術(shù)，即利用計算機語言模擬三維的虛擬環(huán)境，給使用者感官模擬，讓使用者沉浸于計算機程序虛構(gòu)出的幻境之中，與三維空間中的情境進行互動。但虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)備成本較高，程序語言的編制較為專業(yè)化，非計算機從業(yè)人員難以實現(xiàn)。與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相比，4D打印技術(shù)產(chǎn)生的物品是真實存在的，且制作出的教具可根據(jù)課題的不同進行變換，多次使用，讓特殊兒童置身于真實的情境中，增強其參與感，提升自主學(xué)習(xí)能力。與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相似，4D打印技術(shù)也可以模擬教學(xué)情境，提升特殊兒童課堂學(xué)習(xí)中的具身情感性，在利用4D打印技術(shù)模擬場景時可以鼓勵兒童描述眼前的景象，豐富特殊兒童詞匯，增強其語言表述能力。

五、結(jié)語

目前，我國特殊教育事業(yè)正處于快速發(fā)展階段，但尚未對現(xiàn)有的教育資源進行充分利用。先進的技術(shù)為特殊兒童帶來的不僅僅是優(yōu)質(zhì)的教育資源、創(chuàng)新的教學(xué)方法、新穎的教育理念，更為特殊教育事業(yè)的發(fā)展帶來了希望。將4D打印技術(shù)的理念應(yīng)用于特殊教育教學(xué)中無疑是一次革命性的突破，其廣闊的應(yīng)用空間和發(fā)展前景將對科技以及教育革命產(chǎn)生重大的影響。4D打印可二次成型以及可編程性為特殊教育帶來了全新的教學(xué)和學(xué)習(xí)模式，將技術(shù)與教育融合也必將推動學(xué)科教學(xué)的發(fā)展，期待未來科技為特殊教育領(lǐng)域帶來更多可能性。

作者:唐靜 楊柳 單位:西南大學(xué)