4D打印技術在特殊教育的運用

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摘要:4d打印技術雖處于研發(fā)階段，尚未廣泛普及，但應用前景十分可觀。基于特殊教育教學對象的特殊性，將4D打印技術應用于特殊教育教學，能夠?qū)崿F(xiàn)“四維”動態(tài)教學、智能教學空間、靈動創(chuàng)新教具、雙向主體沉浸式互動學習，激發(fā)特殊兒童的學習興趣，構(gòu)建參與式互動教學模式，提升特殊教育教學效果，為特殊教育事業(yè)帶來新的發(fā)展機遇。

關鍵詞:4D打印技術;特殊教育;特殊兒童;動態(tài)教學;教學效果;技術應用

一、引言

隨著時代的發(fā)展，人們的學習方式發(fā)生了巨大的變化，由被動學習逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W習、終身學習。信息技術不斷涌入人們的生活，人類隨即也迎來了以“智能制造”領航的第四次工業(yè)革命。科學技術正改變著人們工作、生活的方方面面，包括交流方式、思維方式以及價值觀念等，未來甚至會改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)方式以及一切社會關系。［1］在以人為本的教育領域，利用新興技術創(chuàng)新各類教育人才的培養(yǎng)模式，在變革教育教學方法的同時轉(zhuǎn)變學習方式，推進形成智能與交互式學習為特征的新型教育體系成為當前研究的熱點話題。［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，創(chuàng)新運行機制和管理模式，以實現(xiàn)技術對教育的革命性影響。［3］在特殊教育領域，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知特點嚴重影響其學習效果，這種特殊的認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)律以及學習特點。4D打印技術運用智能的可編程材料作為打印原料，設計者通過輸入預定程序，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習，激發(fā)學習興趣。本文從4D打印技術的原理層面剖析4D打印技術的內(nèi)涵及其優(yōu)勢，探討其在特殊教育領域中應用的可行性，分析并展望未來智能技術帶給特殊教育的改變和發(fā)展機遇。

二、4D打印技術的緣起及其發(fā)展

(一)內(nèi)涵。2013年，美國麻省理工學院(MIT)自動化實驗室的創(chuàng)始人Tibbits首次提出了4D打印的概念，他認為4D打印技術就像在打印材料中植入了智慧，運用該項技術不僅能打印出自己設計的產(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)生相應變化的智能對象。因此，4D打印技術是指用可編程物質(zhì)(通常為智能復合材料)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、導電性、電磁特性和光學特性等)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打印技術尚處于初級階段，發(fā)展還不成熟，未被廣泛應用，但已有研究者在生物、服飾等領域展開探索。在生物方面，加拿大阿爾伯塔大學的Ingenuity實驗室于2017年12月宣布，將現(xiàn)有的3D打印設備與程序設置相結(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，是“葉子”實現(xiàn)二次態(tài)成型的物理基礎。當這片“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，分解水分子并產(chǎn)生氫氣。研究人員認為，對葉狀4D打印結(jié)構(gòu)的研究將成為人體器官移植領域的重大突破。簡言之，4D打印的水凝膠葉片標志著人類對于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，美國科技設計公司“NervousSystem”研發(fā)出了一種可使用4D打印技術制造的彈性織物，并運用這種彈性貼身布料設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。2018年9月，中國香港城市大學呂堅教授和他的研究團隊首次實現(xiàn)了陶瓷4D打印，這項新技術有望應用于太空探索、電子產(chǎn)品和航空發(fā)動機制造等領域。［9］4D打印技術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帶來了重大機遇，將4D打印這項前沿技術引入特殊教育領域，有助于特殊兒童突破認知上的局限，更好地提升學習效果。

三、4D打印技術在特殊教育中的應用

(一)轉(zhuǎn)變教學方式，激發(fā)特殊兒童的學習興趣。傳統(tǒng)的教學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、生動的教學視頻，教學方法單一，缺乏師生互動，學生對教師具有很強的依賴性。［10］而現(xiàn)代教育提出在學生素質(zhì)培養(yǎng)方面應以增進學生自主思考為主，進行數(shù)學的、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打印技術的引進將改變特殊教育教師的教學方式。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。將先進的4D打印技術應用于特殊教育中，可更加便捷地針對特殊兒童的不同特點與學習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)的教學方式相結(jié)合，4D打印技術的引進能調(diào)動特殊兒童學習的積極性，從而激發(fā)其學習興趣;遵循從“做中學”的教育理念，在不斷體驗變化的過程中學習，讓特殊兒童獲得課堂的參與感，而非“局外人”。(二)改變學習方式，變被動接受為主動學習。在特殊教育領域，課堂的學習方式以教師講授、學生傾聽為主。但大部分特殊兒童由于其身心存在缺陷，在課堂中學習方式單一且較為被動，學習興致不高且效率低下。同時，由于特殊兒童認知發(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)課堂的教學模式有時又易使教學枯燥無味，此時，教師應該設置多種新穎的教學形式。例如:培智學校的兒童對于視覺注意以及觸摸學習的教學效果要優(yōu)于其他教學方式，在課堂上播放視頻或圖片，在此基礎上增加實物教學的效果要更優(yōu)于傳統(tǒng)教學。4D打印技術通過豐富教學形式，形象化教具，讓學生對教具及學具感興趣，進而改變學生被動接受知識的局面，使其樂于求知，主動學習，讓特殊兒童對學習產(chǎn)生更多的主動性，給特殊教育教學帶來了福音。(三)改善師生關系，特殊兒童與教師關系更加融洽。教育活動的開展需要師生共同參與。教師與學生都是能動的主體，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，教師與學生形成了變化和發(fā)展的師生關系。簡言之，師生間沒有互動，無法構(gòu)建師生關系，教育活動便不存在，因此，良好師生關系的構(gòu)建作為教育教學的一種背景和環(huán)境保障著教學的順利開展。［13］4D打印技術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生的學習需求以及學習特點，制定難度不一的編程方案，讓學生參與到編程過程中，他們不再是“高高在上”地俯視學生，而是“彎下腰來”與學生共同探討，創(chuàng)造出優(yōu)質(zhì)的課程與教學材料。特殊教育不再是“孤軍奮戰(zhàn)”，而是教師運用4D打印技術打印出的教具，觀察智能材料在預定刺激下產(chǎn)生的變化，引導學生主動求知，讓師生在互動中共同參與完成教學任務，拉近兩者之間的距離，使教與學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打印技術應用于特殊教育的展望

(一)“四維”動態(tài)教學。“四維”，即是在“三維”的基礎上增加了一條時間軸。因此，“四維”與4D打印技術的概念不謀而合。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)的教學通過4D打印技術呈現(xiàn)出來。基于4D打印技術制作的教學資源可以模擬課堂上難以講解的教學場景，多角度地呈現(xiàn)教學內(nèi)容，有效調(diào)動學生視覺、聽覺、觸覺、動覺等多感官共同參與，使學習環(huán)境情景化，讓學生身臨其境，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，使模型在受到某種預定刺激后產(chǎn)生形態(tài)變化，將“變化”與課堂教學內(nèi)容相結(jié)合，可以調(diào)動學生學習的積極性與主動性，提升教師課堂教學效果。4D打印技術沿襲了3D打印的優(yōu)勢，可以迅速、便捷地通過技術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)教學中只是讓學生觀看圖片、視頻，或是讓學生自己動手去種植，學習效果并不理想。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，如果運用的教學方法過于抽象就會使教學浮于表面，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，學生學習以及教師教學的進度被延滯。加之有的學生動手能力較弱，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生的學習效果未能達到理想水平。采用4D打印技術可以事先編好程序，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，提高學習效率，增強其對事物的理解。(二)智能教學空間。兒童在學校開展的學習不能脫離教室的物理環(huán)境。然而，有研究者對學校物理環(huán)境特征進行探究時發(fā)現(xiàn):鮮有研究對學校的墻面顏色、照明、聲學、垂直空間等與教學密切相關的因素給予關注并進行開發(fā)設計。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，學習不能脫離自身發(fā)生的物理環(huán)境。［14］10－194D打印技術將使學校物理環(huán)境更加人性化的同時體現(xiàn)師生的交互性以及教學空間的趣味性。由于4D打印技術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，可將師生的教學互動空間變得更加舒適、多樣化的同時將學習泛在化。首先，教室環(huán)境應是讓師生感到愉悅、舒適的，良好教學環(huán)境的創(chuàng)設得益于清新的空氣，4D打印技術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習環(huán)境。其次，教室物理環(huán)境的創(chuàng)設應講求時效性。根據(jù)不同時期課程主題以及課程目標的多樣性布置教室，讓特殊兒童在潛移默化中感知課程。如，本周的學習目標是“認識瓜類”，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指認，增強對事物的認識。此外，讓特殊兒童體驗到生態(tài)化的教學環(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)動特殊兒童學習的積極性，因此，首要的教學任務是保持教學空間的趣味性，故而對于教室的布置應充滿童趣，但在課堂上為了避免室內(nèi)布置吸引兒童注意力，可對智能材料預先編程，上課時則恢復課堂的教學空間設置。(三)創(chuàng)新課程實踐。當前素質(zhì)教育理念倡導培養(yǎng)兒童的想象力與創(chuàng)造力，近年來興起的創(chuàng)造教育教學模式的最終目的即是如此。創(chuàng)造教育在關注科技、數(shù)學等學科知識的同時，還將藝術、設計和人文科學與教育進行整合，將藝術教育融入特殊兒童的教學中。這種學科間的全新建構(gòu)模式不僅可以增強學習興趣，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。4D打印技術的應用將為創(chuàng)新課程的實踐提供更多的可能。4D打印技術的亮點在于可預先編輯狀態(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打印技術應用于開發(fā)特殊兒童的想象力與創(chuàng)造力，可以使原本抽象的教學概念更易被理解。同時，特殊兒童對科學、數(shù)學尤其是工程和設計創(chuàng)意的興趣更易被激發(fā)。4D打印技術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。特殊教育學校結(jié)合4D打印技術，還可以開設建模軟件、編程軟件操作與應用等課程，發(fā)展特殊兒童立體空間思維和編程素養(yǎng)，讓他們在學習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)建一種新型的學習通道。在打印主題的選擇上應關注社會現(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的學科知識體系，靈活運用多種學科知識，學會跨學科解決問題，增強邏輯創(chuàng)新思維和科學實踐的能力。(四)雙向參與學習。雙向，即構(gòu)建以教師與學生為中心的雙向主體教學模式。以教師為主體的教學結(jié)構(gòu)將被重塑，未來的課堂將是以教與學雙向為主體的新格局。特殊教育課堂教學強調(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。引進4D打印技術將使教學化繁為簡，在突出學科教學特點的同時使教師教學更簡單化，學生學習更具趣味性，激活雙向主體的參與式互動教學模式。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、立體的教具教學效果更優(yōu)。在生活數(shù)學、生活語文、音樂、美術、生活自理等特殊教育課堂上可以結(jié)合各學科的需要制作出可二次成型的教具進行重復利用，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打印技術可通過編程，使智能材料受到預定刺激后進行變形，此時，一種智能教具即可滿足師生的需要。參與學習，即提供給學習者一種環(huán)境，通過視覺、聽覺、觸覺等多種感官進行模擬的方式，使學習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習者的身體圖式，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，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)實技術設備成本較高，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)實技術相比，4D打印技術產(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，提升自主學習能力。與虛擬現(xiàn)實技術相似，4D打印技術也可以模擬教學情境，提升特殊兒童課堂學習中的具身情感性，在利用4D打印技術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打印技術的理念應用于特殊教育教學中無疑是一次革命性的突破，其廣闊的應用空間和發(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和學習模式，將技術與教育融合也必將推動學科教學的發(fā)展，期待未來科技為特殊教育領域帶來更多可能性。

作者:唐靜 楊柳 單位:西南大學