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4D打印技术在特殊教育的运用 摘要:4D打印技术虽处于研发阶段，尚未广泛普及，但应用前景十分可观。基于特殊教育教学对象的特殊性，将4D打印技术应用于特殊教育教学，能够实现“四维”动态教学、智能教学空间、灵动创新教具、双向主体沉浸式互动学习，激发特殊儿童的学习兴趣，构建参与式互动教学模式，提升特殊教育教学效果，为特殊教育事业带来新的发展机遇。 关键词:4D打印技术;特殊教育;特殊儿童;动态教学;教学效果;技术应用 一、引言 随着时代的发展，人们的学习方式发生了巨大的变化，由被动学习逐渐转变为主动学习、终身学习。信息技术不断涌入人们的生活，人类随即也迎来了以“智能制造”领航的第四次工业革命。科学技术正改变着人们工作、生活的方方面面，包括交流方式、思维方式以及价值观念等，未来甚至会改变人类的生产方式以及一切社会关系。［1］在以人为本的教育领域，利用新兴技术创新各类教育人才的培养模式，在变革教育教学方法的同时转变学习方式，推进形成智能与交互式学习为特征的新型教育体系成为当前研究的热点话题。［2］《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》指出，要充分利用现有的优质资源及国际先进技术，创新运行机制和管理模式，以实现技术对教育的革命性影响。［3］在特殊教育领域，特殊儿童的抽象思维能力较弱、注意力难以保持长时间集中等认知特点严重影响其学习效果，这种特殊的认知特点也决定了采用形象、直观、立体的教具更加符合他们的身心发展规律以及学习特点。4D打印技术运用智能的可编程材料作为打印原料，设计者通过输入预定程序，以智能材料为媒介制作出立体教具，将事物初始状态直到长大成形的动态过程直观地演绎出来，这有助于特殊儿童对知识的理解与学习，激发学习兴趣。本文从4D打印技术的原理层面剖析4D打印技术的内涵及其优势，探讨其在特殊教育领域中应用的可行性，分析并展望未来智能技术带给特殊教育的改变和发展机遇。 二、4D打印技术的缘起及其发展 (一)内涵。2013年，美国麻省理工学院(MIT)自动化实验室的创始人Tibbits首次提出了4D打印的概念，他认为4D打印技术就像在打印材料中植入了智慧，运用该项技术不仅能打印出自己设计的产品，还能使得产品不再是单一概念下的物体，而是能够发展、进化的。［4］不同于3D打印，4D打印技术增加了时间维度，用于4D打印的智能材料结构能够随时间而变化，三维实体结构也不再是静态、无生命的，而是一个可以随外部环境的改变产生相应变化的智能对象。因此，4D打印技术是指用可编程物质(通常为智能复合材料)作为打印材料，通过3D打印创建三维对象，打印出的物体可以在受到预定刺激(如遇水、冷却或通电、光照、加热、加压)后，实现物理属性(如结构、形态、体积、密度、色彩、亮度、弹性、硬度、导电性、电磁特性和光学特性等)及功能的自我转换，［5－6］其具有自动折叠、可二次变形的特点。(二)研究现状。目前，4D打印技术尚处于初级阶段，发展还不成熟，未被广泛应用，但已有研究者在生物、服饰等领域展开探索。在生物方面，加拿大阿尔伯塔大学的Ingenuity实验室于2017年12月宣布，将现有的3D打印设备与程序设置相结合，制造出了一种由天然蛋白质和水凝胶材料组成的全新的叶状4D打印结构，这种4D打印“叶子”是一种特殊的树脂材料打印而成的，由银纳米颗粒、碳纳米管和蛋白质膜混合而成的特殊树脂材料能够对不同的环境和刺激做出物理反应，是“叶子”实现二次态成型的物理基础。当这片“叶子”浸入水中并暴露在紫外线下时，材料自身就会与水反应，分解水分子并产生氢气。研究人员认为，对叶状4D打印结构的研究将成为人体器官移植领域的重大突破。简言之，4D打印的水凝胶叶片标志着人类对于3D生物打印器官的研究实现了质的飞跃。［7］在服饰方面，美国科技设计公司“NervousSystem”研发出了一种可使用4D打印技术制造的弹性织物，并运用这种弹性贴身布料设计并制作出了世界上第一条“4D裙”。这条“4D裙”由2279个三角形和3316个相扣的织物纤维接缝制成，任何身材特点的女性均可随意穿着，完美地解决了穿戴者不合身的问题。［8］同时，在打印材料方面，研究者探索出了智能材料之外的新技术。2018年9月，中国香港城市大学吕坚教授和他的研究团队首次实现了陶瓷4D打印，这项新技术有望应用于太空探索、电子产品和航空发动机制造等领域。［9］4D打印技术的潜力正在不断被人类发掘，其直观化、形象化、动态化的特性也为特殊儿童的教学带来了重大机遇，将4D打印这项前沿技术引入特殊教育领域，有助于特殊儿童突破认知上的局限，更好地提升学习效果。 三、4D打印技术在特殊教育中的应用 (一)转变教学方式，激发特殊儿童的学习兴趣。传统的教