產(chǎn)品造型設(shè)計虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)研究

左景武

(北京師范大學(xué)珠海校區(qū)工程技術(shù)學(xué)院，廣東 珠海 519087)

作為產(chǎn)品開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，產(chǎn)品造型設(shè)計服務(wù)于企業(yè)的整體形象設(shè)計，需融合產(chǎn)品外觀、功能需求、審美體驗、品牌形象等綜合因素，以更好地滿足個體與社會的需求。產(chǎn)品消費(fèi)市場需求對高校工業(yè)設(shè)計專業(yè)的人才培養(yǎng)方向、專業(yè)課程設(shè)置及其教學(xué)方法與手段提出了新的要求。尤其進(jìn)入教育信息化2.0時代，信息技術(shù)成為實現(xiàn)教育現(xiàn)代化的助推力，也影響著工業(yè)設(shè)計教育形態(tài)和教學(xué)模式的深刻變革[1]。

近年來，依托教育部政策與財政支持，國家虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)蓬勃發(fā)展。教育部相關(guān)文件明確指出，虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)應(yīng)堅持“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的原則，突出“應(yīng)用驅(qū)動、資源共享，將實驗教學(xué)信息化作為高等教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量”[2]，這將為高等設(shè)計專業(yè)課程體系改革注入內(nèi)生動力。產(chǎn)品造型設(shè)計教學(xué)引入虛擬仿真實驗的新手段與新方法，將為高校工業(yè)設(shè)計專業(yè)實驗教學(xué)與人才培養(yǎng)體系的創(chuàng)新性發(fā)展帶來契機(jī)。

從現(xiàn)有國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目的建設(shè)情況看，學(xué)科分布存在著不平衡發(fā)展的趨勢，呈現(xiàn)重理工科而輕人文社科的學(xué)科建設(shè)特征。如教育部公布的2017—2020年國家虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)項目共計1 000項，其中藝術(shù)設(shè)計類總共才50項，與工業(yè)設(shè)計專業(yè)相關(guān)的僅30項，主要分布于結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計、制造與加工工藝等偏重機(jī)械技術(shù)的實驗項目?？梢?，產(chǎn)品造型設(shè)計虛擬仿真實驗平臺還有待開發(fā)。

1 產(chǎn)品造型設(shè)計課程虛擬仿真實驗平臺建構(gòu)的價值

產(chǎn)品造型虛擬仿真實驗的總體目標(biāo)是改革傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式，以解決傳統(tǒng)產(chǎn)品造型設(shè)計教學(xué)中“重創(chuàng)意、輕校檢”的問題。教師通過產(chǎn)品造型虛擬試驗平臺，借助于網(wǎng)絡(luò)對整個實驗教學(xué)過程進(jìn)行管理、輔導(dǎo)和監(jiān)控，學(xué)生則通過網(wǎng)絡(luò)平臺自主地接受教師的輔導(dǎo)，完成實驗。作為一個開放性教學(xué)系統(tǒng)，造型設(shè)計虛擬實驗是對傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容、形式的深化與拓展[3]，學(xué)生得以通過實驗的方式直接面對和解決造型設(shè)計過程中遇到的實際問題,有助于以問題為導(dǎo)向的設(shè)計思維能力的培養(yǎng)。

當(dāng)前傳統(tǒng)產(chǎn)品造型設(shè)計教學(xué)，一方面受到學(xué)校實驗硬件條件的限制或教學(xué)手段的制約無法展開深入的市場調(diào)研分析，另一方面作為學(xué)習(xí)主體的學(xué)生，由于其視野不開闊或設(shè)計經(jīng)驗不足，對產(chǎn)品造型的設(shè)計過程存在著主觀臆想、脫離實際等問題，以至于設(shè)計出來的產(chǎn)品外觀既不符合審美需求也無法實現(xiàn)其技術(shù)功能。這些問題往往會在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計后期才暴露出來，不得不修改設(shè)計方案，甚至推倒重來，從而延長設(shè)計周期，同時大大增加設(shè)計成本。究其原因，主要在于整個設(shè)計過程中缺乏相應(yīng)的工程技術(shù)手段對設(shè)計方案進(jìn)行有效的校驗。如何填補(bǔ)這一環(huán)節(jié)的缺失，是產(chǎn)品造型設(shè)計教學(xué)的關(guān)鍵問題。如果將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計教學(xué)中，即在產(chǎn)品設(shè)計的創(chuàng)意階段就應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，那么設(shè)計過程中的外觀設(shè)計環(huán)節(jié)將會得到有效的檢驗，使得項目所開發(fā)的產(chǎn)品既符合美學(xué)規(guī)律，又能滿足工程技術(shù)要求。在方案最終確定后，再用虛擬仿真技術(shù)對產(chǎn)品從外觀、結(jié)構(gòu)、人機(jī)工程等各方面進(jìn)行檢驗，以設(shè)計出兼具審美與技術(shù)價值的合格產(chǎn)品。加入虛擬仿真實驗環(huán)節(jié)的工業(yè)設(shè)計流程如圖1所示。

在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的全過程中，產(chǎn)品造型設(shè)計是前期環(huán)節(jié)。通過虛擬仿真實驗平臺，利用計算機(jī)可視化技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對產(chǎn)品的設(shè)計、制造、生產(chǎn)和各項試驗進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)建模和仿真，在產(chǎn)品試制之前就能模擬出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，將產(chǎn)品的外觀、性能展現(xiàn)出來，使產(chǎn)品設(shè)計的周期大大縮短。通過模擬仿真，在產(chǎn)品開發(fā)定型之前就能確定產(chǎn)品造型的設(shè)計合理性和可行性。在此基礎(chǔ)上預(yù)測其加工過程中可能出現(xiàn)的問題，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量，降低開發(fā)成本。這使得工業(yè)造型設(shè)計教學(xué)真正做到“以問題與市場需求為導(dǎo)向、緊密結(jié)合專業(yè)特色與行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展最新成果”，有助于加強(qiáng)對學(xué)生社會責(zé)任感、創(chuàng)新精神、實踐能力等綜合素質(zhì)的培養(yǎng)[4]。鑒于產(chǎn)品造型設(shè)計教學(xué)在工業(yè)設(shè)計專業(yè)發(fā)展中的作用，其虛擬仿真實驗平臺的建構(gòu)、教學(xué)手段的更新具有重要意義。

圖1 加入虛擬仿真實驗環(huán)節(jié)的工業(yè)設(shè)計流程

2 產(chǎn)品造型虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計思路

與其他機(jī)械設(shè)計等專業(yè)的虛擬仿真實驗平臺相比，產(chǎn)品造型設(shè)計虛擬仿真平臺教學(xué)系統(tǒng)除了解決真實實驗成本高、耗時長、實驗效率低下等共性問題外，更強(qiáng)調(diào)對學(xué)生創(chuàng)造性思維的量化呈現(xiàn)，而非真實實驗項目的數(shù)字化復(fù)刻。平臺針對傳統(tǒng)課堂教學(xué)實踐中學(xué)生重產(chǎn)品外觀創(chuàng)意而輕結(jié)構(gòu)功能檢測等問題，引入數(shù)字化三維形態(tài)推演、參數(shù)化生成設(shè)計、造型結(jié)構(gòu)校檢等手段，探求產(chǎn)品形式與功能、實用與美觀之間的平衡發(fā)展，使學(xué)生的創(chuàng)造性設(shè)計思維得到更理性、有效的表達(dá)。

完整的產(chǎn)品造型設(shè)計虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)包括3個部分：三維形態(tài)演示模塊、造型設(shè)計虛擬仿真實驗?zāi)K與設(shè)計成果輸出模塊。演示模塊主要由多媒體投影系統(tǒng)、動畫影像、VR(virtual reality)實時動態(tài)演示等部分構(gòu)成；虛擬仿真實驗?zāi)K主要包括自行開發(fā)的三維形態(tài)參數(shù)化生成軟件和實驗結(jié)果分析軟件兩大主體，以及Unity3D、Virtools、SolidWorks、3DsMax、Rhinoceros等具備開發(fā)、整合與服務(wù)功能的主流三維CAD(computer aided design)軟件；設(shè)計成果輸出模塊則包含噴墨打印機(jī)、3D打印機(jī)、CNC(computer numerical control)機(jī)床等硬件設(shè)備。

產(chǎn)品造型虛擬仿真實驗平臺是系統(tǒng)的核心部分。根據(jù)實驗行為主體，該模塊分別設(shè)立學(xué)生模塊、教師模塊和管理員模塊。其中，學(xué)生模塊具有功能完善的產(chǎn)品三維設(shè)計虛擬仿真軟件，學(xué)生通過登錄虛擬仿真實驗系統(tǒng)，在實驗平臺上操作，進(jìn)行自主性與探究性學(xué)習(xí)，完成三維形態(tài)推導(dǎo)、參數(shù)化生成設(shè)計、造型結(jié)構(gòu)仿真、實驗結(jié)果分析等。教師通過平臺中的教師用戶端，根據(jù)教學(xué)要求對學(xué)生的設(shè)計過程進(jìn)行跟蹤，指導(dǎo)學(xué)生對三維形態(tài)初始方案進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而迭代出合理的優(yōu)化方案。教師通過設(shè)置在線交流，包括提問管理、批改實驗報告、反饋成績等，實現(xiàn)師生之間的雙向互動。此外，學(xué)生實驗?zāi)芰υu價結(jié)果也是實驗教學(xué)的重要內(nèi)容之一。在教學(xué)設(shè)計中，要求對學(xué)生在產(chǎn)品造型虛擬仿真實驗過程中所獲得的新的知識體悟、能力與素質(zhì)進(jìn)行全方位的評價[5]。管理員模塊可滿足系統(tǒng)管理員對課程教學(xué)平臺的日常維護(hù)工作要求。產(chǎn)品造型虛擬仿真實驗平臺架構(gòu)如圖2所示。

建設(shè)和實施該虛擬仿真實驗系統(tǒng)的難點有兩點：一是虛擬仿真軟件的開發(fā)需要滿足產(chǎn)品造型規(guī)則,獲得產(chǎn)品初始造型的功能需求，涉及參數(shù)化生成設(shè)計(parametric generative design)；二是軟件平臺與硬件環(huán)境的整合，學(xué)生通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計出的產(chǎn)品造型初始方案需要通過平臺硬件設(shè)備進(jìn)行模型輸出并進(jìn)行有效的校檢，這需要軟硬件的對接才能實現(xiàn)。

圖2 產(chǎn)品造型虛擬仿真實驗平臺架構(gòu)圖

3 產(chǎn)品造型虛擬仿真實驗教學(xué)流程

產(chǎn)品造型設(shè)計課程教學(xué)分為若干個教學(xué)模塊，每個模塊的教學(xué)均采用先線下后線上的教學(xué)方式，并根據(jù)教學(xué)內(nèi)容差異對線下和線上的教學(xué)學(xué)時進(jìn)行合理分配。線下教學(xué)主要在教室開展教學(xué)活動，教師采用多媒體課件、動畫影像、實時動態(tài)演示等手段對學(xué)生講授產(chǎn)品造型設(shè)計規(guī)范、經(jīng)典產(chǎn)品的造型設(shè)計分析、虛擬仿真軟件功能等內(nèi)容，然后以較為簡單的小型產(chǎn)品的三維形態(tài)為例講解三維形態(tài)生成的變化規(guī)律。通過線下教學(xué)講授產(chǎn)品造型設(shè)計基礎(chǔ)等，在學(xué)生具備了產(chǎn)品造型設(shè)計的整體性認(rèn)知后即可進(jìn)入線上教學(xué)環(huán)節(jié)。

在線上教學(xué)中，教師向?qū)W生系統(tǒng)講授產(chǎn)品造型虛擬仿真實驗操作流程和在產(chǎn)品造型生成過程中形體的變化規(guī)律，讓學(xué)生在虛擬仿真系統(tǒng)中模擬完成三維形態(tài)生成與校檢實驗。最后，到3D打印實驗室打印出虛擬仿真實驗系統(tǒng)中設(shè)計好的產(chǎn)品，總結(jié)虛擬仿真與真實三維形態(tài)結(jié)果的差距，對產(chǎn)品造型虛擬仿真實驗教學(xué)項目提出修改意見，同時要求學(xué)生在結(jié)束產(chǎn)品造型虛擬仿真試驗后完成實體模型測試。產(chǎn)品造型虛擬仿真實驗通過對虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用，實現(xiàn)對產(chǎn)品形態(tài)外觀、CMF(color-material-finishing)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、人機(jī)工程、制作工藝的仿真，取得更具科學(xué)性和客觀性的結(jié)果，更好地實現(xiàn)產(chǎn)品造型的創(chuàng)新應(yīng)用。產(chǎn)品造型虛擬仿真實驗教學(xué)流程如圖3所示。

基于以上教學(xué)，學(xué)生可以掌握產(chǎn)品造型設(shè)計的全流程，在此基礎(chǔ)上針對設(shè)計方案進(jìn)行有效評價，發(fā)現(xiàn)并解決學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的各類問題。學(xué)生在掌握完整設(shè)計流程的基礎(chǔ)上，對設(shè)計方案獲得整體認(rèn)識，并要求對設(shè)計方案進(jìn)行正確、客觀的評價。虛擬仿真技術(shù)在一定程度上為設(shè)計師解決了方案后期的結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工與制造問題，增強(qiáng)了設(shè)計方案的切實可行性[6]。虛擬仿真技術(shù)的引入，不僅改進(jìn)了學(xué)生的產(chǎn)品設(shè)計方法，更有助于提升其產(chǎn)品設(shè)計水平。

圖3 產(chǎn)品造型虛擬仿真實驗教學(xué)流程圖

4 產(chǎn)品造型虛擬仿真實驗平臺的教學(xué)應(yīng)用分析

產(chǎn)品三維形態(tài)生成與校檢是產(chǎn)品造型設(shè)計的關(guān)鍵一環(huán)。學(xué)生在實驗前已在線下接受產(chǎn)品造型設(shè)計基礎(chǔ)及造型美學(xué)方面的知識傳授，根據(jù)教師布置的課題項目設(shè)計好初始方案，并在此基礎(chǔ)上通過虛擬實驗把抽象模糊的概念草圖設(shè)計成為直觀具體的產(chǎn)品。在實驗過程中，學(xué)生把工業(yè)產(chǎn)品常見形態(tài)分解成若干幾何基本體，再分析各基本體的尺度、比例參數(shù)，正確處理基本體內(nèi)部的形體變化以及基本體之間的連接關(guān)系和融合方式，進(jìn)而根據(jù)各模塊的功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)對基本體細(xì)節(jié)形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計等。

在具體的三維形態(tài)設(shè)計方面，學(xué)生基于產(chǎn)品造型虛擬仿真實驗平臺，首先建立幾何基本體作為產(chǎn)品造型的基礎(chǔ)形態(tài)，然后根據(jù)幾何基本體進(jìn)行初步形變后獲得產(chǎn)品的初始形體。通過對幾何基本體類型、方體長寬高、柱體長徑比、錐體錐度、球體直徑、棱邊倒角半徑、橢圓度、曲面弧度等參數(shù)的設(shè)定，獲得造型各異的產(chǎn)品，通過試驗所得初始形體的尺寸、比例、方向、角度等參數(shù)，衡量產(chǎn)品造型的美觀性與可行性，在此基礎(chǔ)上通過虛擬仿真校檢技術(shù)，了解疊加、減切、分割、邊緣處理等造型方法在三維形態(tài)基本體和復(fù)合體的形態(tài)生成中產(chǎn)生的形態(tài)變化情況。如圖4所示，以六面體與球體、圓錐體與球體、六面體與圓錐體3組幾何基本體為設(shè)計原型，分別通過疊加、減切、分割、邊緣處理等4種造型方法對幾何基本體進(jìn)行初步的形態(tài)設(shè)計，獲得了12個形態(tài)各異的三維形態(tài)。在此基礎(chǔ)上可以針對任意一個粗胚模型進(jìn)行深化設(shè)計，最終獲得滿意的產(chǎn)品造型。

圖4 3組幾何基本體通過4種常用造型方法獲得的三維形態(tài)

通過上述實驗步驟，學(xué)生可以進(jìn)一步判斷產(chǎn)品形體結(jié)構(gòu)在工程設(shè)計上的可行性，并通過試驗研究產(chǎn)品形態(tài)要素的組合，為改進(jìn)產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計方法提供依據(jù)。通過對產(chǎn)品造型進(jìn)行校檢，使學(xué)生對三維形態(tài)造型規(guī)律有深入認(rèn)識。產(chǎn)品造型虛擬仿真實驗系統(tǒng)采用三維動畫的形式向?qū)W生展示實驗全過程及注意事項，形象直觀，通過虛擬仿真實驗，學(xué)生了解了產(chǎn)品造型基本要素的組成以及三維形態(tài)生成操作、形態(tài)數(shù)據(jù)處理方法，掌握了實驗流程及操作要點，從而更加高效地完成實驗。通過“藝工融合、虛實一體”的虛擬仿真實驗[7]，學(xué)生掌握了試驗方法、實驗流程及操作要點，可以更好地參與設(shè)計體驗，在真實項目設(shè)計中更高效地完成方案設(shè)計。

5 結(jié)束語

產(chǎn)品造型設(shè)計課程教學(xué)中引入虛擬仿真實驗，打破了造型設(shè)計課程教學(xué)的時空界限。實體實驗室與虛擬仿真技術(shù)平臺等教學(xué)資源的整合利用，使線下與線上教學(xué)齊頭并進(jìn)，除了能有效地解決真實實驗成本高、耗時長、實驗效率低下等設(shè)計類課程教學(xué)中存在的共性問題外，更重要的是能促進(jìn)和拓展學(xué)生的創(chuàng)造性設(shè)計思維的表達(dá)。工業(yè)設(shè)計專業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計課程實驗教學(xué)體系的發(fā)展與完善推動了教學(xué)實踐過程中“追求產(chǎn)品外觀”與“注重功能校檢”相融合的設(shè)計理念的貫徹，使教學(xué)以設(shè)計市場需求為導(dǎo)向,并立足于設(shè)計產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前沿，因此產(chǎn)品造型設(shè)計虛擬仿真實驗教學(xué)的推廣，將推動工業(yè)設(shè)計傳統(tǒng)教學(xué)理念與模式的深刻變革。