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(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié),產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)服務(wù)于企業(yè)的整體形象設(shè)計(jì),需融合產(chǎn)品外觀、功能需求、審美體驗(yàn)、品牌形象等綜合因素,以更好地滿足個(gè)體與社會(huì)的需求。產(chǎn)品消費(fèi)市場(chǎng)需求對(duì)高校工業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)代,信息技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化的助推力,也影響著工業(yè)設(shè)計(jì)教育形態(tài)和教學(xué)模式的深刻變革[1]。
近年來(lái),依托教育部政策與財(cái)政支持,國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)應(yīng)堅(jiān)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(dòng)、資源共享,將實(shí)驗(yàn)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(jì)專業(yè)課程體系改革注入內(nèi)生動(dòng)力。產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)教學(xué)引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的新手段與新方法,將為高校工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與人才培養(yǎng)體系的創(chuàng)新性發(fā)展帶來(lái)契機(jī)。
從現(xiàn)有國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)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(shì),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(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目共計(jì)1 000項(xiàng),其中藝術(shù)設(shè)計(jì)類總共才50項(xiàng),與工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)相關(guān)的僅30項(xiàng),主要分布于結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)、制造與加工工藝等偏重機(jī)械技術(shù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目??梢?jiàn),產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還有待開(kāi)發(fā)。
產(chǎn)品造型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的總體目標(biāo)是改革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式,以解決傳統(tǒng)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)教學(xué)中“重創(chuàng)意、輕校檢”的問(wèn)題。教師通過(guò)產(chǎn)品造型虛擬試驗(yàn)平臺(tái),借助于網(wǎng)絡(luò)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行管理、輔導(dǎo)和監(jiān)控,學(xué)生則通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)自主地接受教師的輔導(dǎo),完成實(shí)驗(yàn)。作為一個(gè)開(kāi)放性教學(xué)系統(tǒng),造型設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)是對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)的方式直接面對(duì)和解決造型設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的實(shí)際問(wèn)題,有助于以問(wèn)題為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)思維能力的培養(yǎng)。
當(dāng)前傳統(tǒng)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)教學(xué),一方面受到學(xué)校實(shí)驗(yàn)硬件條件的限制或教學(xué)手段的制約無(wú)法展開(kāi)深入的市場(chǎng)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(kāi)闊或設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足,對(duì)產(chǎn)品造型的設(shè)計(jì)過(guò)程存在著主觀臆想、脫離實(shí)際等問(wèn)題,以至于設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品外觀既不符合審美需求也無(wú)法實(shí)現(xiàn)其技術(shù)功能。這些問(wèn)題往往會(huì)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)后期才暴露出來(lái),不得不修改設(shè)計(jì)方案,甚至推倒重來(lái),從而延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期,同時(shí)大大增加設(shè)計(jì)成本。究其原因,主要在于整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中缺乏相應(yīng)的工程技術(shù)手段對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有效的校驗(yàn)。如何填補(bǔ)這一環(huán)節(jié)的缺失,是產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)教學(xué)的關(guān)鍵問(wèn)題。如果將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)教學(xué)中,即在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)意階段就應(yīng)用虛擬仿真技術(shù),那么設(shè)計(jì)過(guò)程中的外觀設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)將會(huì)得到有效的檢驗(yàn),使得項(xiàng)目所開(kāi)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(duì)產(chǎn)品從外觀、結(jié)構(gòu)、人機(jī)工程等各方面進(jìn)行檢驗(yàn),以設(shè)計(jì)出兼具審美與技術(shù)價(jià)值的合格產(chǎn)品。加入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的工業(yè)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。
在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的全過(guò)程中,產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)是前期環(huán)節(jié)。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),利用計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù),對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)和各項(xiàng)試驗(yàn)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(lái),使產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期大大縮短。通過(guò)模擬仿真,在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)定型之前就能確定產(chǎn)品造型的設(shè)計(jì)合理性和可行性。在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)其加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題,從而確保產(chǎn)品質(zhì)量,降低開(kāi)發(fā)成本。這使得工業(yè)造型設(shè)計(jì)教學(xué)真正做到“以問(wèn)題與市場(chǎng)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(duì)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感、創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力等綜合素質(zhì)的培養(yǎng)[4]。鑒于產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)教學(xué)在工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)發(fā)展中的作用,其虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的工業(yè)設(shè)計(jì)流程
與其他機(jī)械設(shè)計(jì)等專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相比,產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)虛擬仿真平臺(tái)教學(xué)系統(tǒng)除了解決真實(shí)實(shí)驗(yàn)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)效率低下等共性問(wèn)題外,更強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生創(chuàng)造性思維的量化呈現(xiàn),而非真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的數(shù)字化復(fù)刻。平臺(tái)針對(duì)傳統(tǒng)課堂教學(xué)實(shí)踐中學(xué)生重產(chǎn)品外觀創(chuàng)意而輕結(jié)構(gòu)功能檢測(cè)等問(wèn)題,引入數(shù)字化三維形態(tài)推演、參數(shù)化生成設(shè)計(jì)、造型結(jié)構(gòu)校檢等手段,探求產(chǎn)品形式與功能、實(shí)用與美觀之間的平衡發(fā)展,使學(xué)生的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)思維得到更理性、有效的表達(dá)。
完整的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)包括3個(gè)部分:三維形態(tài)演示模塊、造型設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K與設(shè)計(jì)成果輸出模塊。演示模塊主要由多媒體投影系統(tǒng)、動(dòng)畫(huà)影像、VR(virtual reality)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)演示等部分構(gòu)成;虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要包括自行開(kāi)發(fā)的三維形態(tài)參數(shù)化生成軟件和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析軟件兩大主體,以及Unity3D、Virtools、SolidWorks、3DsMax、Rhinoceros等具備開(kāi)發(fā)、整合與服務(wù)功能的主流三維CAD(computer aided design)軟件;設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)是系統(tǒng)的核心部分。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(jì)虛擬仿真軟件,學(xué)生通過(guò)登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(jì)、造型結(jié)構(gòu)仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等。教師通過(guò)平臺(tái)中的教師用戶端,根據(jù)教學(xué)要求對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行跟蹤,指導(dǎo)學(xué)生對(duì)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(guò)設(shè)置在線交流,包括提問(wèn)管理、批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告、反饋成績(jī)等,實(shí)現(xiàn)師生之間的雙向互動(dòng)。此外,學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰υu(píng)價(jià)結(jié)果也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要內(nèi)容之一。在教學(xué)設(shè)計(jì)中,要求對(duì)學(xué)生在產(chǎn)品造型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所獲得的新的知識(shí)體悟、能力與素質(zhì)進(jìn)行全方位的評(píng)價(jià)[5]。管理員模塊可滿足系統(tǒng)管理員對(duì)課程教學(xué)平臺(tái)的日常維護(hù)工作要求。產(chǎn)品造型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示。
建設(shè)和實(shí)施該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的難點(diǎn)有兩點(diǎn):一是虛擬仿真軟件的開(kāi)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(jì)(parametric generative design);二是軟件平臺(tái)與硬件環(huán)境的整合,學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品造型初始方案需要通過(guò)平臺(tái)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(duì)接才能實(shí)現(xiàn)。
圖2 產(chǎn)品造型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)圖
產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)課程教學(xué)分為若干個(gè)教學(xué)模塊,每個(gè)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(duì)線下和線上的教學(xué)學(xué)時(shí)進(jìn)行合理分配。線下教學(xué)主要在教室開(kāi)展教學(xué)活動(dòng),教師采用多媒體課件、動(dòng)畫(huà)影像、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)演示等手段對(duì)學(xué)生講授產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)規(guī)范、經(jīng)典產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)分析、虛擬仿真軟件功能等內(nèi)容,然后以較為簡(jiǎn)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(guò)線下教學(xué)講授產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等,在學(xué)生具備了產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)操作流程和在產(chǎn)品造型生成過(guò)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(shí)驗(yàn)。最后,到3D打印實(shí)驗(yàn)室打印出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品,總結(jié)虛擬仿真與真實(shí)三維形態(tài)結(jié)果的差距,對(duì)產(chǎn)品造型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目提出修改意見(jiàn),同時(shí)要求學(xué)生在結(jié)束產(chǎn)品造型虛擬仿真試驗(yàn)后完成實(shí)體模型測(cè)試。產(chǎn)品造型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品造型的創(chuàng)新應(yīng)用。產(chǎn)品造型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(jì)的全流程,在此基礎(chǔ)上針對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有效評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)并解決學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)的各類問(wèn)題。學(xué)生在掌握完整設(shè)計(jì)流程的基礎(chǔ)上,對(duì)設(shè)計(jì)方案獲得整體認(rèn)識(shí),并要求對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行正確、客觀的評(píng)價(jià)。虛擬仿真技術(shù)在一定程度上為設(shè)計(jì)師解決了方案后期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工與制造問(wèn)題,增強(qiáng)了設(shè)計(jì)方案的切實(shí)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(jì)方法,更有助于提升其產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平。
圖3 產(chǎn)品造型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程圖
產(chǎn)品三維形態(tài)生成與校檢是產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一環(huán)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前已在線下接受產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及造型美學(xué)方面的知識(shí)傳授,根據(jù)教師布置的課題項(xiàng)目設(shè)計(jì)好初始方案,并在此基礎(chǔ)上通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)把抽象模糊的概念草圖設(shè)計(jì)成為直觀具體的產(chǎn)品。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,學(xué)生把工業(yè)產(chǎn)品常見(jiàn)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(duì)基本體細(xì)節(jié)形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)等。
在具體的三維形態(tài)設(shè)計(jì)方面,學(xué)生基于產(chǎn)品造型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),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(guò)對(duì)幾何基本體類型、方體長(zhǎng)寬高、柱體長(zhǎng)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(guò)試驗(yàn)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(guò)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(jì)原型,分別通過(guò)疊加、減切、分割、邊緣處理等4種造型方法對(duì)幾何基本體進(jìn)行初步的形態(tài)設(shè)計(jì),獲得了12個(gè)形態(tài)各異的三維形態(tài)。在此基礎(chǔ)上可以針對(duì)任意一個(gè)粗胚模型進(jìn)行深化設(shè)計(jì),最終獲得滿意的產(chǎn)品造型。
圖4 3組幾何基本體通過(guò)4種常用造型方法獲得的三維形態(tài)
通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)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(jì)上的可行性,并通過(guò)試驗(yàn)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(jì)方法提供依據(jù)。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品造型進(jìn)行校檢,使學(xué)生對(duì)三維形態(tài)造型規(guī)律有深入認(rèn)識(shí)。產(chǎn)品造型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用三維動(dòng)畫(huà)的形式向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)全過(guò)程及注意事項(xiàng),形象直觀,通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn),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(shí)驗(yàn)流程及操作要點(diǎn),從而更加高效地完成實(shí)驗(yàn)。通過(guò)“藝工融合、虛實(shí)一體”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)[7],學(xué)生掌握了試驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)流程及操作要點(diǎn),可以更好地參與設(shè)計(jì)體驗(yàn),在真實(shí)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中更高效地完成方案設(shè)計(jì)。
產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)課程教學(xué)中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn),打破了造型設(shè)計(jì)課程教學(xué)的時(shí)空界限。實(shí)體實(shí)驗(yàn)室與虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)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(shí)實(shí)驗(yàn)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)效率低下等設(shè)計(jì)類課程教學(xué)中存在的共性問(wèn)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(jì)思維的表達(dá)。工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的發(fā)展與完善推動(dòng)了教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中“追求產(chǎn)品外觀”與“注重功能校檢”相融合的設(shè)計(jì)理念的貫徹,使教學(xué)以設(shè)計(jì)市場(chǎng)需求為導(dǎo)向,并立足于設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前沿,因此產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的推廣,將推動(dòng)工業(yè)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)教學(xué)理念與模式的深刻變革。