產品造型設計虛擬仿真實驗教學系統開發研究

左景武

(北京師范大學珠海校區工程技術學院，廣東 珠海 519087)

作為產品開發的重要環節，產品造型設計服務于企業的整體形象設計，需融合產品外觀、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。產品消費市場需求對高校工業設計專業的人才培養方向、專業課程設置及其教學方法與手段提出了新的要求。尤其進入教育信息化2.0時代，信息技術成為實現教育現代化的助推力，也影響著工業設計教育形態和教學模式的深刻變革[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平臺建設蓬勃發展。教育部相關文件明確指出，虛擬仿真實驗教學平臺的建設應堅持“學生中心、產出導向、持續改進”的原則，突出“應用驅動、資源共享，將實驗教學信息化作為高等教育系統性變革的內生變量”[2]，這將為高等設計專業課程體系改革注入內生動力。產品造型設計教學引入虛擬仿真實驗的新手段與新方法，將為高校工業設計專業實驗教學與人才培養體系的創新性發展帶來契機。

從現有國家虛擬仿真實驗教學項目的建設情況看，學科分布存在著不平衡發展的趨勢，呈現重理工科而輕人文社科的學科建設特征。如教育部公布的2017—2020年國家虛擬仿真實驗教學建設項目共計1 000項，其中藝術設計類總共才50項，與工業設計專業相關的僅30項，主要分布于結構分析與設計、制造與加工工藝等偏重機械技術的實驗項目。可見，產品造型設計虛擬仿真實驗平臺還有待開發。

1 產品造型設計課程虛擬仿真實驗平臺建構的價值

產品造型虛擬仿真實驗的總體目標是改革傳統的實驗教學方式，以解決傳統產品造型設計教學中“重創意、輕校檢”的問題。教師通過產品造型虛擬試驗平臺，借助于網絡對整個實驗教學過程進行管理、輔導和監控，學生則通過網絡平臺自主地接受教師的輔導，完成實驗。作為一個開放性教學系統，造型設計虛擬實驗是對傳統教學內容、形式的深化與拓展[3]，學生得以通過實驗的方式直接面對和解決造型設計過程中遇到的實際問題,有助于以問題為導向的設計思維能力的培養。

當前傳統產品造型設計教學，一方面受到學校實驗硬件條件的限制或教學手段的制約無法展開深入的市場調研分析，另一方面作為學習主體的學生，由于其視野不開闊或設計經驗不足，對產品造型的設計過程存在著主觀臆想、脫離實際等問題，以至于設計出來的產品外觀既不符合審美需求也無法實現其技術功能。這些問題往往會在產品開發設計后期才暴露出來，不得不修改設計方案，甚至推倒重來，從而延長設計周期，同時大大增加設計成本。究其原因，主要在于整個設計過程中缺乏相應的工程技術手段對設計方案進行有效的校驗。如何填補這一環節的缺失，是產品造型設計教學的關鍵問題。如果將虛擬仿真技術應用到設計教學中，即在產品設計的創意階段就應用虛擬仿真技術，那么設計過程中的外觀設計環節將會得到有效的檢驗，使得項目所開發的產品既符合美學規律，又能滿足工程技術要求。在方案最終確定后，再用虛擬仿真技術對產品從外觀、結構、人機工程等各方面進行檢驗，以設計出兼具審美與技術價值的合格產品。加入虛擬仿真實驗環節的工業設計流程如圖1所示。

在產品開發設計的全過程中，產品造型設計是前期環節。通過虛擬仿真實驗平臺，利用計算機可視化技術及網絡技術，對產品的設計、制造、生產和各項試驗進行準確的數學建模和仿真，在產品試制之前就能模擬出產品結構，將產品的外觀、性能展現出來，使產品設計的周期大大縮短。通過模擬仿真，在產品開發定型之前就能確定產品造型的設計合理性和可行性。在此基礎上預測其加工過程中可能出現的問題，從而確保產品質量，降低開發成本。這使得工業造型設計教學真正做到“以問題與市場需求為導向、緊密結合專業特色與行業產業發展最新成果”，有助于加強對學生社會責任感、創新精神、實踐能力等綜合素質的培養[4]。鑒于產品造型設計教學在工業設計專業發展中的作用，其虛擬仿真實驗平臺的建構、教學手段的更新具有重要意義。

圖1 加入虛擬仿真實驗環節的工業設計流程

2 產品造型虛擬仿真實驗教學系統設計思路

與其他機械設計等專業的虛擬仿真實驗平臺相比，產品造型設計虛擬仿真平臺教學系統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，更強調對學生創造性思維的量化呈現，而非真實實驗項目的數字化復刻。平臺針對傳統課堂教學實踐中學生重產品外觀創意而輕結構功能檢測等問題，引入數字化三維形態推演、參數化生成設計、造型結構校檢等手段，探求產品形式與功能、實用與美觀之間的平衡發展，使學生的創造性設計思維得到更理性、有效的表達。

完整的產品造型設計虛擬仿真實驗教學系統包括3個部分：三維形態演示模塊、造型設計虛擬仿真實驗模塊與設計成果輸出模塊。演示模塊主要由多媒體投影系統、動畫影像、VR(virtual reality)實時動態演示等部分構成；虛擬仿真實驗模塊主要包括自行開發的三維形態參數化生成軟件和實驗結果分析軟件兩大主體，以及Unity3D、Virtools、SolidWorks、3DsMax、Rhinoceros等具備開發、整合與服務功能的主流三維CAD(computer aided design)軟件；設計成果輸出模塊則包含噴墨打印機、3D打印機、CNC(computer numerical control)機床等硬件設備。

產品造型虛擬仿真實驗平臺是系統的核心部分。根據實驗行為主體，該模塊分別設立學生模塊、教師模塊和管理員模塊。其中，學生模塊具有功能完善的產品三維設計虛擬仿真軟件，學生通過登錄虛擬仿真實驗系統，在實驗平臺上操作，進行自主性與探究性學習，完成三維形態推導、參數化生成設計、造型結構仿真、實驗結果分析等。教師通過平臺中的教師用戶端，根據教學要求對學生的設計過程進行跟蹤，指導學生對三維形態初始方案進行優化，進而迭代出合理的優化方案。教師通過設置在線交流，包括提問管理、批改實驗報告、反饋成績等，實現師生之間的雙向互動。此外，學生實驗能力評價結果也是實驗教學的重要內容之一。在教學設計中，要求對學生在產品造型虛擬仿真實驗過程中所獲得的新的知識體悟、能力與素質進行全方位的評價[5]。管理員模塊可滿足系統管理員對課程教學平臺的日常維護工作要求。產品造型虛擬仿真實驗平臺架構如圖2所示。

建設和實施該虛擬仿真實驗系統的難點有兩點：一是虛擬仿真軟件的開發需要滿足產品造型規則,獲得產品初始造型的功能需求，涉及參數化生成設計(parametric generative design)；二是軟件平臺與硬件環境的整合，學生通過虛擬仿真實驗系統設計出的產品造型初始方案需要通過平臺硬件設備進行模型輸出并進行有效的校檢，這需要軟硬件的對接才能實現。

圖2 產品造型虛擬仿真實驗平臺架構圖

3 產品造型虛擬仿真實驗教學流程

產品造型設計課程教學分為若干個教學模塊，每個模塊的教學均采用先線下后線上的教學方式，并根據教學內容差異對線下和線上的教學學時進行合理分配。線下教學主要在教室開展教學活動，教師采用多媒體課件、動畫影像、實時動態演示等手段對學生講授產品造型設計規范、經典產品的造型設計分析、虛擬仿真軟件功能等內容，然后以較為簡單的小型產品的三維形態為例講解三維形態生成的變化規律。通過線下教學講授產品造型設計基礎等，在學生具備了產品造型設計的整體性認知后即可進入線上教學環節。

在線上教學中，教師向學生系統講授產品造型虛擬仿真實驗操作流程和在產品造型生成過程中形體的變化規律，讓學生在虛擬仿真系統中模擬完成三維形態生成與校檢實驗。最后，到3D打印實驗室打印出虛擬仿真實驗系統中設計好的產品，總結虛擬仿真與真實三維形態結果的差距，對產品造型虛擬仿真實驗教學項目提出修改意見，同時要求學生在結束產品造型虛擬仿真試驗后完成實體模型測試。產品造型虛擬仿真實驗通過對虛擬仿真技術的運用，實現對產品形態外觀、CMF(color-material-finishing)、機械結構、人機工程、制作工藝的仿真，取得更具科學性和客觀性的結果，更好地實現產品造型的創新應用。產品造型虛擬仿真實驗教學流程如圖3所示。

基于以上教學，學生可以掌握產品造型設計的全流程，在此基礎上針對設計方案進行有效評價，發現并解決學習過程中出現的各類問題。學生在掌握完整設計流程的基礎上，對設計方案獲得整體認識，并要求對設計方案進行正確、客觀的評價。虛擬仿真技術在一定程度上為設計師解決了方案后期的結構設計、加工與制造問題，增強了設計方案的切實可行性[6]。虛擬仿真技術的引入，不僅改進了學生的產品設計方法，更有助于提升其產品設計水平。

圖3 產品造型虛擬仿真實驗教學流程圖

4 產品造型虛擬仿真實驗平臺的教學應用分析

產品三維形態生成與校檢是產品造型設計的關鍵一環。學生在實驗前已在線下接受產品造型設計基礎及造型美學方面的知識傳授，根據教師布置的課題項目設計好初始方案，并在此基礎上通過虛擬實驗把抽象模糊的概念草圖設計成為直觀具體的產品。在實驗過程中，學生把工業產品常見形態分解成若干幾何基本體，再分析各基本體的尺度、比例參數，正確處理基本體內部的形體變化以及基本體之間的連接關系和融合方式，進而根據各模塊的功能和內部結構對基本體細節形態進行優化設計等。

在具體的三維形態設計方面，學生基于產品造型虛擬仿真實驗平臺，首先建立幾何基本體作為產品造型的基礎形態，然后根據幾何基本體進行初步形變后獲得產品的初始形體。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、曲面弧度等參數的設定，獲得造型各異的產品，通過試驗所得初始形體的尺寸、比例、方向、角度等參數，衡量產品造型的美觀性與可行性，在此基礎上通過虛擬仿真校檢技術，了解疊加、減切、分割、邊緣處理等造型方法在三維形態基本體和復合體的形態生成中產生的形態變化情況。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行初步的形態設計，獲得了12個形態各異的三維形態。在此基礎上可以針對任意一個粗胚模型進行深化設計，最終獲得滿意的產品造型。

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

通過上述實驗步驟，學生可以進一步判斷產品形體結構在工程設計上的可行性，并通過試驗研究產品形態要素的組合，為改進產品形態設計方法提供依據。通過對產品造型進行校檢，使學生對三維形態造型規律有深入認識。產品造型虛擬仿真實驗系統采用三維動畫的形式向學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，學生了解了產品造型基本要素的組成以及三維形態生成操作、形態數據處理方法，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，可以更好地參與設計體驗，在真實項目設計中更高效地完成方案設計。

5 結束語

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