虛擬現實技術在產品設計專業課程教學中的應用

黃楚峰　章文

摘要：隨著智慧教育理念的提出，智慧教學環境對傳統的教學方式帶來較大的影響，其中虛擬現實技術作為智慧型教學技術的手段之一，其應用也逐漸在高校產品設計專業課程上展現出優勢。文章首先分析了當前產品設計專業課程傳統教學的局限性，并結合虛擬現實技術的特點對該技術如何合理應用于產品設計專業教學提出了一套行之有效的方法，優化當前學習模式以達到精細化教學，從而提高教學質量。然后通過產品結構設計實驗教學為案例來驗證其可行性，通過對虛擬現實技術在產品設計中的教學設計，探索與完善智慧型教學在產品設計專業中的應用理論。以期為產品設計專業課程教學提供一定參考。

關鍵詞：虛擬現實技術;產品設計專業;教學;應用

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2021）11-0043-03

產品設計學科是一門實踐性較強的應用型學科，其設計理論能指導設計實踐，在設計教學活動中設計實踐能直接反映學生對設計理論的掌握程度，在教學活動中運用虛擬現實技術能豐富教學手段，也能讓學生充分地發揮創作靈感，提升課堂教學質量。因此，在產品設計專業中應用虛擬現實技術進行教學是一個發展趨勢。

1虛擬現實技術概述

虛擬現實技術（VirtualReality）簡稱為VR，是20世紀發展起來的包合計算機、仿真技術、電子技術為基礎的實用技術。虛擬現實技術主要是使用計算機對現實場景進行建模渲染來模擬虛擬人工環境（例如戶外運動場、室內實驗室等），通過頭戴式顯示器以及手柄或手套在虛擬環境中對虛擬對象進行交互操作，操作過程中虛擬環境中的感官體驗通過傳感器再反饋給用戶，進而模擬用戶在真實場景中的感受。該技術具有關鍵的四個特征。

1.1虛擬現實技術的特征

沉浸體驗（Immersive experience）。沉浸體驗是虛擬現實技術一個重要的技術特征，用戶通過頭戴式顯示器環繞虛擬環境產生身臨其境的體驗。

交互體驗（Interactive experience）。交互體驗是虛擬現實技術一個關鍵的技術特征，當用戶處于虛擬環境中，除了視覺感知以外還有一個重要感知就是觸覺感知，虛擬環境能夠模擬現實世界對虛擬環境進行自然交互，通過觸感手套或者手柄反饋用戶觸覺感知，讓用戶達到更佳的體驗。

多感知體驗（Multi perception experience）。多感知體驗是為了加強虛擬現實世界的真實模擬狀態，通過軟件與硬件結合讓用戶在虛擬世界感受除了視覺以外的其他五感。

想象體驗（Imaginative experience）。虛擬環境中用戶可以通過VR軟件進行任何形式的創作，創造出世界不存在的各種元素發散思維，激發用戶的想象力與創造力。

1.2虛擬現實技術的分類

目前的虛擬現實也主要分為四類：第一類是桌面應用型，用戶通過電腦屏幕來觀察計算機模擬真實場景進行操作;第二類是沉浸式類型，用戶通過頭戴顯示器360度環繞觀察虛擬環境并操作虛擬對象;第三類是增強現實型，通過虛擬對象與現實世界的無縫結合讓用戶體驗變得更加真實;第四類是分布式虛擬現實型，結合互聯網、5G人工智能技術，能夠實現多人遠程在同一虛擬空間中進行操作，提升協同工作的效率。

2產品設計專業課程教學的存在問題分析

2.1教學設施陳舊導致案例教學互動差

產品設計專業是一個實踐性較強的學科，在包豪斯教學初期采用的是雙軌制教學，這種藝術技術結合的教學思路一直沿用至今。目前大部分高校設計理論授課方式主要還是通過多媒體加視頻的方式進行。教學設施的陳舊導致在互動方面傳統的方式很難調動學生的積極性。在案例教學設計上，也局限于傳統案例。未能利用虛擬現實技術的3D實體模型進行教學演示和實際操作分析，為此很難有較大的突破，而實踐教學也受環境場地的影響，對學生創意激發形成限制。

2.2教學演示受限導致知識點的吸收差

產品實驗教學是實踐教學中的一部分，主要是考核學生對于產品模型制作能力、產品材料與加工工藝知識的應用能力，其中產品材料與加工實驗教學主要是通過教學視頻與ppt讓學生了解其過程，未能用虛擬現實技術的模型制作和演示進行360°全方位動畫演示。在實驗過程中也少有讓學生進行操作，通常在有實驗員的監護下謹慎進行，主要原因在于實驗設備操作難度系數較大，機器價格與維護成本高昂。因此，教學演示受限，導致學生對相應知識點的吸收較差。

2.3專題課程不能做到教學及時反饋

在設計課程中專題課程往往會采取企業與學校協同教學，通過校企協同的方式讓學生真題實做，但教學環節沒有進行滲透虛擬現實的一些匹配性技術，未能對相關虛擬現實軟件進行教學設置，而最后對于設計的指導工作需要企業派出技術員進行指導，讓學生們更好地完成設計作品，但校企協同中企業往往受限于地點遠近問題而不能及時進行指導。

2.4方案評審形式以效果圖居多

在高校設計實踐過程中大多是對設計理念的一種應用探索，因此設計方案停留在效果圖展示階段居多，而實物制作評審較少。主要原因在于實物制作費用高、耗時長，需要有更加接近實際體驗的評審形式來接近最終的實物效果，導致教學實踐設計上未能達成與虛擬現實技術的虛擬方案與實物成果的展示。

3虛擬現實技術在產品設計專業課程教學中的應用原則

隨著智慧教育概念的提出，各高校圍繞智慧校園建設方面在教育軟件硬件方面不斷投入，部分高校都已經開始建設與自身學科相關的虛擬仿真實驗室。然而，對于產品設計專業虛擬仿真實驗室從建立到完善用于教學還需要很長一段路要走，目前產品虛擬仿真實驗室多數用于對于研究生階段的科研實驗，將虛擬現實技術用于本科教學還存在一定難度，究其原因主要體現在兩個方面：其一，課程內容設計陳舊不能很好的與現有技術進行匹配;其二，由于技術本身僅提供用戶的體驗條件，而本身的資源則需要設計者自身開發用于滿足課堂內容的需求，目前虛擬現實相關的課程資源匱乏，不能很好地滿足需求。針對目前存在問題可以通過虛擬現實技術在課程中的應用原則、虛擬現實技術在課程設計中的應用方向，以及課程開發思路展開應用研究。

3.1匹配性原則

課程教學內容與技術特點需相匹配，產品設計專業定位于培養適應市場經濟發展需求，具有創新意識、團隊意識、設計思維、工匠精神的復合型人才。將虛擬現實技術應用于教學對于專業培養有著正向積極的作用，由于專業課程培養目標不同，其對應的課程設計也有所不同。因此，設計教學中應用虛擬現實技術需要考慮其技術特性與課程需求的匹配度問題，在合適的階段應用虛擬現實技術手段進行教學才達到最佳的使用效果。

以設計專業基礎課三大構成為例，課程教學目標是通過課程學習提高學生的空間想象力與創造力，為以后的設計專題課程打下基礎，其中能力培養主要是通過課程訓練讓學生掌握構成的基本理論，傳統的訓練方式在創作上存在一定的局限性，學生的創意想法需要通過手繪等各種技能才能轉化表達，具有一定延遲性。而虛擬現實技術能讓學生們更加自由的進行創作，創作的形式不拘泥于現實材料的選擇、場地的限制。例如，國外藝術家Rachel Rossin通過作品《Lossy》展示古老油畫技術與虛擬現實技術的融合，來說明現實和虛幻兩者彼此融合的新形式（如圖1）。再比如《產品形態設計》課程主要是培養學生形態創新能力，通過對自然形態的提煉重新創造出新的形態，提升學生形態設計的創新能力。

3.2交互性原則

虛擬現實其核心在于沉浸式體驗，除了目前已有的三維軟件與VR配合進行設計創作外，還需要自行設計與開發相關的教學資源，這類教學資源在設計上需要在虛擬空間中與用戶形成良好的交互，比如用戶的頭部追蹤必須保證用戶在虛擬空間中避免眩暈且“以用戶為中心”進行操作;虛擬環境中音效的設計、聲源的位置以及聲源的觸發機制合理：環境中的視覺美感塑造，其中GUI（Graphical User Interface）人機交互圖形化界面就顯得非常關鍵，當用戶對虛擬對象進行操作時生成的各種動態化指引，往往更能引人注目。如圖2的汽車虛擬裝配展示，虛擬環境真實感強，用戶通過手柄對汽車零件進行超現實狀態的爆炸展開，帶來了極佳的視覺體驗。

3.3引導性原則

教學中通過課程設計適時引導學生專注課堂啟發思維有著重要作用，而通過虛擬現實技術在虛擬環境中進行教學指導能適時引導，虛擬環境不同于傳統的課件講授，學生在虛擬空間中其自主性更強，很容易偏離教學目標而沉浸在自己的世界中。因此，在虛擬環境中可以添加一些虛擬交互機制提升學生在課程中的專注度。

如圖3《鞋子形態設計》整個鞋子的形態通過虛擬設備在三維軟件中進行形態設計，確定好各種形態方案后，通過3D打印技術制作實物進行對比。這些VR軟件設置各種創造空間曲線形體等工具滿足用戶的創作需求，雖然在建模原理上與傳統無異，但通過虛擬顯示設備與軟件結合，可以引導用戶進行下一步的工作，如同在真實世界中隨意操作虛擬對象塑造各種形態，相比較傳統的手繪到建模，實物雕塑則更加方便。

4虛擬現實技術在產品設計專業課程教學中的應用實踐

通過虛擬仿真實驗室的建立，利用現有的Vive虛擬現實設備以及虛擬仿真軟件，通過Unity3d引擎建立虛擬教學課程資源，通過課程實踐對技術應用可行性進行驗證，同時根據教與學的評價對課程優化提出改進建議。

4.1結構與加工工藝虛擬教學

結構設計需要對常見結構形式有一定的了解，同時需要對不同的材料加工工藝較為熟悉，通過掌握結構的基本類型判斷結構的合理性，這也是進行結構設計的依據。在虛擬環境中，操作手柄通過虛擬頭戴顯示器在環境中對常見結構進行展開，并分析其應用條件。如圖4的鉸鏈結構，其通過對常見鉸鏈結構類型的360°全方位展示，觀察這一類結構產品的各種形式以及應用場景。在結構設計中常用配件可以直接在虛擬環境中打開其信息界面跳入到配件購買的商城平臺。如圖5的商城鉸鏈信息，這種信息展示以及結構設計銜接順暢，從教與學以及設計過程實現系統化管理，讓整個過程變得更為高效。而產品的加工工藝需要對生產設備有一定的了解，在使用虛擬現實設備對現實加工工藝進行模擬時，可以進行提前演練，避免后期實驗產生誤操作。比如玻璃吹制工藝，吹制技術利用玻璃高溫具有可塑性，通過吹起對其形態進行改變，原理雖然簡單但是實操難度卻不小，而在實驗教學中，可以通過虛擬仿真技術讓學生對吹制技術實行虛擬操作來了解整個過程，同時也可以通過圖文信息窗口展示工藝特性。

4.2結構設計與裝配驗證

結構設計有外殼殼體結構與內部結構兩部分內容，其中殼體結構根據內部功能基本布局對殼體結構進行設計。因此，殼體結構在保證外觀造型美觀的情況下，還需要符合內部構造的需要，在虛擬現實環境中，可以將內部布局完成形成一個組件，在外部進行殼體包裹并設計多種殼體形態，如圖6的VR造型設計，通過Alias的VR曲面設計部分可以更迅速地完成殼體形態推敲，滿足外觀與內部需求的情況下制作產品殼體結構。裝配驗證的目的是讓產品功能合理且實現量產，在結構設計中通常需要驗證部件之間的運動情況以及干涉情況。因此，在虛擬環境中檢查干涉情況與內部空間布局優勢更為明顯（如圖7）。

4.3課程評價與優化方案

在教學環節中通過VR軟件配合手柄展示產品結構，能與學生進行互動。在虛擬環境中不同操作者可以針對同一個對象進行觀察，同時對于一些需要動態展示的環節可以通過環境的放大縮小觀察任意位置，能容易理解部分復雜產品的結構原理。同時對于工藝加工材料屬性等方面的講解，更加貼合實際且有虛擬操作環節，讓學生更易理解記憶并靈活運用。在結構設計環節，部分軟件已經集成了VR設計模塊，學生利用此模塊在結構設計方面相比傳統的方式更加靈活自由，結構設計也不在局限于技能學習，操作也更加人性化。在軟件中完成設計與裝配并最終制作實物驗證，3D打印裝配結構模型，如圖8所示。

根據結構課程的應用評價如表1課程評價表可以看出VR虛擬現實與課程結合受歡迎程度較高，這種新形勢不僅能激發學生的學習興趣，在學習方式上也具有較強的擴展性。

5結語

隨著智慧教育理念的提出，虛擬現實技術在高校設計教學中的應用是智慧型教學發展的必然趨勢，通過虛擬現實技術能更好的將“以教師為中心”的教學模式改變成為“以學習者為中心”的學習模式。在技術支持下優化學習工具，創造沉浸式學習環境，提供更加靈活的學習方法，這對培養符合時代要求的創新型與技能型復合人才發揮著重要作用。