數字孿生技術在家具設計實踐教學改革中的應用研究

陳建 陳瑞杰 王藝涵

（1.信陽學院；2.鄭州思念食品有限公司；3 河南樹墩子文化傳媒有限公司）

設計實踐教學是培養學生實際操作能力、創造力、綜合應用能力以及審美能力的重要方式，當前在人工智能等技術的發展中，為更好地培養學生的創新能力與解決設計過程中實際問題的能力，將數字孿生技術與家具設計實踐相結合，通過數字孿生技術建立家具設計課程的數字化平臺，實現家具設計課程的仿真與模擬，以達到虛擬與現實顯示相結合、理論與實踐相結合，更好地促進學生發展的目的，并彌補實訓過程中設備不足與實訓操作安全等方面的問題。

數字交互以及人工智能等技術的發展，為教育教學方式變革提供了新的發展方向，也為未來智慧學習空間的重構、全自動化教學方式提供了新的進步方向[1]。數字孿生技術是一種將實際物理系統與其數字模型相結合的技術[2]。它基于先進的傳感器、數據分析和模擬仿真技術，能夠對物理系統的運行數據進行實時監測、收集和分析，并在數字環境中建立對應的虛擬模型?；谠摷夹g的特點，在家具設計課程教學的過程中，可以利用該技術建立課程的數字化模型，通過學生的仿真練習可以提前發現實訓過程中容易存在的問題，能夠有效提高實訓效果、降低實訓風險、節約實訓成本[3]。

一、當前“家具設計”課程實踐教學存在的問題

（一）實訓設備少，學生基礎薄弱

為提高學生的專業實踐技能，學校往往會增加相應的設備，而且與之相關的實訓設備價格高昂，同時還需搭配各種類型的模具與配件，并且設備的更新迭代速度較快，學校需要投入的經費較多，當前對一般的民辦本科高校來說，很難滿足這樣的實訓教學，因此在實踐教學中，學生能夠接觸的實踐機會較少，專業基礎比較薄弱。

（二）學生主觀能動性不足

在傳統演示性的實訓教學模式中，受設備數量與實訓學時等的限制，導致學生實際動手操作的實踐機會少，思辨意識弱，更難以調動學生的主觀能動性。

（三）實訓課程內容陳舊，學生個性化發展受限

藝術與技術相統一是設計過程中不可或缺的考慮因素，在當前物聯網技術與智能制造等技術不斷發展的過程中，家具設計課程在實踐中仍遵循早期專業建設的要求，長期按照特定的設計規范進行實踐活動，壓縮了學生在設計與實踐過程中的自由度與探索空間，不利于學生的個性化發展和綜合能力的培養。

二、數字孿生技術在家具設計實踐教學改革中的架構

根據家具設計實踐教學當中的設備、實踐學時、材料、安全、實踐反饋等問題，構建家具設計實踐數字孿生系統。該系統主要由物理層、數據層、模型層和功能層四個部分組成，如圖1所示。物理層通過3D掃描設備采集物理實訓場景的信息數據，借助3D建模軟件將掃描得到的點云數據轉換為物理場景的孿生模型，通過傳感設備將數據傳輸至數據層。數據層對采集的數據進行存儲與管理，通過算法和建模技術進行數據分析與挖掘，以獲取家具設計的特征與規律，為模型層面創建數字孿生模型提供支撐。模型層通過構建的孿生材質模型、環境模型、功能模型、交互模型，與真實家具設計進行對比和驗證，評估數字孿生模型的準確度與可靠性。功能層，通過前端開發技術（Cascading Syle Sheets，CSS）搭建平臺的交互界面，實現孿生實踐平臺的操作與反饋，借助AR、VR技術實現身臨其境的交互體驗。

圖1 家具設計數字孿生實踐系統架構

圖2 家具設計實踐數字孿生授課模式

三、數字孿生技術在家具設計實踐教學改革中的應用

根據數字孿生技術的特點結合家具設計實踐教學的過程，梳理出知識性、技能性、情境性三個知識類型，根據知識類型的特點，整理出全面感知（KP）、師生互動（PII）、智能預測（IP）三種數字孿生學習模式。按照實踐教學中，理論知識講授（TT）、實踐過程指導（PI）、實踐結果反饋（OF）的授課模式，實施數據模擬仿真與能力實訓相結合的數字孿生混合實踐教學體系，如式（1）圖（2）所示：

（一）數字孿生在理論知識講授中的應用

在理論知識講授環節中，在傳統講授基礎上，通過引入數字孿生技術的基本概念和原理，與課程中的設計實踐內容相對應，通過實際案例、圖形展示、游戲體驗等方式，將抽象的理論概念轉變為具體且有趣的形式，激發學生的興趣和學習動力。同時利用數字孿生技術創建虛擬模型，并在課堂上使用多媒體工具展示這些模型。通過增強現實與虛擬現實等技術實現可視化交互體驗，使學生能夠直觀地理解復雜的設計原理和構造，加深對相關知識的理解和記憶。

（二）數字孿生在實踐過程中的應用

在實踐過程中以傳統實踐模式為基礎，數字孿生實踐模式為輔助，通過數字建模軟件將設計概念轉化為可視化的形象。通過Unity 3D創建數字孿生實踐平臺，使得學生可以在虛擬環境中對家具的尺寸、外觀、材質等參數進行調整，從而更好地展現設計想法。針對家具的結構、功能、制作等的實踐過程，通過基于物理引擎的仿真工具，使學生可以模擬家具的結構、功能，并評估其穩定性、承重能力等，幫助學生提前發現設計、加工制作中潛在問題，并為設計方案的優化提供支持。

（三）數字孿生在實踐結果反饋中的應用

傳統的實踐結果反饋主要依賴于教師或評估人員的主觀判斷，這樣的評價方式可能存在一定的誤差和偏見?；跀底謱\生技術在實踐結果反饋方式通過傳感設備連接物理設備與數據庫，將學生實訓過程中的實時數據反饋給教師端，參數化的反饋方式能夠對學生的實踐結果給予客觀性、準確性的評價，也便于對學生的掌握程度進行精細的指導。此外，仿真模擬的實踐模式也能夠快速檢驗實踐結果的有效性，降低實踐風險，提高操作人員的技能水平。

四、結語

基于數字孿生技術的家具設計實踐平臺，從家具設計實踐教學中的主要問題為出發點，結合實踐教學的基本原理與數字孿生技術的特點概括總結了以理論知識講授、實踐過程指導、實踐結果反饋的數字孿生實踐教學體系。基于該平臺的實踐教學體系可以較好地為實踐教學提供多樣化的實踐方案，滿足學生個性化發展的培養需求，能夠有效打破傳統實踐教學在時間、空間、資源等方面的物理限制，拓展實踐教學的內容，降低實踐成本，提升學生的體驗感與認知力對學生創新能力和專業技能的培養具有良好的促進作用。