基于數(shù)字化模塊化融合的產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革研究

摘要：目的：針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)有藝術(shù)背景的學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)“藝工結(jié)合”的教學(xué)理念，根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)和多年教學(xué)實(shí)踐，提出以數(shù)字化模塊化融合進(jìn)行產(chǎn)品樣機(jī)設(shè)計(jì)的課程改革方案，構(gòu)建數(shù)模融合設(shè)計(jì)的教學(xué)體系和內(nèi)容，即以功能模塊為芯滿足使用功能，利用三維數(shù)字設(shè)計(jì)和快速成型制作樣機(jī)外觀的形，將芯安裝在形中完成產(chǎn)品樣機(jī)開(kāi)發(fā)。方法：采用理論研究和實(shí)驗(yàn)的方法，同時(shí)運(yùn)用項(xiàng)目案例教學(xué)法進(jìn)行論證與剖析。結(jié)果：項(xiàng)目案例教學(xué)法提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)藝術(shù)背景學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新水平，使其所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不但具有時(shí)代創(chuàng)新性，而且具有使用功能和先進(jìn)制造工藝，為工業(yè)化生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。結(jié)論：該課程改革在探究美學(xué)、工程技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造、產(chǎn)品樣機(jī)交叉融合的設(shè)計(jì)理念和方法上取得了一定成果，有利于培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、符合未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的高質(zhì)量設(shè)計(jì)人才。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；模塊化；融合設(shè)計(jì)；產(chǎn)品設(shè)計(jì)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：TB47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2024）06-0-04

“中國(guó)工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)化人才的培養(yǎng)發(fā)展起于設(shè)計(jì)教育。”［1］在“對(duì)內(nèi)改革、對(duì)外開(kāi)放”的戰(zhàn)略決策下，我國(guó)工業(yè)設(shè)計(jì)在40多年的時(shí)間里，經(jīng)歷了從“拿來(lái)”到模仿再到自主創(chuàng)新。“資料顯示，1960年中國(guó)輕工業(yè)部在無(wú)錫輕工業(yè)學(xué)院創(chuàng)建輕工日用品造型美術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)，1983年擴(kuò)建為工業(yè)設(shè)計(jì)系。”［1］此后清華大學(xué)、湖南大學(xué)、廣州美術(shù)學(xué)院等400多所院校開(kāi)設(shè)設(shè)計(jì)課程，紛紛招收工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生［2］。從80年代建立第一個(gè)工業(yè)設(shè)計(jì)系到工業(yè)設(shè)計(jì)系首次招收理工類學(xué)生，結(jié)束了我國(guó)工業(yè)設(shè)計(jì)在藝術(shù)類學(xué)科單一招收文科類學(xué)生的歷史［1］。2012年教育部發(fā)布的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》將工業(yè)設(shè)計(jì)正式拆分為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)歸屬設(shè)計(jì)類專業(yè)，授予藝術(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位；工業(yè)設(shè)計(jì)招收理工類學(xué)生，授予工學(xué)學(xué)士學(xué)位［3］。縱觀工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)科的發(fā)展，不難發(fā)現(xiàn)其具有技術(shù)和藝術(shù)、科技和人文等多學(xué)科相互融合的學(xué)科特點(diǎn)，“藝工結(jié)合”的教學(xué)理念使其成為一門涉及科技、文化、藝術(shù)、機(jī)械的綜合性交叉學(xué)科。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)（Product Design）主要圍繞客戶需求和市場(chǎng)需求編制設(shè)計(jì)方案，包括外觀、結(jié)構(gòu)、功能、使用體驗(yàn)等方面的設(shè)計(jì)，一般應(yīng)用于非受力、非做功的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)是技術(shù)和藝術(shù)、科技和人文等多學(xué)科相互融合的專業(yè)，是與企業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)制造緊密結(jié)合的交叉學(xué)科。優(yōu)秀的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師不僅要有審美意義上的創(chuàng)作基礎(chǔ)，還要了解和熟悉工程知識(shí)，但是不需要深入的理論計(jì)算，其更加側(cè)重實(shí)際應(yīng)用與工程技術(shù)人員良好的溝通能力［4］。

機(jī)械設(shè)計(jì)（Machine Design）研究機(jī)器或機(jī)械設(shè)備的構(gòu)造、機(jī)理、運(yùn)行規(guī)律、力和能量的傳遞方式、各個(gè)零件的材料和形狀尺寸、潤(rùn)滑方法等［5］，優(yōu)秀的機(jī)械設(shè)計(jì)工程師要扎實(shí)掌握機(jī)械原理、力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)仿真等專業(yè)知識(shí)［6］。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)更多考慮的是用戶的體驗(yàn)、感受等，機(jī)械設(shè)計(jì)則主要考慮產(chǎn)品受力、運(yùn)動(dòng)、做功、壽命、可靠性、成型方法等方面的內(nèi)容。如果機(jī)械設(shè)計(jì)停留在運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)和功能階段，產(chǎn)品設(shè)計(jì)僅關(guān)注外形與視覺(jué)感受，則難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能與藝術(shù)的完美融合。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程教學(xué)存在的問(wèn)題

筆者基于在藝術(shù)學(xué)院與機(jī)電工程學(xué)院教授機(jī)械制圖與產(chǎn)品設(shè)計(jì)等工程類課程的經(jīng)歷，以及對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生就業(yè)情況的調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)校培養(yǎng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生不能滿足企業(yè)需求，主要存在以下問(wèn)題：第一，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品雖然外觀光鮮亮麗，但使用功能不足；第二，設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮功能、裝配結(jié)構(gòu)、材料和成形方法。

造成上述問(wèn)題的主要原因如下：首先是生源不同，理工科學(xué)生和文科藝術(shù)類學(xué)生的學(xué)習(xí)方法不同，產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念和思維方式有本質(zhì)區(qū)別。藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生熱愛(ài)繪畫，并且擁有多年的藝術(shù)創(chuàng)作經(jīng)驗(yàn)，具備感性思維，對(duì)事物的線條、色彩、造型等元素越來(lái)越敏感，但對(duì)理科計(jì)算、工作原理的理解有待深化［7］。其次是培養(yǎng)計(jì)劃不同。工程類課程包括數(shù)學(xué)、物理、機(jī)械原理、工藝結(jié)構(gòu)等課程，而藝術(shù)類學(xué)生對(duì)這類課程常常存在聽(tīng)不懂、跟不上、理解困難等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致設(shè)計(jì)的作品較難滿足企業(yè)需求，畢業(yè)后多數(shù)轉(zhuǎn)做平面設(shè)計(jì)類工作。

由此可見(jiàn)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)中，針對(duì)藝術(shù)背景學(xué)生的授課主要面臨三個(gè)問(wèn)題。一是教學(xué)設(shè)計(jì)問(wèn)題。涉及工程類教學(xué)內(nèi)容時(shí)，要考慮如何有效傳授工程類知識(shí)，如何在教學(xué)實(shí)踐中探索“藝工結(jié)合”的多學(xué)科融合教育方法。二是時(shí)代背景問(wèn)題。在知識(shí)經(jīng)濟(jì)、數(shù)字化時(shí)代背景下，如何將數(shù)字化設(shè)計(jì)方法有效融入產(chǎn)品設(shè)計(jì)的教學(xué)中值得思考。三是學(xué)生學(xué)情問(wèn)題。“00后”學(xué)生擁有豐富的知識(shí)獲取渠道，學(xué)習(xí)方式靈活多樣。如何發(fā)揮線下教學(xué)的作用，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力，是一個(gè)值得思考的問(wèn)題。

3 數(shù)字化模塊化融合設(shè)計(jì)產(chǎn)品樣機(jī)的設(shè)想

數(shù)字化設(shè)計(jì)（Digital Design）是指培養(yǎng)發(fā)展以計(jì)算機(jī)為主的、以智能化工具為代表的新生產(chǎn)力［8］15。本文提出的數(shù)字化是指產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化仿真、數(shù)字化制造等在產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程中的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)、3D打印等技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段輔助完成設(shè)計(jì)任務(wù)規(guī)劃、概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)等［8］16。

模塊化設(shè)計(jì)（Modular design）作為一種重要的設(shè)計(jì)方法，是在通用化、系列化、組合化和標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上引入系統(tǒng)工程原理發(fā)展起來(lái)的一種標(biāo)準(zhǔn)化的高級(jí)設(shè)計(jì)方法，表現(xiàn)為特征尺寸模數(shù)化、結(jié)構(gòu)典型化，以及部件通用化、參數(shù)系列化、組裝積木化［9］。本文提出的模塊化是指標(biāo)準(zhǔn)功能模塊，如電機(jī)、表芯、單片機(jī)等。模塊化組建可以確保不同功能模塊的靈活組合和相同功能模塊的便捷替換，而模塊組件的可組合性和可互換性的實(shí)現(xiàn)則主要依賴接口設(shè)計(jì)。例如，針對(duì)具有相似功能但性能有所差異的模塊，應(yīng)確保它們具有相同的安裝基面和安裝尺寸，以便模塊有效組合［10］。

融合（Integration）既是物理量的融合，即將功能模塊安裝在“數(shù)字化設(shè)計(jì)和制作”的殼里，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)，又是情感的融合，即藝術(shù)與工程的融合，還包括設(shè)計(jì)和制作的融合、理論與實(shí)踐的融合以及各課程的融合。

基于出現(xiàn)的問(wèn)題，筆者提出了數(shù)字化模塊化融合樣機(jī)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)教學(xué)方法。產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程開(kāi)設(shè)在第六學(xué)期（大三第二學(xué)期），這時(shí)學(xué)生已學(xué)過(guò)手繪技法、機(jī)械制圖、材料與成型工藝、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、人體工程學(xué)等課程，掌握了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程中采用案例教學(xué)法，綜合學(xué)生學(xué)過(guò)的各類課程，用一個(gè)案例完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)—制作—組裝—樣機(jī)測(cè)試的全過(guò)程，即以現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)功能模塊為芯，再利用三維建模軟件進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)與數(shù)字化建模，最后利用快速成型設(shè)備制作實(shí)物模型，將標(biāo)準(zhǔn)功能模塊安裝在設(shè)計(jì)的模型中完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)外觀制作、裝配、功能測(cè)評(píng)完成設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的過(guò)程。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程教學(xué)中引入模塊化概念，是將有動(dòng)力部件、結(jié)構(gòu)部件等功能部件作為標(biāo)準(zhǔn)模塊，通過(guò)測(cè)繪得到該模塊的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，然后使用該模塊設(shè)計(jì)出不同的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)不同的用途，再鼓勵(lì)學(xué)生利用該模塊進(jìn)行產(chǎn)品外觀造型設(shè)計(jì)或新用途設(shè)計(jì)，最終獲得創(chuàng)新性產(chǎn)品。

樣機(jī)（Prototype）是為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)或方案的合理性、可用性、正確性或生產(chǎn)的可行性而制作的樣品。在數(shù)模融合設(shè)計(jì)教學(xué)中，采用快速成型技術(shù)能夠快速獲得產(chǎn)品外觀樣機(jī)模型，再將功能模塊裝入其中進(jìn)行安裝組合，可得到具有功能性的成熟產(chǎn)品。相比傳統(tǒng)軟模型（用泡沫材料或泡沫板等比例制成）和硬模型（用木頭、高密度泡沫、塑料或金屬制成）的評(píng)估方法［11］，此方法能夠快速評(píng)估產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能和性能，為工業(yè)化生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。

4 數(shù)字化模塊化融合產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革

4.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程的樣機(jī)開(kāi)發(fā)

數(shù)模融合設(shè)計(jì)通過(guò)拆解現(xiàn)有產(chǎn)品實(shí)物模型、分析機(jī)械結(jié)構(gòu)、演示動(dòng)力原理，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)美感產(chǎn)生直觀感受［12］，理解產(chǎn)品內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)原理等。此時(shí)，可以利用模塊化設(shè)計(jì)思維，根據(jù)不同設(shè)計(jì)要求和新技術(shù)的發(fā)展，及時(shí)組裝或重新設(shè)計(jì)個(gè)別模塊［13］；再利用三維建模軟件進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)與數(shù)字化建模，最后利用快速成型設(shè)備輸出三維立體實(shí)物模型樣機(jī)，完成產(chǎn)品的功能性測(cè)評(píng)。該課程改革能使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品“動(dòng)起來(lái)、活起來(lái)、用起來(lái)”，有助于學(xué)生理解產(chǎn)品的工作原理、裝配、連接以及成形方法，能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4.2 樣機(jī)開(kāi)發(fā)的實(shí)施路徑

以這兩年的教學(xué)實(shí)踐為例，以項(xiàng)目式教學(xué)為主，以學(xué)生為中心，利用產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室完成課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。其過(guò)程如下：選擇一個(gè)對(duì)象（氣動(dòng)產(chǎn)品或玩具）拆卸并測(cè)繪—設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)—建立產(chǎn)品模型—打印產(chǎn)品樣機(jī)—組裝測(cè)試。

4.2.1 拆卸并測(cè)繪

拆卸的目的是讓學(xué)生了解產(chǎn)品的功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，連接組裝、成型方法等內(nèi)容，彌補(bǔ)所欠缺的工學(xué)知識(shí)。例如拆卸一輛玩具汽車，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)玩具汽車內(nèi)部部件模塊主要包括動(dòng)力結(jié)構(gòu)組件、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、通信與控制模塊、傳感器模塊。測(cè)繪的主要目的是繪出功能模塊的外形尺寸、安裝尺寸、連接形式，以及功能的輸出和實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖1、圖2。

4.2.2 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段，學(xué)生根據(jù)測(cè)繪得到的產(chǎn)品參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)新的外觀造型。

4.2.3 建立產(chǎn)品模型

利用三維軟件完成三維數(shù)字模型設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖3。

4.2.4 打印產(chǎn)品樣機(jī)

利用快速成型3D打印技術(shù)，完成實(shí)物模型打印。在此階段，鼓勵(lì)學(xué)生使用產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室FDM和SLA型號(hào)打印機(jī)自行操作完成打印，見(jiàn)圖4。

4.2.5 組裝測(cè)試

將3D打印的外殼、車架與功能模塊進(jìn)行組裝和連接，并測(cè)試樣機(jī)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)圖5、圖6。

通過(guò)以上實(shí)踐案例訓(xùn)練，基于項(xiàng)目進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)，充分挖掘了學(xué)生的潛力，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，有效提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

5.1 以標(biāo)準(zhǔn)功能模塊為芯

基于產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)方法，將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件拆解并分解成若干個(gè)不同功能模塊，在此過(guò)程中，學(xué)生不僅了解了產(chǎn)品功能模塊工作原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)、裝配連接等關(guān)鍵技術(shù)，補(bǔ)齊了工程知識(shí)短板，也對(duì)學(xué)過(guò)的機(jī)械制圖、材料成型與工藝、產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等課程之間的關(guān)系有了更深的理解。

5.2 以產(chǎn)品外觀為形

產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)是藝術(shù)背景學(xué)生的強(qiáng)項(xiàng)。在這個(gè)階段，學(xué)生需要基于上一階段測(cè)繪結(jié)構(gòu)件的尺寸參數(shù)進(jìn)行創(chuàng)意手繪與造型設(shè)計(jì)。這個(gè)階段不僅發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)意思維能力，也培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ趟季S。最終，學(xué)生通過(guò)三維軟件建立了三維數(shù)字模型。

5.3 以數(shù)字成型為樣

將建好的模型利用快速成型技術(shù)制作出實(shí)物模型樣品。學(xué)生通過(guò)動(dòng)手操作3D打印機(jī)或者光固化打印機(jī)，完成設(shè)計(jì)模型的實(shí)物輸出；將拆卸的功能模塊按要求裝在制作樣品中，讓設(shè)計(jì)的產(chǎn)品“動(dòng)”起來(lái)，最后檢測(cè)產(chǎn)品是否達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

案例式、項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維數(shù)字建模、3D模型制作等多課程的融合，讓學(xué)生在實(shí)踐中鞏固了理論知識(shí)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，增強(qiáng)了學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

6 結(jié)語(yǔ)

作品評(píng)價(jià)采用模擬路演的方式進(jìn)行，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)PPT制作和現(xiàn)場(chǎng)答辯的方式展示作品概念、制作過(guò)程和實(shí)物原型功能的操作，并結(jié)合市場(chǎng)和商業(yè)模式系統(tǒng)闡述。評(píng)審組由學(xué)生、機(jī)電專業(yè)與藝術(shù)專業(yè)的教師組成，從裝配的難易程度、功能性、可用性、美學(xué)特性等角度出發(fā)，考查學(xué)生的專業(yè)能力與表述能力。

數(shù)模融合設(shè)計(jì)在探究美學(xué)、工程技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造、產(chǎn)品樣機(jī)交叉融合的設(shè)計(jì)理念和方法上取得了實(shí)效，根據(jù)學(xué)情因材施教，有利于培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)且符合未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的高質(zhì)量設(shè)計(jì)人才。同時(shí)，這種新型融合式教學(xué)設(shè)計(jì)為創(chuàng)建一流課程提供了重要依據(jù)，有利于提高實(shí)踐應(yīng)用類課程的教學(xué)質(zhì)量和水平。

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作者簡(jiǎn)介：王茜（1989—），女，河南鄭州人，碩士，助教，研究方向：產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

樊寧（1955—），男，河南鄭州人，本科，教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

李偉（1957—），男，河南鄭州人，碩士，教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)。