工科院校計算機輔助造型設計教學改革與實踐

王劍 陳豐 張華 李曉貞

關鍵詞：工業(yè)設計 Rhino軟件 產(chǎn)品建模 解決策略 教學探索

引言

由于新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的迅猛發(fā)展，教育部積極推進“新工科”建設計劃，旨在培養(yǎng)工程科技創(chuàng)新能力強的高素質工科人才[1]。2021年11月工業(yè)設計被列入國務院領導小組辦公室《提升中小企業(yè)競爭力若干措施》中，以促進企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展活力。新時代教育對工業(yè)設計專業(yè)提出了更高的要求，促使其深度賦能企業(yè)，與經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)緊密融合。隨著計算機技術的快速發(fā)展，工業(yè)設計作為研究工業(yè)化批量生產(chǎn)的機器產(chǎn)品學科，計算機輔助造型設計在社會生產(chǎn)中愈發(fā)普及化，對促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結構升級轉型具有重要作用[2]。為更好對接項目需求，提升品牌競爭力，企業(yè)對工業(yè)設計專業(yè)畢業(yè)生建模技能要求也越來越高。目前Rhino軟件已成為全國高校工業(yè)設計專業(yè)計算機輔助造型設計課程通行的教學工具[3]。因此，在專業(yè)人才培養(yǎng)方案框架下如何進行工業(yè)設計學生工業(yè)化產(chǎn)品造型可視化合理表達的探索是很有必要的。

一、工科院校Rhino輔助設計教學問題分析

計算機輔助造型設計是工業(yè)設計學生專業(yè)教育基礎課程。Rhino軟件自1998年被美國Robert McNeel公司推出后，經(jīng)過多年的功能優(yōu)化，憑借出色的NURBS建模方式，已成為工業(yè)設計領域應用最為廣泛的曲面建模軟件[4]。相對于藝術設計，工科類工業(yè)設計在課程設置上更側重于機械結構設計。低年級所學的高等數(shù)學、機械設計基礎、C語言、材料力學、工程力學等課程，由于學習時間較短，工業(yè)設計學生并不能完全理解機械結構方面的知識。與此同時，還潛移默化地影響其設計思維，在實際過程中易形成強調結構與技術的建模思維定勢。換句話說，在產(chǎn)品方案創(chuàng)新時習慣于用機械設計的思維進行工業(yè)設計思路的構建，無疑增添了計算機輔助造型設計的授課負擔[5]?，F(xiàn)將工科院校Rhino輔助設計教學問題分析總結，具體如下：

（一）授課教師本身對Rhino軟件應用原理不熟悉

1.Rhino軟件與Solidworks、Creo、UG等工程軟件不同，主要通過非均勻有理B樣條產(chǎn)生曲面或形體，建模過程經(jīng)常通過四邊面的形式完成面與面的銜接。它在參數(shù)化設計方面的劣勢比較凸顯，全過程缺少參數(shù)步驟，不能實現(xiàn)及時性動態(tài)調整。正是由于其建模過程的特殊性，授課教師如沒有設計行業(yè)實戰(zhàn)項目的長期經(jīng)驗積累，很難把握Rhino的建模精髓。

2.由于設計知識的不斷更新與豐富，Rhino軟件版本也隨之迭代升級。目前該軟件的最新版本Rhino 7已與較老版本存在或多或少的差異。例如R7的新功能菜單替代了較老版本T-Splines插件功能，能夠滿足復雜形體變化的要求;自帶的Grasshopper插件通過可視化編程方式實現(xiàn)參數(shù)化設計。因此，如果反復使用老版本軟件作為教學平臺，教學效果將會大打折扣[6]。

（二）設計過程偏重于結構，造型傾向于幾何化建模

由于理工科背景所形成的具象思維，工科類工業(yè)設計學生思考方式呈現(xiàn)出理性化、條理性，乃至教條化特征。一方面，所在學院整體缺乏藝術氣息的熏陶，對于設計之美、產(chǎn)品之美的感悟并不透徹，甚至完全是一知半解的;另一方面，工科生在學習工業(yè)設計時，有部分學生仍以理科生自居，給自己打上理工科的烙印，認為本專業(yè)就是在產(chǎn)品結構基礎之上對其“外殼”進行造型設計。由此也必然導致在學習Rhino軟件時經(jīng)常習慣通過結構、技術形式實現(xiàn)產(chǎn)品功能。而對于核心內容的形態(tài)方面，并不是從設計美學、合目的性等角度推理產(chǎn)品形態(tài)，過程缺少相關設計原則的有效支撐，作品的風格大多呈現(xiàn)實用和幾何化的特點[7]。

（三）建模不規(guī)范，導致后續(xù)無法深入

Rhino建模邏輯的規(guī)范性和合理性是保證形態(tài)模型高質量的前提。實踐經(jīng)驗表明，無論是產(chǎn)品模仿還是產(chǎn)品創(chuàng)新，其建模過程都應遵循“建前分析-形體畫線-空間節(jié)點調整-生成主體形態(tài)-修繕細節(jié)”等步驟。對于很多Rhino初學者而言，拿到準備要構建的設計方案后，急于打開Rhino建模界面，動起鼠標，開始勾畫產(chǎn)品方案的輪廓線，并沒有仔細思考真正影響產(chǎn)品形態(tài)的輪廓線條;在打孔、倒圓角等細節(jié)處理時，經(jīng)常將細節(jié)處理與形體構建同時進行，從而導致后續(xù)模型出現(xiàn)尖銳面、破面等現(xiàn)象。

（四）設計可視化表達過程缺乏系統(tǒng)性

學習Rhino計算機輔助造型設計課程前，工科工業(yè)設計學生一般先修設計素描、設計色彩、工業(yè)設計概論、形態(tài)設計基礎等專業(yè)基礎課。由于學生缺少產(chǎn)品方案構思到設計版式整體流程的系統(tǒng)性教育，致使部分學生對于計算機輔助軟件的應用只能停留在設計對象的一味模仿與重現(xiàn)層面，熟練其工具命令而已。如何將概念性創(chuàng)新方案通過三維模型構建，配合Keyshot渲染器、Photoshop軟件綜合展現(xiàn)其創(chuàng)意點這方面明顯欠缺。

二、計算機輔助產(chǎn)品造型建模的重要性

從設計輸出的分類形式來看，產(chǎn)品輸出可分為創(chuàng)意設計和落地性項目設計[8]。設計師想要快速表達其創(chuàng)新理念，設計出符合用戶需求的產(chǎn)品，傳統(tǒng)的紙上畫圖方式顯然費時費力，必然要求進行以計算機為創(chuàng)作手段的設計活動。

（一）創(chuàng)意設計產(chǎn)品創(chuàng)意設計是工業(yè)設計專業(yè)本科階段必須掌握的重要設計環(huán)節(jié)，最終以虛擬視覺化符號形式呈現(xiàn)設計效果，集中反映了創(chuàng)造性思維在產(chǎn)品中的拓展應用。將無形的想象物化成有形的產(chǎn)品符號過程，不僅需要合乎目的性的美感造型進行匹配，隨著審美情趣的不斷提高，更加強調細節(jié)感、場景感、體驗感等要求，而表達這些情感要素離不開計算機輔助造型設計的技能素養(yǎng)?？v觀歷年IF、Reddot概念類設計作品，對于創(chuàng)意的合理表達、造型的意義以及場景的設置等方面，無不反映了Rhino軟件在創(chuàng)意設計中的價值意義。

（二）落地性項目設計落地性項目往往來源于企業(yè)實際需求，是對于企業(yè)產(chǎn)品而言的。

根據(jù)項目活動的商品化特點，在滿足市場需求和設計形式美的前提下，其造型還應符合材料加工工藝的可實現(xiàn)性。產(chǎn)品類別的不同，所用材料也有所不同，因此設計專業(yè)學生還需了解常見材料如鈑金件、玻璃、塑料、陶瓷等在目標造型中應用的可行性。此外，如何在產(chǎn)品中塑造合理的企業(yè)形象識別符號，保持企業(yè)文脈的延續(xù)性也是落地性項目設計需考慮的問題。反過來說，在實際項目活動中，建造模型之前分析這些基本的產(chǎn)品生產(chǎn)要素以預判方案的合理性，才能更好地保證最終方案的設計質量。

三、創(chuàng)新解決措施

計算機輔助造型設計課程不同于其他專業(yè)課，它是一門強調建模原理、突顯建模技能、培養(yǎng)學生造型感知能力實踐性課程?；谇拔目偨Y的課程問題，借鑒其他高校Rhino教學模式，以造型在設計活動中的重要性為依據(jù)，就教學內容、教學方法以及教學資源三方面提出相應舉措。

（一）教學內容安排教學內容的合理安排是促使學生達成培養(yǎng)目標的重要保證。根據(jù)人的認知規(guī)律，內容安排應遵循“由淺入深，由易到難，由方法到思考，由思考到理解”的原則。在講授Rhino理論、原理和設計應用時，穿插講解設計形式美、材料加工工藝等方面的基礎性知識，提升學生合理建模的意識。目前，國內很多高校工業(yè)設計Rhino課程的學時為32或48學時[9]，經(jīng)實踐發(fā)現(xiàn)，本課程設置64課時較為合理，每次4學時，每周8課時，部分安排見表1。

（二）教學方法的改進1.提升師資隊伍實踐水平，合理分配教師資源：有效提升師資隊伍水平是保證教學質量的先決條件。Rhino教學工科院校教師不僅應具有較強的理論知識，還應具備豐富的設計實戰(zhàn)經(jīng)驗。教學需要以社會需求為引導，以企業(yè)對學生實踐能力為目標，促使學生在高標準要求下，提升其產(chǎn)品模型認知的合理性與規(guī)范性。純藝術背景的老師雖具備很強的感知審美能力，但設計與美術是存在本質區(qū)別的，產(chǎn)品建模過程不能只強調美學;老教師企業(yè)經(jīng)驗豐富，但或多或少由于時間關系，軟件實操方面退化明顯。Rhino課程的授課教師安排，應盡量選擇具有扎實藝術設計能力、企業(yè)從事設計經(jīng)驗以及教學經(jīng)驗的“新生代”專業(yè)老師。通過教師本身在企業(yè)的實戰(zhàn)經(jīng)歷，以行業(yè)標準要求為切入點，有利于提高教學內容的實踐性，學生構建的產(chǎn)品模型與市場的契合度更高。

2.采用線上+線下混合式教學，保證教學過程可復制性：目前計算機輔助造型設計課程普遍采用“課堂講授+演練+上機練習”的形式[10]。這種教學方法雖然可以起到引導作用，解析Rhino使用命令。

但經(jīng)實踐發(fā)現(xiàn)，由于學生對專業(yè)的認知處于較低水平，當需要綜合運用軟件工具命令學習構建復雜、步驟多的產(chǎn)品時，教師帶領演練這種方式一旦后期學生出現(xiàn)建模錯誤，很難返回重新構建，嚴重降低學習效率;另一方面，學生想課后熟悉Rhino軟件時，由于認知記憶的模糊性，課程內容很難及時彌補，這也會打擊學生的求知欲。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的語境下，開辟網(wǎng)絡線上教育，實現(xiàn)設計資源的共享、共用，保證教學過程的可復制性成為現(xiàn)代教育趨勢?；旌鲜浇虒W是線上和線下兩種教學模式結合，將Rhino課程理論性知識和課堂上實踐性設計過程內容借助學習平臺視頻化、微課化。學生通過移動登錄端隨時隨地觀看Rhino內容，不受時間和場地的限制，既起到課前預習的效果，又能很好地引導學生進行自主學習、自覺學習，起到查漏補缺的作用。

3.加入復合知識模塊內容：計算機輔助造型設計并不是單一的按照尺寸、比例尺度將形態(tài)造型構建出來，在設計特定對象時還應考慮造型生產(chǎn)的合理性因素，諸如設計細節(jié)、材料加工工藝等。復合知識模塊是指在課程中加入關于如何將造型細化、造型符合加工工藝等方面的內容。玻璃、塑料、木材、鈑金等常見材質的制造工藝是工業(yè)設計學生的必備設計知識。裝備類設計通常采用鈑金件材質，對于裝備類設計問題，授課教師應講解鈑金的加工流程與表面處理工藝，明確造型合規(guī)性的邊界。圖1為張本祎同學以汽車破碎系統(tǒng)為設計對象，以鈑金件為材料，利用Rhino、Keyshot渲染、Photoshop等計算機輔助技術針進行重新設計。整體符合既定材料的加工要求，具有一定的功能性和藝術效果。對小型產(chǎn)品熱固性塑料件材質的厚度問題，通常采用1-3mm的壁厚。這種基礎性知識的講解促使學生將建模思路移植到產(chǎn)品模型的同時，實際的生產(chǎn)制造工藝在模型中的特征表現(xiàn)也得以體現(xiàn)，使其形式更加規(guī)范。圖2為張飛等人在項目專題中為醫(yī)療研發(fā)公司所設計的電子軟鏡機電控制盒。該設計比較充分考慮了塑料件結構連接與厚度抽殼問題，達到了預期效果。

4.合力編寫Rhino教材，凸顯時效性：教材是科學教育的重要工具，實用性強的教材對學生的學習產(chǎn)出具有促進作用。當前，各高校使用的Rhino教材版本眾多，質量也參差不齊。經(jīng)過梳理，常見Rhino教材分為兩類，一類由培訓機構人員總結其經(jīng)驗編撰而成，更多強調工具命令的重復使用，較少講解設計原理;另一類則為高校教師憑借多年教學經(jīng)驗匯編而成，雖然對Rhino原理闡釋較為清晰，但年代久遠，案例老舊，越來越難以適應現(xiàn)代設計需求?；诖?，現(xiàn)階段高校工業(yè)設計專業(yè)教師必須從學生實際需求角度出發(fā)，了解計算機輔助設計最新發(fā)展動向，根據(jù)實際學習所需要掌握的實用技能合理制訂出針對性較強的教材，突出實踐性和時效性。

（三）教學資源的優(yōu)化設計資源的獲取渠道是學生多元化學習的保障。為營造良好的學習環(huán)境，提升學生設計眼界，教學資源不僅僅局限于課堂書本知識和教師經(jīng)驗，還要保障學習資源的多樣化選擇?；诨ヂ?lián)網(wǎng)共享優(yōu)勢，通過設計網(wǎng)站平臺擴充學生的設計資料庫。如bilibili文化社區(qū)和視頻平臺，可輕松搜索到Rhino產(chǎn)品教程和建模方法;在花瓣網(wǎng)、普象網(wǎng)中可將具有創(chuàng)意的產(chǎn)品版式、獲獎作品等收藏到自己的畫板文件夾，以便隨時觀看，拓展思維;可登錄設計在線、SUS設計網(wǎng)等，了解設計競賽信息。在眾多設計網(wǎng)站里選擇、歸納合適的設計資源，利用非課堂時間可預習課堂知識，課上對所學知識消化吸收，由此形成一種“課外學習、課堂內化”的學習方式，這不僅有助于提高學習效率，還有效增強學習的信心。另外，這些設計資料庫又為之后的學習過程提供了參考與借鑒來源，持續(xù)鞏固其實際設計能力。

四、教學實踐成果

通過近兩年的教學改革探索，目前計算機輔助造型設計改革與實踐在我校4個班工業(yè)設計專業(yè)已推進實行，學生已修完課程學分，在學術和人才培養(yǎng)方面效果顯著。教學改革試驗班學生在第七屆安徽省互聯(lián)網(wǎng)+獲獎作品中，3個項目與Rhino輔助造型相關;完成大學生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目8項，獲得授權專利3項。龔長江等同學基于企業(yè)委托項目，結合玻璃成型加工工藝知識，設計了一款牛年杯具被玻璃制造廠所采用，如圖3所示。第八屆安徽省工業(yè)設計大賽（含專項賽），學生通過課程設計實踐取得1項一等獎、2項二等獎，5項三等獎的喜人成績。圖4為大三學生王泓睿以“山莊房屋”為主題，以用戶打包過程的痛點為導向進行創(chuàng)作的快餐打包盒，在大量搜集設計資源后，主要運用三維軟件完成“和泉杯”專項賽的投稿方案，榮獲該賽事一等獎。由于改革措施實行時間尚短，但該課程改革具有設備投入少、環(huán)境局限性小、創(chuàng)新性強等優(yōu)點，如何提高學生成果數(shù)量和質量將會成為下一步研究內容。

結論

計算機輔助造型設計能力作為工業(yè)設計學生實踐性、應用性很強的必備技能，不斷完善該課程在設計專業(yè)人才培養(yǎng)體系中的教學改革，是提高學生動手能力、創(chuàng)新能力的有力保障。將計算機輔助設計改革思路貫穿于我校工業(yè)設計專業(yè)中，讓學生充分理解計算機輔助設計的建模意義，使其模型品質符合特定材質的生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)了理論聯(lián)系實際的教學要求。學生在建模知識遷移效應下，隨著知識和經(jīng)驗的豐富，也將會自覺性考慮建模的規(guī)范性和產(chǎn)品的加工工藝，能夠將產(chǎn)品方案真正應用到實際生產(chǎn)中。