工程图学课程中创造性构形设计教学的研究与实践

王枫红， 陈炽坤， 陈锦昌

（华南理工大学设计学院，广东 广州 510640）

培养创新性人才是高等教育的首要目标,工程图学教育在培养学生的发散思维及空间想象力方面具有重要的作用。现代工程图学应将包含空间想象力和创新能力的工程素质的培养作为其任务。通过培养学生的构形设计能力，进而达到开发学生创新意识、创新思维的目的。

工程制图教学指导委员会制订的“普通高等学校工程图学课程教学基本要求”中，将“培养创造性构形设计能力”列为课程的任务，并将“掌握二维和三维形状构思和设计的方法”作为课程教学的基本要求[1]。广大图学教育工作者针对构形设计，在教学研究、教材编写、课堂教学等方面都作了大量的工作,对构形设计的教学和训练方法的研究也在不断的改进和深入。

传统的图学教育侧重于二维工程图的画图和读图能力的培养，着眼于知识和技能的传授。而创造性形体构形设计的教学出发点是在此基础上，试图通过构形设计的方式初步培养学生的工程能力和创造能力。其应该具有目的性、趣味性、可操作性、方式多样性、高效性和自主性[2]。所谓目的性，总体而言应有利于基本理论、基本概念的掌握，有利于工程能力、创新能力的培养；具体而言，所构建的几何形体应达到给定的设计要求并使学生得到一定的思维训练，不能单纯为构形而构形。可操作性是指教学应考虑低年级学生缺乏工程知识的特点，在学生尚未学习零件设计及机械加工知识的前提下进行构形设计。同时，为使学生具备快速构形的能力，应综合考虑绘图软件的教学安排。在构形方法的教学上，应结合设计方法、创新方法进行，使学生能初步掌握创新思维的不同方式。

1 构形设计的教学目标与设计评价

任何设计都是一种创造性的活动，工程图学课程的构形设计也毫不例外。设计是一种创造行为，构形设计教学必然是一种关于创造的教育，应把创造力的培养作为构形设计教学的核心内容[3]。

工程图学中的构形设计可表述为：根据给定的几何条件对二维、三维形体进行构思、分析并将其转化为具体描述的过程，所设计的形体应具有一定的美观性和制造可行性。

构形设计可借鉴机械设计、构成设计、设计方法学课程中的有关内容。但应有别于其它课程中的设计教学，其主要特点如下：

1）构形设计教学的目标之一是提高学生学习工程图学课程的兴趣，巩固其知识点的掌握。例如，我校教师在教学实践中，在讲授平面图形的画法时，改变了教学中单纯对已知图形进行分析的传统教学法，要求学生设计出带有已知线段、中间线段和连接线段的平面图形。并对机械类班级56名学生参与该教学实践的情况进行统计，完整地完成构形设计的方案有41个，占方案总数的72%。在工程图学课程的很多教学环节中，都可引入类似的构形训练，如在讲授直线投影时，要求学生设计包含各种直线的形体，我校教师曾对机械类两届175名学生参与该教学实践的情况进行统计，学生完整地给出包含7种类型直线的构形方案168个，约占总设计方案数的75%；包含3～ 6种类型直线的构形方案57个，占总设计方案数的25%[4]。这一类的构形设计无需增加额外的教学课时，而对教学有很大帮助。学生要想完成构形设计，必然要先掌握好有关的理论和概念，否侧无法进行设计。通过构形设计可间接促进其对概念的掌握、提高自主学习的兴趣和积极性。因此，构形设计教学可贯穿于传统制图教学的诸多环节，与传统教学互为补充。

2）构形设计教学的另一教学目标是培养学生的审美情趣，使其日后设计的产品更具市场竞争力。现代产品设计是工程技术与现代美学、材料学、计算机应用乃至社会心理学等多学科方法相结合的一种现代产品设计的应用学科[5]。人类在长期的社会实践中对事物复杂的形态进行分析研究，总结出形式美的基本法则，诸如对立与统一、比例与尺寸、对比与协调、对称与均衡、稳定与轻巧、过度与呼应、节奏与韵律等。工程图学是否应加入设计美学的内容，目前广有争议，有教师认为这是工业设计专业所学习的内容，机械工程师无需掌握。其实现代产品设计不单要考虑实现功能要求，还应考虑美观性，才能使产品更具市场竞争力。设计美学应从精英教育的殿堂回到大众教育的行列中，使所有的工程技术人员都能够掌握一定的设计美学基础。目前国内理工类专业大多不开设设计美学课程，工程图学课程中结合构形设计教学介绍产品的形式美学，对培养工程技术人员的综合素质很有必要。

3）构形设计教学的主要目标为培养学生的创造性思维能力和工程创造力。目前很多课程都强调对创造力的培养，不少学校还开设了诸如“创造学”方面的课程。创造学中创造工程研究学科有效的创造发明方法，促进创造发明效率的提高。工程图学课程教学将“培养创造性构形设计能力”列为本课程的任务。因此，研究构形设计能力的培养方法和手段是教学研究的重要内容。

教学实践中我们借鉴了其它学科的一些方法，如现代机械设计中的变异设计，通过几何变异设计培养其变异设计的意识，以便后续课程中材料、结构变异设计的学习。构型设计作为产品设计的基础训练，应和现代设计方法和创新理论及手段密切结合，和工程实际相结合，使学生在基础课程阶段就能够对现代设计理念有所了解。

从创造性构形设计的本质而言，应鼓励学生自由发挥而不应该设置过多条条框框。但实际的产品设计总是从给定的设计目标出发，然后设定一些限定条件（如材料的选用、经济性、安全性等），即所谓约束性设计。构形设计训练是构形设计教学中的一个重要环节，教学中应精心制定构形设计的目标并有目的性地设置一定的约束条件。

几何构形设计有别于零件设计、机械设计等其它功能设计，不能把实现某一特定功能作为其评价的主要指标，而应把创造性思维训练作为其主要目标。如何评价构形设计作品的优劣，是教学中应注意的问题，应鼓励学生将构形设计与生产和生活实际、大自然密切结合起来。被称为“现代艺术之父”的保罗·塞尚曾举出大量的例子引证大自然中的一切事物都能够归纳为圆柱体、球体和正方体等。塞尚的这些归纳最后导致成为构成主义以及设计学科中的造形设计的基本元素。将这些基本元素构成抽象、概括性的“符号”，并依据设计的准则、人的因素而进行组合，使之成为具有某种功效的产品或标志[8]。

对构形设计作业的评价是构形设计教学活动的重要内容，很多设计作品的评价不能单纯以对或错作为评价指标，应综合考虑以下因素：

（1）是否满足给定的几何条件或设计条件:例如要求学生设计带有各种类型平面的七面体，设计出的立体应完全满足给定的要求[3]，如图1所示。

图1 满足给定的几何条件图

（2）是否美观：美观的标准各有不同，很难做出统一、客观的定量评价。在教学实践中我们安排一定的时间让学生在课堂上展示、做出说明，然后展开讨论。通过这种活动，一方面可加深学生对设计美学、设计方法的理解，以取长补短、共同提高；另一方面培养学生的工程设计表达、沟通能力。

（3）是否具备制造可行性：对缺少工程实际知识的大学低年级学生，设计的构形不一定能满足制造要求。但几何形体应具有零件或产品的雏形，应掌握两基本形体不能以线或点接触的初步要求及某些工艺要求。

（4）数量的多寡：在一定约束条件下，设计出的几何形体数量越多，说明思维越开阔。在工业设计相关课程训练中，概念设计阶段往往设计出几十个甚至上百个设计方案，这点也可以给我们一定的启示。其典型的例子为多解的“二求三”练习，如图2所示，给定主视图和俯视图，以左视图的数量为评价指标[3]。

图2 构形设计的数量

2 创造性构形设计的基本教学方法及教学安排

1）在不占用额外学时的前提下，安排各种构形训练。构造不同形式的二维图形（如圆弧连接、平面图形、点、线、面等）和三维图形。

2）采用独立的章节介绍产品设计中形式美的法则，使学生对构形设计的形式美有全面的认识。所谓形式美法则，主要是研究产品形式美感与人的审美之间的关系，以美学的基本法则为工具来揭示产品造型形式美的发展规律，满足人们对产品审美的需求[8]。产品设计中形式美的法则，应成为工科学生的必备知识，以适应现代竞争性市场对产品设计的要求。

设计类专业通过“平面构成”、“立体构成”和“色彩构成”等课程使学生得到全面的美学训练，工程图学课程由于学时数所限，应以2～4学时做出介绍为宜。因此，可直接以经典的设计作品为例进行教学。在掌握产品造型形式美的基础上，借鉴他人的成功设计经验，多看多想，所谓“操千曲而后晓声，观千剑而后识器《文心雕龙》”，唯有如此，才能不断提高造型创造力。

例如，在介绍形式美法则的尺度时，我们作出如下的介绍：

尺度：尺度是指产品的整体或局部与人体之间的比例关系。不同区域、不同种族和不同年龄段的人体尺寸具有一定的差异，设计时可查阅人因工程方面的相关标准。一般说来，标准化尺度不一定适用于所有人，故有“量体裁衣”之说，这也是个性化制造要考虑的一项内容。产品的服务对象是人，所以，对产品的衡量往往以产品是否满足产品使用人群的使用要求和使用习惯为标准。

设计应提高产品的宜人性，适应人的操作。如图3(a)、图3(b)中的茶杯和剪刀；工具类产品是人体器官的延伸，应按人体参数设计产品形态，使其操作舒适、安全、方便。如图3(c)所示的木工线斗，外形设计方便人手握持、按键位置适于操作。考虑到安全性，卷线盘加上阻尼油来减慢收线速度。

图3 尺度

3）结合组合体的教学，以典型的设计产品为例，介绍各种构形设计的基本方法。学生通过学习，可开阔其设计思路，达到举一反三的目的。重点介绍以下5种构形方法：基于基本形体变形的构形；仿生构形；变异构形；“同形”构形；反转构形。

（1）基于基本形体变形的构形设计

对基本形体进行分割、挖切、积聚、合并、渐变、拉伸、挤压、弯曲等变换，可设计出各具特色的产品。这类构形变化很多，限于篇幅，仅举两例：

分割：在某一基本形体（母型）中分割中一个或多个子形体，其分割原则为：必须有基本形体（母型）；母型和子型必须同时存在；母型和子型必须各自具有相应的功能；可以只进行一次分割，也可以进行多次分割；分割时，可以从多个方位进行；分割应按比例，常用黄金比进行分割。图4为应用实例，图5为分割物形设计实例，为教师制作的例子，将棱柱体沿曲线切开并叠加，即可设计出一张长椅。

集聚: 相同或相似的基本形体，在大小、位置、数量、方向上产生变化的一种构形方法。可采用渐变式排列、发射式排列和特异式排列等形式或综合运用这3种变化。图6(a)所示的衣架，采用8根高1.5米的不规则四边形木棍，，能够合拢和抓在双手中，打开时，因为有一个不在重心位置的钢球窝节，凭一种魔术般的平衡站立。图6(b)所示的组合座位，可拆开套起以方便运输。图6(c)所示的竹椅，采用不同直径的竹子集聚在一起，形成美观的形态。

图4 “分割”的应用实例

图5 “分割”构形设计

图6 “集聚”的应用实例

图7 “集聚”构形设计

图7 为教师示范的集聚构形，其中图7(a)所示为长度按规律变化、沿螺旋线排列的方管集聚成的构形；图7(b)所示为直径按规律变化、沿螺旋线排列的圆柱集聚成的构形；图7(c)为交叉于轴线的矩形管绕轴线旋转集聚成的构形（该曲面为单叶双曲回转面）。

（2）仿生构形设计

仿生构形是指模仿自然界各种动植物的形状结构并进行抽象简化的形态仿真。形态仿真有具象仿真和抽象之分，具象仿真一般宜用于儿童用品的设计。普通工业产品构形宜采用抽象的形态仿生，其具有以下特征：形态高度的简化性和概括性；形态丰富的联想性和想象性；同一具象形态的抽象形态的多样性。仿生构形的要点：①必须深入生活，了解各种动植物的形态特点；②在表现手法上，既概括表现其大的形象特征，舍弃其繁琐细节，夸张其造型的韵律，使几何造形富有装饰性，又可在更高层次进行组合变形，按其自然形象特征高度概括成抽象的几何形体，造成一种更大的美学效果。图8(a)所示的海螺型监控摄像头，在提取螺壳的自然形象特征，概括成抽象的几何形体后，再将螺壳的顶部进行抽象变化，做成可活动的球体，以便从不同角度进行监控摄像。图8(b)、图8(c)为抽象仿生构形的实例。图9为学生制作的构形设计。

图8 “仿生”的应用实例

图9 “仿生”构形设计

（3）变异构形设计

变异设计是现代产品设计的重要手段之一，变异设计在原有产品的基础上，按市场需求进行结构重组，它的实现过程可以最大限度地重用企业已有的成熟产品资源，具有很强的灵活性和适应性。几何构形设计中常用数量变元、形状变元、位置变元、联接变元、尺寸变元等方式。图10为汽车轮胎幅板的变异构形设计。图11为学生所作的变异构形设计。

（4）“同形”构形设计

采用相同的结构，通过不同的排列、组合方式摆放在一起的构形方式，构形灵活多变，方便加工生产，如图12、图13所示。

图10 “变异”的应用实例

图11 肋板的变异构形设计

图12 “同形”的应用实例

图13 “同形”构形设计

（5）反转构形设计

反转构形也称为正负构形，构形特点为虚实互补，互生互存。图14为产品局部反转构形的应用实例，通过在不同位置的嵌合，可调整文件夹的长度。图15为外形为圆柱的反转构形，正负形嵌合在一起为一个完整的圆柱体。

图14 反转构形应用实例

图15 反转构形设计

4）结合学生课外科研活动，进一步巩固学习效果并提高学生的学习积极性。

工程图学课程由于受课时所限，难于进行更深一步的构形设计训练，对学有余力的学生，我们可结合学生课外科研活动，进一步巩固学生的学习效果。例如图16(a)所示的汽车儿童安全座椅，生产企业需要花重金在欧洲的专业实验室进行碰撞安全测试。在保留原有结构的基础上，采用变异设计的方法，可大大减低产品开发成本和缩短开发周期。在教学实践中，我们指导学生采用变异设计的方法，对汽车儿童安全座椅的原型进行形状变异设计，获得了7项专利并应用于企业的实际生产中。

图16 变异构形

3 结 论

创新性构形设计在工程图学教学中是一个全新的课题，主要目的是培养学生的创造性和工程意识。在工程图学教学中引入创造性构型设计教学，可以有效地激发学生的创新意识和构型设计能力。近年来，我校设计学院学生共获得各类大赛奖项100余项，我校学生连续3年参与“高教杯”全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛，均获得团体一等奖，并获得三连冠特别奖，说明我们的图学教改工作是卓有成效的。如前文所述，引入构形设计训练还可以及时发现教学中的薄弱环节，巩固学生对知识点的掌握，对提高工程图学课程的教学效果有很大的帮助。

[1]陈锦昌. 论本科工程图学课程教学基本要求的修订[J].工程图学学报, 2004, 25(3): 101-105.

[2]张锡滨. 制图教学中创造性构型设计能力培养的探索[J]. 中国科教创新导刊, 2011, 16: 70-80.

[3]王枫红, 欧礼坚, 陈炽坤. 创造性构形设计教学内容与训练方法的研究与实践[C]//2011高等教育理工类课程教学研讨会论文集,美国科研出版社, 2011:1150-1153.

[4]孙 炜, 陈锦昌, 陈 亮. 工程图学教育中加强构型创新设计能力的探索与实践[J]. 东华大学学报,2010, 36(4): 457-461.

[5]沈 法. 现代产品设计[M]. 郑州: 河南美术出版社,2009: 4.

[6]黄向裕. 构形设计的研究与实践[J]. 机械工程与自动化, 2004, (4): 121-122.

[7]李茶青. 工程制图在结构造型设计中的作用[J]. 浙江水利水电专科学校学报, 2004, 16(2): 1-2.

[8]董仲元. 设计方法学[M]. 北京: 高等教育出版社,1991: 10.