新形势下工业设计实验教学教师专业知识构架探讨

张轶哲 董 佳

（南京工业大学浦江学院 江苏·南京 210000）

本文建立在《新形势下工业设计实验室课程教学探讨》（《科教导刊》2019年第十四期）基础上，探讨实验室教学教师的专业知识构架。

新形势下工业设计实验室解决的教学任务是辅助学生通过实践完成理论认知过程，并且打破理论与实践的瓶颈，并完成设计概念的实物化过程。

传统的手工实践与教学是实验室教学教师必不可少的专业技能，但是由于现代科技的进步，以及现代科技对实验室的介入，传统的知识构架就不能再胜任现在的实验室管理与教学任务。需要更新并探讨适应新形势下工业设计实验室教学所需要的理论构架。

新形势下，实验室必须与时俱进地引进先进的数字图形图像技术、数字制图技术、数字三维建模技术、先进的网络技术、快捷的信息传输技术、数字三维打印实物成型技术、数字多轴雕刻技术，数字三维采集与修复技术等数字设备与数字软件，并且在拥有海量资源的信息时代提取有效信息的能力。

实验室实践操作可分为二大类，即人工手工操作与机器自动操作，手工操作类的实践课程是必要课程，也是实验负责教师的基本业务能力及基本知识构架。而新形势下需要在保证传统的教学模式下加入适应现代化教学的内容，虽然数字化控制已经不是什么新的概念，但是在实际实验教学过程中并未真正形成可实施的教学系统。由于储备的知识不足，很多先进设备束之高阁，并未真正应用到教学中。现在迫切需要建立系统的知识构架提升教学质量。

实验室相关教学的最终目标是把设计理念中的物像通过各种机器与加工工艺转化为实物的过程。我们需要的知识构架即是完成这种操作流程的知识与技能。在我们现的教学体系中会分为理论与实践两个部分，而大多数情况下这个系统被分为不同的教学者进行实施，这种方式带来的影响造成理论与实践之间的割裂与不连贯。而在现实的教学过程中也人为地对这两个部分进行了侧重。

根据马克主义哲学原理的思想，现在我们把理论称之为认知，认知为整个教学系统中的一个环节，与实践密不可分，在某种层面上来讲，认知也是一种实践，所以现在的理论教学与实践教学的提法是不全面的，而人为定义侧重点也是不科学片面的。

在现代科技的影响下，数字技术介入实验室可以打破传统的理论与实践的“瓶颈”，“虚”的理论构思到“实”的对象成型。在传统手工实验室的教学模式下，理论与实践结合极难形成，动手技能的提升是需要时间与体力的付出的，而在大学教学实践中受学时的限制，不可能有或者不能全面进行积累的，所以之间存在一个极大的“鸿沟”，造成了理论与实践之间关系的脱节，三维造型技术与设备的出现为弥补这一差别提供了可能性。

如何解决这一问题，为我们解决知识构架需求提供可能。在分析工业设计实验室实验对象完成的阶段中我们整理出每个环节的必要条件并可优化出适合的最优化知识结构。

数字化制造最大的优势就是通过数字化模型通过数控设备精准成型，则整个流程就变为构思、建模、加工、成品阶断。

构思：在整个系统中，构思是每个教学单位最为重视与重点培养的部分，我们在此不做讨论。这是每位实验教学教师先天所具备的技能。

建模：所谓建模是指通过计算机图形软件，建立未来加工对象的数据尺寸，包括二维与三维，所用软件分为图形类软件、图像类软件、CAD制图类软件、三维类软件。种类繁多，我们如何选择并提升软件使用技能是完善自身知识构架的重要保障。不同的专业倾向有着不同的选择。

加工：数字模型提供后，即可通过编辑机器加工程序进行数控成型加工，利用三轴雕刻机、三维打印机、激光雕刻机、水刀切割等设备成型制造。

成品：是机器制作完成后对实验对象的后期加工整理。

通常以上是工业产品实验加工的流程，针对此我们自身的知识构架建设则需要以下三个部分进行分析，即理论准备阶段、设备保障阶段、应用阶断。

理论准备阶段：用数字化技术必须要制作数字化机器可以读取的数字文件，而现阶段可以使用的数字软件可以分为文字处理软件、图形软件、图像软件、CADCAM类软件、三维建模类软件。这些软件通过相应的转换方式皆可以编辑机器加工程序而进行成型制作工业产品，因为软件种类繁多，而个人的时间有限，所以不可能所有软件都可以接触到，我们的文字处理软件学常见的为OFFICE办公软件、WPS软件；图像软件以Photoshop软件为主，还有Paint软件等；图形软件为生成矢量格式的文件为主，包括Adobe Illustrator、Flash、CorelDraw等；CADCAM类软件为计算机辅助设计与计算机辅助制造软件，其包括种类非常多，AutoCAD、Rhino 3D、Creo、ProE、Solid work、UG、等；三维建模类软件包括：3DSMAX、MAYA、Zbrush等，另外CAD类软件也具备三维建模功能。如此众多的软件，如何选择性地学习，我们可以分析实验室常用数控机器的加工特点进行选择，数控机器加工动作可以概括为：“切割”“凿挖”“立体”三种动作。

切割是对工件进行裁断的一种工艺，其裁断方式是依据矢量的路径进行一定深度可逐层深入的切削加工方式，对软件的要求是能生成路径（PATH），Photoshop、Illustrator、CAD类的软件都能生成路径，而数控机器的编辑加工程序的软件通常都可以支持AI格式、DXF格式，针对专业而言、视觉专业方向的可学习Photoshop、Illustrator、即可，室内专业方向、产品设计方向的可以学习更为数据精度高的CAD类软件中的一个。

凿挖工艺是指不贯穿加工材料的区域加工方式，其加工限制与切割工艺基本相似，不同点在于加工时往复叠加刀具。所需软件相同。

立体加工，一般是加工出复杂的立体构件，包括浮雕、立体多面成型构件，通常用的机器三轴雕刻机可以雕刻浮雕作品，而立体构件则需要多轴加工机器，而这些成型则多数采用3D打印机完成了。如果是家具专业方向的则需要3DS MAX作为软件知识的构架，如果涉及雕花设计，则需要Zbrush软件。加工程序编辑软件一般都支持STL格式与OBJ格式。

综上所述，在理论准备阶段所需要的知识构架在软件要求上的最低标准是，掌握 PSAI、AutoCAD或 Rhino 3D、3DSMAX。

设备保障阶段：是指机器正常运作的保障的系列问题，包括编辑加工程序、机器运行特性。

编辑加工程序通常被数控机器的售卖方称之为“编程”软件，这对未使用过数控机器的操作者而言是一极大恐慌，存在极大的误导，此“编程”实则是为机器编辑加工程序，而非用“C”语言之类的编程软件进行代码设计的编程。加工程序的编辑重点还在于数据模型的建立，即前期理论准备阶段所需的知识构架。而针对加工对象选择适合的刀具、加工的优先顺序、刀具的加工路径生成、ENG文件或NC文件的生成、机器运行行程控制、三维雕刻机的空白部分支撑结构的设计。机器加工编程类软件都为机器自身所带，“专机专用”虽然数控机器种类繁多，但是其所处理的问题是一定的，所以学习方法也就相对简单。此也必须掌握。

机器运行特性：包括机器本身运作的特点，以及加工对象的特点，合理编辑加工程序。

机器的运行速度、刀具的先择、夹具的设计与选择、被加工对象的材料属性，都会极大影响实验对象的精度。工业设计实验室进行的实验教学包括产品设计、服装设计、视觉传达设计、环境设计等，实验教学中，其实践的被加工对象多种多样，需要处理的对象形状也千变万化，但是我们可以根据加工对象的材料属性进行分类，可分为柔性材料与刚性材料加工方式。柔性材料的典型材料为纺织类面料、纸张，其特点是延展性好，弹性强，形变大，相对精度限制的要求低。刚性材料的典型材料为金属、木材、石材、各种树脂类等，加工精度要求较高。材料的不同限制了机器的使用，反之，不同的机器可以加工不同的材料，这也是实验教学教师必须掌握的知识构架。

应用阶断：包括机器加工程序改良、安全保障。

机器加工程序改良包括机器加工程序设计改良与夹具工件改良。机器加工程序设计的改良是指在总结常规加工编程后，对复杂影响加工效率的步骤进行改良，提高运行效率。另外，工业设计实验室需要面对的工件复杂多样，在实践工作中通常对如何夹持实验对象而耗费极多的时间，相对于专业企业的加工模式，其夹具功能是专用性质的，功能专一并高效。为了提高效率，需要重新设计大量的夹具，并提高夹具的精度，通常用实验室内的数控加工设备，结合高精丝杆，与高精度光轴进行设计，从而提高夹具夹持性能，提高工作效率。因此针对机器设备，实验教学教师也必须具备夹具设计的知识构成。

安全保障：机器的运作大都是高速、高热的、强光等，在实际工作中会出现较多的情况影响机器与机器使用人员的安全，实验教学教师需要加强机器突发状况应对与人员救护的知识。

以上论述了现阶段新形式下实验教学教师所应具备的知识结构。

总而言之，“实验室是现代化大学的心脏”，实验室的重要性不言而喻，而在新的形势下，会有越来越先进的科技融入到实验室的实践中，实验教学教师应不断关注并研究新的科技内容，丰富自己的专业知识构架，应对日新月异的科技进步。