产品造型设计虚拟仿真实验教学系统开发研究

左景武

(北京师范大学珠海校区工程技术学院，广东 珠海 519087)

作为产品开发的重要环节，产品造型设计服务于企业的整体形象设计，需融合产品外观、功能需求、审美体验、品牌形象等综合因素，以更好地满足个体与社会的需求。产品消费市场需求对高校工业设计专业的人才培养方向、专业课程设置及其教学方法与手段提出了新的要求。尤其进入教育信息化2.0时代，信息技术成为实现教育现代化的助推力，也影响着工业设计教育形态和教学模式的深刻变革[1]。

近年来，依托教育部政策与财政支持，国家虚拟仿真实验教学平台建设蓬勃发展。教育部相关文件明确指出，虚拟仿真实验教学平台的建设应坚持“学生中心、产出导向、持续改进”的原则，突出“应用驱动、资源共享，将实验教学信息化作为高等教育系统性变革的内生变量”[2]，这将为高等设计专业课程体系改革注入内生动力。产品造型设计教学引入虚拟仿真实验的新手段与新方法，将为高校工业设计专业实验教学与人才培养体系的创新性发展带来契机。

从现有国家虚拟仿真实验教学项目的建设情况看，学科分布存在着不平衡发展的趋势，呈现重理工科而轻人文社科的学科建设特征。如教育部公布的2017—2020年国家虚拟仿真实验教学建设项目共计1 000项，其中艺术设计类总共才50项，与工业设计专业相关的仅30项，主要分布于结构分析与设计、制造与加工工艺等偏重机械技术的实验项目。可见，产品造型设计虚拟仿真实验平台还有待开发。

1 产品造型设计课程虚拟仿真实验平台建构的价值

产品造型虚拟仿真实验的总体目标是改革传统的实验教学方式，以解决传统产品造型设计教学中“重创意、轻校检”的问题。教师通过产品造型虚拟试验平台，借助于网络对整个实验教学过程进行管理、辅导和监控，学生则通过网络平台自主地接受教师的辅导，完成实验。作为一个开放性教学系统，造型设计虚拟实验是对传统教学内容、形式的深化与拓展[3]，学生得以通过实验的方式直接面对和解决造型设计过程中遇到的实际问题,有助于以问题为导向的设计思维能力的培养。

当前传统产品造型设计教学，一方面受到学校实验硬件条件的限制或教学手段的制约无法展开深入的市场调研分析，另一方面作为学习主体的学生，由于其视野不开阔或设计经验不足，对产品造型的设计过程存在着主观臆想、脱离实际等问题，以至于设计出来的产品外观既不符合审美需求也无法实现其技术功能。这些问题往往会在产品开发设计后期才暴露出来，不得不修改设计方案，甚至推倒重来，从而延长设计周期，同时大大增加设计成本。究其原因，主要在于整个设计过程中缺乏相应的工程技术手段对设计方案进行有效的校验。如何填补这一环节的缺失，是产品造型设计教学的关键问题。如果将虚拟仿真技术应用到设计教学中，即在产品设计的创意阶段就应用虚拟仿真技术，那么设计过程中的外观设计环节将会得到有效的检验，使得项目所开发的产品既符合美学规律，又能满足工程技术要求。在方案最终确定后，再用虚拟仿真技术对产品从外观、结构、人机工程等各方面进行检验，以设计出兼具审美与技术价值的合格产品。加入虚拟仿真实验环节的工业设计流程如图1所示。

在产品开发设计的全过程中，产品造型设计是前期环节。通过虚拟仿真实验平台，利用计算机可视化技术及网络技术，对产品的设计、制造、生产和各项试验进行准确的数学建模和仿真，在产品试制之前就能模拟出产品结构，将产品的外观、性能展现出来，使产品设计的周期大大缩短。通过模拟仿真，在产品开发定型之前就能确定产品造型的设计合理性和可行性。在此基础上预测其加工过程中可能出现的问题，从而确保产品质量，降低开发成本。这使得工业造型设计教学真正做到“以问题与市场需求为导向、紧密结合专业特色与行业产业发展最新成果”，有助于加强对学生社会责任感、创新精神、实践能力等综合素质的培养[4]。鉴于产品造型设计教学在工业设计专业发展中的作用，其虚拟仿真实验平台的建构、教学手段的更新具有重要意义。

图1 加入虚拟仿真实验环节的工业设计流程

2 产品造型虚拟仿真实验教学系统设计思路

与其他机械设计等专业的虚拟仿真实验平台相比，产品造型设计虚拟仿真平台教学系统除了解决真实实验成本高、耗时长、实验效率低下等共性问题外，更强调对学生创造性思维的量化呈现，而非真实实验项目的数字化复刻。平台针对传统课堂教学实践中学生重产品外观创意而轻结构功能检测等问题，引入数字化三维形态推演、参数化生成设计、造型结构校检等手段，探求产品形式与功能、实用与美观之间的平衡发展，使学生的创造性设计思维得到更理性、有效的表达。

完整的产品造型设计虚拟仿真实验教学系统包括3个部分：三维形态演示模块、造型设计虚拟仿真实验模块与设计成果输出模块。演示模块主要由多媒体投影系统、动画影像、VR(virtual reality)实时动态演示等部分构成；虚拟仿真实验模块主要包括自行开发的三维形态参数化生成软件和实验结果分析软件两大主体，以及Unity3D、Virtools、SolidWorks、3DsMax、Rhinoceros等具备开发、整合与服务功能的主流三维CAD(computer aided design)软件；设计成果输出模块则包含喷墨打印机、3D打印机、CNC(computer numerical control)机床等硬件设备。

产品造型虚拟仿真实验平台是系统的核心部分。根据实验行为主体，该模块分别设立学生模块、教师模块和管理员模块。其中，学生模块具有功能完善的产品三维设计虚拟仿真软件，学生通过登录虚拟仿真实验系统，在实验平台上操作，进行自主性与探究性学习，完成三维形态推导、参数化生成设计、造型结构仿真、实验结果分析等。教师通过平台中的教师用户端，根据教学要求对学生的设计过程进行跟踪，指导学生对三维形态初始方案进行优化，进而迭代出合理的优化方案。教师通过设置在线交流，包括提问管理、批改实验报告、反馈成绩等，实现师生之间的双向互动。此外，学生实验能力评价结果也是实验教学的重要内容之一。在教学设计中，要求对学生在产品造型虚拟仿真实验过程中所获得的新的知识体悟、能力与素质进行全方位的评价[5]。管理员模块可满足系统管理员对课程教学平台的日常维护工作要求。产品造型虚拟仿真实验平台架构如图2所示。

建设和实施该虚拟仿真实验系统的难点有两点：一是虚拟仿真软件的开发需要满足产品造型规则,获得产品初始造型的功能需求，涉及参数化生成设计(parametric generative design)；二是软件平台与硬件环境的整合，学生通过虚拟仿真实验系统设计出的产品造型初始方案需要通过平台硬件设备进行模型输出并进行有效的校检，这需要软硬件的对接才能实现。

图2 产品造型虚拟仿真实验平台架构图

3 产品造型虚拟仿真实验教学流程

产品造型设计课程教学分为若干个教学模块，每个模块的教学均采用先线下后线上的教学方式，并根据教学内容差异对线下和线上的教学学时进行合理分配。线下教学主要在教室开展教学活动，教师采用多媒体课件、动画影像、实时动态演示等手段对学生讲授产品造型设计规范、经典产品的造型设计分析、虚拟仿真软件功能等内容，然后以较为简单的小型产品的三维形态为例讲解三维形态生成的变化规律。通过线下教学讲授产品造型设计基础等，在学生具备了产品造型设计的整体性认知后即可进入线上教学环节。

在线上教学中，教师向学生系统讲授产品造型虚拟仿真实验操作流程和在产品造型生成过程中形体的变化规律，让学生在虚拟仿真系统中模拟完成三维形态生成与校检实验。最后，到3D打印实验室打印出虚拟仿真实验系统中设计好的产品，总结虚拟仿真与真实三维形态结果的差距，对产品造型虚拟仿真实验教学项目提出修改意见，同时要求学生在结束产品造型虚拟仿真试验后完成实体模型测试。产品造型虚拟仿真实验通过对虚拟仿真技术的运用，实现对产品形态外观、CMF(color-material-finishing)、机械结构、人机工程、制作工艺的仿真，取得更具科学性和客观性的结果，更好地实现产品造型的创新应用。产品造型虚拟仿真实验教学流程如图3所示。

基于以上教学，学生可以掌握产品造型设计的全流程，在此基础上针对设计方案进行有效评价，发现并解决学习过程中出现的各类问题。学生在掌握完整设计流程的基础上，对设计方案获得整体认识，并要求对设计方案进行正确、客观的评价。虚拟仿真技术在一定程度上为设计师解决了方案后期的结构设计、加工与制造问题，增强了设计方案的切实可行性[6]。虚拟仿真技术的引入，不仅改进了学生的产品设计方法，更有助于提升其产品设计水平。

图3 产品造型虚拟仿真实验教学流程图

4 产品造型虚拟仿真实验平台的教学应用分析

产品三维形态生成与校检是产品造型设计的关键一环。学生在实验前已在线下接受产品造型设计基础及造型美学方面的知识传授，根据教师布置的课题项目设计好初始方案，并在此基础上通过虚拟实验把抽象模糊的概念草图设计成为直观具体的产品。在实验过程中，学生把工业产品常见形态分解成若干几何基本体，再分析各基本体的尺度、比例参数，正确处理基本体内部的形体变化以及基本体之间的连接关系和融合方式，进而根据各模块的功能和内部结构对基本体细节形态进行优化设计等。

在具体的三维形态设计方面，学生基于产品造型虚拟仿真实验平台，首先建立几何基本体作为产品造型的基础形态，然后根据几何基本体进行初步形变后获得产品的初始形体。通过对几何基本体类型、方体长宽高、柱体长径比、锥体锥度、球体直径、棱边倒角半径、椭圆度、曲面弧度等参数的设定，获得造型各异的产品，通过试验所得初始形体的尺寸、比例、方向、角度等参数，衡量产品造型的美观性与可行性，在此基础上通过虚拟仿真校检技术，了解叠加、减切、分割、边缘处理等造型方法在三维形态基本体和复合体的形态生成中产生的形态变化情况。如图4所示，以六面体与球体、圆锥体与球体、六面体与圆锥体3组几何基本体为设计原型，分别通过叠加、减切、分割、边缘处理等4种造型方法对几何基本体进行初步的形态设计，获得了12个形态各异的三维形态。在此基础上可以针对任意一个粗胚模型进行深化设计，最终获得满意的产品造型。

图4 3组几何基本体通过4种常用造型方法获得的三维形态

通过上述实验步骤，学生可以进一步判断产品形体结构在工程设计上的可行性，并通过试验研究产品形态要素的组合，为改进产品形态设计方法提供依据。通过对产品造型进行校检，使学生对三维形态造型规律有深入认识。产品造型虚拟仿真实验系统采用三维动画的形式向学生展示实验全过程及注意事项，形象直观，通过虚拟仿真实验，学生了解了产品造型基本要素的组成以及三维形态生成操作、形态数据处理方法，掌握了实验流程及操作要点，从而更加高效地完成实验。通过“艺工融合、虚实一体”的虚拟仿真实验[7]，学生掌握了试验方法、实验流程及操作要点，可以更好地参与设计体验，在真实项目设计中更高效地完成方案设计。

5 结束语

产品造型设计课程教学中引入虚拟仿真实验，打破了造型设计课程教学的时空界限。实体实验室与虚拟仿真技术平台等教学资源的整合利用，使线下与线上教学齐头并进，除了能有效地解决真实实验成本高、耗时长、实验效率低下等设计类课程教学中存在的共性问题外，更重要的是能促进和拓展学生的创造性设计思维的表达。工业设计专业产品造型设计课程实验教学体系的发展与完善推动了教学实践过程中“追求产品外观”与“注重功能校检”相融合的设计理念的贯彻，使教学以设计市场需求为导向,并立足于设计产业发展的前沿，因此产品造型设计虚拟仿真实验教学的推广，将推动工业设计传统教学理念与模式的深刻变革。