基于SPOC的 “计算机辅助工业设计” 项目制教学探索

张一（上海视觉艺术学院，上海 201620）

计算机辅助工业设计（CAID，Computer Aided Industrial Design），即在计算机及其相应的计算机辅助工业设计系统的支持下，进行工业设计领域的各类创造性活动[1]。CAID是帮助设计人员进行设计计算、设计方案呈现及与后续生产对接的重要设计手段，也是设计类专业学生必须掌握的核心技能，几乎所有院校的设计类专业均开设计算机辅助设计课程[2]。在设计的各主要环节（调研及研究、需求分析、概念设计、详细设计、结构设计、样机制作、产品试制等），都可以有相应的CAID工具介入[3]。CAID课程内容的设定尤为重要，既不能太宽（比如把并行工程、人工智能、智能制造等包含进来），又不能太窄（比如停留在产品外观形态设计层面），而应该是配合设计全流程的各种CAID工具。为了在有限的教学时间内，使学生掌握各CAID工具，理解CAID的内涵，发挥CAID在设计全流程中的作用，我们研究了相关的教学方式，借鉴了相关课程，对基于SPOC（Small Private Online Course，小众私密在线课程）的CAID项目制教学进行了实践探索。

一、文献研究

（一）SPOC线上线下混合式教学

SPOC是将MOOC（Massive Open Online Courses，大型开放式网络课程）与课堂教学相结合的一种混合式教学模式，是对MOOC的继承、完善与超越[4]。混合式教学的教学理念是“以学生为主体、以教师为主导”[5]。在混合式教学中，“线上”教学不是整个教学活动的辅助或者锦上添花，而是教学的必备活动；“线下”教学也不是传统课堂教学活动的照搬，而是基于“线上”的前期学习成果，展开的更加深入的教学活动[6]。深度学习是一种主动探究性的学习方式，要求学生进行深度的信息加工、主动的知识建构、批判性地运用高阶思维、有效的知识转化与迁移应用及实际问题的解决[7]。

成振波、秦燕以计算机辅助工业设计课程为例，对基于MOOC/SPOC的任务驱动课程建设展开研究[8]。娄晖以工程制图课程为例，探讨了以学生为中心的SPOC课程平台[9]。潘小栋、卢艺舟研究了基于 SPOC 的“计算机辅助产品表现”课程教学模式重构[10]。成振波、柯善军、秦燕对SPOC模式下“计算机辅助工业设计”课程的学习行为进行了分析[11]。诸如此类的研究非常多，也指出了SPOC教学方式在“计算机辅助工业设计”课程教学中的适用性。

（二）工业设计（产品设计）项目制教学

项目制教学是以课题项目和实体项目为主要教学内容，以研究型和实践型人才培养为目标[12]。项目制教学以教师为指导，以学生为中心，以真实工作任务场域为情境，以具体的项目为依托，以完成现实工作任务为内容的一种人才培养方法[13]。通过项目制教学，教师能够发挥自己的专长，提高教学效率，有助于学生专业技术实践的加强；学生可与教师进行充分沟通，将所学专业知识与实践相结合，提高实践能力[14]。

在设计专业，项目制教学是一种常见的教学方式。关荣研究了美国密苏里大学工程学院工作室项目制教学— 如何定制个性化自行车，该研究对国内工业设计（产品设计）专业的教学有借鉴意义，包括：按周次进行汇报展示，课程循序渐进，给学生充分自主创作空间，调动学生开展自我探索、分析、解决问题的过程；分组探讨与学习，模拟演示，数据分析，模型制作等；不同层次（博士研究生、硕士研究生、本科生）的学生进行讨论与合作；强调课题的专业性，制定切实可行的教学计划，构建符合教学规律的教学体系等[12]。崔木扬、王小冬对项目制教学理念进行了深度实践研究，探讨了企业参与课堂的教学方式、以真实设计任务为载体的项目制教学方法、设计成果评价多元化对学生思维的影响、教师集体授课的模式[15]。

二、基于SPOC的CAID项目制课程的设计与实施

上海视觉艺术学院“计算机辅助工业设计”课程自2006年开始授课，发展至今，教学内容、课时安排、师资力量已趋于稳定，教学方法逐步完善，教学质量逐年提高。课程分为二维软件（Photoshop、Illustrator & Indesign，2轮各54课时，各3学分）和三维软件（Rhino、Solidworks & Keyshot，3轮各54课时，各3学分），2015年开始基于超星学习通平台开展CAID课程的SPOC教学方式的探索，2019年结合项目课题开展基于SPOC的CAID项目制课程教学探索。

（一）《CAD/CAM三维软件（1）》课程学情分析

《CAD/CAM三维软件（1）》（此课程名称为本校教务系统里的名称，实际上即通俗意义上的《计算机辅助工业设计》）首次采用了基于SPOC的CAID项目制课程教学， 3个学分，54课时，每周4课时。《CAD/CAM三维软件（1）》的教学目标是：使学生能够利用CAID软件进行复杂造型产品的建模并利用三维打印技术制作展示外观模型，绘制高质量的效果图，具备一定的三维动画及视频剪辑能力，并能使用软件辅助调研、分析、汇报、展示；能将三维软件与设计应用相结合，达到辅助设计的目的。

《CAD/CAM三维软件（1）》的课程基本信息如表1所示，其前置课程有：《电脑辅助设计导论》《二维软件1》《二维软件2》《测量与工程制图》《模型制作1》《材料与工艺》《人机工学与交互1》《设计创新思维》《产品设计基础1》《产品设计基础2》等。学生已具备Photoshop、Illustrator、Indesign等二维软件的技能，Rhino、Keyshot简单产品建模与表现的技能，产品手绘表现的技能，基础产品实物模型制作的技能；也具备了一定设计创新思维，了解产品设计一般的流程与方法；对产品交互、设计制图规范、产品材料与工艺有一定了解；也经历过相应的设计课题训练，有基础设计的能力。

表1 《CAD/CAM三维软件（1）》课程基本信息

（二）《CAD/CAM三维软件（1）》课程设计及开展

核心教学内容：Rhino建模进阶，能够建立包含复杂曲面的模型，曲面的质量高，可以满足三维打印的要求；Keyshot渲染进阶，能够渲染高质量的效果图，并能够制作简单产品动画；适应课题的产品设计流程与方法，以及全流程的CAID工具的使用。

拓展教学内容：思维导图工具、视频剪辑、数位板（数位屏）手绘、材料与工艺、设计案例分析等。

归纳起来，教学采用“两条腿走路”，一条是软件技能的教学，尤其是Rhino和Keyshot的进阶教学；另一条是全流程的项目制教学，基于设计流程和项目所需补充知识，将软件与设计应用相结合。从教学组织形式看，前者更适合线上教学，后者更适合线下教学。

（1）线上教学

设计软件的教学，线上教学有着明显优势：1、教学内容相对固定，大部分是工具、技巧和案例，录制线上教学视频，可以省去教师大量的重复劳动，节约课堂教学时间，使课外学时被真正有序利用起来[10]，后续只需知识点和案例的更新和补充即可；2、软件的学习，除了讲解之外，更重要的是通过学生的形成性练习来获得知识，即建构主义的教学—在教师指导下的、以学习者为中心的学习，强调学习者的认知主体作用，又不忽视教师的指导作用，教师是意义建构的帮助者、促进者，而不是知识的传授者与灌输者；3、使得个性化教学成为可能，实现因材施教的分层次教学[10]：不同学生具有不同的知识经验和学习能力，对设计软件学习的进度往往相差很大，通过在线视频，学生可以按不同的学习进度反复观看直至掌握。

SPOC教学的核心资源是建设高质量的在线视频课程[10]，对于线上教学，教师需要录制完备的教学视频，制定切实可行的学习计划及进度，掌握学生在线学习的情况，对作业练习进行评价与指导等。《CAD/CAM三维软件（1）》在“超星学习通”平台按章节上传了Rhino、Keyshot及版面设计的教学视频170个共计34小时11分钟，每周布置学生学习的内容，通过平台的数据掌握学生观看各视频的时间及频次；学生每周将作业上传至该平台，教师进行打分及点评。

此外，可以通过提供给学生更多的线上资源，引导学生进行扩展学习及训练，《CAD/CAM三维软件（1）》提供了“Premiere视频剪辑”“After Effects后期效果”教学视频资源供学生自学。随着互联网的发展，在线教学资源极其丰富，比如哔哩哔哩、网易云课堂、网易公开课、腾讯课堂、中国大学MOOC、微信公众号等等。作为学习的组织者与引导者，教师要做的是教学资源的整合，将适当的线上学习资源推送给学生，供学生自主学习，通过与学生的交流来更新教学内容。学生亦会主动获取线上资源，可以朋辈交流甚至反哺教师教学。《CAD/CAM三维软件（1）》给学生推送了“哔哩哔哩”平台下的“Rhino3D原厂中国”、“云尚教育”及其他UP主①Uploader，在视频网站、论坛、ftp站点上传视频音频文件的人的高质量的Rhino及Keyshot教程，也通过微信向学生推送了“Rhino原厂”公众号的软件教程。

（2）线下项目制教学

对于设计软件课程，传统的线下教学主要是理论讲解、操作演示、答疑互动，这种模式存在明显的弊端，长久以来制约着教学效果的提升；引入SPOC模式的CAID课程教学，结合了线上与线下两者的优势，从时间与空间上突破了传统教学模式的局限[10]。通过课题的开展，使学生从产品设计全流程出发，利用探究性学习调动学生自主学习的积极性，使得教学质量有显著提高[3]。

基于SPOC的CAID项目制教学需要选择合适的课题，能够反映课程教学目标；在项目进度的安排上，需要考虑学生的知识结构、课时安排、在线课程的进度以及产品设计流程等因素。在项目的推进上，有严格的节点要求，流程及目标且切实可行。教师作为教练与推手，推动项目的开展，能够把控项目的进度与质量，在疑难问题上能够给予学生切实的指导。对目标进行分解，使学生逐步达到整体目标，在每一步目标达成后，学生将树立信心，并能激发后续学习的兴趣。

基于学情分析，2017级《CAD/CAM三维软件（1）》课程大作业的主题设定为：医疗健康类产品设计，难度符合产品建模及渲染进阶学习的要求。项目周期为14周，为保证项目进度，制定了可操作性高的设计流程（图1），具体教学进度安排见表2。在每一个流程节点，会有相应的知识点讲解、案例赏析，以便学生开展项目，并对项目阶段性成果有个预期。在下一次上课时，要求做项目汇报，以确保学生按流程要求开展项目，沟通想法、答疑解惑，并指出项目下一阶段工作安排及要求。

图1 基于SPOC的《CAD/CAM三维软件（1）》项目制课程教学设计

表2 2017级基于SPOC的《CAD/CAM三维软件（1）》项目制课程教学进度安排

周次 在线课程 线下项目推进 辅助设计软件 作业及产出10 Keyshot材质及灯光 CMF设计，渲染效果图 KeyShot等 设计报告、效果图11 Keyshot贴图制作 三维打印件打磨、喷漆、组装 产品外观模型12 Keyshot动画 三维动画制作、实物模型拍摄 KeyShot等 三维动画、模型照片13 渲染后期处理排版案例 视频剪辑、版面设计Premiere、Illustrator、Photoshop等短视频、展板、画册内页、设计报告14 汇报、展览 课程作业展

在课程项目推进时，教师展示相关CAID工具的使用，以对学生起到示范作用，促使学生主动去获取相关CAID的知识；通过教师的辅导，在实战上对学生运用CAID软件进行点拨，达到“即学即用、立竿见影”的效果。

在项目开始前，应明确让学生知晓项目总目标，以及各阶段目标。《CAD/CAM三维软件（1）》明确指出了各阶段的作业及产出，教师要做的是提要求、推动、辅导、交流；学生要做的是知识建构、技能训练、朋辈学习、探索及试验。

《CAD/CAM三维软件（1）》项目总目标是：设计一款创新性的医疗健康类产品，具有相对复杂的形态、结构，通过Rhino软件建立其3D模型，通过KeyShot渲染产品效果图及动画，配合其他软件综合地展示设计方案。最终的项目成果包含：Rhino模型、渲染效果图、展板、画册内页、产品展示视频、实物模型等。在课程结束后，将举行课程作业实物展及网络展。

（三）基于SPOC的《CAD/CAM三维软件（1）》项目制教学效果

以往的教学，是比较传统的设计软件授课；有些课程采用了SPOC的教学方式，但没有整合项目制教学。通过《CAD/CAM三维软件（1）》的开展，可以发现基于SPOC的项目制教学有以下优点：

（1）学生主动学习的积极性大大提高（图2）。为了很好地完成项目，学生必须学会相应的知识，做更多的思考与探索，除了线上教学、课堂上教师讲解之外，学生会自主学习相应的CAID软件、了解与项目相关的知识等；与同学、教师充分交流，互相学习，这比单向的信息传输效率要高的多。学生不是为了软件而学软件，而是通过CAID的学习打通了设计的各个环节，必将提高学习的兴趣。

图2 学习积极性高

（2）学生对CAID的理解更深刻。通过全流程的项目的开展，学生获取的不仅仅是软件的技能，更是对辅助设计的认识。在项目过程中，学生会查漏补缺，主动地去获取相关CAID知识，学习更有目的性和积极性，学习效果更好。

（3）教学效果显著提高。《CAD/CAM三维软件（1）》课程结束后，学生提交了预期的各种设计结果，作业量大，质量也有保障。具有展板、实物模型、产品视频的课程作业展（图3），得到广大师生的好评。课程作业网络展，在中国工业设计协会教育分会的官方公众号“工业设计教育”上以专题发表（图4），从另一个层面体现了教学效果。

图3 2017级《CAD/CAM三维软件（1）》课程作业展

图4 网络展

从教学评价上，也可以反映出该课程教学效果的提高。教学评价来自于两部分，一是学校教务处近三年的评教数据，二是超星学习通师生网络评教。近三年教务处评教院系排名分别为：7/35、8/66、15/88，均处于前20%名次。超星学习通的网络评教由学生进行评分，总分5.0，评教结果为5.0（22人评价）；通过学生评价的语言描述，也可以体现对课程教学的认可。

三、基于SPOC的CAID项目制课程的可复制性

在17级《CAD/CAM三维软件（1）》课程取得良好的教学效果以后，针对该班级的《CAD/CAM三维软件（2）》也开展了基于SPOC的CAID项目制课程。《CAD/CAM三维软件（2）》的主要教学内容是工程软件建模，不仅解决产品造型的问题，还解决产品结构设计的问题，为面向制造及装配打下基础。线上课程主要为Solidworks软件及产品结构设计；线下课程围绕项目展开，仍然走产品设计全流程，重点解决设计中的工程问题。项目课题为：给一现有品牌设计一款基于元器件的便携式蓝牙音箱，要求在设计上符合品牌的性格，能够实现播放等功能，造型美观、结构合理且能装配。课程作业包含：设计报告、展板、画册内页、产品视频、具备功能的样机模型等。

与《CAD/CAM三维软件（1）》课程相比，《CAD/CAM三维软件（2）》解决了设计中的结构及其他工程问题，向产品研发迈进。模型也由外观模型提升为样机模型，能够实现其基本功能。

此外，在18级《CAD/CAM三维软件（1）》和《CAD/CAM三维软件（2）》（图5）课程中，也采用了基于SPOC的项目制教学，其教学效果良好。

图5 18级《CAD/CAM三维软件（2）》课程作业

由此可见，基于SPOC的CAID项目制课程具有良好的适用性，在各类CAID课程中都可植入项目。教师根据各子课程的目标、内容、课时安排，选择合适的课题、调整项目流程即可。

四、结语

产品设计是一项系统性的工作，CAID也是全流程地服务于各设计环节。基于SPOC的CAID项目制课程教学，可以有效打通各设计环节，让学生理解CAID的作用，实践设计流程并训练软件技能，获得经验并收获设计作品。由于时间的限制，各类CAID课程，尚未全面开展基于SPOC的CAID项目制课程教学，各类CAID课程之间的关系仍需梳理，植入项目开展SPOC教学，仍需探索与检验。