数字孪生技术在家具设计实践教学改革中的应用研究

陈建 陈瑞杰 王艺涵

（1.信阳学院；2.郑州思念食品有限公司；3 河南树墩子文化传媒有限公司）

设计实践教学是培养学生实际操作能力、创造力、综合应用能力以及审美能力的重要方式，当前在人工智能等技术的发展中，为更好地培养学生的创新能力与解决设计过程中实际问题的能力，将数字孪生技术与家具设计实践相结合，通过数字孪生技术建立家具设计课程的数字化平台，实现家具设计课程的仿真与模拟，以达到虚拟与现实显示相结合、理论与实践相结合，更好地促进学生发展的目的，并弥补实训过程中设备不足与实训操作安全等方面的问题。

数字交互以及人工智能等技术的发展，为教育教学方式变革提供了新的发展方向，也为未来智慧学习空间的重构、全自动化教学方式提供了新的进步方向[1]。数字孪生技术是一种将实际物理系统与其数字模型相结合的技术[2]。它基于先进的传感器、数据分析和模拟仿真技术，能够对物理系统的运行数据进行实时监测、收集和分析，并在数字环境中建立对应的虚拟模型。基于该技术的特点，在家具设计课程教学的过程中，可以利用该技术建立课程的数字化模型，通过学生的仿真练习可以提前发现实训过程中容易存在的问题，能够有效提高实训效果、降低实训风险、节约实训成本[3]。

一、当前“家具设计”课程实践教学存在的问题

（一）实训设备少，学生基础薄弱

为提高学生的专业实践技能，学校往往会增加相应的设备，而且与之相关的实训设备价格高昂，同时还需搭配各种类型的模具与配件，并且设备的更新迭代速度较快，学校需要投入的经费较多，当前对一般的民办本科高校来说，很难满足这样的实训教学，因此在实践教学中，学生能够接触的实践机会较少，专业基础比较薄弱。

（二）学生主观能动性不足

在传统演示性的实训教学模式中，受设备数量与实训学时等的限制，导致学生实际动手操作的实践机会少，思辨意识弱，更难以调动学生的主观能动性。

（三）实训课程内容陈旧，学生个性化发展受限

艺术与技术相统一是设计过程中不可或缺的考虑因素，在当前物联网技术与智能制造等技术不断发展的过程中，家具设计课程在实践中仍遵循早期专业建设的要求，长期按照特定的设计规范进行实践活动，压缩了学生在设计与实践过程中的自由度与探索空间，不利于学生的个性化发展和综合能力的培养。

二、数字孪生技术在家具设计实践教学改革中的架构

根据家具设计实践教学当中的设备、实践学时、材料、安全、实践反馈等问题，构建家具设计实践数字孪生系统。该系统主要由物理层、数据层、模型层和功能层四个部分组成，如图1所示。物理层通过3D扫描设备采集物理实训场景的信息数据，借助3D建模软件将扫描得到的点云数据转换为物理场景的孪生模型，通过传感设备将数据传输至数据层。数据层对采集的数据进行存储与管理，通过算法和建模技术进行数据分析与挖掘，以获取家具设计的特征与规律，为模型层面创建数字孪生模型提供支撑。模型层通过构建的孪生材质模型、环境模型、功能模型、交互模型，与真实家具设计进行对比和验证，评估数字孪生模型的准确度与可靠性。功能层，通过前端开发技术（Cascading Syle Sheets，CSS）搭建平台的交互界面，实现孪生实践平台的操作与反馈，借助AR、VR技术实现身临其境的交互体验。

图1 家具设计数字孪生实践系统架构

图2 家具设计实践数字孪生授课模式

三、数字孪生技术在家具设计实践教学改革中的应用

根据数字孪生技术的特点结合家具设计实践教学的过程，梳理出知识性、技能性、情境性三个知识类型，根据知识类型的特点，整理出全面感知（KP）、师生互动（PII）、智能预测（IP）三种数字孪生学习模式。按照实践教学中，理论知识讲授（TT）、实践过程指导（PI）、实践结果反馈（OF）的授课模式，实施数据模拟仿真与能力实训相结合的数字孪生混合实践教学体系，如式（1）图（2）所示：

（一）数字孪生在理论知识讲授中的应用

在理论知识讲授环节中，在传统讲授基础上，通过引入数字孪生技术的基本概念和原理，与课程中的设计实践内容相对应，通过实际案例、图形展示、游戏体验等方式，将抽象的理论概念转变为具体且有趣的形式，激发学生的兴趣和学习动力。同时利用数字孪生技术创建虚拟模型，并在课堂上使用多媒体工具展示这些模型。通过增强现实与虚拟现实等技术实现可视化交互体验，使学生能够直观地理解复杂的设计原理和构造，加深对相关知识的理解和记忆。

（二）数字孪生在实践过程中的应用

在实践过程中以传统实践模式为基础，数字孪生实践模式为辅助，通过数字建模软件将设计概念转化为可视化的形象。通过Unity 3D创建数字孪生实践平台，使得学生可以在虚拟环境中对家具的尺寸、外观、材质等参数进行调整，从而更好地展现设计想法。针对家具的结构、功能、制作等的实践过程，通过基于物理引擎的仿真工具，使学生可以模拟家具的结构、功能，并评估其稳定性、承重能力等，帮助学生提前发现设计、加工制作中潜在问题，并为设计方案的优化提供支持。

（三）数字孪生在实践结果反馈中的应用

传统的实践结果反馈主要依赖于教师或评估人员的主观判断，这样的评价方式可能存在一定的误差和偏见。基于数字孪生技术在实践结果反馈方式通过传感设备连接物理设备与数据库，将学生实训过程中的实时数据反馈给教师端，参数化的反馈方式能够对学生的实践结果给予客观性、准确性的评价，也便于对学生的掌握程度进行精细的指导。此外，仿真模拟的实践模式也能够快速检验实践结果的有效性，降低实践风险，提高操作人员的技能水平。

四、结语

基于数字孪生技术的家具设计实践平台，从家具设计实践教学中的主要问题为出发点，结合实践教学的基本原理与数字孪生技术的特点概括总结了以理论知识讲授、实践过程指导、实践结果反馈的数字孪生实践教学体系。基于该平台的实践教学体系可以较好地为实践教学提供多样化的实践方案，满足学生个性化发展的培养需求，能够有效打破传统实践教学在时间、空间、资源等方面的物理限制，拓展实践教学的内容，降低实践成本，提升学生的体验感与认知力对学生创新能力和专业技能的培养具有良好的促进作用。