工业设计模型制作的教学模式研究范文

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一、新技术、新设备的引入是模型制作教学的新趋势

在计算机辅助工业设计（CAID）领域，越来越多的建模、渲染以及工程软件（如Alias、Rhino、3DMax、Vray、Keyshot、UG、Pro-E）被开发研制，但这些软件都没有反馈和交互的功能，建模过程中学生无法体会到模型体量感及不同材质硬质和特性的区别。虚拟模型制作方法可以分为两种：一种是基于几何变形方法，主要使用自由曲线、曲面等数学描述方法，用户需要较深的数学背景知识才能控制局部变形所需的操作，目前广泛应用于计算机辅助工业设计领域；另一种是基于材料切除方法的虚拟模型制作技术，用户通过“雕刻”体素模型来产生所需的变形效果，主要用于数控加工仿真过程中[6]。西北工业大学的闫锋欣等人提出了基于QT的虚拟油泥模型系统（VCMS）[7]，以虚拟油泥造型方法为研究对象，研究虚拟油泥造型方法中的实时力反馈交互技术和造型控制机理，建立了一种新的虚拟反馈力仿真计算模型，讨论了并行计算技术和计算机辅助曲面品质分析方法在虚拟油泥造型过程中的应用，完成了一套带实时力反馈交互技术的虚拟油泥造型原型系统。本文在此基础上，提出了一种针对模型制作教学的虚拟模型制作系统（VMMS），简化了原型系统的图形显示功能和力觉渲染效果，以提高系统的运行效率；同时，虚拟模型制作系统成本更低、更易上手，功能简化更加适合实际的教学需要。

二、虚拟模型制作在课堂教学中的应用

模型制作课程可以训练学生多向性、多维性的思维能力。本文将虚拟模型制作系统引入实际教学，分别通过传统方法和计算机辅助工业设计方法制作模型，采集数据以验证VMMS应用效果。课程实践教学在工业设计系大三学生中展开，三年级学生已经学习过大多数基础课和专业课，有良好的专业基础，能较熟练掌握专业软件应用，操作虚拟模型制作系统同时，可以直观体验该系统与传统制作流程的区别和特色。学生一共有40人，分8组，每组5人。8个组选择同一设计题目———多功能储物柜，要求从设计构思、草图、电脑建模、模型制作（分为传统模型制作和虚拟模型制作体验两个阶段分别展开）等各个流程展开设计任务。任意抽选4个组进行传统手工模型制作，另外4个组采用虚拟模型制作系统进行虚拟模型制作。设计调查问卷，对8个组成员分别进行传统模型制作和虚拟模型制作的使用特点调查，通过数据整理、对比得出传统模型制作和虚拟模型制作的各自优缺点。该课程学时数为32课时，对于传统手工模型制作来讲，时间紧任务重，故选择设计难度一般的题目。课程设计任务可以分解为以下八个部分：一是明确设计要求，本课题要求每组设计并制作一款多功能储物柜，随机抽取4个组进行手工模型制作，另外4个组使用VMMS系统进行虚拟模型制作。二是确认工作条件，比如根据组员各自特点进行分工协作，各组分配设计资源（模型制作材料、工具、仪器等）。三是产品形态、尺寸、材质等设计标准输入。四是产品调研、市场定位、概念设计。五是草图应用、方案讨论。六是计算机辅助工业设计阶段，方案建模、渲染。七是传统模型制作。八是虚拟模型制作系统验证。

三、贯穿整个工业设计流程的课程实践教学

1.概念设计阶段注重设计创意的表达

根据学校专业课程设置特点，本课程进度安排为：概念设计阶段两次课，8学时（每次课4学时）。方案构思阶段通过徒手绘图来表达设计意念，结合对模型的观察理解，分阶段、有步骤地要求学生针对不同要素，以绘图方式表达，在绘图的过程中逐渐领会和谐、均衡、统一等审美标准，为审美能力、设计能力、表现能力的培养打下坚实的基础[4]。概念设计阶段主要考察学生的创意思维和表现能力，将绘图作为思维训练的台阶，借以激发学生草图创作的积极性和空间想象力。指导教师通过设计样稿与学生进行创意及理念交流，推敲形式与色彩的情感表现，考虑各种材料的表现力、尺寸与比例、形态与体积、设想模型的整体效果等，并针对设计意念与效果图，提出具体的修改意见。

2.计算机辅助工业设计可大幅度提升表现效果

计算机辅助工业设计阶段两次课，8学时。该阶段主要考察学生使用专业软件进行电脑效果图创作的能力。草图方案确定之后，根据设计方案，学生使用设计软件建立计算机三维模型。通过三维模型的创建，学生深入推敲方案构思，将多方案体块模型进行比较，可以有效引导学生进行发散思维、改善思维定势，并通过改变模型体块关系，发现并产生新的构想，锻炼学生的创造性思维。

3.传统模型制作可以验证方案的可行性

传统手工模型制作阶段四次课，16学时。该阶段主要考察学生手工动手操作能力。对于传统模型制作来讲，材料的选择对于方案视觉表现力有至关重要的作用[8]。为了追求逼真实用的效果，要求选用木工板、模型板、胶合板、有机玻璃等多种材质制作产品模型，这种方式激发了学生的学习兴趣和创造能力。在模型制作前，学生需考察建筑材料市场、装饰材料市场，对于各种材料的应用范围、性能、规格、加工方法有最基本的了解。除此之外，一些废旧材料、工业生产边角料、日常生活用品等，只要是具有一定视觉效果，或在模型表现中有一定环保意义的材料都可以收集用来制作。学生在该阶段模型制作过程中积极发现新材料、新用途，对传统模型制作有了大胆的突破和创新。

4．虚拟系统可以更加高效地辅助完成模型制作

虚拟模型制作阶段四次课，16学时。该阶段是本课程的最大创新之处。虚拟模型制作系统的集成开发环境为MSVC2005，图形核心库为OpenInventor，用户界面使用Qt应用程序框架，触觉反馈力的计算使用OpenHaptics函数库。同时，由于OpenInventor是基于OpenGL开发的，因而使虚拟模型制作系统也具有很好的硬件兼容性和跨平台运行能力。与传统的模型制作相比，虚拟模型制作操作过程周期短、费用低。在虚拟模型制作过程中,学生可通过实时感知的触觉反馈力大小来控制模型制作过程中材料的刮削量。通过虚拟模型制作系统的使用，可以有效加强学生对方案材质、视觉感受等设计元素的把握，提高学生对方案进行深化理解的能力，通过事先的参数设定，不同的材料有不同的反馈力度，学生可以直观地感受各种材料的硬度、加工性能等信息，不用购买每一种材料，就能够非常方便地考察各种材料软硬度、工艺性、成形性等特征的差异性，同时也为创造性思维的培养提供感性的素材。这样不仅可以加强学生的动手能力与实践能力，还可以充分利用模型的实体性和三维性，增强学生的学习兴趣。

四、相比传统模式，新模式模型制作效率更加显著

课程结束，对所有8组学生针对传统模型制作和虚拟模型制作做了问卷调查。传统模型制作组的同学认为，手工模型制作操作容易，工具简单，材料便宜而且可以随心所欲的选择任何材料应用到自己的方案中，自由发挥余地大，在模型制作过程中依然可以根据突发的灵感来修改模型，而且模型细节部分和表面处理起来相对容易，最终模型也很直观、一目了然；缺点是劳动强度较大，工作环境较恶劣，制作周期较长，中间容易受其他因素干扰而停滞，操作过程中某些环节容易受伤，安全性较差。虚拟模型制作组的同学认为，使用VMMS系统进行模型制作能极大的提升学习的兴趣和积极性，模型制作周期较短，工作环境好，劳动强度小；但是设备相对昂贵，能得到上机操作的时间有限，故短时间内对软件命令掌握不够熟练，致使最终模型制作的精度一般。相信经过较长时间的软件培训之后，能够制作出高精度的虚拟模型。两个组别的同学意见经过整理，归纳见表1所示。经过传统模型制作组和虚拟模型制作组同学交流后，发放调查问卷，就创意表现性、评估性、易操作性、效率性、节省材料性、经济性等方面进行打分量化分析。以5分制为例，5分表示该项性能非常好，4分为好，3分为一般，2分为较差，1分为差。发放调查问卷40份，收回40份，均为有效问卷。详细数据见表2。

五、课程总结与展望

本文对模型制作课程中传统模型制作和虚拟模型制作的两种方法进行了分析对比，将虚拟模型系统引入到模型制作课程教学中。虚拟模型制作方法在模型制作课程中使用是种有益尝试，而且教学效果已经得到了初步的显现，学生反应良好并表现出了极大的进一步学习的兴趣，这为工科工业设计专业模型制作课程提出了一种新的授课方式和探讨方向。与此同时，仍存在操作系统还不够完善，设备资金总需求量较大等问题，需更紧密地结合当代科技发展潮流，不断摸索更能激发学生创作积极性的教学模式。在今后的设计课程教学中，应探索一种注重体验和理性思考的教学思路，注重培养学生的体验与感知能力，在传统手工模型制作和应用计算机辅助工业设计技术进行模型制作之间寻求平衡。（本文作者：戚彬、孙晓明单位：山东理工大学）