工業(yè)設(shè)計(jì)模型制作的教學(xué)模式研究范文

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一、新技術(shù)、新設(shè)備的引入是模型制作教學(xué)的新趨勢(shì)

在計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)（CAID）領(lǐng)域，越來(lái)越多的建模、渲染以及工程軟件（如Alias、Rhino、3DMax、Vray、Keyshot、UG、Pro-E）被開(kāi)發(fā)研制，但這些軟件都沒(méi)有反饋和交互的功能，建模過(guò)程中學(xué)生無(wú)法體會(huì)到模型體量感及不同材質(zhì)硬質(zhì)和特性的區(qū)別。虛擬模型制作方法可以分為兩種：一種是基于幾何變形方法，主要使用自由曲線、曲面等數(shù)學(xué)描述方法，用戶(hù)需要較深的數(shù)學(xué)背景知識(shí)才能控制局部變形所需的操作，目前廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域；另一種是基于材料切除方法的虛擬模型制作技術(shù)，用戶(hù)通過(guò)“雕刻”體素模型來(lái)產(chǎn)生所需的變形效果，主要用于數(shù)控加工仿真過(guò)程中[6]。西北工業(yè)大學(xué)的閆鋒欣等人提出了基于QT的虛擬油泥模型系統(tǒng)（VCMS）[7]，以虛擬油泥造型方法為研究對(duì)象，研究虛擬油泥造型方法中的實(shí)時(shí)力反饋交互技術(shù)和造型控制機(jī)理，建立了一種新的虛擬反饋力仿真計(jì)算模型，討論了并行計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助曲面品質(zhì)分析方法在虛擬油泥造型過(guò)程中的應(yīng)用，完成了一套帶實(shí)時(shí)力反饋交互技術(shù)的虛擬油泥造型原型系統(tǒng)。本文在此基礎(chǔ)上，提出了一種針對(duì)模型制作教學(xué)的虛擬模型制作系統(tǒng)（VMMS），簡(jiǎn)化了原型系統(tǒng)的圖形顯示功能和力覺(jué)渲染效果，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率；同時(shí)，虛擬模型制作系統(tǒng)成本更低、更易上手，功能簡(jiǎn)化更加適合實(shí)際的教學(xué)需要。

二、虛擬模型制作在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

模型制作課程可以訓(xùn)練學(xué)生多向性、多維性的思維能力。本文將虛擬模型制作系統(tǒng)引入實(shí)際教學(xué)，分別通過(guò)傳統(tǒng)方法和計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)方法制作模型，采集數(shù)據(jù)以驗(yàn)證VMMS應(yīng)用效果。課程實(shí)踐教學(xué)在工業(yè)設(shè)計(jì)系大三學(xué)生中展開(kāi)，三年級(jí)學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)大多數(shù)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課，有良好的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)，能較熟練掌握專(zhuān)業(yè)軟件應(yīng)用，操作虛擬模型制作系統(tǒng)同時(shí)，可以直觀體驗(yàn)該系統(tǒng)與傳統(tǒng)制作流程的區(qū)別和特色。學(xué)生一共有40人，分8組，每組5人。8個(gè)組選擇同一設(shè)計(jì)題目———多功能儲(chǔ)物柜，要求從設(shè)計(jì)構(gòu)思、草圖、電腦建模、模型制作（分為傳統(tǒng)模型制作和虛擬模型制作體驗(yàn)兩個(gè)階段分別展開(kāi)）等各個(gè)流程展開(kāi)設(shè)計(jì)任務(wù)。任意抽選4個(gè)組進(jìn)行傳統(tǒng)手工模型制作，另外4個(gè)組采用虛擬模型制作系統(tǒng)進(jìn)行虛擬模型制作。設(shè)計(jì)調(diào)查問(wèn)卷，對(duì)8個(gè)組成員分別進(jìn)行傳統(tǒng)模型制作和虛擬模型制作的使用特點(diǎn)調(diào)查，通過(guò)數(shù)據(jù)整理、對(duì)比得出傳統(tǒng)模型制作和虛擬模型制作的各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)。該課程學(xué)時(shí)數(shù)為32課時(shí)，對(duì)于傳統(tǒng)手工模型制作來(lái)講，時(shí)間緊任務(wù)重，故選擇設(shè)計(jì)難度一般的題目。課程設(shè)計(jì)任務(wù)可以分解為以下八個(gè)部分：一是明確設(shè)計(jì)要求，本課題要求每組設(shè)計(jì)并制作一款多功能儲(chǔ)物柜，隨機(jī)抽取4個(gè)組進(jìn)行手工模型制作，另外4個(gè)組使用VMMS系統(tǒng)進(jìn)行虛擬模型制作。二是確認(rèn)工作條件，比如根據(jù)組員各自特點(diǎn)進(jìn)行分工協(xié)作，各組分配設(shè)計(jì)資源（模型制作材料、工具、儀器等）。三是產(chǎn)品形態(tài)、尺寸、材質(zhì)等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)輸入。四是產(chǎn)品調(diào)研、市場(chǎng)定位、概念設(shè)計(jì)。五是草圖應(yīng)用、方案討論。六是計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)階段，方案建模、渲染。七是傳統(tǒng)模型制作。八是虛擬模型制作系統(tǒng)驗(yàn)證。

三、貫穿整個(gè)工業(yè)設(shè)計(jì)流程的課程實(shí)踐教學(xué)

1.概念設(shè)計(jì)階段注重設(shè)計(jì)創(chuàng)意的表達(dá)

根據(jù)學(xué)校專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置特點(diǎn)，本課程進(jìn)度安排為：概念設(shè)計(jì)階段兩次課，8學(xué)時(shí)（每次課4學(xué)時(shí)）。方案構(gòu)思階段通過(guò)徒手繪圖來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)意念，結(jié)合對(duì)模型的觀察理解，分階段、有步驟地要求學(xué)生針對(duì)不同要素，以繪圖方式表達(dá)，在繪圖的過(guò)程中逐漸領(lǐng)會(huì)和諧、均衡、統(tǒng)一等審美標(biāo)準(zhǔn)，為審美能力、設(shè)計(jì)能力、表現(xiàn)能力的培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[4]。概念設(shè)計(jì)階段主要考察學(xué)生的創(chuàng)意思維和表現(xiàn)能力，將繪圖作為思維訓(xùn)練的臺(tái)階，借以激發(fā)學(xué)生草圖創(chuàng)作的積極性和空間想象力。指導(dǎo)教師通過(guò)設(shè)計(jì)樣稿與學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)意及理念交流，推敲形式與色彩的情感表現(xiàn)，考慮各種材料的表現(xiàn)力、尺寸與比例、形態(tài)與體積、設(shè)想模型的整體效果等，并針對(duì)設(shè)計(jì)意念與效果圖，提出具體的修改意見(jiàn)。

2.計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)可大幅度提升表現(xiàn)效果

計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)階段兩次課，8學(xué)時(shí)。該階段主要考察學(xué)生使用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行電腦效果圖創(chuàng)作的能力。草圖方案確定之后，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，學(xué)生使用設(shè)計(jì)軟件建立計(jì)算機(jī)三維模型。通過(guò)三維模型的創(chuàng)建，學(xué)生深入推敲方案構(gòu)思，將多方案體塊模型進(jìn)行比較，可以有效引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行發(fā)散思維、改善思維定勢(shì)，并通過(guò)改變模型體塊關(guān)系，發(fā)現(xiàn)并產(chǎn)生新的構(gòu)想，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

3.傳統(tǒng)模型制作可以驗(yàn)證方案的可行性

傳統(tǒng)手工模型制作階段四次課，16學(xué)時(shí)。該階段主要考察學(xué)生手工動(dòng)手操作能力。對(duì)于傳統(tǒng)模型制作來(lái)講，材料的選擇對(duì)于方案視覺(jué)表現(xiàn)力有至關(guān)重要的作用[8]。為了追求逼真實(shí)用的效果，要求選用木工板、模型板、膠合板、有機(jī)玻璃等多種材質(zhì)制作產(chǎn)品模型，這種方式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造能力。在模型制作前，學(xué)生需考察建筑材料市場(chǎng)、裝飾材料市場(chǎng)，對(duì)于各種材料的應(yīng)用范圍、性能、規(guī)格、加工方法有最基本的了解。除此之外，一些廢舊材料、工業(yè)生產(chǎn)邊角料、日常生活用品等，只要是具有一定視覺(jué)效果，或在模型表現(xiàn)中有一定環(huán)保意義的材料都可以收集用來(lái)制作。學(xué)生在該階段模型制作過(guò)程中積極發(fā)現(xiàn)新材料、新用途，對(duì)傳統(tǒng)模型制作有了大膽的突破和創(chuàng)新。

4．虛擬系統(tǒng)可以更加高效地輔助完成模型制作

虛擬模型制作階段四次課，16學(xué)時(shí)。該階段是本課程的最大創(chuàng)新之處。虛擬模型制作系統(tǒng)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為MSVC2005，圖形核心庫(kù)為OpenInventor，用戶(hù)界面使用Qt應(yīng)用程序框架，觸覺(jué)反饋力的計(jì)算使用OpenHaptics函數(shù)庫(kù)。同時(shí)，由于OpenInventor是基于OpenGL開(kāi)發(fā)的，因而使虛擬模型制作系統(tǒng)也具有很好的硬件兼容性和跨平臺(tái)運(yùn)行能力。與傳統(tǒng)的模型制作相比，虛擬模型制作操作過(guò)程周期短、費(fèi)用低。在虛擬模型制作過(guò)程中,學(xué)生可通過(guò)實(shí)時(shí)感知的觸覺(jué)反饋力大小來(lái)控制模型制作過(guò)程中材料的刮削量。通過(guò)虛擬模型制作系統(tǒng)的使用，可以有效加強(qiáng)學(xué)生對(duì)方案材質(zhì)、視覺(jué)感受等設(shè)計(jì)元素的把握，提高學(xué)生對(duì)方案進(jìn)行深化理解的能力，通過(guò)事先的參數(shù)設(shè)定，不同的材料有不同的反饋力度，學(xué)生可以直觀地感受各種材料的硬度、加工性能等信息，不用購(gòu)買(mǎi)每一種材料，就能夠非常方便地考察各種材料軟硬度、工藝性、成形性等特征的差異性，同時(shí)也為創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)提供感性的素材。這樣不僅可以加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力與實(shí)踐能力，還可以充分利用模型的實(shí)體性和三維性，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

四、相比傳統(tǒng)模式，新模式模型制作效率更加顯著

課程結(jié)束，對(duì)所有8組學(xué)生針對(duì)傳統(tǒng)模型制作和虛擬模型制作做了問(wèn)卷調(diào)查。傳統(tǒng)模型制作組的同學(xué)認(rèn)為，手工模型制作操作容易，工具簡(jiǎn)單，材料便宜而且可以隨心所欲的選擇任何材料應(yīng)用到自己的方案中，自由發(fā)揮余地大，在模型制作過(guò)程中依然可以根據(jù)突發(fā)的靈感來(lái)修改模型，而且模型細(xì)節(jié)部分和表面處理起來(lái)相對(duì)容易，最終模型也很直觀、一目了然；缺點(diǎn)是勞動(dòng)強(qiáng)度較大，工作環(huán)境較惡劣，制作周期較長(zhǎng)，中間容易受其他因素干擾而停滯，操作過(guò)程中某些環(huán)節(jié)容易受傷，安全性較差。虛擬模型制作組的同學(xué)認(rèn)為，使用VMMS系統(tǒng)進(jìn)行模型制作能極大的提升學(xué)習(xí)的興趣和積極性，模型制作周期較短，工作環(huán)境好，勞動(dòng)強(qiáng)度小；但是設(shè)備相對(duì)昂貴，能得到上機(jī)操作的時(shí)間有限，故短時(shí)間內(nèi)對(duì)軟件命令掌握不夠熟練，致使最終模型制作的精度一般。相信經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的軟件培訓(xùn)之后，能夠制作出高精度的虛擬模型。兩個(gè)組別的同學(xué)意見(jiàn)經(jīng)過(guò)整理，歸納見(jiàn)表1所示。經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)模型制作組和虛擬模型制作組同學(xué)交流后，發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷，就創(chuàng)意表現(xiàn)性、評(píng)估性、易操作性、效率性、節(jié)省材料性、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行打分量化分析。以5分制為例，5分表示該項(xiàng)性能非常好，4分為好，3分為一般，2分為較差，1分為差。發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷40份，收回40份，均為有效問(wèn)卷。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

五、課程總結(jié)與展望

本文對(duì)模型制作課程中傳統(tǒng)模型制作和虛擬模型制作的兩種方法進(jìn)行了分析對(duì)比，將虛擬模型系統(tǒng)引入到模型制作課程教學(xué)中。虛擬模型制作方法在模型制作課程中使用是種有益嘗試，而且教學(xué)效果已經(jīng)得到了初步的顯現(xiàn)，學(xué)生反應(yīng)良好并表現(xiàn)出了極大的進(jìn)一步學(xué)習(xí)的興趣，這為工科工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)模型制作課程提出了一種新的授課方式和探討方向。與此同時(shí)，仍存在操作系統(tǒng)還不夠完善，設(shè)備資金總需求量較大等問(wèn)題，需更緊密地結(jié)合當(dāng)代科技發(fā)展潮流，不斷摸索更能激發(fā)學(xué)生創(chuàng)作積極性的教學(xué)模式。在今后的設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，應(yīng)探索一種注重體驗(yàn)和理性思考的教學(xué)思路，注重培養(yǎng)學(xué)生的體驗(yàn)與感知能力，在傳統(tǒng)手工模型制作和應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行模型制作之間尋求平衡。（本文作者：戚彬、孫曉明單位：山東理工大學(xué)）