工科院校计算机辅助造型设计教学改革与实践

王剑 陈丰 张华 李晓贞

关键词：工业设计 Rhino软件 产品建模 解决策略 教学探索

引言

由于新一轮科技革命和产业变革的迅猛发展，教育部积极推进“新工科”建设计划，旨在培养工程科技创新能力强的高素质工科人才[1]。2021年11月工业设计被列入国务院领导小组办公室《提升中小企业竞争力若干措施》中，以促进企业创新发展活力。新时代教育对工业设计专业提出了更高的要求，促使其深度赋能企业，与经济产业紧密融合。随着计算机技术的快速发展，工业设计作为研究工业化批量生产的机器产品学科，计算机辅助造型设计在社会生产中愈发普及化，对促进传统产业结构升级转型具有重要作用[2]。为更好对接项目需求，提升品牌竞争力，企业对工业设计专业毕业生建模技能要求也越来越高。目前Rhino软件已成为全国高校工业设计专业计算机辅助造型设计课程通行的教学工具[3]。因此，在专业人才培养方案框架下如何进行工业设计学生工业化产品造型可视化合理表达的探索是很有必要的。

一、工科院校Rhino辅助设计教学问题分析

计算机辅助造型设计是工业设计学生专业教育基础课程。Rhino软件自1998年被美国Robert McNeel公司推出后，经过多年的功能优化，凭借出色的NURBS建模方式，已成为工业设计领域应用最为广泛的曲面建模软件[4]。相对于艺术设计，工科类工业设计在课程设置上更侧重于机械结构设计。低年级所学的高等数学、机械设计基础、C语言、材料力学、工程力学等课程，由于学习时间较短，工业设计学生并不能完全理解机械结构方面的知识。与此同时，还潜移默化地影响其设计思维，在实际过程中易形成强调结构与技术的建模思维定势。换句话说，在产品方案创新时习惯于用机械设计的思维进行工业设计思路的构建，无疑增添了计算机辅助造型设计的授课负担[5]。现将工科院校Rhino辅助设计教学问题分析总结，具体如下：

（一）授课教师本身对Rhino软件应用原理不熟悉

1.Rhino软件与Solidworks、Creo、UG等工程软件不同，主要通过非均匀有理B样条产生曲面或形体，建模过程经常通过四边面的形式完成面与面的衔接。它在参数化设计方面的劣势比较凸显，全过程缺少参数步骤，不能实现及时性动态调整。正是由于其建模过程的特殊性，授课教师如没有设计行业实战项目的长期经验积累，很难把握Rhino的建模精髓。

2.由于设计知识的不断更新与丰富，Rhino软件版本也随之迭代升级。目前该软件的最新版本Rhino 7已与较老版本存在或多或少的差异。例如R7的新功能菜单替代了较老版本T-Splines插件功能，能够满足复杂形体变化的要求;自带的Grasshopper插件通过可视化编程方式实现参数化设计。因此，如果反复使用老版本软件作为教学平台，教学效果将会大打折扣[6]。

（二）设计过程偏重于结构，造型倾向于几何化建模

由于理工科背景所形成的具象思维，工科类工业设计学生思考方式呈现出理性化、条理性，乃至教条化特征。一方面，所在学院整体缺乏艺术气息的熏陶，对于设计之美、产品之美的感悟并不透彻，甚至完全是一知半解的;另一方面，工科生在学习工业设计时，有部分学生仍以理科生自居，给自己打上理工科的烙印，认为本专业就是在产品结构基础之上对其“外壳”进行造型设计。由此也必然导致在学习Rhino软件时经常习惯通过结构、技术形式实现产品功能。而对于核心内容的形态方面，并不是从设计美学、合目的性等角度推理产品形态，过程缺少相关设计原则的有效支撑，作品的风格大多呈现实用和几何化的特点[7]。

（三）建模不规范，导致后续无法深入

Rhino建模逻辑的规范性和合理性是保证形态模型高质量的前提。实践经验表明，无论是產品模仿还是产品创新，其建模过程都应遵循“建前分析-形体画线-空间节点调整-生成主体形态-修缮细节”等步骤。对于很多Rhino初学者而言，拿到准备要构建的设计方案后，急于打开Rhino建模界面，动起鼠标，开始勾画产品方案的轮廓线，并没有仔细思考真正影响产品形态的轮廓线条;在打孔、倒圆角等细节处理时，经常将细节处理与形体构建同时进行，从而导致后续模型出现尖锐面、破面等现象。

（四）设计可视化表达过程缺乏系统性

学习Rhino计算机辅助造型设计课程前，工科工业设计学生一般先修设计素描、设计色彩、工业设计概论、形态设计基础等专业基础课。由于学生缺少产品方案构思到设计版式整体流程的系统性教育，致使部分学生对于计算机辅助软件的应用只能停留在设计对象的一味模仿与重现层面，熟练其工具命令而已。如何将概念性创新方案通过三维模型构建，配合Keyshot渲染器、Photoshop软件综合展现其创意点这方面明显欠缺。

二、计算机辅助产品造型建模的重要性

从设计输出的分类形式来看，产品输出可分为创意设计和落地性项目设计[8]。设计师想要快速表达其创新理念，设计出符合用户需求的产品，传统的纸上画图方式显然费时费力，必然要求进行以计算机为创作手段的设计活动。

（一）创意设计产品创意设计是工业设计专业本科阶段必须掌握的重要设计环节，最终以虚拟视觉化符号形式呈现设计效果，集中反映了创造性思维在产品中的拓展应用。将无形的想象物化成有形的产品符号过程，不仅需要合乎目的性的美感造型进行匹配，随着审美情趣的不断提高，更加强调细节感、场景感、体验感等要求，而表达这些情感要素离不开计算机辅助造型设计的技能素养。纵观历年IF、Reddot概念类设计作品，对于创意的合理表达、造型的意义以及场景的设置等方面，无不反映了Rhino软件在创意设计中的价值意义。

（二）落地性项目设计落地性项目往往来源于企业实际需求，是对于企业产品而言的。

根据项目活动的商品化特点，在满足市场需求和设计形式美的前提下，其造型还应符合材料加工工艺的可实现性。产品类别的不同，所用材料也有所不同，因此设计专业学生还需了解常见材料如钣金件、玻璃、塑料、陶瓷等在目标造型中应用的可行性。此外，如何在产品中塑造合理的企业形象识别符号，保持企业文脉的延续性也是落地性项目设计需考虑的问题。反过来说，在实际项目活动中，建造模型之前分析这些基本的产品生产要素以预判方案的合理性，才能更好地保证最终方案的设计质量。

三、创新解决措施

计算机辅助造型设计课程不同于其他专业课，它是一门强调建模原理、突显建模技能、培养学生造型感知能力实践性课程。基于前文总结的课程问题，借鉴其他高校Rhino教学模式，以造型在设计活动中的重要性为依据，就教学内容、教学方法以及教学资源三方面提出相应举措。

（一）教学内容安排教学内容的合理安排是促使学生达成培养目标的重要保证。根据人的认知规律，内容安排应遵循“由浅入深，由易到难，由方法到思考，由思考到理解”的原则。在讲授Rhino理论、原理和设计应用时，穿插讲解设计形式美、材料加工工艺等方面的基础性知识，提升学生合理建模的意识。目前，国内很多高校工业设计Rhino课程的学时为32或48学时[9]，经实践发现，本课程设置64课时较为合理，每次4学时，每周8课时，部分安排见表1。

（二）教学方法的改进1.提升师资队伍实践水平，合理分配教师资源：有效提升师资队伍水平是保证教学质量的先决条件。Rhino教学工科院校教师不仅应具有较强的理论知识，还应具备丰富的设计实战经验。教学需要以社会需求为引导，以企业对学生实践能力为目标，促使学生在高标准要求下，提升其产品模型认知的合理性与规范性。纯艺术背景的老师虽具备很强的感知审美能力，但设计与美术是存在本质区别的，产品建模过程不能只强调美学;老教师企业经验丰富，但或多或少由于时间关系，软件实操方面退化明显。Rhino课程的授课教师安排，应尽量选择具有扎实艺术设计能力、企业从事设计经验以及教学经验的“新生代”专业老师。通过教师本身在企业的实战经历，以行业标准要求为切入点，有利于提高教学内容的实践性，学生构建的产品模型与市场的契合度更高。

2.采用线上+线下混合式教学，保证教学过程可复制性：目前计算机辅助造型设计课程普遍采用“课堂讲授+演练+上机练习”的形式[10]。这种教学方法虽然可以起到引导作用，解析Rhino使用命令。

但经实践发现，由于学生对专业的认知处于较低水平，当需要综合运用软件工具命令学习构建复杂、步骤多的产品时，教师带领演练这种方式一旦后期学生出现建模错误，很难返回重新构建，严重降低学习效率;另一方面，学生想课后熟悉Rhino软件时，由于认知记忆的模糊性，课程内容很难及时弥补，这也会打击学生的求知欲。在“互联网+”的语境下，开辟网络线上教育，实现设计资源的共享、共用，保证教学过程的可复制性成为现代教育趋势。混合式教学是线上和线下两种教学模式结合，将Rhino课程理论性知识和课堂上实践性设计过程内容借助学习平台视频化、微课化。学生通过移动登录端随时随地观看Rhino内容，不受时间和场地的限制，既起到课前预习的效果，又能很好地引导学生进行自主学习、自觉学习，起到查漏补缺的作用。

3.加入复合知识模块内容：计算机辅助造型设计并不是单一的按照尺寸、比例尺度将形态造型构建出来，在设计特定对象时还应考虑造型生产的合理性因素，诸如设计细节、材料加工工艺等。复合知识模块是指在课程中加入关于如何将造型细化、造型符合加工工艺等方面的内容。玻璃、塑料、木材、钣金等常见材质的制造工艺是工业设计学生的必备设计知识。装备类设计通常采用钣金件材质，对于装备类设计问题，授课教师应讲解钣金的加工流程与表面处理工艺，明确造型合规性的边界。图1为张本祎同学以汽车破碎系统为设计对象，以钣金件为材料，利用Rhino、Keyshot渲染、Photoshop等计算机辅助技术针进行重新设计。整体符合既定材料的加工要求，具有一定的功能性和艺术效果。对小型产品热固性塑料件材质的厚度问题，通常采用1-3mm的壁厚。这种基础性知识的讲解促使学生将建模思路移植到产品模型的同时，实际的生产制造工艺在模型中的特征表现也得以体现，使其形式更加规范。图2为张飞等人在项目专题中为医疗研发公司所设计的电子软镜机电控制盒。该设计比较充分考虑了塑料件结构连接与厚度抽壳问题，达到了预期效果。

4.合力编写Rhino教材，凸显时效性：教材是科学教育的重要工具，实用性强的教材对学生的学习产出具有促进作用。当前，各高校使用的Rhino教材版本众多，质量也参差不齐。经过梳理，常见Rhino教材分为两类，一类由培训机构人员总结其经验编撰而成，更多强调工具命令的重復使用，较少讲解设计原理;另一类则为高校教师凭借多年教学经验汇编而成，虽然对Rhino原理阐释较为清晰，但年代久远，案例老旧，越来越难以适应现代设计需求。基于此，现阶段高校工业设计专业教师必须从学生实际需求角度出发，了解计算机辅助设计最新发展动向，根据实际学习所需要掌握的实用技能合理制订出针对性较强的教材，突出实践性和时效性。

（三）教学资源的优化设计资源的获取渠道是学生多元化学习的保障。为营造良好的学习环境，提升学生设计眼界，教学资源不仅仅局限于课堂书本知识和教师经验，还要保障学习资源的多样化选择。基于互联网共享优势，通过设计网站平台扩充学生的设计资料库。如bilibili文化社区和视频平台，可轻松搜索到Rhino产品教程和建模方法;在花瓣网、普象网中可将具有创意的产品版式、获奖作品等收藏到自己的画板文件夹，以便随时观看，拓展思维;可登录设计在线、SUS设计网等，了解设计竞赛信息。在众多设计网站里选择、归纳合适的设计资源，利用非课堂时间可预习课堂知识，课上对所学知识消化吸收，由此形成一种“课外学习、课堂内化”的学习方式，这不仅有助于提高学习效率，还有效增强学习的信心。另外，这些设计资料库又为之后的学习过程提供了参考与借鉴来源，持续巩固其实际设计能力。

四、教学实践成果

通过近两年的教学改革探索，目前计算机辅助造型设计改革与实践在我校4个班工业设计专业已推进实行，学生已修完课程学分，在学术和人才培养方面效果显著。教学改革试验班学生在第七届安徽省互联网+获奖作品中，3个项目与Rhino辅助造型相关;完成大学生科技创新创业项目8项，获得授权专利3项。龚长江等同学基于企业委托项目，结合玻璃成型加工工艺知识，设计了一款牛年杯具被玻璃制造厂所采用，如图3所示。第八届安徽省工业设计大赛（含专项赛），学生通过课程设计实践取得1项一等奖、2项二等奖，5项三等奖的喜人成绩。图4为大三学生王泓睿以“山庄房屋”为主题，以用户打包过程的痛点为导向进行创作的快餐打包盒，在大量搜集设计资源后，主要运用三维软件完成“和泉杯”专项赛的投稿方案，荣获该赛事一等奖。由于改革措施实行时间尚短，但该课程改革具有设备投入少、环境局限性小、创新性强等优点，如何提高学生成果数量和质量将会成为下一步研究内容。

结论

计算机辅助造型设计能力作为工业设计学生实践性、应用性很强的必备技能，不断完善该课程在设计专业人才培养体系中的教学改革，是提高学生动手能力、创新能力的有力保障。将计算机辅助设计改革思路贯穿于我校工业设计专业中，让学生充分理解计算机辅助设计的建模意义，使其模型品质符合特定材质的生产工艺，实现了理论联系实际的教学要求。学生在建模知识迁移效应下，随着知识和经验的丰富，也将会自觉性考虑建模的规范性和产品的加工工艺，能够将产品方案真正应用到实际生产中。