“计算机辅助工业设计”课程体系建设的探讨

雷鸿源*，邓 宇

(广东石油化工学院 机电工程学院，广东 茂名 525000)

工业设计在我国经济转型和产业升级中的重要作用业已凸显，培养适应社会发展需求的工业设计人才显得尤为迫切。工业设计需要解决的已不只是产品结构或外观的问题，它已发展成为综合艺术、工程、人文、心理和经济等学科知识的系统工程。

教育部在2012年按照工科类和艺术类分别设置了工业设计专业和产品设计专业，工业设计专业的培养目标是“……能够从事工业产品创新设计及相关的服务模式和商业模式设计、传播设计、人机交互设计、环境与展示设计等领域的开发、研究、策划、教育和管理工作的复合型工业设计师后备人才”。现阶段本科院校工业设计人才的培养模式和教学体系存在单一化与程式化的问题。工科类院校采用“技术+艺术”的模式，而艺术类院校采用的是“艺术+技术”的模式，这样的培养模式已不适应社会需要。

在信息化时代，计算机辅助设计技术在工业设计行业及工业设计教学过程中所起作用也更加明显。计算机辅助工业设计(Computer Aided Industrial Design，CAID)是以现代信息技术为依托，以数字化、可视化为特征，将计算机运用于产品的设计过程，从而提高效率，增强设计的科学性、可靠性，并适应信息化的生产制造方式。“辅助”是强调人的主导作用，计算机和使用者构成了一个密切交互的人机系统。在工业设计专业的人才培养中，利用计算机辅助技术能够较好地弥补工科学生手绘表现的不足，同时将思维的重点放在对产品本身功能及其实现以及人机关系的确定上。

因此，本文对“计算机辅助工业设计”课程体系建设进行探讨，以期对工业设计教育的改革与发展提供借鉴。

1 研究现状

何晓佑［1］提出了我国工业设计教育不论采用何种教育模式，都应当明确工业设计是一个科学性的应用型学科，兼有工程教育和实用艺术教育的特点，并同时与多个学科交叉，其终极指向是提升人们的生活品质。不可否认的是，理工科生源的艺术素养是非常薄弱的。因此，在工业设计专业人才的培养过程中，应强化艺术方面的培养，避免“技术+艺术”的简单模式。

程能林［2］指出设计专业的理工类生源特点是知识基础扎实、长于理性分析，但艺术素养不足。通过反复的构成练习并结合由浅入深的教学方式，是能够在较短时间内获得技法训练效果的。吕慈仙［3］分别对理工类和艺术类两种生源进行了生源类型、理论教学体系、实践教学体系和毕业生状况的比较和分析，并研究了人才培养体系上的异同，认为只有将理工类的工程技术教育和艺术类的设计美学教育更好地融合，建立起科学完备的理论教学体系和实践教学体系，才能培养出集合技术、艺术和经济多学科知识，具有创造性、时代性和实践性的工业设计师。

浙江大学的国家级精品课程“计算机辅助工业设计”的建设处于国内领先地位［4］。该课程从1990年开始建设，顺应计算机技术的发展，在教学内容和方式上经历了4个阶段。1)以学习计算机辅助工业设计的系统构成和软件操作为主，偏重于“工具探索”;2)以学习计算机的产品建模、渲染、作图等内容为主，偏重于“设计表现”;3)以学习参数化建模技术的软件为主，偏重于“工程制造”;4)随着自主开发的计算机辅助工业设计的软件不断涌现，大量的科研成果不断被引入教学，该课程的内容有了重大突破，由重“工具”、重“表现”、重“制造”提升到了重“设计”。中国石油大学精品课程“计算机辅助工业设计”将理论与实践结合得较好，通过该课程的学习，使学生掌握二维与三维设计原理，并掌握常用造型设计软件，为后续的课程打下基础［5］。闫成新［6］认为以往的计算机辅助工业设计课程体系过于注重软件的操作，忽视了学生创新能力的培养，提出了理论与实践并重、以创新能力为培养核心的新课程体系，并以案例教学法及设计大赛为手段。柯胜海［7］提出了“五维一体”的计算机辅助设计课程教学模式，明晰了各类计算机辅助设计课程的教学内容与顺序。

以上关于工业设计专业的特点和生源情况的分析，以及“计算机辅助工业设计”课程的建设现状，为本文阐述的课程体系建设提供了借鉴。

2 课程体系的设置依据

计算机辅助工业设计，不只是一门课程的问题，而是计算机辅助设计技术在工业设计这个领域中的运用。如在当前珠三角地区的设计公司，特别是小型设计公司，往往需要设计师是个“多面手”，从“概念—效果图—结构—产品展示—宣传”整个流程都要会，不仅是产品设计环节要精通，还要熟悉其他方面的数字化设计。所以，在工业设计专业的人才培养过程中，需要开设多门计算机辅助设计课程，构成一个计算机辅助工业设计课程体系。

2.1 帮助学生提升美术能力

工业设计专业的理工类生源，几乎都没有经过美术训练，所以需要在大一和大二初期，补修素描、色彩和构成等艺术类课程。由于学时有限，比如素描课程的学习，只能达到静物素描、结构素描的阶段，无法进一步到人像素描和风景写生的内容。对于短时间内想要把素描和色彩从零基础锻炼到能较自如表达的想法，实际情况验证了这是不现实的，能够把临摹做好就已经不错了。因此，我们开设了“计算机绘图”课程，其中内容有图案设计，可以作为平面构成的拓展;开设了“计算机平面设计”课程，在软件Photoshop的教学中，进一步掌握色彩和图像处理;还开设了“数字化设计”课程，利用手绘板，增强学生的动手能力。

2.2 帮助学生表达设计构思

在计算机辅助设计(CAD)发展过程中，有这样一个观点:人的脑海中构思的产品形象是三维的，实际生产制作的产品也是三维，是否一定需要二维图纸的中间过程?当前的三维实体造型技术，已经可以完全在计算机的三维世界中进行设计，以及后续的数控加工。再者，对于工业设计的学生来说，是否一定要把手绘表现技法学好，才能够开展设计的实践活动?其实，应该允许学生“在学中练，练中提高”。

依据这样的教育理念，开设了“计算机三维造型”课程，并且将其安排在第四学期开课，尽早地使学生将设计方案较完整地表达出来，从而有能力参加设计竞赛，这也符合在参赛实践中锻炼提高的人才培养模式。

2.3 技能的完善

产品的展示也是设计师需要掌握的技能。所以，我们开设了“三维动画设计”和“三维产品虚拟现实”2门课程，不仅教学生制作产品的三维动画，还学习用户对产品交互体验的虚拟现实制作。这2门课程让学生具备更加完善的技能，也更加有助于他们毕业应聘。

机械设计与制造方面的技术是工业设计专业学生必须掌握的。因此开设了“计算机辅助工业设计”课程，让学生利用软件ProE或Creo进行机构运动的仿真，进行产品的结构分析。

3 课程体系的内容

学生的学习过程从平面画图开始，以“2D→3D”顺序发展。三维之后，再安排“3+维”的课程。如图1所示，确定开设7门课程并确立了开课的顺序和时间。7门中的5门都有相对应的“理论课程”，也就是说这些课程的理论会在计算机辅助设计课程体现，让计算机来辅助实践其理论，这类课程安排在对应课程完成之后。还有2门课程没有相对应的理论课程，安排在四年级上学期开课。

图1 “计算机辅助工业设计”课程体系图

确定这7门课的开课时间后，要明确每门课程的具体教学内容。根据人才培养目标和学生时机制定教学大纲，并且随社会实际需求动态地修订具体细节。在讲授计算机辅助工业设计(CAID)的课程时，不要只是讲解软件的使用，而是要明确软件只是工具，只是一种表现手段，需要理论联系实际。

3.1 计算机绘图(Auto CAD)

该课程安排在“工程制图”之后，教学内容之一是利用软件AutoCAD绘制二维工程图;内容之二是进行图案设计，也可以辅助平面构成的学习。

3.2 计算机平面设计(Photoshop)

该课程安排在“素描”“色彩”以及“构成”之后，主要是学习图像的处理、进一步的图案设计，以及版面的制作。

3.3 数字化设计(CorelDraw+Photoshop)

快速表现技法是进行方案构思、交流的主要手段，是设计师必须掌握的基本技能。在完成了“设计速写”“阴影透视”和“设计表现技法”课程之后，开始“数字化设计”课程的学习。该课程采用手绘板，在软件CorelDraw和Photoshop中，进行产品效果展现的制作。

3.4 计算机三维造型(Rhino)

该课程是工业设计专业的核心课程。采用曲面造型工具Rhino，从曲线的绘制与编辑开始，分析不同的曲面生成方法，重点学习产品三维模型的制作，是前续课程“立体构成”和“产品造型设计”的计算机辅助实践。

三维模型建立后，再对其进行渲染，从而实现真实感的效果。以“产品创意摄影”课程为原理，运用Vray for Rhino渲染插件来学习镜头、灯光、材质和渲染设置的内容。同时讲授实际工作中常用的“傻瓜式”渲染工具KeyShot，可以让学生很好地表现出三维模型的效果。

这些课程主要是在软件的学习中来实践产品的设计过程，课程学习完之后的考核，采用“平时作业成绩+期末大作业”各占50%的办法。平时作业可以反映出学习过程的认真程度，期末大作业能够反映出所达到的实际水平。大作业以红点、IF和IDEA最新获奖产品为题，一人一题。这样，不仅在完成大作业的过程中达到量变到质变，还能够很好地学习优秀产品的造型、功能、色彩等多方面的知识。

学习完这门课程后，学生要能够独立地参加设计大赛。所以，该课程的最后阶段，还要讲授展板制作和实景匹配等具有实际需求的知识。

3.5 计算机辅助工业设计(ProE/Creo)

工业设计真正实现的基础保障不是外观造型设计，而是技术研发的实力和技术实现的能力，所以工业设计教育不能是闭门造车的学院式教育，不能是脱离制造业的教育。该课程在学习了“机械设计基础”“机械制造基础”和“模型制作”3门课程之后开设，目的是强化学生工程技术方面的能力。

学习ProE/Creo的实体造型方式，重点掌握自顶向下的设计流程，在装配模块下进行机构的运动仿真及结构分析。相对于曲面建模方法，实体造型方式较容易掌握。虽然ProE/Creo也有强大的曲面建模工具，但我们可以利用更方便操作的Rhino建立好曲面模型后，再导入进来。这样，就可以把学习的重点放在机构设计与运动仿真上来。

依据常用机械零件的种类，选取相应的机械产品作为学习与练习内容，比如连杆机构就可以选取雨伞、活动式遮阳棚或者折叠椅，齿轮可以选取变速箱，蜗杆蜗轮可以选取升降机，等等。这样，可以让学生在学习过程中始终结合实际产品。

大作业的布置，依然采用获得设计大奖的产品，以工程机械为主。因为是以机构的运动仿真为主，对于模型的细节就可以简化，最终输出一段运动的仿真动画。如图2所示为学生完成的工程车大作业模型图。

图2 学生的工程机械大作业

当前三维打印及三维扫描技术在工业设计中应用得较广泛。在该课程中，也专门安排了这方面的实验，让学生理解先进技术的原理，并掌握其实际操作。

3.6 三维动画设计(3ds Max)

开设这门课程是为了让学生具备产品的三维动画制作能力，也顺应当前社会对设计师能力的需求。同时，也设置了视频制作与视频处理的教学内容。鉴于3ds Max软件功能很丰富，我们采用多边形建模的方式，这有别于曲面建模和实体建模，类似于橡皮泥的捏造，很容易掌握。多边形建模方式，也使得3ds Max软件适合在方案构思的过程中，让设计师直接在三维空间中推敲方案。

在该课程中，要让学生理解动画制作的原理，掌握关键帧、表达式、参数关联和动力学等多种三维动画的制作方式。布置2个大作业:1)每名学生制作一栋校园建筑或者景观的漫游动画，最后还可以将大家的建筑合并起来形成校园三维场景浏览动画;2)将“计算机辅助工业设计”课程大作业工程车，制作成工程车的工作动画，并结合动力学模块，取得逼真的动画效果。

3.7 三维产品虚拟现实(Virtools)

交互设计已在工业设计领域大行其道，在动画制作的基础之上取得可交互操作的虚拟产品也是大势所趋。产品的虚拟现实制作软件采用Virtools，该软件利用Building Blocks模块，以搭积木的方式进行拼接，不需要太高深的程序设计知识，对于工科的工业设计学生来说，并不困难。产品模型的制作和贴图的烘焙，都在3ds Max中进行。所以，该门课程与“三维动画设计”前后开设。

课程大作业，继续采用之前的工程车。这样，就不需要再花时间在建模上，而把主要时间用于交互程序的实现，这也体现了课程体系的连贯。大作业完成后，学生可以利用键盘、鼠标或者游戏控制器来操作自己制作的工程车，大大激发了学习兴趣。

4 结语

通过近几年的课程体系改革，“计算机辅助工业设计”课程已从单纯的软件教学发展成以竞赛专题设计为核心的教学体系，并取得了显著的教学成绩:近三年来学生的考研录取人数逐年增加;学生获得各级别设计大赛的数量和质量也快速提高;学生的专利授权达100项之多。

“计算机辅助工业设计”课程体系的建设，增强了学生对专业的兴趣，提高了学生的专业技能。当然，将来依然需要根据工业设计的发展以及社会的需求，对课程内容进行动态的调整。

［1］何晓佑.从“中国制造”走向“中国创造”:中国高等院校工业设计专业教育现状研究［D］.南京:南京艺术学院，2007.

［2］程能林，赵江洪，何禄桂，等.工业设计学科的建设［J］.高等工程教育研究.1994(4):5-8.

［3］吕慈仙.基于两类生源的工业设计人才培养体系［J］.高等工程教育研究.2011(6):146-149.

［4］浙江大学计算机学院.浙江大学精品课程计算机辅助工业设计［EB/OL］.［2015-02-10］.http://jpck.zju.edu.cn/jsjfz/index.htm.

［5］中国石油大学精品课程计算机辅助工业设计［EB/OL］.［2015-02-10］.http://jpkc.upc.edu.cn/jpkc/C331.

［6］闫成新，刘衍聪.以创新设计为核心的“计算机辅助工业设计”课程体系建设［J］.工程图学学报，2010(4):142-145.

［7］柯胜海.包装设计专业计算机辅助设计课程体系研究［J］.装饰.2012(5):120-121.