计算机辅助工业设计课程建设

　　随着教学方法的不断进步以及对工程实践能力的重视，单纯强调三维建模命令讲授的教学已经不再适应计算机辅助工业设计的课程需要。文章基于对计算机辅助工业设计能力的分析，对比了工程软件和造型软件在课程教学中的优劣，提出了面向工程实践能力培养的课程内容，为计算机辅助工业设计课程的教学改革提供了有益的思路。

　　关键词：工业设计；计算机辅助工业设计；课程内容

　　一、引言

　　三维建模能力是传统计算机辅助工业设计课程教学的核心内容，但近年来随着公开课等网络资源的丰富和翻转课堂等教学手段的成熟，以三维建模命令操作讲授为主的教学模式已不适应当前的教学需要[1]。如何设置适当的课程内容，面向工程实践培养学生的三维建模能力是当前教学的重点和难点。

　　二、计算机辅助工业设计

　　广义而言，计算机辅助工业设计包括数字化建模、数字化装配、数字化评价、数字化制造以及数字化信息交换等方面内容。具体到高校本科教学，又主要涉及建模、渲染、装配、评价和制造等部分[2-3]。受限于教学安排，计算机辅助工业设计多划归为低年级基础技能类课程，教学主要集中在建模和渲染部分，装配大多比较浅显，而评价和制造一般不在计算机辅助工业设计课程中作为面向全体学生的授课内容。而渲染，就操作而言，随着软件易用性的提升，一般水平的产品渲染教学已不需要占用太多的课时。当然，要想达到良好的渲染水平，仍需要足够的时间练习，而且仅仅关注软件本身是不够的，如材料与工艺课程和产品摄影课程的相关知识对渲染有着重要的影响。最后，三维建模无疑仍是计算机辅助工业设计教学的核心，但随着教学手段和方法的多样性，建模方法和思路已经取代命令成为教学的重点，而如何面向工程实践、并非单纯地讲授命令则是难点。

　　三、Solidworks与Rhino的比较

　　目前工业设计专业教学常用的三维软件主要分为两大类：工程软件和造型软件。前者以Creo和Solidworks为代表，后者以Rhino和Alias为代表。工程软件方面，就曲面造型能力和功能的扩展性而言，Creo要优于Solidworks，但Creo对工程素养的要求较高，且逻辑严谨，更适于“给定参数做设计”的工程建模，对工业设计“寻找参数做设计”而言显得过于“刻板”。造型软件方面，Alias的功能要强大得多，但更适于对曲面造型要求较高的汽车造型设计，对日用产品造型而言，操作过于复杂。以下重点比较Solidworks和Rhino两个软件的优劣。第一，操作便捷性。由于没有工作平面和约束关系等条件限制，一般而言，造型软件的操作便捷性要优于工程软件，对于刚开始学习的学生，Rhino的操作便捷性要优于Solidworks。但是也要看到软件的操作便捷性是相对的，比如Rhino在造型初期非常便捷，但后期修改则较为烦琐，而且在一定程度上，会牺牲建模尺寸的精确性。此外还必须认识到，操作便捷与最终模型是否能高度还原设计意图是两个概念，操作便捷不等于一定能够建出好的模型。第二，曲面造型能力。Solidworks与Rhino的曲面造型能力不相上下。在曲面控制、特别是细节控制方面，Rhino要优于Solidworks；但在某些情况下，如5边曲面，Solidworks比Rhino要方便得多。当然Solidworks难以实现G2以上的连续，但对日用品设计而言，G2连续已经能满足要求。而且，在工程实践中，无论Rhino还是Solidworks，三维模型的连续性和CAM加工的连续性并不等同，过分强调高阶连续的工程意义并不大。第三，参数化建模和历史记录。参数化建模和历史记录对于利用计算机完成辅助工业设计是非常关键的功能，它保证了在建模过程中可以不断调整和完善，真正实现辅助设计而不是简单的建模。这一点正是Rhino相比于Solidworks最大的劣势。第四，造型插件。Rhino的插件众多，如Tsplines和Grasshopper，在多边形建模和参数化建模方面扩展了Rhino的功能，但也应注意，相关三维模型在实践领域的应用有限，其造型意义远大于工程实践意义。Solidworks的插件较少，但如PowerSurfacing也能很好地补充Solidworks多边形建模的不足。

　　四、课程内容设置

　　鉴于以上分析，中国农业大学工学院工业设计专业的计算机辅助工业设计课程形成如下教学计划。为突出工程实践能力的培养，授课中强调以下几个原则：首先，“轻命令、重方法”，课堂教学强调建模方法而不侧重具体的命令讲解。其次，“拆解—实测—建模”的教学手段，培养造型能力的同时使学生积累更多产品设计的实际经验。最后，建模对象的选择上，避免汽车一类复杂曲面的练习。原因如下。1.尽管汽车建模可以有效提升学生的建模能力，也便于培养学习兴趣，但汽车建模并不适于面向全体学生的教学，因为大部分学生毕业后不会从事汽车设计工作。2.低年级学生的造型能力还在培养之中，并不能很好地处理复杂曲面之间的关系，在实际教学中关系明确的简单的复杂曲面比汽车一类关系复杂的复杂曲面更能有效地培养学生的造型能力。具体内容如下，共7个练习，约40课时。第一，SONYPS2的实测与建模练习。PS2的建模以拉伸、切除和倒角等实体命令为主，通过这一练习能让学生迅速熟悉软件的操作思路和使用方法，培养学习兴趣；且建模过程中需绘制的草图和基准面较多，便于培养学生养成良好的建模习惯。此外让学生快速熟悉产品实测方法，培养产品设计的尺度观念。第二，任选3个红点奖产品完成主要曲面的建模。红点奖作品的曲面动势清晰、穿插关系明确，便于初学者分析产品形态，体会不同建模的思路和命令选择对最终模型效果的影响，熟悉不断修改参数完成造型推敲的设计方法。此步骤不提供实物，侧重培养学生控制产品形态比例的能力。第三，学习曲面连续理论，完成消失面和蛋壳面练习。详细阐述曲线和曲面连续性的定义、控制方法及应用实例。完成消失面和蛋壳面练习，深入理解曲面连续性的控制方法及应用对象。第四，小米耳温枪实测与建模。基本掌握Solid-works的实体和曲面命令后，完成一个完整的产品建模。一方面小米耳温枪的曲面属于复杂曲面，涉及奇点的面、4边面和5边面，但关系明确。通过对面与面之间过渡方法的深入讲解，使学生对曲面建模思路有初步的理解，对连续性的控制有更深入的认识。此外，通过此练习使学生熟悉自顶向下的产品设计建模方法。第五，BOSCH手持打蛋器实测与建模。BOSCH手持打蛋器体块关系明确，但曲面变化细微。此练习使学生养成由曲面而非实体思考产品建模的习惯，使学生对产品建模思路和分面方式有更深入的认识。第六，AirPods练习。完成以上练习后选择苹果耳机作为附加练习。就命令而言，AirPods的建模基本没有新命令，但基准面较为复杂，合理的基准面选择对提升建模效率有很大帮助，通过此练习让学生对曲面建模思路有更深入的认识。第七，产品“拆解—实测—建模”练习，选取曲面复杂程度适中的日用品，要求学生完成产品实物的拆解、实测和建模。此练习的重点不在于产品曲面的复杂程度，而是通过“拆解—实测—建模”的练习使学生积累产品设计的实践经验，将计算机辅助工业设计与产品实物相联系，虚实结合，提升学生的工程实践能力。

　　五、总结

　　以上“轻命令、重方法”，基于“拆解—实测—建模”的教学手段的课程内容设置有助于面向工程实践培养学生的三维建模能力，为计算机辅助工业设计课程的教学改革提供了有益的思路。

　　参考文献：

　　[1]陈雨.以模型研究为导向的计算机辅助工业设计课程内容研究[J].工业设计,2017,(11):113-114.

　　[2]杨海成,陆长德,余隋怀.计算机辅助工业设计[M].北京:北京理工大学出版社,2009:1-5.

　　[3]鲁晓波,关琰,覃京燕.计算机辅助工业设计[M].高等教育出版社,2007:1-8.

　　作者：陈雨 姚海蓉 周敏 尹宜勇 单位：中国农业大学机械与农业工程实验教学中心