新形勢下工業設計實驗教學教師專業知識構架探討

張軼哲 董 佳

（南京工業大學浦江學院 江蘇·南京 210000）

本文建立在《新形勢下工業設計實驗室課程教學探討》（《科教導刊》2019年第十四期）基礎上，探討實驗室教學教師的專業知識構架。

新形勢下工業設計實驗室解決的教學任務是輔助學生通過實踐完成理論認知過程，并且打破理論與實踐的瓶頸，并完成設計概念的實物化過程。

傳統的手工實踐與教學是實驗室教學教師必不可少的專業技能，但是由于現代科技的進步，以及現代科技對實驗室的介入，傳統的知識構架就不能再勝任現在的實驗室管理與教學任務。需要更新并探討適應新形勢下工業設計實驗室教學所需要的理論構架。

新形勢下，實驗室必須與時俱進地引進先進的數字圖形圖像技術、數字制圖技術、數字三維建模技術、先進的網絡技術、快捷的信息傳輸技術、數字三維打印實物成型技術、數字多軸雕刻技術，數字三維采集與修復技術等數字設備與數字軟件，并且在擁有海量資源的信息時代提取有效信息的能力。

實驗室實踐操作可分為二大類，即人工手工操作與機器自動操作，手工操作類的實踐課程是必要課程，也是實驗負責教師的基本業務能力及基本知識構架。而新形勢下需要在保證傳統的教學模式下加入適應現代化教學的內容，雖然數字化控制已經不是什么新的概念，但是在實際實驗教學過程中并未真正形成可實施的教學系統。由于儲備的知識不足，很多先進設備束之高閣，并未真正應用到教學中?，F在迫切需要建立系統的知識構架提升教學質量。

實驗室相關教學的最終目標是把設計理念中的物像通過各種機器與加工工藝轉化為實物的過程。我們需要的知識構架即是完成這種操作流程的知識與技能。在我們現的教學體系中會分為理論與實踐兩個部分，而大多數情況下這個系統被分為不同的教學者進行實施，這種方式帶來的影響造成理論與實踐之間的割裂與不連貫。而在現實的教學過程中也人為地對這兩個部分進行了側重。

根據馬克主義哲學原理的思想，現在我們把理論稱之為認知，認知為整個教學系統中的一個環節，與實踐密不可分，在某種層面上來講，認知也是一種實踐，所以現在的理論教學與實踐教學的提法是不全面的，而人為定義側重點也是不科學片面的。

在現代科技的影響下，數字技術介入實驗室可以打破傳統的理論與實踐的“瓶頸”，“虛”的理論構思到“實”的對象成型。在傳統手工實驗室的教學模式下，理論與實踐結合極難形成，動手技能的提升是需要時間與體力的付出的，而在大學教學實踐中受學時的限制，不可能有或者不能全面進行積累的，所以之間存在一個極大的“鴻溝”，造成了理論與實踐之間關系的脫節，三維造型技術與設備的出現為彌補這一差別提供了可能性。

如何解決這一問題，為我們解決知識構架需求提供可能。在分析工業設計實驗室實驗對象完成的階段中我們整理出每個環節的必要條件并可優化出適合的最優化知識結構。

數字化制造最大的優勢就是通過數字化模型通過數控設備精準成型，則整個流程就變為構思、建模、加工、成品階斷。

構思：在整個系統中，構思是每個教學單位最為重視與重點培養的部分，我們在此不做討論。這是每位實驗教學教師先天所具備的技能。

建模：所謂建模是指通過計算機圖形軟件，建立未來加工對象的數據尺寸，包括二維與三維，所用軟件分為圖形類軟件、圖像類軟件、CAD制圖類軟件、三維類軟件。種類繁多，我們如何選擇并提升軟件使用技能是完善自身知識構架的重要保障。不同的專業傾向有著不同的選擇。

加工：數字模型提供后，即可通過編輯機器加工程序進行數控成型加工，利用三軸雕刻機、三維打印機、激光雕刻機、水刀切割等設備成型制造。

成品：是機器制作完成后對實驗對象的后期加工整理。

通常以上是工業產品實驗加工的流程，針對此我們自身的知識構架建設則需要以下三個部分進行分析，即理論準備階段、設備保障階段、應用階斷。

理論準備階段：用數字化技術必須要制作數字化機器可以讀取的數字文件，而現階段可以使用的數字軟件可以分為文字處理軟件、圖形軟件、圖像軟件、CADCAM類軟件、三維建模類軟件。這些軟件通過相應的轉換方式皆可以編輯機器加工程序而進行成型制作工業產品，因為軟件種類繁多，而個人的時間有限，所以不可能所有軟件都可以接觸到，我們的文字處理軟件學常見的為OFFICE辦公軟件、WPS軟件；圖像軟件以Photoshop軟件為主，還有Paint軟件等；圖形軟件為生成矢量格式的文件為主，包括Adobe Illustrator、Flash、CorelDraw等；CADCAM類軟件為計算機輔助設計與計算機輔助制造軟件，其包括種類非常多，AutoCAD、Rhino 3D、Creo、ProE、Solid work、UG、等；三維建模類軟件包括：3DSMAX、MAYA、Zbrush等，另外CAD類軟件也具備三維建模功能。如此眾多的軟件，如何選擇性地學習，我們可以分析實驗室常用數控機器的加工特點進行選擇，數控機器加工動作可以概括為：“切割”“鑿挖”“立體”三種動作。

切割是對工件進行裁斷的一種工藝，其裁斷方式是依據矢量的路徑進行一定深度可逐層深入的切削加工方式，對軟件的要求是能生成路徑（PATH），Photoshop、Illustrator、CAD類的軟件都能生成路徑，而數控機器的編輯加工程序的軟件通常都可以支持AI格式、DXF格式，針對專業而言、視覺專業方向的可學習Photoshop、Illustrator、即可，室內專業方向、產品設計方向的可以學習更為數據精度高的CAD類軟件中的一個。

鑿挖工藝是指不貫穿加工材料的區域加工方式，其加工限制與切割工藝基本相似，不同點在于加工時往復疊加刀具。所需軟件相同。

立體加工，一般是加工出復雜的立體構件，包括浮雕、立體多面成型構件，通常用的機器三軸雕刻機可以雕刻浮雕作品，而立體構件則需要多軸加工機器，而這些成型則多數采用3D打印機完成了。如果是家具專業方向的則需要3DS MAX作為軟件知識的構架，如果涉及雕花設計，則需要Zbrush軟件。加工程序編輯軟件一般都支持STL格式與OBJ格式。

綜上所述，在理論準備階段所需要的知識構架在軟件要求上的最低標準是，掌握 PSAI、AutoCAD或 Rhino 3D、3DSMAX。

設備保障階段：是指機器正常運作的保障的系列問題，包括編輯加工程序、機器運行特性。

編輯加工程序通常被數控機器的售賣方稱之為“編程”軟件，這對未使用過數控機器的操作者而言是一極大恐慌，存在極大的誤導，此“編程”實則是為機器編輯加工程序，而非用“C”語言之類的編程軟件進行代碼設計的編程。加工程序的編輯重點還在于數據模型的建立，即前期理論準備階段所需的知識構架。而針對加工對象選擇適合的刀具、加工的優先順序、刀具的加工路徑生成、ENG文件或NC文件的生成、機器運行行程控制、三維雕刻機的空白部分支撐結構的設計。機器加工編程類軟件都為機器自身所帶，“專機專用”雖然數控機器種類繁多，但是其所處理的問題是一定的，所以學習方法也就相對簡單。此也必須掌握。

機器運行特性：包括機器本身運作的特點，以及加工對象的特點，合理編輯加工程序。

機器的運行速度、刀具的先擇、夾具的設計與選擇、被加工對象的材料屬性，都會極大影響實驗對象的精度。工業設計實驗室進行的實驗教學包括產品設計、服裝設計、視覺傳達設計、環境設計等，實驗教學中，其實踐的被加工對象多種多樣，需要處理的對象形狀也千變萬化，但是我們可以根據加工對象的材料屬性進行分類，可分為柔性材料與剛性材料加工方式。柔性材料的典型材料為紡織類面料、紙張，其特點是延展性好，彈性強，形變大，相對精度限制的要求低。剛性材料的典型材料為金屬、木材、石材、各種樹脂類等，加工精度要求較高。材料的不同限制了機器的使用，反之，不同的機器可以加工不同的材料，這也是實驗教學教師必須掌握的知識構架。

應用階斷：包括機器加工程序改良、安全保障。

機器加工程序改良包括機器加工程序設計改良與夾具工件改良。機器加工程序設計的改良是指在總結常規加工編程后，對復雜影響加工效率的步驟進行改良，提高運行效率。另外，工業設計實驗室需要面對的工件復雜多樣，在實踐工作中通常對如何夾持實驗對象而耗費極多的時間，相對于專業企業的加工模式，其夾具功能是專用性質的，功能專一并高效。為了提高效率，需要重新設計大量的夾具，并提高夾具的精度，通常用實驗室內的數控加工設備，結合高精絲桿，與高精度光軸進行設計，從而提高夾具夾持性能，提高工作效率。因此針對機器設備，實驗教學教師也必須具備夾具設計的知識構成。

安全保障：機器的運作大都是高速、高熱的、強光等，在實際工作中會出現較多的情況影響機器與機器使用人員的安全，實驗教學教師需要加強機器突發狀況應對與人員救護的知識。

以上論述了現階段新形式下實驗教學教師所應具備的知識結構。

總而言之，“實驗室是現代化大學的心臟”，實驗室的重要性不言而喻，而在新的形勢下，會有越來越先進的科技融入到實驗室的實踐中，實驗教學教師應不斷關注并研究新的科技內容，豐富自己的專業知識構架，應對日新月異的科技進步。