虛擬現實技術在產品設計學科教學中的運用與發展

摘" 要：文章通過對產品設計教學實踐中的虛擬現實技術應用現狀的調研梳理，分析歸納出虛擬現實技術在產品設計學科中構建的框架與理論邏輯，并結合相關政策與行業趨勢對虛擬技術在產品設計中的發展趨勢作出合理展望與推測。探討了虛擬技術介入產品設計實踐教學后在教學方法上的更新與在學科中運用的優勢，旨在使其能夠更好地為產品設計交叉課程體系建設賦能。虛擬現實技術在產品設計學科中的擴展運用可以讓目前的產品設計專業教育體系更加全面完善。

關鍵詞：虛擬現實；產品設計；學科教學

中圖分類號：G642" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2023）23-0121-04

一、虛擬現實技術與虛擬設計

虛擬現實技術（Virtual Reality）是集計算機、電子信息、仿真技術于一體，利用現實數據建模轉化給人以沉浸感的虛擬產品、過程、環境等實現方式。該技術的基本特征包括Imagination（想象）、Interaction（交互）、Immersion（沉浸感），隨著5G通信及信息處理技術的發展，虛擬現實技術成為虛擬設計的載體，結合相應傳感設備可對產品設計、加工、裝配、維護等環節發揮視覺、聽覺、嗅覺、觸覺的交互體驗作用。

虛擬設計（Virtual Design）是以虛擬現實技術為基礎，利用仿真手段在計算機上對虛擬數字模型進行產品設計、制造及測試，發現各方面可能存在的設計問題［1］。虛擬設計在繼承傳統CAD設計優點的基礎上，通過多媒體手段與人機交互方式集成，利用自然逼真的臨場感將產品從概念到投入使用的全過程實現在虛擬環境中，讓設計者與用戶共同感受產品情境，協同產品設計，在設計制造的各個階段對產品功能、結構、使用場景等進行評價與優化，從而提高設計效率。

二、虛擬現實技術在產品設計學科中的運用

產品專業教育目前主要側重設計過程、結構裝配、制造工藝、評價檢驗等環節的虛擬仿真，以拓展專業學習的實踐環節。教師可結合虛擬場景進行引導、啟發式課堂教學，讓學生帶著問題，在交流與實踐中學習，激發學習主動性，培養學生獨立思考的能力，使學生能夠主動完成對設計方案的思考與探索［2］。虛擬實驗室作為虛擬現實技術應用的重要載體，在產品設計學科中應用于產品虛擬現實制造，包括圖1的六個部分，在學科研究中無須消耗實際設備與材料，便能夠進行多種、多次模擬實驗提升人才培養的質量與效率。

（一）虛擬實驗室構建的必要性

產品設計協調“人—產品—環境”的相互關系，為人們營造健康舒適、節能環保并符合可持續發展目標的產品。專業學習時所面對的產品類型多種多樣，需要深諳產品結構，熟悉各類材料制造成型的過程，掌握不同制作工藝的造價與性能，做到“知材料、懂技術、會管理”，方能成為合格的產品設計師。但在傳統產品專業課程中，教與學存在以下問題：1. 材料種類認不全，傳統課堂中教師通過圖片展示、材料市場實地調研、材料實驗室中樣板等方式帶領學生認識材料，往往品種不齊全；2. 產品結構看不清，傳統課堂中教師亦通過圖片、實驗室產品結構模型等方式向學生展示產品工程構造形式，圖片展示不直觀，實驗室模型數量有限，更新較慢；3. 加工工藝無實踐，教師通過組織學生到各類工廠參觀考察的形式讓學生了解產品加工工藝和流程，但工地到訪具有隨機性，且學生不能動手實踐，無法深入全面掌握工藝流程；4. 結構安全無概念，傳統教學中學生僅能掌握對各種材料的運用，但工程結構設計是否安全，無直觀概念與考察機制，影響了設計方案實用性；5. 人機工程無驗證，在線下教學中只能通過人體模板、數據尺寸等測量分析人與樣機產品之間的相互關系，僅對實物模型進行簡單評估，所得到的研究結果參考價值低。

建設產品設計專業認知與虛擬實驗教學平臺，借助虛擬現實技術進行產品結構、實驗虛擬加工、人體工程學驗證，可有效解決上述問題，使學生在產品制造前感受并驗證設計的可行性，避免后期真實產品可能存在的缺陷，在虛擬環境中實現實驗教學目標。

（二）產品設計虛擬實驗室構建框架

產品虛擬實驗室由虛擬現實設備、軟件引擎、顯示系統等部件組成，構建沉浸感和交互性于一體的虛擬場景，以單人或多人協同合作形式完成教學課程內容，教師通過在線指導模塊和后臺管理模塊對學生操作過程進行指導和管理。在虛擬實驗室中建設材料種類、結構形式、工藝流程模擬、安全質量檢測數據庫，實驗室系統框架（如圖2所示）。學生通過數據庫掌握材料的類型、工藝構造及技術要求，在工藝流程模擬和檢測數據庫營造的使用環境中動手實踐，提高實際操作能力并檢測設計方案的可行性、安全性、適用性。虛擬仿真實驗室構建框架如圖3所示。

（三）產品設計虛擬實驗教學方法

1. “翻轉課堂”預先學習教學法

虛擬實驗系統建成后，師生可登入實驗平臺對產品材料的認知和結構解析通過翻轉課堂的教學模式讓學生在課前完成，課堂時間學生則主要用于完成方案的虛擬仿真模擬實驗，進行知識的內化與提高。教師通過虛擬實驗系統布置課前學習任務，學生可利用個人電腦或預約學院虛擬實驗室開展學習，完成課前測試作業。通過平臺對學生的學習狀態、作業質量等記錄、反饋數據，教師可清晰地了解學生對理論知識的掌握情況及在實踐中所遇到的問題，提升課堂教學的針對性。

2. “身臨其境”虛擬交互教學法

學生可在虛擬實驗平臺中進行項目設計模擬實踐，包括產品組件的空間要求、電子元器件布線、零件安裝和拆卸、材料綜合設計、產品可視或可達性測試、產品裝配及服務需求設計等過程，系統將從操作準確程度、經濟效益綜合指標等方面給予實時反饋。學生在虛擬實驗平臺中選擇設計場景及使用人群，在系統中進行設計方案測試，在此過程中學生需根據理論知識進行設計步驟選擇，設計方案的經濟效益將通過材料種類（型號、品牌）、能耗（生產、維護）、折舊速率等指標實時反饋給學生，有助于方案及時調整和優化。學生在實驗中通過沉浸、交互的體驗，實現與實驗平臺、教師、同學的互動，將理論知識轉化為設計成果并培養綠色設計全局觀。

3. “開拓前沿”探究提高教學法

在日益注重環境生態保護的社會背景下，加大生態可持續材料的研發、應用和推廣，可以有效降低產品生命周期內的能耗，落實低碳節能、生態環保的設計理念。在虛擬實驗平臺進行相關理論的研討，使學生不僅能熟練項目模擬技能的實操，了解相關技術性理論知識，還能思考產品設計的前沿理論及發展趨勢，培養研發新產品的能力。教師通過虛擬實驗系統布置學習任務，學生利用相關圖書資料、網絡資源等內容在虛擬實驗室與教師、同學進行互動，學校也可聘請相關專家進實驗室與師生交流、討論，完成相應學習總結，使學生可與持續發展的產品設計領域現實接軌，提高其對設計前沿相關知識的感受與學習能力。

（四）虛擬實驗室運用于產品設計學科的優勢

1. 全面認知產品設計過程

在虛擬場景中可展現各種材料色彩、質感等特性及產品生產加工過程。教師帶領學生深入探究，構建新型產品模型，使數據庫不斷更新，體現學科潮流與趨勢。學生可隨時評測在虛擬環境中建模的產品，在教師與校外實踐導師的共同指導下遠程修改協作，方案形成之后可結合相應材料與工藝仿真加工，使學生更多地接觸產品設計的諸多門類，為實習就業助力。

2. 深入了解產品內部設計構造

通過對產品模型結構的虛擬分解，讓學生對各類產品的內部構造進行深入了解，反復學習。虛擬現實技術可對復雜產品的內部結構進行直觀展示，學生可自由拆解各類型產品并進行重新裝配與延伸設計，了解產品在裝配集成過程中可能遇到的系統集成、部件干涉等問題。在交通工具、大型機械等設計中，學生甚至能“進入”到產品內部觀摩其中的管線布置、液壓系統等裝置結構設計。

3. 動手實踐材料制作工藝和流程步驟

材料與模型制作是產品設計專業必修課程之一，借助虛擬技術讓學生實現對各種材料制作過程的模擬訓練。學生可綜合運用理論知識，對設計材料進行流程選擇和工藝選配，實現由局部到整體的虛擬建構。材料選擇、加工工藝、加工流程都是決定設計能否落地的重要環節，其中可能出現的生產加工問題在方案設計階段卻不易被察覺。這些加工制造中可能出現的問題，都可從虛擬仿真加工預先發現并進行設計修正，提高產品設計成功率。

4. 直觀體驗產品安全性能和測試管理過程

新產品只有通過安全性能測試后才能進入商品的生產與銷售階段，在虛擬環境中對設計產品進行安全檢測，可使學生直觀了解產品整體設計是否安全、規范。采用虛擬技術驗證產品制造，進行“人－機－環境”仿真，在設計階段對方案、結構等進行仿真，在產品制造裝配及生產階段進行虛擬測試和運行管理，讓學生了解設計中的構件在工作運行中的運動協調、運動范圍、運動干涉等運動關系，檢驗并排除不合理設計。例如利用虛擬人機仿真軟件中的數字人體模型，模仿各種不同百分位的人體姿勢［3］，可為設計產品的操作舒適性、可視性、可達性等指標進行定性和定量分析［4］，從而獲得量化的人體工程學評價結果。

三、虛擬現實技術對產品設計學科的影響與應用趨勢

（一）政策紅利與技術趨勢

2016年工信部發布《信息化和工業化融合發展規劃（2016—2020年）》，標志著我國逐漸開始在技術領域支持虛擬現實的技術突破和創新。2022年11月，工信部、教育部、文化和旅游部、國家廣播電視總局、國家體育總局五大部委印發了《虛擬現實與行業應用融合發展行動計劃（2022—2026年）》，文件稱虛擬現實是新一代信息技術的重要前沿方向，是數字經濟的重大前瞻領域，將深刻改變人類的生產生活方式，產業發展戰略窗口期已然形成［5］。目前眾多互聯網公司都已進入虛擬現實賽道，華為、京東、飛利信等多家上市公司爭相布局虛擬現實軟硬件開發與生產領域［6］。虛擬現實技術正在被運用到各行各業，成為勢不可擋的技術發展趨勢。

（二）虛擬技術影響下產品設計學科未來發展趨勢

1. 故事化設計提升臨場感

制作逼真的虛擬產品不僅可以展示產品外觀、材質，還可以演繹產品內部結構、使用方法、工作過程、維修方式等使用細節。這要求在用戶畫像的前提下，引入產品意向使用環境，將產品設計的情景集合虛擬技術直觀地展示在用戶面前，引導用戶快速轉換使用者角色以進行后續操作。虛擬技術使消費者能臨場體驗使用過程，漫游產品生產環境甚至內部結構。因此，設計產品的過程始于設計師想給用戶講一個什么故事，營造一個什么樣的功能場景，通過間接的方式引入某類產品的痛點，讓用戶在虛擬環境中感受痛點，進而認同產品的創新特點。

2. 運用交互設計通用法則

在產品設計學科教育中引入交互理念，通過對界面一致性、功能可見性、簡單并兼顧效率、反饋等交互設計通用法則的學習，引導學生在虛擬環境中換位思考，例如通過虛擬設計拓展，設計與真實環境相對應的產品物理狀態［7］，向消費者暗示產品使用功能，讓其感知可進行的操作，使其獲得更良好的虛擬使用體驗。

3. 設計有趣仿真動效

虛擬環境中的動效可以指引用戶操作，維系產品使用體驗的連續性。在產品虛擬情境中，合理的動效可提升用戶沉浸感。例如運用物件類動效提示產品的響應狀態、加減速變化；運用環境動效烘托產品使用氛圍，加入仿真的聽覺音效，以及觸覺、嗅覺的聯覺延展。此外，在產品設計中要打造一個理想的虛擬用戶體驗，還涉及算法、光學、硬件、輸入體驗、視野、外設環境等方面的問題，需要在更深入的新文科背景下進行產品設計專業跨學科交叉課程體系建設研究。

四、小結

產品設計是對用戶需求以及產品功效不斷探索的過程，既需要前期調研的方向指導，也需后期迭代的不斷修正。不僅要保持全局的視野，也要將目光放到細微之處，因此產品設計往往需要多個學科領域交叉協作完成。將產品設計研發的各個環節接入虛擬環境中，運用虛擬現實技術輔助產品設計教學，使學生可在虛擬環境中進行概念設計，接收遠程實時評審方案，測試產品使用體驗，進行沉浸式研發設計。通過虛擬現實輔助平臺學習在產品設計、制造、營銷、使用、維護等生命周期各環節的應用與開發，有助于學生未來成為設計師之后更好地與工程師合作、更好地與制造業接軌、更好地為“中國智造”貢獻力量。

參考文獻：

［1］ Gao Z M，Huang J X. Design and application of virtual reality technology in 3D interior design and simulation system［J］. Academic Journal of Manufacturing Engineering，2018，16（03）：52-57.

［2］ 金月仙，張巖. 藝術設計類“材料與工藝”課程教學改革探索［J］. 藝術科技，2016，29（05）：375.

［3］ 秦洪亮，王金利，韓斌. 飛機虛擬維修三維人體建模技術綜述［J］. 航空科學技術，2015，26（12）：1-5.

［4］ 王建偉，張建敏. 基于Jack的農機駕駛室人機工程學分析及仿真［J］. 農機化研究，2018，40（06）：246-251+256.

［5］ 中華人民共和國工信部. 《虛擬現實與行業應用融合發展行動計劃（2022—2026年）》解讀［EB/OL］. （2022-11-02）. https：//www.miit.gov.cn/zwgk/zcjd/art/2022/art_acb9482eac994486913b592cebf71b81.html.

［6］ 鄒仁耀，任熹培. 遠程醫療類信息產品設計的研究現狀及發展趨勢綜述［J］. 包裝工程，2022，43（51）：19+15.

［7］ 童元園. 虛擬與存在——VR/AR與傳統數字平臺交互界面比較研究［J］. 藝術與設計（理論），2021，2（06）：99-101.

（薦稿人：張祿，湖州師范學院產品設計系副主任，副教授）

（責任編輯：淳潔）