依托信息化教學平臺，融合幾何美學的計算機輔助設計課程教學改革與實踐

摘要：結合參數化產品設計趨勢，在計算機輔助設計課程中融合幾何美學的產品設計教學實踐。課程依托信息化教學平臺，探討如何將幾何美學引入到設計教學中，使用參數化設計方法實現了常見的4種構成幾何美學特征。使用了線上線下混合式教學模式，結合自主研發的教輔軟件來彌補傳統教學的不足。課程引導學生利用計算機輔助設計技術展現幾何之美，提高設計能力和設計美學價值。得到了具有幾何美學的設計模型。該方法能提高計算機輔助產品設計的美學價值，發揮信息化教學優勢，提高學習效率。

關鍵詞：信息化教學 教輔軟件 產品設計 幾何美學 參數化設計

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2023）22-0086-05

Abstract：Combined with the trend of parametric product design，the product design teaching practice of geometric aesthetics is integrated into the computeraided design course.Under the background of informational teaching，relying on the information-based teaching platform，this course discusses how to introduce geometric aesthetics into design teaching，and realizes four common geometric aesthetic features by using parametric design methods. The online and offline mixed teaching mode is used，and the self-developed teaching assistant software is used to make up for the deficiency of traditional teaching. The course guides students to use computer-aided design technology to show the beauty of geometry and improve their design ability and aesthetic value.A design model with geometric aesthetics was obtained.This method can improve the aesthetic value of computeraided product design，give full play to the advantages of information teaching and improve the learning efficiency.

Keywords：Information based teaching Teaching auxiliary software Product Design Geometric aesthetics Parametric design

引言

傳統的計算機輔助設計課程過于重視軟件技能教學，授課時間有限，很難在短時間內培養學生產品設計實際所需要的美學能力。基于此，課程依托信息化教學平臺，融合幾何美學這一兼具審美價值，普適性與效率性的藝術美學進行數字化產品設計教學實踐。從參數化幾何美學思維、教學內容設計、實踐平臺構建3個方面，探討如何將幾何美學引入到教學，并利用數字化技術彌補傳統教學的不足，提高師資隊伍的信息化教學能力。引導學生利用參數化產品設計技術展現幾何之美，同時提高設計能力和設計美學價值。本文筆者以《計算機輔助設計》課程的“參數化首飾設計實驗”為例，對數字化產品設計教學項目建設展開探討。

一、課程概況

（一）研究背景。隨著社會信息技術的發展，產品需求的復雜性呈現爆發式增長。產品設計需求、設計軟件、相關技術更新迭代速度非常快，傳統的教學方法已經很難滿足社會需求。因此教師需要引入數字化設計技術與信息化教學平臺來保證課程內容與教學手法的適時性[1]。而學生需要能夠設計兼具美感和創新性產品來適應日漸精細化，復雜化的市場。幾何美學作為現代主義美學的重要組成之一，在今日仍具有極高的普適性與審美內涵[2]，因此以幾何美學與數字化設計提高產品設計的美學價值與設計效率，是高校產品設計教學與人才培養的重點目標。

（二）研究對象。此案例以廣州商學院藝術設計學院產品設計專業，2017至2019 3個年級6個班的253名學生為研究對象。從2019年至2021年，連續3學年第一學期的計算機輔助設計課程開展研究。該課程共計96學時，分上下兩個學期完成授課，上學期主要內容是產品二維效果圖設計表現，下學期主要內容是產品三維效果圖設計表現，本案例主要討論該課程下學期三維設計表現的教學研究內容，不再贅述。

（三）研究方法。該課程從2019年至2021年3年時間里，對6個班的學生實施了3種教學方法。第一是2019年線下實施的常規軟件教學中的示范性教學；第二是2020年課程授課時間遇到了疫情，使用了純線上的教學方法；第三是2021年課程使用了線上線下混合式教學。課程團隊以調查法與個案研究法對比學生平時成績、期末成績、學生作業完成情況、學生考試完成情況、學生對教師教學滿意度等多項數據，進行課程的綜合評價研究，提升教學質量。

（四）課程介紹。計算機輔助設計課程是產品設計專業必修課，課程實踐性強。通過課程的學習，學生能夠掌握計算機輔助設計表現方法，能夠提高產品效果圖設計表現能力，能夠利用數字化技術實現具有幾何美學特征的產品設計，展現設計成果。

二、教學問題分析與解決方案

課程的教學對象是藝術設計學院產品設計專業大二下學期學生，通過前面課程的學習，學生已經具備了基礎的產品設計知識，掌握了基本的產品設計技能。學生喜歡操作，厭惡理論講授。學生整體學習效果具體表現為3種情況：

第一，大部分學生能夠按要求完成課程產品設計臨摹任務，掌握設計表現技能，但設計缺乏美感。學生由于初次學習三維設計內容，短時間還難以適應手繪和三維設計表達的巨大差異性。因此剛開始課程學習時有一定吃力現象，學生存在畏難情緒，傳統美學知識運用在計算機輔助設計中存在一定困難。第二，個別學生計算機實踐能力較弱。由于前面高考壓力過大，至今才初步學習計算機應用軟件使用，間接影響課程的學習效果。第三，少部分學生主觀能動性較強。不需要老師監督，能夠提前預習課程內容，取得不錯的三維設計表現效果。基于以上的學情分析，發現學生整體學習效果差異性較大，給課程內容設計帶來了一定困難。在教學實踐過程中，發現6個方面對最終教學效果存在較大影響，并針對性地探討出了對應方法與思路，具體如下：

（一）線上線下混合式教學。多種角度相互印證取長補短，產教融合項目激勵，學生學習更加高效全面。線上視頻教學、軟件操作直觀，案例操作可直接應用，強調了軟件基礎功能的應用，但很難讓學生在短時間內對計算機輔助設計課程有系統的認知，加大入門學習難度。線下教學中注重計算機輔助設計能力的培養，融合幾何美學的教學，優化設計效果，明確設計趨勢，提高了學生的計算機輔助產品設計的美學能力，設計效率和質量。見圖1。

（二）教學時間。3個周期的混合式教學，從線上再到線下，突破傳統軟件教學時間限制，教學內容從易到難，迭代漸進式學習。在傳統教學中，學生只能在課堂上掌握軟件工具的基本使用，短時間很難進行自由的藝術設計創作。信息化教學給課程的時間設置帶來了新的解決思路。

首先，在課前教師向學生推送線上教學進行預習，掌握計算機輔助設計軟件的基礎，明確課程設計項目任務；然后，從第1周到第5周的線下教學重點是設計分析，學生能夠利用幾何美學知識優化設計結果，能夠利用參數化設計方法提高設計效率優化設計質量，能夠了解當下的產品設計技術趨勢。其次，第6到12周學生利用高階拓展資源繼續提升設計表現能力，線上教學重點是設計作業反饋，老師定期給予修改建議，學生能夠利用計算機輔助設計手段優化課程設計質量；最后，第15到第16周計算機輔助設計實踐課程，點評分析學生設計作品，擇優推薦設計競賽和企業應用。

（三）產教融合項目設計。課程教學成果的優秀設計方案擇優推薦應用于實際設計項目。一共有兩種方式，第一，組織學生參與到藝術設計學院工作室的校企合作項目，給學生提供實際商業設計項目的實踐機會，企業項目會倒逼學生完成符合市場需求的產品設計。第二，課程組織學生參加設計競賽，學生在有限的時間里與行業優秀設計師同臺競技，通過以賽代練的方式提高設計能力。這兩種基于實際的項目設計方式，更容易激勵學生興趣，快速達到教學效果。

（四）專業軟件的選擇。目前CG產品設計軟件眾多，各自有其自身優勢，學生選擇存在一定困難。學習興趣是最好的老師，教師在教學過程中應該引導學生去了解產品設計專業軟件的分類，明確Rhino在產品設計教學中的重要地位，明確Grasshopper參數化設計表現的在產品設計中的意義，明確軟件技能和幾何美學的關系，讓學生了解如何選擇產品設計專業的相關軟件。

（五）課堂教學方式。以學生主體，教師為主導。傳統的軟件技能教學以教師講授為主，學生跟著教師的示范進行臨摹作業，照葫蘆畫瓢的學習方式明顯不符合產品設計創新要求，美學要求[3]。課程可以采取優秀學生操作示范，教師進行重難點補充。課程重要知識點，學生提前預習線上教學視頻，完成舉一反三的拓展練習，進行產品設計創新的實踐活動。課堂教學環節展示學生設計作業，師生相互討論學習，明確問題、解決問題、進行美學和設計優化。課堂教學的重心在于引導學生通過計算機輔助設計手段，提升產品設計美感和創新度。

（六）自主研發，個性化定制教輔軟件。課程結合商業設計需求，設計開發了課程網頁學習導航。將Rhino和Grasshopper軟件學習的經典教學資源由易到難進行分類整理，方便學生課后線上拓展學習，見圖2。調用了騰訊 AI 智能答疑接口，實現了計算機輔助設計相關軟件的知識點問答功能。目前該軟件問答數據的建設主要圍繞產品三維設計表現軟件 Rhino 進行展開，整理了共600余條知識點問答。學生輸入學習問題的關鍵詞，AI機器人老師能夠立即反饋問題的答案。其中常見的 Rhino 知識點問答數據信息已設計并錄入300余條，后續計劃分類整理后，繼續完善和擴充課程問答信息的數據庫，直至真正實現課程常規問題的智能化答疑。經過問卷調研和學生訪談，發現課程自主研發的教輔工具對學習有明顯幫助，有利于融合幾何美學的參數化產品設計教學實踐，拓展了教學時間和空間，提高了教學效率和教學質量。見圖3。

三、融合幾何美學的參數化產品設計在教學改革實踐

（一）參數化產品設計教學的背景。參數化技術是產品設計的重要手段。目前，國內高校參數化設計教學案例主要集中在建筑制造，這與產品設計存在較大差異，大部分參數化建筑設計方法直接應用在產品中，會造成產品外觀雷同，審美風格上不兼容，因此學生很難直接應用。

純軟件CMF參數化設計教學不利于培養學生產品設計的美學能力[4]。由于Rhino中Grasshopper參數化設計的難度和節點設計方式，大部分初學者只能簡單套用參數化設計的電池模板，無法創新造成設計方案雷同。學生很容易陷入參數化復雜的設計邏輯中，忽略產品設計本應該關注的美學問題。造成花費了大量時間，反而做出了很多無效丑陋的產品設計方案，學生容易產生學習的負面情緒。針對以上情況，在本科二年級階段的計算機輔助設計教學過程中，應該明確參數化輔助產品設計的作用。

（二）融合幾何美學的參數化產品設計的教學內容。課程教學立足于應用型本科人才的培養，商業設計一般有明確的需求和限制，Grasshopper參數化設計技術目前大多應用于產品外觀造型中的表皮肌理設計。相較于大體量的建筑設計，課程教學重點是融合幾何美學的參數化技術提升產品外觀造型的美感。基于教學需求課程的教學內容安排，見表1。

（三）幾何美學與參數化產品設計教學。丟勒說“沒有掌握幾何學，任何人都不可能成為一名藝術家[5]”。幾何美學在產品設計領域有著廣泛應用，產品設計案例中的各種設計比例形式都來源于幾何美學，參數化設計為實現這類自然幾何美學形態給出了新的思路[6]。基于此，課程提出了以幾何美學為核心的參數化產品設計教學，主要教學改革措施有以下4點：

1.設計基于幾何美學的Grasshopper參數化設計流程。重構參數化設計流程。讓產品設計主體造型和CMF設計相對獨立，設計師更容易把控產品設計形態，提升產品設計的美學價值。首先，確定產品設計中使用的構成設計方法；然后使用中文語言撰寫出建模邏輯和主要的設計方法；其次依據前面撰寫的中文語言建模邏輯，使用Rhino手工建模，模擬設計結果；最后，再使用Grasshopper電池元件復現Rhino的建模過程和構成設計方法，得到大量設計方案。

2.探究以幾何美學為核心的參數化產品設計教學。傳統軟件教學以技能培訓為主，重點圍繞參數化組件工具和數據結構的講解，然后利用參數化設計工具實現大量的CMF效果。這種純軟件的教學方式學習周期很長，而且產品外觀方案雷同，最終很難直接應用于產品設計中，學生容易產生畏難情緒，消磨學習積極性。

因此，課程提出了以幾何美學為核心的參數化產品設計教學方案。分為3個教學階段：第一，前期的線上教學階段，學生能夠初步掌握參數化設計工具的使用；第二，中期的線下教學階段，學生能夠掌握參數化設計中的基本的數據結構和數據管理，學會利用參數化設計手段再現幾何美學案例；第三，后期的線上線下混合式教學階段，要求學生完成課程設計任務，學生能夠靈活運用計算機輔助設計手段，結合數字化的幾何美學實現方式，提升產品設計的美學價值和品質。

3.探究參數化設計實現4種幾何美學的構成規律。幾何美學中的構成規律一共有四種：平均構成、線性漸變構成、曲線漸變構成、非線性干擾構成[7]。

第一，平均構成案例分析及參數化設計實現。平均構成規律的設計缺乏對比，適合作為設計的背景。各個設計元素之間基本差不多，在視覺上很難分辨出重點元素。通過直方圖進行分析，A元素至H元素之間的高度數值沒有變化，在設計構成中稱為元素的重復，見圖4。

第二，線性漸變構成的案例分析及參數化設計實現。在線性漸變構成中，每種元素的變化近似于線性漸變，每種元素之間看不出明顯的變化，元素之間的對比并不明顯，因此這種線性漸變構成規律比較適合作為背景元素。深藍色的夜空顏色從上到下呈線性漸變，突出了前面人物的孤寂感。

通過直方圖進行分析，A元素至H元素之間的高度數值呈線性變化，沒有明顯的波動，在構成設計中稱為漸變構成。函數表達式為y=a*a*x+b。具體分析實現，見圖5。

第三，曲線漸變構成的案例分析及參數化設計實現。在曲線漸變構成中，元素之間的強弱對比非常明顯，節奏對比突出，韻律感強，非常容易發現某個元素占據主導地位，吸引視覺關注。蝸牛殼的生長紋理從內到外的大小呈現曲線漸變規律，大小變化非常快，且對比強烈。

通過直方圖進行分析，A元素至H元素之間的高度數值呈曲線漸變的變化。函數表達式為y=sinx或y=cosx，具體分析實現，見圖6。

第四，非線性干擾構成（也可以稱為自然構成）的案例分析及參數化設計實現。自然構成滿足曲線漸變構成的所有特點、節奏對比明顯，次要對比變化規律豐富。自然構成規律在大自然中隨處可見，例如，動物生長的羽毛，又例如樹干生長狀態具有明顯的朝向性，樹枝粗細對比明顯但變化豐富；通過直方圖進行分析，A元素至H元素之間的高度數值變化規律呈非線性干擾狀態。具體分析實現，見圖7。

利用算法設計實現自然幾何美學是未來的設計趨勢。目前，Grasshopper平臺支持安裝插件（開源算法）實現這種基于自然幾何美學的非線性干擾構成，極大提升了設計效率。例如分形算法，遺傳算法、集群算法等。

4.通過Grasshopper參數化工具探究的4種幾何美學的構成規律提升設計教學的效率和質量。學生使用參數化技術完成產品表皮的肌理設計時便有了具體方向，不至于盲目調整參數，浪費時間。設計項目中可以根據美學需要，主觀調整肌理設計的疏密對比關系，優化設計質量。由于商業產品設計具有一定的局限性，因此課程第四章的參數化產品設計實例，教學內容安排了燈飾和首飾這種相對自由的飾品的設計練習，便于學生復習鞏固。

（四）融合幾何美學的參數化產品設計教學案例。以課程第四章的參數化首飾設計為例，通過教學案例的示范和解讀、學生能夠更好地理解融合幾何美學的參數化產品設計方法，見圖8。對大自然的捕捉與臨摹是首飾設計的一大設計思維，跳脫出對植物造型的單純模擬，以參數化算法試圖勾勒與表現自然的本質，即植物的生長規律，秩序與節奏。該參數化首飾設計案例中，結合幾何美學的構成規律，利用參數化算法生成了28種植物生長形態，以鉑金和掐絲工藝表現植物的自然有機形態，配以幾何形態的綠碧璽和海藍寶石，在視覺上形成疏密對比強烈的構成關系，耳飾在造型和顏色上營造出蔥郁，繁盛的自然風格。該設計也可以根據客戶對不同自然形態的喜好，根據算法生成定制方案，不但滿足客戶個性化的需求，亦能為提高設計行業效率提供思路。

四、教學實踐成果

課程結束后，課程團隊以調查法與個案研究法對比分析6個班級的數據（學生平時成績、期末成績、學生作業完成情況、學生考試完成情況、學生對教師教學滿意度等多項數據）進行綜合評價研究。發現推進教學改革與實踐后，學生成績有明顯提升；發現產教融合后，學生課程設計有明顯進步；發現課程融合幾何美學的參數化產品設計教學實踐，學生的設計作品更具美學價值。

從最終的課程設計反饋情況來看，大部分學生都能夠掌握4種幾何美學的構成規律，結合參數化設計方法，利用計算機輔助設計手段完成的設計作品，并在作品數量、效率、質量上有明顯提高，部分學生首飾設計作品見圖9。截至目前，學生100余款設計作品被企業采納，獲40余項外觀設計專利，獲大學生創新創業項目24項，設計作品獲得了較好的社會反響。

結語

依托信息化教學平臺，融合幾何美學的數字化產品設計給教學提供了一些新的思路。通過信息化教學資源，數字化產品設計手段，課程內容與教學方式均得到了與時俱進的提升。項目驅動的教學方法，使得學生充分發揮其主觀能動性并快速掌握產品設計表現技法。以參數化設計表現的幾何美學提升了產品設計的效率和競爭力之余，更豐富了其美學價值和工匠精神，不僅提高了教學效果，更滿足了企業對設計人才更高的需求。但目前計算機輔助產品設計的創新性還有提升空間，未來在教學中需要繼續實踐與探究。

基金項目：廣州商學院校級一流在線開放課程建設項目“計算機輔助產品設計”（項目編號：2019XJZXKF05）。

參考文獻

[1]石磊. 工業設計專業《計算機輔助設計》教學改革研究[J]. 吉首大學學報（社會科學版），2017，38：207-209.

[2]王玉. 幾何美學在產品形態設計中的應用研究[D].天津美術學院，2015.

[3]董冰洋. 計算機輔助設計在工業設計教學中的應用[J].中國教育技術裝備，2018，（14）：26-28.

[4]殷曉晨. 肌理韻律的參數化實現[J].包裝工程，2022，3（6）：176-185.

[5]李呈祥. 基于幾何美學的3C生態鏈產品參數化設計研究[D].合肥工業大學，2021.

[6]常雪竹. 自然界中的設計幾何學[J].城市建設理論研究，2015，5（12）：3139-3140.

[7]陳威. CG造型基礎與創作[M].北京：文化藝術出版社，2020.

[8]周春麗，霍楷.PBL與OBE向度：藝術類專業創新創業教學改革研究與實踐[J].設計，2023，36（7）：97-99.

[9]王劍，陳豐，張華等.工科院校計算機輔助造型設計教學改革與實踐[J].設計，2022，35（9）：68-70.

[10]徐祥伍，朱超.基于數字媒體視角下的《公共空間設計》課程教學改革探討[J].設計，2022，35（11）：103-105.