產品設計專業虛擬仿真實驗選題依據研究*

霍春曉

南京藝術學院工業設計學院 南京 210013

0 引言

虛擬仿真實驗教學是依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫、網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象[1]。虛擬仿真實驗在教學過程中具有跨時空、跨場景的形式優勢，在教育部一流本科課程建設的背景下，虛擬仿真實驗日益受到各個專業的重視，大量的相關實驗課程付諸立項。但在實際的開發和運行過程中，也暴露出了很多問題，特別是在產品設計專業的實驗建設過程中，存在著盲目立項、實驗設計不合理、實驗內容與專業需求脫節等現象。本文將就產品設計專業虛擬仿真實驗的選題問題展開探討。

1 虛擬仿真實驗在產品設計專業課程建設中的可行性及必要性

虛擬仿真實驗較早廣泛地應用于工程及醫學研究等領域[2]，其建立的初衷主要是針對一些傳統實驗存在的運行成本高、危險性大等問題。虛擬仿真實驗是借助計算機及其相應的軟件而運行，因此，能夠在安全的基礎上，以較低的成本進行反復的實驗操作，直至實驗者掌握相關知識點、完成正確的操作流程，并通過實驗平臺獲取相應的評分。

產品設計屬于實踐性較強的專業，其范疇主要包括為物品、過程、服務以及它們在整個生命周期中構成的系統建立起多方面的品質。在學生培養階段，產品設計專業在教授基本設計理論、方法和程序的基礎上，強調對問題的分析能力、動手能力以及創意能力的養成，因此通常設有專業技能課、專業實踐課等教學內容，如設計手繪、模型制作、材料學、設計調研、產品開發設計等。在傳統的設計教育中，一般強調發散性思維的培養，因此在教學過程中非常強調對個性化想象力的啟發，較為忽視邏輯性流程的重要性。虛擬仿真實驗在形式上較為強調標準化和程序性，似乎與設計所強調的獨特性相矛盾。然而值得注意的是，產品設計的過程是一個邏輯思維與發散性思維交互作用的過程，不是無目的、無方法的“遐想”，設計靈感也并非無源之水，只依靠“天才”而獲得。在“觀察、分析和歸納的過程”中，理應建立起線性的邏輯思路，為“靈感”編織一個有因果關系的理性抽象邏輯[3]。可以看到，在目前的產品設計專業教學中，有越來越多的課程強調設計諸要素間具有明確的因果關系，學生必須依據一定的流程、方法進行合理操作，才能得到正確的結果。因此，虛擬仿真實驗符合產品設計專業教學的一般邏輯及教學規律，具有建設的可行性。

產品設計專業教學中，有相當數量的內容和課題要求學生進行技能和方法的演練、操作，然而由于受到實驗成本、安全性及實驗對象的稀缺性等因素的限制，導致學生難以進行實際的操作訓練。比如，在中國傳統造物智慧相關內容的教學中，需要對經典的古代器物進行實地的拆解和組裝，來了解材料與結構的關系，理解、掌握中國傳統器物的設計理念、規律和方法。而實際上，許多重要的傳統器物都是珍貴的文物（如長信宮燈、青銅冰鑒等），保存在各級博物館，其稀缺性導致學生不可能做到人手一件反復操作，因此就需要依靠虛擬仿真實驗這一途徑來實現相應的教學目的。中國傳統造物智慧設計研究虛擬仿真實驗中模擬拆解傳統器物如圖1 所示。

圖1 中國傳統造物智慧設計研究虛擬仿真實驗中模擬拆解傳統器物

建設虛擬仿真實驗課程是新文科建設背景下產品設計專業發展的重要手段。自2021 年3 月，《教育部辦公廳關于推薦新文科研究與改革實踐項目的通知》頒布以來，國內高校的設計專業開始積極響應，通過調整人才培養方向、重構教學框架、更新課程內容進行探索、創新。新文科特別強調和計算機學科、理工類學科有更多的結合[4]，因此將廣泛應用于這些領域的虛擬仿真實驗引入產品設計教學，將實驗方法與創意能力相結合，對于設計專業新文科建設有著非常積極的作用。

另外，線上教學的普遍開展也使得虛擬仿真實驗成為產品設計專業教學的必然選擇。隨著以慕課（MOOC）為代表的開放式網絡課程的快速發展，越來越多的教學資源開始通過網絡平臺進行共享，產品設計專業的虛擬仿真實驗能夠擺脫實驗條件的時空限制，使學生可以根據自己的實際情況自主地安排學習時間，并進行充分的練習，大大加深了教學的縱深度，提升了學習的體驗感。

2 虛擬仿真實驗選題研究的重要性

基于對產品設計專業虛擬仿真實驗課程建設必要性的認識，目前全國已經有眾多高校參與虛擬仿真實驗課程的建設及遴選。以江蘇省為例，2021年全省高校共建設省級虛擬仿真實驗課248 項，其中藝術學類實驗17 項，6 項進入國評階段，競爭十分激烈。在實驗課程建立之初，對選題目的、選題范圍、選題原則、預期效果等要素的論證非常重要，決定了實驗的可行性、實用性和實驗內容的先進性，直接影響到遴選階段的評價結果。

傳統的實驗課程主要依靠實驗室的現有條件，根據教學目的安排實驗內容，并按照操作規程嚴格進行操作，在某些情況下，可根據實際情況對實驗方法或程序進行一定的調整。虛擬仿真實驗課程不同于傳統的實驗課，其課程內容載體是軟件平臺，牽扯到較為復雜的實驗腳本撰寫、模塊搭建、代碼編寫、實驗要素建模、評分系統搭建、平臺測試等因素，實驗軟件平臺完成后，操作者必須根據預定的操作步驟才能完成實驗，在一定時期內無法更改實驗的目的和內容，此時如果發現實驗的選題方向有誤、實驗目標與操作方法不吻合等問題，則意味著整個實驗設計失敗，造成很大的教學資源浪費，因此，虛擬仿真實驗課程的選題研究有著非常重要的意義。

3 國家虛擬仿真實驗教學課程平臺立項及認定結果分析

在對國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺（網址：http://www.ilab-x.com）進行檢索統計后，得出以下數據：目前，該平臺共有3 250 個虛擬仿真實驗項目，其中藝術學類項目為169 項，包括影視、舞蹈、設計、音樂等多個專業的內容，產品設計專業項目20 項（平臺頁面顯示實驗數量為24 項，但其中有4 項實驗各自又提交了一項迭代升級版本，其內容名稱與前作相同，因此本文將兩個版本認定為1 項），其中有5 項被認定為國家虛擬仿真實驗教學項目。由于目前上傳國家虛擬仿真實驗平臺的產品設計專業實驗數量較少，難以構成有效的統計數據樣本，因此，本文對現在的20 項實驗做大致的歸類比較分析。

以實驗面向的產品領域為分類依據，如表1 所示，可將現有的20 項實驗分為：交通工具類（4 項，其中獲認定3 項）、家具家居類（3 項，其中獲認定1 項）、陶瓷產品類（2 項）、智能產品類（2 項）、文創產品類（2 項）、工藝品類（2 項，其中獲認定1 項）、燈具類（1 項），另有4 項實驗不針對具體的產品方向，偏重于設計方法和技能教學。以實驗的教學目標進行分類，如表2 所示，可以分為：設計方法及流程訓練（8 項，其中獲認定1 項）、加工工藝訓練（5 項，其中獲認定1 項）、產品結構及布局訓練（4 項，其中獲認定2 項）、交互界面設計訓練（1 項）、用戶體驗設計訓練（1 項，其中獲認定1 項）、人機測量訓練（1 項）。

表1 國家虛擬仿真實驗平臺產品設計專業實驗項目（以產品領域分類）

表2 國家虛擬仿真實驗平臺產品設計專業實驗項目——以教學目標分類

從以上的分類表比較可以看出，按照產品領域的實驗分類，實驗分布得較為平均，但獲得國家虛擬仿真實驗認定的實驗則比較集中在交通工具領域，而實際上車船飛機等產品具有很強的機械工程屬性，在設計過程中強調參數與性能間的因果關系，這一特點與虛擬仿真實驗的特征較為吻合，可以在一定程度上認為此類型選題較為符合國家虛擬仿真實驗教學課程的遴選標準。

在按照教學目標進行的實驗分類中，目前的實驗選題較多集中在設計方法及流程訓練方面，這個選題本身屬于產品設計專業較為核心的教學內容，但其中被認定的實驗數目并沒有明顯的數量優勢，其原因可能在于設計流程雖然有一定的規范性，但與設計的最終結果之間并沒有必然的聯系性。加工工藝訓練屬于操作性較強的教學內容，通常有嚴格的操作流程及規范，與理工科的實驗形式相近，因此也有較多的項目。在產品結構及布局訓練方面，也有較多的實驗項目，且被認定的實驗有2 項，這與此類教學訓練的特點有關。產品結構及布局具有較高的實踐要求，且操作要素與最終的輸出結果通常有直接的關聯性（產品內部結構的合理性直接影響到產品的性能及外觀），因此這類教學訓練較為符合虛擬仿真實驗的設計要求。

另外，通過對目前被認定的5 項產品設計專業虛擬仿真實驗項目名稱的關鍵詞在中國知網進行搜索，也可以發現一些規律。例如，以“美麗鄉村”為關鍵詞，近五年（2017—2021）來相關學術論文數量為15 888 篇；以“無人駕駛”為關鍵詞，近五年來相關學術論文數量為4 805篇；以“人工智能”為關鍵詞，近五年來相關學術論文數量為11.07 萬篇；以“大飛機”為關鍵詞，近五年來相關學術論文數量為1 130 篇。這些關鍵詞不但是學術研究的熱點，而且是政府重點關注的重大項目，并具有廣泛的社會影響。

從實驗的體量及規模方面看，目前被認定的5項產品設計專業虛擬仿真實驗項目中有4 項屬于大型、系統性設計領域，僅有1 項屬于操作性較為單一的手工藝領域。通過對國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺中產品設計專業虛擬仿真實驗項目的檢索，并對項目名稱與其對應的教學內容、產品領域進行比對，可以初步發現目前的實驗立項多集中在具有一定熱點性、實驗內容偏重于具有操作規范性要求的大型設計項目領域。

4 產品設計專業虛擬仿真實驗的選題原則

產品設計專業強調對日常生活問題的敏感性、對未來體驗的創見性，要求設計師能夠運用有效的方法發掘用戶需求、定義場景、提出設計概念、推敲造型語言、推動方案落地。因此，在教學中需要非常重視對學生設計思維、設計程序與方法的傳授以及實踐操作能力的培養。設計過程需要實驗手段的支持，技術運用可以引導學生進行原型搭建與測試，也可以讓設計專業的學生與不同專業背景的學生進行合作[5]。通過虛擬仿真實驗的訓練，有助于在諸多方面提升產品設計專業學生的綜合能力。但是，由于產品設計專業在創意方法、操作工具以及最終輸出結果等方面具有非常明顯的主觀性和發散性，與虛擬仿真實驗所要求的標準化操作流程和客觀的實驗結果評價標準等重要評價指標有相當大的差異，因此，不能簡單套用現有理工科虛擬仿真實驗的選題原則，必須結合專業自身特點進行梳理和總結。

4.1 創新性原則

產品設計的重要特征之一就是創新性，任何一個設計都是為了特定的目的而致力于從新的概念、功能、形式、結構、材料等角度提出不同于以往的解決方案，可以說創新是設計的生命源泉。虛擬仿真實驗教學應用于產品設計教學，必須能夠體現出對學生創新能力的培養，而非使學生單純掌握某種技能，才能體現出其在教學中的價值。因此，在選題過程中，首先要在實驗的目標導向上具有創新性。要避免單純的技能訓練或操作流程練習，需要明確是否能夠通過技能或操作方法的訓練產生新的結果，這一點在目前的國家虛擬仿真實驗被認定項目中有著明顯的體現，如在“民航大飛機客艙用戶體驗設計虛擬仿真實驗”這一實驗中，其訓練目的并不是簡單的對用戶體驗設計流程的重復模擬，而是基于現實產品體驗要素多、設計路徑廣的特點，讓學生根據一定的設計流程和規范創造性地提出新的設計方案。其次要在實驗方式上需要具有創新性。在當代，產品的設計已脫離單純的物象或形象設計，整合創新設計模式已成為當今設計模式的主流[6]。基于這一發展現狀，產品設計專業的虛擬仿真實驗不能僅停留在真實還原傳統實驗操作方法和流程的層面，而需要綜合考慮諸多設計方法、流程、工具的整合應用，才能夠賦予實驗本身新目標、新效果。

4.2 前沿性原則

產品設計專業的虛擬仿真實驗課程應當聚焦當今學科發展的前沿性課題，將實驗操作訓練與專業發展趨勢相結合。當今產品設計的專業邊界不斷拓展，設計理論與方法更新速度不斷加快，設計資訊伴隨網絡發展爆炸式增長，專業的發展與科技進步密切相關，陳舊的教學方式、方法和內容已經不能適應產業發展和人才培養的需求。將國家行業產業發展的最新成果轉換成虛擬仿真實驗教學項目，不但可以確保實驗內容精彩，還可以縮短投入教學的時間，以適應經濟社會快速發展對人才培養的新要求[7]，也符合教育部關于國家“金課”的“兩性一度”（高階性、創新性、挑戰度）標準要求。

4.3 系統性原則

在虛擬仿真實驗課程的選題過程中，必須充分考慮系統性原則，選定的實驗目標、方向和內容要能夠與本專業的課程體系形成一致，并且具備輔助、完善教學內容的功能，根據不同學科的特點決定虛擬仿真實驗的采用力度[8]，避免出現“為實驗而實驗”的情況，真正實現虛擬仿真實驗的教學功能。產品設計的過程要求從業人員具有多方面的專業能力（如市場調研、用戶分析、概念輸出、原型搭建等），因此，在課程體系建設方面就要求系統性和全面性。同時，產品設計的方法與技能動態地運用于產品開發全流程，相互之間存在一定的關聯性和互動性。在教學過程中需要考慮到虛擬仿真實驗在不同的課程中具有一定的通用性，將仿真平臺和各種教學資源融為一體，實現教學內容立體化、教學過程和管理現代化[9]，使不同的教學內容相互嵌套、環環相扣，形成具有符合產品設計專業要求的課程結構。

4.4 交叉性原則

產品設計專業的虛擬仿真實驗課程在選題之初就應當注重以學科、方法的交叉來促進實驗結果的創新性和實踐性。產品設計專業本身具有明顯的學科交叉特性，其方法、工具、技術在諸多層面都與材料學、人機學、結構力學、統計學、心理學，乃至文化、歷史存在交集，產品設計最終的輸出成果也是多學科交叉的結果。在目前被認定的國家級虛擬仿真實驗課程中，可以很清晰地發現，絕大多數都不是某項單一專業技能的訓練，而是將產品設計專業的多種方法與其他專業的技術相結合而進行的綜合能力訓練，例如，“無人駕駛車人工智能與創新設計的虛擬仿真實踐教學”實驗將人機工學、交互設計與人工智能技術相結合；“美麗鄉村家具設計虛擬仿真實驗教學項目”實驗將民族文化、家居設計、燈光設計等多種設計要素相結合，這種交叉使得實驗選題具有了很強的拓展性，在后續實驗設計的深度和廣度上具有了更多的發揮空間。

4.5 虛實結合原則

虛擬仿真實驗采用計算機模擬的方式，其運作過程應當依據真實的物理反饋、化學反應等客觀規律，在“能實不虛、虛實結合”原則下開展實驗教學的基本單元[10]。“能實不虛”指的是虛擬仿真實驗應當針對解決傳統實驗中高危險性、高成本、難以重復實驗等問題，是實驗建設的前置要求。虛實結合則是對教學內容建設的強調。在產品設計專業的虛擬仿真實驗教學中，“實”的部分應當是能夠讓學生進行具體的操作，并獲得明確感官反饋的內容等，如高度仿真的設備操作、實時準確的調節反饋、效果生動的設計效果等；“虛”的部分應當是存在于各實驗步驟間的操作規律、各設計要素之間的內在聯系等，比如，不同的操作順序可能帶來的結果差異及其內在關聯、實驗過程中的理論知識點等。實驗中忽略“虛”的內容，會導致課程成為單純的模擬現實，失去對理論內容及知識點的升華；忽略“實”的表現，則會使知識點缺少有力的支撐，教學過程會變得枯燥乏味。基于這一原則，在虛擬仿真實驗進行選題選擇時，就要根據教學目標厘清教學內容、知識點和設計方法的虛實關系，合理地進行選擇，才能保證最終的實驗既達到“能實不虛”的前置要求，又滿足虛實結合的內容建設要求。

4.6 主客觀統一原則

虛擬仿真實驗的評分方式以系統平臺客觀評分為主，這是由虛擬仿真實驗基于網絡面向大量學生進行教學的現實要求所決定的，而產品設計專業的很多創新要素具有很強的主觀性，如美學、情感、文化性等，這些要素目前很難通過計算機進行量化評價，需要依靠人工進行評分。因此在選題階段，實驗設計者需要充分考慮主客觀統一原則，將實驗內容盡可能控制在可以通過計算機系統及算法進行評判的范圍內，使實驗具備客觀評價的條件，同時又符合產品設計專業實驗結果多樣化、個性化的要求。例如，以產品CMF 為實驗選題時，應當以實現材料的功能性為主要的實驗目的，并制定客觀評分標準，比如導熱性、反光性、摩擦性等可以進行量化的指標，采用系統評分的形式，占較大的分值（80%～90%）；將產品表面處理所產生的美感、情緒、文化意味等方面要素作為主觀評價對象，采用教師打分或學生互評等評分方式，占較小的分值（10%～20%），實現主觀評價與客觀評價的統一。

5 結束語

虛擬仿真實驗教學項目的建設對提升本科教學質量具有重要的推進作用，為新文科建設背景下的設計專業教學發展提供了新的支點。依據對現有國家級虛擬仿真實驗課程的統計、分析，參照虛擬仿真實驗項目的建設原則，結合產品設計專業教學特點，對虛擬仿真實驗教學項目的選題依據展開研究，有助于促進精準把握課程建設方向、提高課程建設質量、拓展教學方式、深化教學內容改革。同時，針對產品設計專業虛擬仿真實驗教學項目選題依據的研究，也將對藝術類相關專業的虛擬仿真實驗課程建設產生積極的參考和借鑒作用。