數(shù)字孿生技術(shù)在家具設(shè)計實踐教學(xué)改革中的應(yīng)用研究

陳建 陳瑞杰 王藝涵

（1.信陽學(xué)院；2.鄭州思念食品有限公司；3 河南樹墩子文化傳媒有限公司）

設(shè)計實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實際操作能力、創(chuàng)造力、綜合應(yīng)用能力以及審美能力的重要方式，當(dāng)前在人工智能等技術(shù)的發(fā)展中，為更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與解決設(shè)計過程中實際問題的能力，將數(shù)字孿生技術(shù)與家具設(shè)計實踐相結(jié)合，通過數(shù)字孿生技術(shù)建立家具設(shè)計課程的數(shù)字化平臺，實現(xiàn)家具設(shè)計課程的仿真與模擬，以達(dá)到虛擬與現(xiàn)實顯示相結(jié)合、理論與實踐相結(jié)合，更好地促進(jìn)學(xué)生發(fā)展的目的，并彌補(bǔ)實訓(xùn)過程中設(shè)備不足與實訓(xùn)操作安全等方面的問題。

數(shù)字交互以及人工智能等技術(shù)的發(fā)展，為教育教學(xué)方式變革提供了新的發(fā)展方向，也為未來智慧學(xué)習(xí)空間的重構(gòu)、全自動化教學(xué)方式提供了新的進(jìn)步方向[1]。數(shù)字孿生技術(shù)是一種將實際物理系統(tǒng)與其數(shù)字模型相結(jié)合的技術(shù)[2]。它基于先進(jìn)的傳感器、數(shù)據(jù)分析和模擬仿真技術(shù)，能夠?qū)ξ锢硐到y(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測、收集和分析，并在數(shù)字環(huán)境中建立對應(yīng)的虛擬模型。基于該技術(shù)的特點，在家具設(shè)計課程教學(xué)的過程中，可以利用該技術(shù)建立課程的數(shù)字化模型，通過學(xué)生的仿真練習(xí)可以提前發(fā)現(xiàn)實訓(xùn)過程中容易存在的問題，能夠有效提高實訓(xùn)效果、降低實訓(xùn)風(fēng)險、節(jié)約實訓(xùn)成本[3]。

一、當(dāng)前“家具設(shè)計”課程實踐教學(xué)存在的問題

（一）實訓(xùn)設(shè)備少，學(xué)生基礎(chǔ)薄弱

為提高學(xué)生的專業(yè)實踐技能，學(xué)校往往會增加相應(yīng)的設(shè)備，而且與之相關(guān)的實訓(xùn)設(shè)備價格高昂，同時還需搭配各種類型的模具與配件，并且設(shè)備的更新迭代速度較快，學(xué)校需要投入的經(jīng)費較多，當(dāng)前對一般的民辦本科高校來說，很難滿足這樣的實訓(xùn)教學(xué)，因此在實踐教學(xué)中，學(xué)生能夠接觸的實踐機(jī)會較少，專業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱。

（二）學(xué)生主觀能動性不足

在傳統(tǒng)演示性的實訓(xùn)教學(xué)模式中，受設(shè)備數(shù)量與實訓(xùn)學(xué)時等的限制，導(dǎo)致學(xué)生實際動手操作的實踐機(jī)會少，思辨意識弱，更難以調(diào)動學(xué)生的主觀能動性。

（三）實訓(xùn)課程內(nèi)容陳舊，學(xué)生個性化發(fā)展受限

藝術(shù)與技術(shù)相統(tǒng)一是設(shè)計過程中不可或缺的考慮因素，在當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能制造等技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，家具設(shè)計課程在實踐中仍遵循早期專業(yè)建設(shè)的要求，長期按照特定的設(shè)計規(guī)范進(jìn)行實踐活動，壓縮了學(xué)生在設(shè)計與實踐過程中的自由度與探索空間，不利于學(xué)生的個性化發(fā)展和綜合能力的培養(yǎng)。

二、數(shù)字孿生技術(shù)在家具設(shè)計實踐教學(xué)改革中的架構(gòu)

根據(jù)家具設(shè)計實踐教學(xué)當(dāng)中的設(shè)備、實踐學(xué)時、材料、安全、實踐反饋等問題，構(gòu)建家具設(shè)計實踐數(shù)字孿生系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由物理層、數(shù)據(jù)層、模型層和功能層四個部分組成，如圖1所示。物理層通過3D掃描設(shè)備采集物理實訓(xùn)場景的信息數(shù)據(jù)，借助3D建模軟件將掃描得到的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為物理場景的孿生模型，通過傳感設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與管理，通過算法和建模技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與挖掘，以獲取家具設(shè)計的特征與規(guī)律，為模型層面創(chuàng)建數(shù)字孿生模型提供支撐。模型層通過構(gòu)建的孿生材質(zhì)模型、環(huán)境模型、功能模型、交互模型，與真實家具設(shè)計進(jìn)行對比和驗證，評估數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確度與可靠性。功能層，通過前端開發(fā)技術(shù)（Cascading Syle Sheets，CSS）搭建平臺的交互界面，實現(xiàn)孿生實踐平臺的操作與反饋，借助AR、VR技術(shù)實現(xiàn)身臨其境的交互體驗。

圖1 家具設(shè)計數(shù)字孿生實踐系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 家具設(shè)計實踐數(shù)字孿生授課模式

三、數(shù)字孿生技術(shù)在家具設(shè)計實踐教學(xué)改革中的應(yīng)用

根據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)的特點結(jié)合家具設(shè)計實踐教學(xué)的過程，梳理出知識性、技能性、情境性三個知識類型，根據(jù)知識類型的特點，整理出全面感知（KP）、師生互動（PII）、智能預(yù)測（IP）三種數(shù)字孿生學(xué)習(xí)模式。按照實踐教學(xué)中，理論知識講授（TT）、實踐過程指導(dǎo)（PI）、實踐結(jié)果反饋（OF）的授課模式，實施數(shù)據(jù)模擬仿真與能力實訓(xùn)相結(jié)合的數(shù)字孿生混合實踐教學(xué)體系，如式（1）圖（2）所示：

（一）數(shù)字孿生在理論知識講授中的應(yīng)用

在理論知識講授環(huán)節(jié)中，在傳統(tǒng)講授基礎(chǔ)上，通過引入數(shù)字孿生技術(shù)的基本概念和原理，與課程中的設(shè)計實踐內(nèi)容相對應(yīng)，通過實際案例、圖形展示、游戲體驗等方式，將抽象的理論概念轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w且有趣的形式，激發(fā)學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)動力。同時利用數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)建虛擬模型，并在課堂上使用多媒體工具展示這些模型。通過增強(qiáng)現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實等技術(shù)實現(xiàn)可視化交互體驗，使學(xué)生能夠直觀地理解復(fù)雜的設(shè)計原理和構(gòu)造，加深對相關(guān)知識的理解和記憶。

（二）數(shù)字孿生在實踐過程中的應(yīng)用

在實踐過程中以傳統(tǒng)實踐模式為基礎(chǔ)，數(shù)字孿生實踐模式為輔助，通過數(shù)字建模軟件將設(shè)計概念轉(zhuǎn)化為可視化的形象。通過Unity 3D創(chuàng)建數(shù)字孿生實踐平臺，使得學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中對家具的尺寸、外觀、材質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而更好地展現(xiàn)設(shè)計想法。針對家具的結(jié)構(gòu)、功能、制作等的實踐過程，通過基于物理引擎的仿真工具，使學(xué)生可以模擬家具的結(jié)構(gòu)、功能，并評估其穩(wěn)定性、承重能力等，幫助學(xué)生提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計、加工制作中潛在問題，并為設(shè)計方案的優(yōu)化提供支持。

（三）數(shù)字孿生在實踐結(jié)果反饋中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的實踐結(jié)果反饋主要依賴于教師或評估人員的主觀判斷，這樣的評價方式可能存在一定的誤差和偏見。基于數(shù)字孿生技術(shù)在實踐結(jié)果反饋方式通過傳感設(shè)備連接物理設(shè)備與數(shù)據(jù)庫，將學(xué)生實訓(xùn)過程中的實時數(shù)據(jù)反饋給教師端，參數(shù)化的反饋方式能夠?qū)W(xué)生的實踐結(jié)果給予客觀性、準(zhǔn)確性的評價，也便于對學(xué)生的掌握程度進(jìn)行精細(xì)的指導(dǎo)。此外，仿真模擬的實踐模式也能夠快速檢驗實踐結(jié)果的有效性，降低實踐風(fēng)險，提高操作人員的技能水平。

四、結(jié)語

基于數(shù)字孿生技術(shù)的家具設(shè)計實踐平臺，從家具設(shè)計實踐教學(xué)中的主要問題為出發(fā)點，結(jié)合實踐教學(xué)的基本原理與數(shù)字孿生技術(shù)的特點概括總結(jié)了以理論知識講授、實踐過程指導(dǎo)、實踐結(jié)果反饋的數(shù)字孿生實踐教學(xué)體系。基于該平臺的實踐教學(xué)體系可以較好地為實踐教學(xué)提供多樣化的實踐方案，滿足學(xué)生個性化發(fā)展的培養(yǎng)需求，能夠有效打破傳統(tǒng)實踐教學(xué)在時間、空間、資源等方面的物理限制，拓展實踐教學(xué)的內(nèi)容，降低實踐成本，提升學(xué)生的體驗感與認(rèn)知力對學(xué)生創(chuàng)新能力和專業(yè)技能的培養(yǎng)具有良好的促進(jìn)作用。