基于數字化模塊化融合的產品設計課程教學改革研究

摘要：目的：針對產品設計專業有藝術背景的學生在設計過程中遇到的問題，依據產品設計“藝工結合”的教學理念，根據學科特點和多年教學實踐，提出以數字化模塊化融合進行產品樣機設計的課程改革方案，構建數模融合設計的教學體系和內容，即以功能模塊為芯滿足使用功能，利用三維數字設計和快速成型制作樣機外觀的形，將芯安裝在形中完成產品樣機開發。方法：采用理論研究和實驗的方法，同時運用項目案例教學法進行論證與剖析。結果：項目案例教學法提高了產品設計專業藝術背景學生的設計能力和創新水平，使其所設計的產品不但具有時代創新性，而且具有使用功能和先進制造工藝，為工業化生產打下了基礎。結論：該課程改革在探究美學、工程技術、數字化設計和制造、產品樣機交叉融合的設計理念和方法上取得了一定成果，有利于培養實踐能力強、符合未來產業發展需求的高質量設計人才。

關鍵詞：數字化；模塊化；融合設計；產品設計；教學改革

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）06-0-04

“中國工業設計專業化人才的培養發展起于設計教育。”［1］在“對內改革、對外開放”的戰略決策下，我國工業設計在40多年的時間里，經歷了從“拿來”到模仿再到自主創新。“資料顯示，1960年中國輕工業部在無錫輕工業學院創建輕工日用品造型美術設計專業，1983年擴建為工業設計系。”［1］此后清華大學、湖南大學、廣州美術學院等400多所院校開設設計課程，紛紛招收工業設計學生［2］。從80年代建立第一個工業設計系到工業設計系首次招收理工類學生，結束了我國工業設計在藝術類學科單一招收文科類學生的歷史［1］。2012年教育部發布的《普通高等學校本科專業目錄》將工業設計正式拆分為產品設計和工業設計。產品設計歸屬設計類專業，授予藝術學學士學位；工業設計招收理工類學生，授予工學學士學位［3］。縱觀工業設計學科的發展，不難發現其具有技術和藝術、科技和人文等多學科相互融合的學科特點，“藝工結合”的教學理念使其成為一門涉及科技、文化、藝術、機械的綜合性交叉學科。

1 產品設計與機械設計

產品設計（Product Design）主要圍繞客戶需求和市場需求編制設計方案，包括外觀、結構、功能、使用體驗等方面的設計，一般應用于非受力、非做功的產品設計。產品設計是技術和藝術、科技和人文等多學科相互融合的專業，是與企業的產品開發、生產制造緊密結合的交叉學科。優秀的產品設計師不僅要有審美意義上的創作基礎，還要了解和熟悉工程知識，但是不需要深入的理論計算，其更加側重實際應用與工程技術人員良好的溝通能力［4］。

機械設計（Machine Design）研究機器或機械設備的構造、機理、運行規律、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等［5］，優秀的機械設計工程師要扎實掌握機械原理、力學分析、運動仿真等專業知識［6］。

產品設計更多考慮的是用戶的體驗、感受等，機械設計則主要考慮產品受力、運動、做功、壽命、可靠性、成型方法等方面的內容。如果機械設計停留在運動、結構和功能階段，產品設計僅關注外形與視覺感受，則難以實現產品功能與藝術的完美融合。

2 產品設計課程教學存在的問題

筆者基于在藝術學院與機電工程學院教授機械制圖與產品設計等工程類課程的經歷，以及對產品設計專業學生就業情況的調研分析，發現學校培養的產品設計專業學生不能滿足企業需求，主要存在以下問題：第一，設計的產品雖然外觀光鮮亮麗，但使用功能不足；第二，設計沒有考慮功能、裝配結構、材料和成形方法。

造成上述問題的主要原因如下：首先是生源不同，理工科學生和文科藝術類學生的學習方法不同，產品設計理念和思維方式有本質區別。藝術設計專業學生熱愛繪畫，并且擁有多年的藝術創作經驗，具備感性思維，對事物的線條、色彩、造型等元素越來越敏感，但對理科計算、工作原理的理解有待深化［7］。其次是培養計劃不同。工程類課程包括數學、物理、機械原理、工藝結構等課程，而藝術類學生對這類課程常常存在聽不懂、跟不上、理解困難等現象，最終導致設計的作品較難滿足企業需求，畢業后多數轉做平面設計類工作。

由此可見，在產品設計教學中，針對藝術背景學生的授課主要面臨三個問題。一是教學設計問題。涉及工程類教學內容時，要考慮如何有效傳授工程類知識，如何在教學實踐中探索“藝工結合”的多學科融合教育方法。二是時代背景問題。在知識經濟、數字化時代背景下，如何將數字化設計方法有效融入產品設計的教學中值得思考。三是學生學情問題。“00后”學生擁有豐富的知識獲取渠道，學習方式靈活多樣。如何發揮線下教學的作用，調動學生的學習主動性，增強學生發現問題與解決問題的能力，是一個值得思考的問題。

3 數字化模塊化融合設計產品樣機的設想

數字化設計（Digital Design）是指培養發展以計算機為主的、以智能化工具為代表的新生產力［8］15。本文提出的數字化是指產品的數字化設計、數字化仿真、數字化制造等在產品設計課程中的實現。通過計算機輔助設計、虛擬現實、3D打印等技術在產品設計階段輔助完成設計任務規劃、概念設計、結構設計、優化設計、工程設計等［8］16。

模塊化設計（Modular design）作為一種重要的設計方法，是在通用化、系列化、組合化和標準化的基礎上引入系統工程原理發展起來的一種標準化的高級設計方法，表現為特征尺寸模數化、結構典型化，以及部件通用化、參數系列化、組裝積木化［9］。本文提出的模塊化是指標準功能模塊，如電機、表芯、單片機等。模塊化組建可以確保不同功能模塊的靈活組合和相同功能模塊的便捷替換，而模塊組件的可組合性和可互換性的實現則主要依賴接口設計。例如，針對具有相似功能但性能有所差異的模塊，應確保它們具有相同的安裝基面和安裝尺寸，以便模塊有效組合［10］。

融合（Integration）既是物理量的融合，即將功能模塊安裝在“數字化設計和制作”的殼里，完成產品設計，又是情感的融合，即藝術與工程的融合，還包括設計和制作的融合、理論與實踐的融合以及各課程的融合。

基于出現的問題，筆者提出了數字化模塊化融合樣機設計的產品設計專業教學方法。產品設計課程開設在第六學期（大三第二學期），這時學生已學過手繪技法、機械制圖、材料與成型工藝、計算機輔助設計、產品功能結構設計、人體工程學等課程，掌握了產品設計的基礎知識。在產品設計課程中采用案例教學法，綜合學生學過的各類課程，用一個案例完成產品設計—制作—組裝—樣機測試的全過程，即以現有標準功能模塊為芯，再利用三維建模軟件進行外觀設計與數字化建模，最后利用快速成型設備制作實物模型，將標準功能模塊安裝在設計的模型中完成產品設計，經過外觀制作、裝配、功能測評完成設計開發的過程。

在產品設計課程教學中引入模塊化概念，是將有動力部件、結構部件等功能部件作為標準模塊，通過測繪得到該模塊的結構和參數，然后使用該模塊設計出不同的產品，實現不同的用途，再鼓勵學生利用該模塊進行產品外觀造型設計或新用途設計，最終獲得創新性產品。

樣機（Prototype）是為了驗證設計或方案的合理性、可用性、正確性或生產的可行性而制作的樣品。在數模融合設計教學中，采用快速成型技術能夠快速獲得產品外觀樣機模型，再將功能模塊裝入其中進行安裝組合，可得到具有功能性的成熟產品。相比傳統軟模型（用泡沫材料或泡沫板等比例制成）和硬模型（用木頭、高密度泡沫、塑料或金屬制成）的評估方法［11］，此方法能夠快速評估產品的結構、功能和性能，為工業化生產打下基礎。

4 數字化模塊化融合產品設計課程教學改革

4.1 產品設計課程的樣機開發

數模融合設計通過拆解現有產品實物模型、分析機械結構、演示動力原理，使產品設計專業學生對工業設計的機械結構美感產生直觀感受［12］，理解產品內部機械結構、傳動原理等。此時，可以利用模塊化設計思維，根據不同設計要求和新技術的發展，及時組裝或重新設計個別模塊［13］；再利用三維建模軟件進行外觀設計與數字化建模，最后利用快速成型設備輸出三維立體實物模型樣機，完成產品的功能性測評。該課程改革能使設計的產品“動起來、活起來、用起來”，有助于學生理解產品的工作原理、裝配、連接以及成形方法，能培養學生的實踐能力、創新能力、發現問題和解決問題的能力，激發學生的學習興趣。

4.2 樣機開發的實施路徑

以這兩年的教學實踐為例，以項目式教學為主，以學生為中心，利用產品設計實驗室完成課程設計和實驗。其過程如下：選擇一個對象（氣動產品或玩具）拆卸并測繪—設計開發—建立產品模型—打印產品樣機—組裝測試。

4.2.1 拆卸并測繪

拆卸的目的是讓學生了解產品的功能、內部結構，連接組裝、成型方法等內容，彌補所欠缺的工學知識。例如拆卸一輛玩具汽車，通過觀察發現玩具汽車內部部件模塊主要包括動力結構組件、電機驅動模塊、電源模塊、通信與控制模塊、傳感器模塊。測繪的主要目的是繪出功能模塊的外形尺寸、安裝尺寸、連接形式，以及功能的輸出和實現，見圖1、圖2。

4.2.2 設計開發

在設計開發階段，學生根據測繪得到的產品參數和結構進行創新性開發，設計新的外觀造型。

4.2.3 建立產品模型

利用三維軟件完成三維數字模型設計，見圖3。

4.2.4 打印產品樣機

利用快速成型3D打印技術，完成實物模型打印。在此階段，鼓勵學生使用產品設計實驗室FDM和SLA型號打印機自行操作完成打印，見圖4。

4.2.5 組裝測試

將3D打印的外殼、車架與功能模塊進行組裝和連接，并測試樣機是否達到設計要求，見圖5、圖6。

通過以上實踐案例訓練，基于項目進行主動學習，充分挖掘了學生的潛力，激發了學生自主學習的興趣，增強了學生發現問題和解決問題的能力，有效提升了學生的創新能力和實踐能力。

5 創新點

5.1 以標準功能模塊為芯

基于產品的模塊化設計方法，將產品結構件拆解并分解成若干個不同功能模塊，在此過程中，學生不僅了解了產品功能模塊工作原理、機械結構、裝配連接等關鍵技術，補齊了工程知識短板，也對學過的機械制圖、材料成型與工藝、產品功能結構設計等課程之間的關系有了更深的理解。

5.2 以產品外觀為形

產品外觀設計是藝術背景學生的強項。在這個階段，學生需要基于上一階段測繪結構件的尺寸參數進行創意手繪與造型設計。這個階段不僅發揮了學生的創意思維能力，也培養了學生嚴謹的工程思維。最終，學生通過三維軟件建立了三維數字模型。

5.3 以數字成型為樣

將建好的模型利用快速成型技術制作出實物模型樣品。學生通過動手操作3D打印機或者光固化打印機，完成設計模型的實物輸出；將拆卸的功能模塊按要求裝在制作樣品中，讓設計的產品“動”起來，最后檢測產品是否達到了設計要求。

案例式、項目式教學設計，實現了產品設計、機械制圖、結構設計、三維數字建模、3D模型制作等多課程的融合，讓學生在實踐中鞏固了理論知識，充分調動了學生的積極性，增強了學生在設計過程中發現問題和解決問題的能力。

6 結語

作品評價采用模擬路演的方式進行，鼓勵學生通過PPT制作和現場答辯的方式展示作品概念、制作過程和實物原型功能的操作，并結合市場和商業模式系統闡述。評審組由學生、機電專業與藝術專業的教師組成，從裝配的難易程度、功能性、可用性、美學特性等角度出發，考查學生的專業能力與表述能力。

數模融合設計在探究美學、工程技術、數字化設計和制造、產品樣機交叉融合的設計理念和方法上取得了實效，根據學情因材施教，有利于培養實踐能力強且符合未來產業發展需求的高質量設計人才。同時，這種新型融合式教學設計為創建一流課程提供了重要依據，有利于提高實踐應用類課程的教學質量和水平。

參考文獻：

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作者簡介：王茜（1989—），女，河南鄭州人，碩士，助教，研究方向：產品設計。

樊寧（1955—），男，河南鄭州人，本科，教授，研究方向：機械設計、產品設計。

李偉（1957—），男，河南鄭州人，碩士，教授，研究方向：機械設計、產品設計。