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一、新技術、新設備的引入是模型制作教學的新趨勢

在計算機輔助工業設計（CAID）領域，越來越多的建模、渲染以及工程軟件（如Alias、Rhino、3DMax、Vray、Keyshot、UG、Pro-E）被開發研制，但這些軟件都沒有反饋和交互的功能，建模過程中學生無法體會到模型體量感及不同材質硬質和特性的區別。虛擬模型制作方法可以分為兩種：一種是基于幾何變形方法，主要使用自由曲線、曲面等數學描述方法，用戶需要較深的數學背景知識才能控制局部變形所需的操作，目前廣泛應用于計算機輔助工業設計領域；另一種是基于材料切除方法的虛擬模型制作技術，用戶通過“雕刻”體素模型來產生所需的變形效果，主要用于數控加工仿真過程中[6]。西北工業大學的閆鋒欣等人提出了基于QT的虛擬油泥模型系統（VCMS）[7]，以虛擬油泥造型方法為研究對象，研究虛擬油泥造型方法中的實時力反饋交互技術和造型控制機理，建立了一種新的虛擬反饋力仿真計算模型，討論了并行計算技術和計算機輔助曲面品質分析方法在虛擬油泥造型過程中的應用，完成了一套帶實時力反饋交互技術的虛擬油泥造型原型系統。本文在此基礎上，提出了一種針對模型制作教學的虛擬模型制作系統（VMMS），簡化了原型系統的圖形顯示功能和力覺渲染效果，以提高系統的運行效率；同時，虛擬模型制作系統成本更低、更易上手，功能簡化更加適合實際的教學需要。

二、虛擬模型制作在課堂教學中的應用

模型制作課程可以訓練學生多向性、多維性的思維能力。本文將虛擬模型制作系統引入實際教學，分別通過傳統方法和計算機輔助工業設計方法制作模型，采集數據以驗證VMMS應用效果。課程實踐教學在工業設計系大三學生中展開，三年級學生已經學習過大多數基礎課和專業課，有良好的專業基礎，能較熟練掌握專業軟件應用，操作虛擬模型制作系統同時，可以直觀體驗該系統與傳統制作流程的區別和特色。學生一共有40人，分8組，每組5人。8個組選擇同一設計題目———多功能儲物柜，要求從設計構思、草圖、電腦建模、模型制作（分為傳統模型制作和虛擬模型制作體驗兩個階段分別展開）等各個流程展開設計任務。任意抽選4個組進行傳統手工模型制作，另外4個組采用虛擬模型制作系統進行虛擬模型制作。設計調查問卷，對8個組成員分別進行傳統模型制作和虛擬模型制作的使用特點調查，通過數據整理、對比得出傳統模型制作和虛擬模型制作的各自優缺點。該課程學時數為32課時，對于傳統手工模型制作來講，時間緊任務重，故選擇設計難度一般的題目。課程設計任務可以分解為以下八個部分：一是明確設計要求，本課題要求每組設計并制作一款多功能儲物柜，隨機抽取4個組進行手工模型制作，另外4個組使用VMMS系統進行虛擬模型制作。二是確認工作條件，比如根據組員各自特點進行分工協作，各組分配設計資源（模型制作材料、工具、儀器等）。三是產品形態、尺寸、材質等設計標準輸入。四是產品調研、市場定位、概念設計。五是草圖應用、方案討論。六是計算機輔助工業設計階段，方案建模、渲染。七是傳統模型制作。八是虛擬模型制作系統驗證。

三、貫穿整個工業設計流程的課程實踐教學

1.概念設計階段注重設計創意的表達

根據學校專業課程設置特點，本課程進度安排為：概念設計階段兩次課，8學時（每次課4學時）。方案構思階段通過徒手繪圖來表達設計意念，結合對模型的觀察理解，分階段、有步驟地要求學生針對不同要素，以繪圖方式表達，在繪圖的過程中逐漸領會和諧、均衡、統一等審美標準，為審美能力、設計能力、表現能力的培養打下堅實的基礎[4]。概念設計階段主要考察學生的創意思維和表現能力，將繪圖作為思維訓練的臺階，借以激發學生草圖創作的積極性和空間想象力。指導教師通過設計樣稿與學生進行創意及理念交流，推敲形式與色彩的情感表現，考慮各種材料的表現力、尺寸與比例、形態與體積、設想模型的整體效果等，并針對設計意念與效果圖，提出具體的修改意見。

2.計算機輔助工業設計可大幅度提升表現效果

計算機輔助工業設計階段兩次課，8學時。該階段主要考察學生使用專業軟件進行電腦效果圖創作的能力。草圖方案確定之后，根據設計方案，學生使用設計軟件建立計算機三維模型。通過三維模型的創建，學生深入推敲方案構思，將多方案體塊模型進行比較，可以有效引導學生進行發散思維、改善思維定勢，并通過改變模型體塊關系，發現并產生新的構想，鍛煉學生的創造性思維。

3.傳統模型制作可以驗證方案的可行性

傳統手工模型制作階段四次課，16學時。該階段主要考察學生手工動手操作能力。對于傳統模型制作來講，材料的選擇對于方案視覺表現力有至關重要的作用[8]。為了追求逼真實用的效果，要求選用木工板、模型板、膠合板、有機玻璃等多種材質制作產品模型，這種方式激發了學生的學習興趣和創造能力。在模型制作前，學生需考察建筑材料市場、裝飾材料市場，對于各種材料的應用范圍、性能、規格、加工方法有最基本的了解。除此之外，一些廢舊材料、工業生產邊角料、日常生活用品等，只要是具有一定視覺效果，或在模型表現中有一定環保意義的材料都可以收集用來制作。學生在該階段模型制作過程中積極發現新材料、新用途，對傳統模型制作有了大膽的突破和創新。

4．虛擬系統可以更加高效地輔助完成模型制作

虛擬模型制作階段四次課，16學時。該階段是本課程的最大創新之處。虛擬模型制作系統的集成開發環境為MSVC2005，圖形核心庫為OpenInventor，用戶界面使用Qt應用程序框架，觸覺反饋力的計算使用OpenHaptics函數庫。同時，由于OpenInventor是基于OpenGL開發的，因而使虛擬模型制作系統也具有很好的硬件兼容性和跨平臺運行能力。與傳統的模型制作相比，虛擬模型制作操作過程周期短、費用低。在虛擬模型制作過程中,學生可通過實時感知的觸覺反饋力大小來控制模型制作過程中材料的刮削量。通過虛擬模型制作系統的使用，可以有效加強學生對方案材質、視覺感受等設計元素的把握，提高學生對方案進行深化理解的能力，通過事先的參數設定，不同的材料有不同的反饋力度，學生可以直觀地感受各種材料的硬度、加工性能等信息，不用購買每一種材料，就能夠非常方便地考察各種材料軟硬度、工藝性、成形性等特征的差異性，同時也為創造性思維的培養提供感性的素材。這樣不僅可以加強學生的動手能力與實踐能力，還可以充分利用模型的實體性和三維性，增強學生的學習興趣。

四、相比傳統模式，新模式模型制作效率更加顯著

課程結束，對所有8組學生針對傳統模型制作和虛擬模型制作做了問卷調查。傳統模型制作組的同學認為，手工模型制作操作容易，工具簡單，材料便宜而且可以隨心所欲的選擇任何材料應用到自己的方案中，自由發揮余地大，在模型制作過程中依然可以根據突發的靈感來修改模型，而且模型細節部分和表面處理起來相對容易，最終模型也很直觀、一目了然；缺點是勞動強度較大，工作環境較惡劣，制作周期較長，中間容易受其他因素干擾而停滯，操作過程中某些環節容易受傷，安全性較差。虛擬模型制作組的同學認為，使用VMMS系統進行模型制作能極大的提升學習的興趣和積極性，模型制作周期較短，工作環境好，勞動強度小；但是設備相對昂貴，能得到上機操作的時間有限，故短時間內對軟件命令掌握不夠熟練，致使最終模型制作的精度一般。相信經過較長時間的軟件培訓之后，能夠制作出高精度的虛擬模型。兩個組別的同學意見經過整理，歸納見表1所示。經過傳統模型制作組和虛擬模型制作組同學交流后，發放調查問卷，就創意表現性、評估性、易操作性、效率性、節省材料性、經濟性等方面進行打分量化分析。以5分制為例，5分表示該項性能非常好，4分為好，3分為一般，2分為較差，1分為差。發放調查問卷40份，收回40份，均為有效問卷。詳細數據見表2。

五、課程總結與展望

本文對模型制作課程中傳統模型制作和虛擬模型制作的兩種方法進行了分析對比，將虛擬模型系統引入到模型制作課程教學中。虛擬模型制作方法在模型制作課程中使用是種有益嘗試，而且教學效果已經得到了初步的顯現，學生反應良好并表現出了極大的進一步學習的興趣，這為工科工業設計專業模型制作課程提出了一種新的授課方式和探討方向。與此同時，仍存在操作系統還不夠完善，設備資金總需求量較大等問題，需更緊密地結合當代科技發展潮流，不斷摸索更能激發學生創作積極性的教學模式。在今后的設計課程教學中，應探索一種注重體驗和理性思考的教學思路，注重培養學生的體驗與感知能力，在傳統手工模型制作和應用計算機輔助工業設計技術進行模型制作之間尋求平衡。（本文作者：戚彬、孫曉明單位：山東理工大學）