設計模型虛擬仿真綜合研究

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摘要：新的時代背景下，線上教學的方式已經常態化、普及化，虛擬仿真平臺教學改革不斷探索“線上虛擬+線下實踐”的教學方式，為高等教育設計類專業教學提供了發展契機。設計模型虛擬仿真綜合研究平臺的建設可以突破設計類專業科研“不深、不廣、不精”的瓶頸，有助于教師通過數字化平臺虛擬實現現實科研，同時在實踐中不斷完善專業知識，更好地為課堂教學服務。

關鍵詞：設計模型；虛擬仿真；實驗創新

近年來，在文化產業和設計創新領域，我國不斷加強數字化產業對文化的內容支撐、創意和設計提升。部分高校對于設計研究不斷深入，對成果產出的要求不斷提高，但存在設計創新研究條件不足的情況。設計模型是設計研究的基礎，河南科技大學藝術與設計學院（以下簡稱學院）近8成的專業都需要設計模型的研究支撐。

一、設計專業實驗平臺現狀

學院現有工業設計創意坊、包裝工作室、數字媒體工作室、攝影室、模型制作室、用戶體驗與認知科學實驗室、定格動畫實驗室、計算機輔助設計實驗室，其主要功能是幫助學院環境設計、工業設計、包裝設計、動畫設計等本科專業的學生完成實驗、實訓任務，為研究生提供查詢文獻資料等的平臺。目前，各個專業線下設計模型研究存在占用空間大、實驗效率低、耗材費用高、效果不符合預期等問題，這在一定程度上影響了設計科研的開展和對學生創新能力的培養。設計類專業模型中的實體模型存在制作周期長、不夠精良、設計效果不佳等問題，而設計模型中的軟件模型存在現實還原度不高、實際運用功能不足等問題。這些問題已經制約了學院設計模型創新相關研究的深化和完善，需要學院優化研究條件（硬件和軟件）。如，實體制作的設計模型難以精準還原室內燈光的設計，由于燈光設計可變性較強，在建筑模型制作中僅僅能模擬出亮燈效果，但空間中光的強弱、色溫變化、功能選擇、燈具選擇都難以進行調節與制作。目前的裝飾材料研究方向只能通過軟件效果圖展現設計的材質，動態化的材質對比和交互都難以從靜態圖紙中表現出來，而且效果圖只能呈現設計的最終效果，并不能作為研究型圖紙。以上是實體模型和圖紙3D模型在不同專業方向中出現的難點、痛點。

二、設計模型虛擬仿真綜合研究平臺建設思路

設計模型虛擬仿真綜合研究平臺的建設思路為“一體兩面，專業共享，產學研結合”?！耙惑w”是指打造智慧引領的虛擬仿真綜合科研平臺。“兩面”是指一方面建設包含理論知識構架基礎、專業技能實踐并與企業平臺相結合的虛擬仿真基礎實訓子平臺；另一方面建設具體的包含空間光環境推演模擬研究、人機交互設計研究、設計材料應用研究等的設計模型創新研究平臺?！皩I共享”是指在“一體兩面”的基礎上，學院環境設計、工業設計、包裝設計、產品設計、視覺傳達5個專業的多個設計領域和研究方向。如，容器造型、陳設造型、雕塑造型、舞美設計、裝飾材料、人機交互、燈光設計等專業研究方向均可共享設計模型虛擬仿真綜合研究平臺。設計模型是設計研究的實踐根基，虛擬仿真實踐平臺在教學中可以應用在不同專業、不同實驗等方面，形成具有交互效能、多維化的線上信息環境?！爱a學研結合”整體建設以產學研結合理念為核心，一方面服務于教師的科學研究，教師可以借助平臺開展設計創新應用研究；另一方面是設計相關專業學生學習的平臺，學生可以借助平臺進行相關專業知識的虛擬學習和實踐鍛煉。多元化開放式管理平臺、VR（虛擬現實）資源、交互式快速開發平臺、硬件環境升級后，可以給學生帶來全新的沉浸式體驗，為學生提供“線上+線下”“虛擬+現實”的綜合性實訓一體的現代化、信息化的教學實驗場所[1]。

三、設計模型虛擬仿真綜合研究平臺教學研究

1.建設教研相長的綜合一體化平臺設計模型虛擬仿真綜合研究平臺是一個綜合性的設計平臺，針對學院環境設計、工業設計、產品設計、包裝設計等專業而開展虛擬互動教學科研與教學一體化設計。構建設計模型研究、設計模型制作、設計模型創新、設計模型市場四大體系，特別是對實體模型和軟件模型難以做到的參數化光環境實驗、材質材料實驗和五感模擬實驗，師生可以通過紅外觸摸一體機、VR仿真場景還原，在實驗室進行各個專業設計模型的交互式虛擬推演實驗、實時可視化交互實驗，提升設計創新能力[2]。教學過程中，以設計模型虛擬仿真綜合研究平臺為依托，合理設置現代信息環境下設計專業模塊化教學結構，促進師資力量邊界模糊化、資源共享化、實驗一體化。教師應根據設備和技術的進步做出相應的調整，使設計模型虛擬仿真綜合研究平臺呈現動態、開放的形態。教師根據問卷調查和平臺使用反饋不斷地調整與更新平臺，在使學生具備扎實的專業理論知識與藝術素養的同時，在設計模型實驗環節提升學生的設計技能與創新能力。同時，學生可以自主選擇設計類專業選修課以拓寬知識面，實現多元化發展。2.建立“一平臺、三模塊”的虛擬仿真綜合研究平臺依托學院現有實驗資源，建設“一平臺、三模塊”?！耙黄脚_”即設計模型虛擬仿真綜合研究平臺；“三模塊”包括專業虛擬仿真推演模塊、實時可視化交互模塊、多方共建深度合作模塊。設計模型虛擬仿真綜合研究平臺體系如圖1所示。專業虛擬仿真推演模塊（以光環境內容為例）：該模塊涵蓋工業設計模型光運用、產品設計中燈具光實驗、室外環境設計夜間光模擬、室內空間人工光模擬、舞臺燈光模擬設計。實驗中，通過紅外觸摸一體機構建體驗硬件環境，運用MARS虛擬現實模擬引擎平臺，結合Unity3D等軟件，完成現實中難以完成的設計的推演[3]。同時，學生在掌握基礎理論知識后，只需要具備三維軟件應用基礎，就可直接在平臺上進行實踐操作。專業虛擬仿真推演模塊的營建重心是設計過程中的推演與研究，更注重不同環節與選擇的對比設計。目前，環境空間燈光設計虛擬仿真平臺已初具規模，環境燈光設計虛擬仿真實驗屬于專業虛擬仿真推演模塊，在這個實驗中，學生根據不同功能進行變換的燈光環境交互，可根據自己的直觀感受選擇燈光的色溫與亮度。這些交互操作均屬于推演研究階段。環境空間燈光設計虛擬仿真實驗平臺界面如圖2所示。實時可視化交互模塊：實驗室內，通過大屏幕投影顯示技術構建仿真體驗的硬件環境，以虛擬仿真技術和實景視頻技術為主導，把應用場景直接搬進課堂，如室內設計中的室內空間場景，使學生獲得身臨其境般的體驗。這樣可以使學生真實感知到不同設計尺度直接的差異，在虛擬空間中，通過五感差異化體驗，感知不同空間的大小、虛實、氛圍等，并通過A.R.T交互系統與場景進行人機交互，完善可視化的教學實驗研究。多方共建深度合作模塊：高校要開展交互、連通的虛擬仿真實驗。在實際建設過程中，高校需要進行虛擬仿真實驗頂層設計，校企聯合搭建實驗平臺，企業提供成熟的虛擬仿真軟件平臺搭建技術和實踐經驗。圖1如，設計模型虛擬仿真實驗中，企業提供成熟的“平臺（VRP等虛擬仿真引擎）+內容（豐富素材資源庫）+終端（AR臺、全息臺、CAVE、頭盔等）+應用（深入行業）”，學校通過平臺開展研究，將在平臺應用過程中的技術問題和設計構建不足之處反饋給企業[4]。雙方通力合作，以專業共建、師資培訓、實驗室共建共管、專利技術開發、高精尖技術合作研究等校企合作方式，建設虛擬仿真實驗室。

四、“突出優勢+形成集群”的教學改革方向

1.強化設計專業學科優勢，逐步形成科研特色我國曾提出過教學信息化的方向，教育部還專門針對虛擬仿真實驗室的特性、環節、適用學科方向進行了深入細致的研究。雖然高等院校設計類專業學生雖然開展了有關專業的理論學習和社會實踐，但部分學生對于設計研究不夠重視，認為設計研究脫離市場，不夠與時俱進。實際上，設計研究不僅可以拓展設計的廣度，而且可以拓展設計的深度。設計研究往往難以脫離設計實驗，設計模型虛擬仿真綜合研究平臺是利用虛擬現實技術打造的集專業課程實驗實踐、教學研究、教學資源、科研、國際范圍內設計類競賽于一體的多媒體實驗平臺。設計行業朝著“精細+智能+底蘊”的方向發展，設計品質更為精細，以人為本，更加智能。文化底蘊是設計的靈魂。高校設計類專業要緊跟設計行業的發展，不斷強化自身作為研究類學科的優勢，形成以設計模型帶動設計研究的一體化平臺。2.打造設計相關專業共享平臺，形成優勢專業集群設計模型虛擬仿真平臺項目可以支持學院現有的環境設計、工業設計、包裝設計、產品設計4個本科專業，容器造型、藝術雕塑造型、陳設藝術造型3個專業領域，機械（工業設計工程）和藝術碩士2個專業碩士學位，使現有專業、學科向專業集群化發展，針對每個專業的設計模型發展重心整合專業優勢和資源。環境設計專業模型著重研究室內與室外空間營造，工業設計模型注重外觀和使用功能設計，陳設藝術模型則偏向造型和藝術化。近年來，學院注重研究平臺建設，平臺建設是落實學院科研發展思路的具體路徑，將通過智慧引領，推動各專業人才培養模式與課程體系變革，引領學院專業改革，提高人才培養質量。設計模型虛擬仿真綜合研究平臺運用如圖3所示。

結語

河南科技大學藝術與設計學院以美育為己任，努力實現創新發展。當前，國家對設計人才的需要不斷加大，設計模型虛擬仿真綜合研究平臺建設貫徹落實相關部門的決策部署，實施文化產業數字化戰略，同時積極應對近年來藝術設計的數字化傳播大量出現的情況[5]。此項目運用數據驅動思維進行實時預演和設計測評，有效結合基礎人工交互智能技術與藝術設計研究，將有效解決新時代背景下產生的物理聯絡障礙，利用數字平臺的優勢，通過加強與高校、藝術機構的合作，進一步實現對專業性人才的培養?；痦椖浚涸撐南?021年河南科技大學虛擬仿真實驗項目A級校級立項（環境空間燈光設計虛擬仿真實驗）；2021年度河南省高等教育教學改革研究與實踐項目立項，項目編號：2021BK185。

參考文獻：

[1]馮建平，王軍.基于增強現實的交互式視覺環境學習場景設計研究[J].無線互聯科技，2018，15（8）：74-75.

[2]廖美華.基于虛擬現實技術的環境藝術設計發展[J].美術教育研究，2017（17）：84.

[3]彭鑫.基于虛擬現實技術在景觀設計中的應用[J].美與時代（城市版），2017（8）：66-67.

[4]岑偉富，楊吟野.基于虛擬現實技術的創新創業教學探究[J].課程教育研究，2016（29）：13.

[5]陳罡.基于虛擬現實技術的室內設計創新及應用[J].科學技術與工程，2019，19（17）：229-233.

作者：楊曉帆 廖亮 魏夢瑤