黃楚峰　章文

摘要：隨著智慧教育理念的提出，智慧教學(xué)環(huán)境對傳統(tǒng)的教學(xué)方式帶來較大的影響，其中虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為智慧型教學(xué)技術(shù)的手段之一，其應(yīng)用也逐漸在高校產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)課程上展現(xiàn)出優(yōu)勢。文章首先分析了當(dāng)前產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)課程傳統(tǒng)教學(xué)的局限性，并結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點對該技術(shù)如何合理應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)教學(xué)提出了一套行之有效的方法，優(yōu)化當(dāng)前學(xué)習(xí)模式以達到精細化教學(xué)，從而提高教學(xué)質(zhì)量。然后通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計實驗教學(xué)為案例來驗證其可行性，通過對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計中的教學(xué)設(shè)計，探索與完善智慧型教學(xué)在產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)中的應(yīng)用理論。以期為產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)課程教學(xué)提供一定參考。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù);產(chǎn)品設(shè)計專業(yè);教學(xué);應(yīng)用

中圖分類號：G64 文獻標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2021）11-0043-03

產(chǎn)品設(shè)計學(xué)科是一門實踐性較強的應(yīng)用型學(xué)科，其設(shè)計理論能指導(dǎo)設(shè)計實踐，在設(shè)計教學(xué)活動中設(shè)計實踐能直接反映學(xué)生對設(shè)計理論的掌握程度，在教學(xué)活動中運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能豐富教學(xué)手段，也能讓學(xué)生充分地發(fā)揮創(chuàng)作靈感，提升課堂教學(xué)質(zhì)量。因此，在產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行教學(xué)是一個發(fā)展趨勢。

1虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualReality）簡稱為VR，是20世紀(jì)發(fā)展起來的包合計算機、仿真技術(shù)、電子技術(shù)為基礎(chǔ)的實用技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要是使用計算機對現(xiàn)實場景進行建模渲染來模擬虛擬人工環(huán)境（例如戶外運動場、室內(nèi)實驗室等），通過頭戴式顯示器以及手柄或手套在虛擬環(huán)境中對虛擬對象進行交互操作，操作過程中虛擬環(huán)境中的感官體驗通過傳感器再反饋給用戶，進而模擬用戶在真實場景中的感受。該技術(shù)具有關(guān)鍵的四個特征。

1.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征

沉浸體驗（Immersive experience）。沉浸體驗是虛擬現(xiàn)實技術(shù)一個重要的技術(shù)特征，用戶通過頭戴式顯示器環(huán)繞虛擬環(huán)境產(chǎn)生身臨其境的體驗。

交互體驗（Interactive experience）。交互體驗是虛擬現(xiàn)實技術(shù)一個關(guān)鍵的技術(shù)特征，當(dāng)用戶處于虛擬環(huán)境中，除了視覺感知以外還有一個重要感知就是觸覺感知，虛擬環(huán)境能夠模擬現(xiàn)實世界對虛擬環(huán)境進行自然交互，通過觸感手套或者手柄反饋用戶觸覺感知，讓用戶達到更佳的體驗。

多感知體驗（Multi perception experience）。多感知體驗是為了加強虛擬現(xiàn)實世界的真實模擬狀態(tài)，通過軟件與硬件結(jié)合讓用戶在虛擬世界感受除了視覺以外的其他五感。

想象體驗（Imaginative experience）。虛擬環(huán)境中用戶可以通過VR軟件進行任何形式的創(chuàng)作，創(chuàng)造出世界不存在的各種元素發(fā)散思維，激發(fā)用戶的想象力與創(chuàng)造力。

1.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)的分類

目前的虛擬現(xiàn)實也主要分為四類：第一類是桌面應(yīng)用型，用戶通過電腦屏幕來觀察計算機模擬真實場景進行操作;第二類是沉浸式類型，用戶通過頭戴顯示器360度環(huán)繞觀察虛擬環(huán)境并操作虛擬對象;第三類是增強現(xiàn)實型，通過虛擬對象與現(xiàn)實世界的無縫結(jié)合讓用戶體驗變得更加真實;第四類是分布式虛擬現(xiàn)實型，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、5G人工智能技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多人遠程在同一虛擬空間中進行操作，提升協(xié)同工作的效率。

2產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)課程教學(xué)的存在問題分析

2.1教學(xué)設(shè)施陳舊導(dǎo)致案例教學(xué)互動差

產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)是一個實踐性較強的學(xué)科，在包豪斯教學(xué)初期采用的是雙軌制教學(xué)，這種藝術(shù)技術(shù)結(jié)合的教學(xué)思路一直沿用至今。目前大部分高校設(shè)計理論授課方式主要還是通過多媒體加視頻的方式進行。教學(xué)設(shè)施的陳舊導(dǎo)致在互動方面?zhèn)鹘y(tǒng)的方式很難調(diào)動學(xué)生的積極性。在案例教學(xué)設(shè)計上，也局限于傳統(tǒng)案例。未能利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的3D實體模型進行教學(xué)演示和實際操作分析，為此很難有較大的突破，而實踐教學(xué)也受環(huán)境場地的影響，對學(xué)生創(chuàng)意激發(fā)形成限制。

2.2教學(xué)演示受限導(dǎo)致知識點的吸收差

產(chǎn)品實驗教學(xué)是實踐教學(xué)中的一部分，主要是考核學(xué)生對于產(chǎn)品模型制作能力、產(chǎn)品材料與加工工藝知識的應(yīng)用能力，其中產(chǎn)品材料與加工實驗教學(xué)主要是通過教學(xué)視頻與ppt讓學(xué)生了解其過程，未能用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的模型制作和演示進行360°全方位動畫演示。在實驗過程中也少有讓學(xué)生進行操作，通常在有實驗員的監(jiān)護下謹慎進行，主要原因在于實驗設(shè)備操作難度系數(shù)較大，機器價格與維護成本高昂。因此，教學(xué)演示受限，導(dǎo)致學(xué)生對相應(yīng)知識點的吸收較差。

2.3專題課程不能做到教學(xué)及時反饋

在設(shè)計課程中專題課程往往會采取企業(yè)與學(xué)校協(xié)同教學(xué)，通過校企協(xié)同的方式讓學(xué)生真題實做，但教學(xué)環(huán)節(jié)沒有進行滲透虛擬現(xiàn)實的一些匹配性技術(shù)，未能對相關(guān)虛擬現(xiàn)實軟件進行教學(xué)設(shè)置，而最后對于設(shè)計的指導(dǎo)工作需要企業(yè)派出技術(shù)員進行指導(dǎo)，讓學(xué)生們更好地完成設(shè)計作品，但校企協(xié)同中企業(yè)往往受限于地點遠近問題而不能及時進行指導(dǎo)。

2.4方案評審形式以效果圖居多

在高校設(shè)計實踐過程中大多是對設(shè)計理念的一種應(yīng)用探索，因此設(shè)計方案停留在效果圖展示階段居多，而實物制作評審較少。主要原因在于實物制作費用高、耗時長，需要有更加接近實際體驗的評審形式來接近最終的實物效果，導(dǎo)致教學(xué)實踐設(shè)計上未能達成與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬方案與實物成果的展示。

3虛擬現(xiàn)實技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用原則

隨著智慧教育概念的提出，各高校圍繞智慧校園建設(shè)方面在教育軟件硬件方面不斷投入，部分高校都已經(jīng)開始建設(shè)與自身學(xué)科相關(guān)的虛擬仿真實驗室。然而，對于產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)虛擬仿真實驗室從建立到完善用于教學(xué)還需要很長一段路要走，目前產(chǎn)品虛擬仿真實驗室多數(shù)用于對于研究生階段的科研實驗，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于本科教學(xué)還存在一定難度，究其原因主要體現(xiàn)在兩個方面：其一，課程內(nèi)容設(shè)計陳舊不能很好的與現(xiàn)有技術(shù)進行匹配;其二，由于技術(shù)本身僅提供用戶的體驗條件，而本身的資源則需要設(shè)計者自身開發(fā)用于滿足課堂內(nèi)容的需求，目前虛擬現(xiàn)實相關(guān)的課程資源匱乏，不能很好地滿足需求。針對目前存在問題可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)在課程中的應(yīng)用原則、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在課程設(shè)計中的應(yīng)用方向，以及課程開發(fā)思路展開應(yīng)用研究。

3.1匹配性原則

課程教學(xué)內(nèi)容與技術(shù)特點需相匹配，產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)定位于培養(yǎng)適應(yīng)市場經(jīng)濟發(fā)展需求，具有創(chuàng)新意識、團隊意識、設(shè)計思維、工匠精神的復(fù)合型人才。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)對于專業(yè)培養(yǎng)有著正向積極的作用，由于專業(yè)課程培養(yǎng)目標(biāo)不同，其對應(yīng)的課程設(shè)計也有所不同。因此，設(shè)計教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)需要考慮其技術(shù)特性與課程需求的匹配度問題，在合適的階段應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)手段進行教學(xué)才達到最佳的使用效果。

以設(shè)計專業(yè)基礎(chǔ)課三大構(gòu)成為例，課程教學(xué)目標(biāo)是通過課程學(xué)習(xí)提高學(xué)生的空間想象力與創(chuàng)造力，為以后的設(shè)計專題課程打下基礎(chǔ)，其中能力培養(yǎng)主要是通過課程訓(xùn)練讓學(xué)生掌握構(gòu)成的基本理論，傳統(tǒng)的訓(xùn)練方式在創(chuàng)作上存在一定的局限性，學(xué)生的創(chuàng)意想法需要通過手繪等各種技能才能轉(zhuǎn)化表達，具有一定延遲性。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)能讓學(xué)生們更加自由的進行創(chuàng)作，創(chuàng)作的形式不拘泥于現(xiàn)實材料的選擇、場地的限制。例如，國外藝術(shù)家Rachel Rossin通過作品《Lossy》展示古老油畫技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的融合，來說明現(xiàn)實和虛幻兩者彼此融合的新形式（如圖1）。再比如《產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計》課程主要是培養(yǎng)學(xué)生形態(tài)創(chuàng)新能力，通過對自然形態(tài)的提煉重新創(chuàng)造出新的形態(tài)，提升學(xué)生形態(tài)設(shè)計的創(chuàng)新能力。

3.2交互性原則

虛擬現(xiàn)實其核心在于沉浸式體驗，除了目前已有的三維軟件與VR配合進行設(shè)計創(chuàng)作外，還需要自行設(shè)計與開發(fā)相關(guān)的教學(xué)資源，這類教學(xué)資源在設(shè)計上需要在虛擬空間中與用戶形成良好的交互，比如用戶的頭部追蹤必須保證用戶在虛擬空間中避免眩暈且“以用戶為中心”進行操作;虛擬環(huán)境中音效的設(shè)計、聲源的位置以及聲源的觸發(fā)機制合理：環(huán)境中的視覺美感塑造，其中GUI（Graphical User Interface）人機交互圖形化界面就顯得非常關(guān)鍵，當(dāng)用戶對虛擬對象進行操作時生成的各種動態(tài)化指引，往往更能引人注目。如圖2的汽車虛擬裝配展示，虛擬環(huán)境真實感強，用戶通過手柄對汽車零件進行超現(xiàn)實狀態(tài)的爆炸展開，帶來了極佳的視覺體驗。

3.3引導(dǎo)性原則

教學(xué)中通過課程設(shè)計適時引導(dǎo)學(xué)生專注課堂啟發(fā)思維有著重要作用，而通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬環(huán)境中進行教學(xué)指導(dǎo)能適時引導(dǎo)，虛擬環(huán)境不同于傳統(tǒng)的課件講授，學(xué)生在虛擬空間中其自主性更強，很容易偏離教學(xué)目標(biāo)而沉浸在自己的世界中。因此，在虛擬環(huán)境中可以添加一些虛擬交互機制提升學(xué)生在課程中的專注度。

如圖3《鞋子形態(tài)設(shè)計》整個鞋子的形態(tài)通過虛擬設(shè)備在三維軟件中進行形態(tài)設(shè)計，確定好各種形態(tài)方案后，通過3D打印技術(shù)制作實物進行對比。這些VR軟件設(shè)置各種創(chuàng)造空間曲線形體等工具滿足用戶的創(chuàng)作需求，雖然在建模原理上與傳統(tǒng)無異，但通過虛擬顯示設(shè)備與軟件結(jié)合，可以引導(dǎo)用戶進行下一步的工作，如同在真實世界中隨意操作虛擬對象塑造各種形態(tài)，相比較傳統(tǒng)的手繪到建模，實物雕塑則更加方便。

4虛擬現(xiàn)實技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用實踐

通過虛擬仿真實驗室的建立，利用現(xiàn)有的Vive虛擬現(xiàn)實設(shè)備以及虛擬仿真軟件，通過Unity3d引擎建立虛擬教學(xué)課程資源，通過課程實踐對技術(shù)應(yīng)用可行性進行驗證，同時根據(jù)教與學(xué)的評價對課程優(yōu)化提出改進建議。

4.1結(jié)構(gòu)與加工工藝虛擬教學(xué)

結(jié)構(gòu)設(shè)計需要對常見結(jié)構(gòu)形式有一定的了解，同時需要對不同的材料加工工藝較為熟悉，通過掌握結(jié)構(gòu)的基本類型判斷結(jié)構(gòu)的合理性，這也是進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。在虛擬環(huán)境中，操作手柄通過虛擬頭戴顯示器在環(huán)境中對常見結(jié)構(gòu)進行展開，并分析其應(yīng)用條件。如圖4的鉸鏈結(jié)構(gòu)，其通過對常見鉸鏈結(jié)構(gòu)類型的360°全方位展示，觀察這一類結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的各種形式以及應(yīng)用場景。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中常用配件可以直接在虛擬環(huán)境中打開其信息界面跳入到配件購買的商城平臺。如圖5的商城鉸鏈信息，這種信息展示以及結(jié)構(gòu)設(shè)計銜接順暢，從教與學(xué)以及設(shè)計過程實現(xiàn)系統(tǒng)化管理，讓整個過程變得更為高效。而產(chǎn)品的加工工藝需要對生產(chǎn)設(shè)備有一定的了解，在使用虛擬現(xiàn)實設(shè)備對現(xiàn)實加工工藝進行模擬時，可以進行提前演練，避免后期實驗產(chǎn)生誤操作。比如玻璃吹制工藝，吹制技術(shù)利用玻璃高溫具有可塑性，通過吹起對其形態(tài)進行改變，原理雖然簡單但是實操難度卻不小，而在實驗教學(xué)中，可以通過虛擬仿真技術(shù)讓學(xué)生對吹制技術(shù)實行虛擬操作來了解整個過程，同時也可以通過圖文信息窗口展示工藝特性。

4.2結(jié)構(gòu)設(shè)計與裝配驗證

結(jié)構(gòu)設(shè)計有外殼殼體結(jié)構(gòu)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)兩部分內(nèi)容，其中殼體結(jié)構(gòu)根據(jù)內(nèi)部功能基本布局對殼體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。因此，殼體結(jié)構(gòu)在保證外觀造型美觀的情況下，還需要符合內(nèi)部構(gòu)造的需要，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，可以將內(nèi)部布局完成形成一個組件，在外部進行殼體包裹并設(shè)計多種殼體形態(tài)，如圖6的VR造型設(shè)計，通過Alias的VR曲面設(shè)計部分可以更迅速地完成殼體形態(tài)推敲，滿足外觀與內(nèi)部需求的情況下制作產(chǎn)品殼體結(jié)構(gòu)。裝配驗證的目的是讓產(chǎn)品功能合理且實現(xiàn)量產(chǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中通常需要驗證部件之間的運動情況以及干涉情況。因此，在虛擬環(huán)境中檢查干涉情況與內(nèi)部空間布局優(yōu)勢更為明顯（如圖7）。

4.3課程評價與優(yōu)化方案

在教學(xué)環(huán)節(jié)中通過VR軟件配合手柄展示產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，能與學(xué)生進行互動。在虛擬環(huán)境中不同操作者可以針對同一個對象進行觀察，同時對于一些需要動態(tài)展示的環(huán)節(jié)可以通過環(huán)境的放大縮小觀察任意位置，能容易理解部分復(fù)雜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)原理。同時對于工藝加工材料屬性等方面的講解，更加貼合實際且有虛擬操作環(huán)節(jié)，讓學(xué)生更易理解記憶并靈活運用。在結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)，部分軟件已經(jīng)集成了VR設(shè)計模塊，學(xué)生利用此模塊在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面相比傳統(tǒng)的方式更加靈活自由，結(jié)構(gòu)設(shè)計也不在局限于技能學(xué)習(xí)，操作也更加人性化。在軟件中完成設(shè)計與裝配并最終制作實物驗證，3D打印裝配結(jié)構(gòu)模型，如圖8所示。

根據(jù)結(jié)構(gòu)課程的應(yīng)用評價如表1課程評價表可以看出VR虛擬現(xiàn)實與課程結(jié)合受歡迎程度較高，這種新形勢不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在學(xué)習(xí)方式上也具有較強的擴展性。

5結(jié)語

隨著智慧教育理念的提出，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高校設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用是智慧型教學(xué)發(fā)展的必然趨勢，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)能更好的將“以教師為中心”的教學(xué)模式改變成為“以學(xué)習(xí)者為中心”的學(xué)習(xí)模式。在技術(shù)支持下優(yōu)化學(xué)習(xí)工具，創(chuàng)造沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境，提供更加靈活的學(xué)習(xí)方法，這對培養(yǎng)符合時代要求的創(chuàng)新型與技能型復(fù)合人才發(fā)揮著重要作用。