摘 要：該研究面向工業(yè)設計專業(yè)\"立體構成\"課程改革，以Grasshopper插件為主要參數(shù)化模型構建教學平臺，對傳統(tǒng)立體構成訓練方式進行革新，引導學生在參數(shù)化建模的技術支撐下完成形態(tài)構成的構思、搭建、鑒賞與調整，從而掌握形態(tài)構成的基本方法，實現(xiàn)形態(tài)構成的創(chuàng)新，最終建立以此教學手段為主的教學體系。通過分析實際教學案例，發(fā)現(xiàn)利用Grasshopper工具，學生的實踐效率大大提高，對立體構成的理解和表達能力增強，證明該模式的有效性和優(yōu)越性，為課程教學改革提供有益的參考，對推進工業(yè)設計課程教學的信息化、數(shù)字化和智能化水平具有重要意義。

關鍵詞：工業(yè)設計；課程改革；參數(shù)化設計；立體構成；Grasshopper

中圖分類號：TB47；G642文獻標識碼：A文章編號：1673-260X（2024）06-0085-04

“立體構成”是工業(yè)設計教育的基礎課，它關乎設計師在設計過程中的三維想象能力、空間組合能力和形態(tài)表現(xiàn)能力。傳統(tǒng)的“立體構成”課程教學模式常常局限于手工模型的制作，存在課程節(jié)奏慢、作品形式單一、創(chuàng)作材料受限等多種問題。在當今工業(yè)設計行業(yè)，越來越多的設計師開始使用參數(shù)化設計和Grasshopper技術實現(xiàn)復雜的設計。為了提高學生對于立體形態(tài)的構成能力，提升課程的趣味性和實踐性，促進學生對數(shù)字化、信息化和智能化技術的學習和應用，本研究提出了基于Grasshopper的“立體構成”課程改革方案。本文介紹了Grasshopper的定義及其應用領域，闡述了“立體構成”課程教學改革的必要性和現(xiàn)實背景，分析了基于Grasshopper的“立體構成”課程教學改革的實際效果，并提出了相關問題和解決方案。

1 工業(yè)設計與Grasshopper

1.1 Grasshopper的定義

Grasshopper是由Robert McNeel與David Rutten開發(fā)的一種基于視覺化編程語言的數(shù)學建模編輯器，其誕生源于Rhino3d版本4的“歷史記錄”功能。2008年，開發(fā)者David Rutten為了更準確地控制建模歷史記錄中的某些步驟而開發(fā)了“Explicit History”功能，成為插件Grasshopper的前身[1]。作為3D建模軟件Rhino的插件，Grasshopper在處理幾何形態(tài)時具有極高的靈活性和實用性，自其推出以來，已經被廣泛應用于產品設計、建筑、工程、航空航天等領域。Grasshopper為設計師提供了一個直觀的圖形界面來生成設計，幫助設計師快速創(chuàng)建復雜的設計模型，并且能夠自動生成幾何形狀，還可以精確定義模型參數(shù)并實現(xiàn)參數(shù)化控制以便對模型隨時調整，這對設計師的工作流程也產生了重大影響。因此，在工業(yè)設計領域，Grasshopper已經成為一個非常重要的工具。

1.2 Grasshopper在工業(yè)設計領域的應用

利用Grasshopper設計的產品打破了現(xiàn)代主義的簡潔風格，通過提取自然造型規(guī)律，構建更加豐富自由的形態(tài)法則，打破傳統(tǒng)的線性設計法則，從而產生大量的非線性的隨機變化的產品形態(tài)。在工業(yè)設計領域較為前沿的研究是從仿生學和仿生設計的角度出發(fā)，闡述仿生設計中的分類研究及仿生設計中的數(shù)理結構關系在產品結構和表現(xiàn)機理中的應用等[2]。其涉及領域囊括家電產品、燈具、跑鞋、汽車、可穿戴智能手表、家具、器皿等多個方向，這類產品往往具備富有造型變化的表皮、綿密的網(wǎng)狀結構或大量的曲線、圓角，整體產品風格具有科幻感和未來感。相比傳統(tǒng)意義的人為設計，Grasshopper的設計方式是允許試錯的，具有隨機性和科學性，同時能夠任意地、無目的地探索所有可能的幾何空間[3]。因此，可以利用這些優(yōu)勢開展大量、多種多樣的設計形態(tài)概念發(fā)散。

2 基于Grasshopper的“立體構成”課程定位

“立體構成”課程（the course of 3D construction）是在20世紀初期，由著名的德國建筑設計師、現(xiàn)代設計教育家格羅佩斯（Walter Gropius， 1883-1969）牽頭，在包豪斯學院（Bauhaus School， 1919-1933）的教學計劃及教學過程中出現(xiàn)并逐步完善的具備全新理念、全新內容與全新教學方法的初級課程[4]?！傲Ⅲw構成”是工業(yè)設計專業(yè)的核心課程之一，其主要教學目標是讓學生學會如何運用構成的基本元素，按照構成的基本規(guī)律和法則組合出不同的構成形式，探討更多構成組合的可能性，并在視覺、材料和空間運用上展開廣泛深入的研究和探討。構成是研究形式和造型規(guī)律的基礎課，單純化、抽象化和高度概括的形式美是構成的基本特征[5]?！傲Ⅲw構成”課程隨著時代的發(fā)展產生了巨大的變化。傳統(tǒng)的“立體構成”課程通常以手工制作為主要教學手段，學生需要通過動手制作各種幾何模型以進行構成設計的訓練。隨著數(shù)字化技術的飛速發(fā)展，“立體構成”課程的教學手段已經不再局限于傳統(tǒng)的實物制作，而是向數(shù)字化、虛擬化的方向發(fā)展。更引人深思的是，該課程本身是否應該開設、應該如何開設等問題也引發(fā)很多高校的工業(yè)設計專業(yè)教師的討論。某些高校工業(yè)設計專業(yè)將其發(fā)展為產品形態(tài)設計課程，與此同時，也有部分高校的工業(yè)設計專業(yè)將三大構成課程整合，通過壓縮課程學時、教學計劃前置等手段進行課程改革。

本次研究在安徽科技學院機械工程學院下設的工業(yè)設計專業(yè)中開展，經過教研室教師們的多次交流研討，認為構成系列課程的改革勢在必行，但以何種形式進行需要經過嚴謹?shù)慕虒W實踐去論證。在沒有相同或相近的教學目標設置課程的前提下，不能過于武斷地直接去除這門專業(yè)基礎課程。因此，此次課程教學實踐以Rhino+Grasshopper為依托，利用軟件平臺的操作，構建從創(chuàng)意到表現(xiàn)的橋梁，在提高構成訓練效率的同時，訓練學生對數(shù)字化設計過程的把握能力，增強學生對三維空間的感受與認知，逐步適應信息化產品設計與制造方式，最終增強學生對于設計專業(yè)的認同感，從而在更高的層面上培養(yǎng)學生從事設計創(chuàng)新工作所必需的技術思維與設計素養(yǎng)[6]。

3 結合Grasshopper為教學操作平臺的“立體構成”課程實踐

此次教學實踐研究從課程教學目標改革、課程環(huán)節(jié)設置改革、課程內容改革三個層面入手，以工業(yè)設計20級“線的構成”授課實踐為案例進行實驗，將其與18級同一章節(jié)授課成效進行對比，得到相關研究結論。在教學實踐之前確定明確的教學目標、預期成效，之后配備相應的實施方案，最后進行教學成效總結。

3.1 課程教學目標改革

改革后的“立體構成”課程的教學目標主要包括：研究在三維空間中構成抽象立體形態(tài)的基本要素、構成抽象立體形態(tài)的基本方法、構成抽象立體形態(tài)的基本形式等，利用Grasshopper作為工具，研究抽象立體形態(tài)之間的空間關系，理解將色彩、質感等元素賦予形態(tài)之后的表現(xiàn)規(guī)律，并能將研究成果應用于后續(xù)的產品設計實踐之中；理解Grasshopper構建立體形態(tài)的生成邏輯，并熟練掌握基本的參數(shù)化形態(tài)構建方法。

課程內容由傳統(tǒng)手工制作轉變?yōu)檎鎸嵅牧象w驗為輔與軟件制作為主。教學內容靈活，綜合線上線下多種資源為教學參考資料，課程作業(yè)由手工制作轉變?yōu)?D打印和手工制作結合輸出大作業(yè)成品。

3.2 整體教學環(huán)節(jié)改革

在研究的教學實踐過程中，課程組教師本著以學生為中心的教學指導思路，將整體教學過程劃分為課前、課中與課后三個部分。其中，課前以教師引導為主。教師公布“立體構成”課程大綱、課程目標和基本授課內容，發(fā)放Grasshopper線上學習資源和“立體構成”相關課程基礎知識，指導學生安裝Rhino軟件，準備課程所需的實踐材料，如便于折疊的卡紙、細竹棒和KT板等材料。學生預習教材，進入學習通平臺預習課程相關資源，做好課前相關準備工作，在課前自行組隊分組。這部分的重點在于使學生了解課程教學目標、教學內容和基本學習方法。利用線上豐富的教學資源，擴充已有的教學資料，擴大學生的視野，拉近學生與陌生知識和課堂的距離，從而激發(fā)學生的探究興趣，為中期獲得較好的學習成效奠定基礎。

課中環(huán)節(jié)，教學活動的重點主體為學生，所有環(huán)節(jié)的設置圍繞如何有效提升教學過程中的自主性及靈活性。教師根據(jù)學情和課程計劃制定知識模塊，前期引導學生掌握立體構成的基本原理、Grasshopper的基礎操作技巧，并通過親手示范的形式教授相關技巧。其后根據(jù)每一個模塊的知識點和教學重點設置每一個構成任務，學生以學習小組為單位進行任務認領，開始自主學習的過程。任務以構建某種形式的立體形態(tài)為主，學生在組內通過合作、討論，得出完善的模型構建思路，在同學和教師的幫助下完成立體模型的構建，并通過組內其他成員的互相評價，即時調整作品形式，使其達到最完善的狀態(tài)。任務完成之后，通過課堂匯報的形式與教師和其他小組同學進行分享、交流，完成自評、他評的過程。最終，教師綜合總體實踐過程，給學生提供學習指導與意見，引導他們再一次對任務作品的效果、形式和方法進行改善與調整，通過調整參數(shù)，進一步賦予立體形態(tài)不同組合形式、多種多樣的色彩選擇，以豐富學生的作品層次，提升作品效果。

課后，學生首先需要將立體構成3D模型通過3D打印的形式制作成實物，將打印后的模型作品與課程初期的手工構成作品進行對比，通過學習報告將創(chuàng)作思路、制作原理、工藝流程和作品賞析評價一一記錄，并進行分析總結。最終，通過課程作業(yè)匯報展覽將這個完整的學習過程收尾。在最后的展示環(huán)節(jié)，教師對每一個作品和學習報告一起進行分析、評價，并最后形成教學總結。綜上所述，整個教學環(huán)節(jié)的靈活性和復雜性大大增加，對于教師的實踐經驗和教學能力提出更高要求。整體教學環(huán)節(jié)見圖1。

3.3 課程改革實踐案例與成效

以“線的構成”章節(jié)作為此次研究的教學案例分享。在課堂上，授課教師以提問的形式提出線的構成形式法則，引導學習小組搜集線的構成相關案例，并分析討論案例的形態(tài)構成方法。并引入Grasshopper知識模塊，引導學生掌握相關建模邏輯和操作。教師運用X Y Plane、Circle、Unit Z命令完成基礎構架的搭建，運用Linear Array、Scale、Partition List、Loft建立模型，最后運用Graph Mapper對模型形態(tài)進行調整，并最終得到圖2左上側的模型效果。學生按照教師示范建模邏輯和命令進行建模實操練習，并在小組中進行發(fā)散，對應線的構成法則進行模型評論，并即時調整和修改模型構成形態(tài)。圖2為學生在此基礎上實踐得到的習作。對照傳統(tǒng)“立體構成”課程，授課內容進行大幅度的擴充，授課手段完全數(shù)字化，作品效果也呈現(xiàn)非常豐富多彩的面貌。

為評估課程改革效果，教學組進行了比較實驗和調查問卷分析。在試驗組工業(yè)設計201班中，學生使用Grasshopper進行參數(shù)化設計。在對照組工業(yè)設計181班中，學生只能使用手工模型進行立體構成。在兩組學生完成線的構成課程練習后，對其結果進行了分析和比較。通過對比實驗結果發(fā)現(xiàn)，在使用Grasshopper進行參數(shù)化設計的情況下，學生表現(xiàn)出更好的理解和表達能力，并且在實踐中大大提高了效率，作品的質量也有很大提升。同時，研究還發(fā)現(xiàn)，在使用Grasshopper進行設計時，學生的創(chuàng)新性思維得到了更好地鍛煉。

為得到更加深入細致的研究結論，對工業(yè)設計201班、202班學生發(fā)放調查問卷46份，其中有效問卷45份。81%的學生認為“立體構成”的學習提升了對抽象形態(tài)的感知和運用能力，53%的學生認為“立體構成”的授課與工業(yè)設計專業(yè)其他課程銜接很好，65%的學生認為課程難度最大的部分為軟件建模技巧和邏輯。

通過對比工業(yè)設計20級與18級“立體構成”課程作品可以發(fā)現(xiàn)，利用Grasshopper構建后的作品更具有個性化，作品風格的區(qū)別更加明顯，構成元素的運用更加靈活和豐富，色彩、肌理賦予創(chuàng)作者更多的選擇；作品形式更加復雜，出現(xiàn)一些非線性的模型形式，具有創(chuàng)新性和未來感；作品數(shù)量大大提高，通過調整參數(shù)的數(shù)值，可以輕松實現(xiàn)不同尺寸、形狀、色彩的替換，使作品的創(chuàng)作效率有了質的飛躍；創(chuàng)新思維被大大激發(fā)，創(chuàng)作過程不受現(xiàn)實材料有限性的局限，隨著學生數(shù)字化建模能力的提升，作品的創(chuàng)新性有質的飛躍。

4 結論與展望

基于Grasshopper的可視化編程屬性，使得學生可以更加直觀地看到他們所創(chuàng)造的模型，而無需深入編程，這對于不具備程序設計背景的初學者尤其有用，因為他們可以通過簡單的拖放操作來創(chuàng)建復雜的模型；其參數(shù)化設計屬性能夠將幾何形狀組合在一起，并設置參數(shù)，學生可以非常容易地操縱設計，因此可以快速創(chuàng)建多個變體，以便在選擇最佳方案之前進行比較，從而優(yōu)化構成形態(tài)；借助先進的教學手段使得課程模式具有高效性，可以更快速地創(chuàng)建和修改模型，這使得學生可以更加專注于創(chuàng)作本身，通過修改設計參數(shù)從而得到不同的設計結果，豐富了形態(tài)變化的維度，降低時間成本，提高創(chuàng)作效率。

隨著此次課程改革的深入，出現(xiàn)了很多教學難點與問題，例如學生初次接觸軟件，對軟件的掌握非常生澀，難以實現(xiàn)復雜的模型效果，操作過程容易氣餒或產生惰性，或者對于形態(tài)的構建容易鉆牛角尖，部分學生過分追求華而不實的視覺效果或者部分學生過分保守固執(zhí)局限于現(xiàn)實形態(tài)的框架，沒有足夠的勇氣和經驗進行突破，缺乏創(chuàng)造性思維，這些現(xiàn)象都是不利于形態(tài)構成訓練的。在未來的立體設計課程教學中，課程組會進一步將Grasshopper技術的應用貫穿整個課程，逐步解決上述教學問題，為后續(xù)專業(yè)課程的學習打好基礎，從而培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的工業(yè)設計人才。

參考文獻：

〔1〕Bob McNeel， Scott Davidson. The Grasshopper Primer （EN） Third Edition V3.3[Z]. 2014. https：//modelab.gitbooks.io/grasshopper-primer/content/appendix/A-3/0_about-this-primer.htm.

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