摘 要：該研究面向工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)\"立體構(gòu)成\"課程改革，以Grasshopper插件為主要參數(shù)化模型構(gòu)建教學(xué)平臺(tái)，對(duì)傳統(tǒng)立體構(gòu)成訓(xùn)練方式進(jìn)行革新，引導(dǎo)學(xué)生在參數(shù)化建模的技術(shù)支撐下完成形態(tài)構(gòu)成的構(gòu)思、搭建、鑒賞與調(diào)整，從而掌握形態(tài)構(gòu)成的基本方法，實(shí)現(xiàn)形態(tài)構(gòu)成的創(chuàng)新，最終建立以此教學(xué)手段為主的教學(xué)體系。通過(guò)分析實(shí)際教學(xué)案例，發(fā)現(xiàn)利用Grasshopper工具，學(xué)生的實(shí)踐效率大大提高，對(duì)立體構(gòu)成的理解和表達(dá)能力增強(qiáng)，證明該模式的有效性和優(yōu)越性，為課程教學(xué)改革提供有益的參考，對(duì)推進(jìn)工業(yè)設(shè)計(jì)課程教學(xué)的信息化、數(shù)字化和智能化水平具有重要意義。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計(jì)；課程改革；參數(shù)化設(shè)計(jì)；立體構(gòu)成；Grasshopper

中圖分類號(hào)：TB47；G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-260X（2024）06-0085-04

“立體構(gòu)成”是工業(yè)設(shè)計(jì)教育的基礎(chǔ)課，它關(guān)乎設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過(guò)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(gòu)成”課程教學(xué)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(wèn)題。在當(dāng)今工業(yè)設(shè)計(jì)行業(yè)，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)師開(kāi)始使用參數(shù)化設(shè)計(jì)和Grasshopper技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計(jì)。為了提高學(xué)生對(duì)于立體形態(tài)的構(gòu)成能力，提升課程的趣味性和實(shí)踐性，促進(jìn)學(xué)生對(duì)數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，本研究提出了基于Grasshopper的“立體構(gòu)成”課程改革方案。本文介紹了Grasshopper的定義及其應(yīng)用領(lǐng)域，闡述了“立體構(gòu)成”課程教學(xué)改革的必要性和現(xiàn)實(shí)背景，分析了基于Grasshopper的“立體構(gòu)成”課程教學(xué)改革的實(shí)際效果，并提出了相關(guān)問(wèn)題和解決方案。

1 工業(yè)設(shè)計(jì)與Grasshopper

1.1 Grasshopper的定義

Grasshopper是由Robert McNeel與David Rutten開(kāi)發(fā)的一種基于視覺(jué)化編程語(yǔ)言的數(shù)學(xué)建模編輯器，其誕生源于Rhino3d版本4的“歷史記錄”功能。2008年，開(kāi)發(fā)者David Rutten為了更準(zhǔn)確地控制建模歷史記錄中的某些步驟而開(kāi)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(shí)具有極高的靈活性和實(shí)用性，自其推出以來(lái)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、建筑、工程、航空航天等領(lǐng)域。Grasshopper為設(shè)計(jì)師提供了一個(gè)直觀的圖形界面來(lái)生成設(shè)計(jì)，幫助設(shè)計(jì)師快速創(chuàng)建復(fù)雜的設(shè)計(jì)模型，并且能夠自動(dòng)生成幾何形狀，還可以精確定義模型參數(shù)并實(shí)現(xiàn)參數(shù)化控制以便對(duì)模型隨時(shí)調(diào)整，這對(duì)設(shè)計(jì)師的工作流程也產(chǎn)生了重大影響。因此，在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，Grasshopper已經(jīng)成為一個(gè)非常重要的工具。

1.2 Grasshopper在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用

利用Grasshopper設(shè)計(jì)的產(chǎn)品打破了現(xiàn)代主義的簡(jiǎn)潔風(fēng)格，通過(guò)提取自然造型規(guī)律，構(gòu)建更加豐富自由的形態(tài)法則，打破傳統(tǒng)的線性設(shè)計(jì)法則，從而產(chǎn)生大量的非線性的隨機(jī)變化的產(chǎn)品形態(tài)。在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域較為前沿的研究是從仿生學(xué)和仿生設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，闡述仿生設(shè)計(jì)中的分類研究及仿生設(shè)計(jì)中的數(shù)理結(jié)構(gòu)關(guān)系在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和表現(xiàn)機(jī)理中的應(yīng)用等[2]。其涉及領(lǐng)域囊括家電產(chǎn)品、燈具、跑鞋、汽車、可穿戴智能手表、家具、器皿等多個(gè)方向，這類產(chǎn)品往往具備富有造型變化的表皮、綿密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或大量的曲線、圓角，整體產(chǎn)品風(fēng)格具有科幻感和未來(lái)感。相比傳統(tǒng)意義的人為設(shè)計(jì)，Grasshopper的設(shè)計(jì)方式是允許試錯(cuò)的，具有隨機(jī)性和科學(xué)性，同時(shí)能夠任意地、無(wú)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(shì)開(kāi)展大量、多種多樣的設(shè)計(jì)形態(tài)概念發(fā)散。

2 基于Grasshopper的“立體構(gòu)成”課程定位

“立體構(gòu)成”課程（the course of 3D construction）是在20世紀(jì)初期，由著名的德國(guó)建筑設(shè)計(jì)師、現(xiàn)代設(shè)計(jì)教育家格羅佩斯（Walter Gropius， 1883-1969）牽頭，在包豪斯學(xué)院（Bauhaus School， 1919-1933）的教學(xué)計(jì)劃及教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)并逐步完善的具備全新理念、全新內(nèi)容與全新教學(xué)方法的初級(jí)課程[4]?！傲Ⅲw構(gòu)成”是工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)的核心課程之一，其主要教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何運(yùn)用構(gòu)成的基本元素，按照構(gòu)成的基本規(guī)律和法則組合出不同的構(gòu)成形式，探討更多構(gòu)成組合的可能性，并在視覺(jué)、材料和空間運(yùn)用上展開(kāi)廣泛深入的研究和探討。構(gòu)成是研究形式和造型規(guī)律的基礎(chǔ)課，單純化、抽象化和高度概括的形式美是構(gòu)成的基本特征[5]?！傲Ⅲw構(gòu)成”課程隨著時(shí)代的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的變化。傳統(tǒng)的“立體構(gòu)成”課程通常以手工制作為主要教學(xué)手段，學(xué)生需要通過(guò)動(dòng)手制作各種幾何模型以進(jìn)行構(gòu)成設(shè)計(jì)的訓(xùn)練。隨著數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，“立體構(gòu)成”課程的教學(xué)手段已經(jīng)不再局限于傳統(tǒng)的實(shí)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(yīng)該開(kāi)設(shè)、應(yīng)該如何開(kāi)設(shè)等問(wèn)題也引發(fā)很多高校的工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)教師的討論。某些高校工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)將其發(fā)展為產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)課程，與此同時(shí)，也有部分高校的工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)將三大構(gòu)成課程整合，通過(guò)壓縮課程學(xué)時(shí)、教學(xué)計(jì)劃前置等手段進(jìn)行課程改革。

本次研究在安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院下設(shè)的工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)中開(kāi)展，經(jīng)過(guò)教研室教師們的多次交流研討，認(rèn)為構(gòu)成系列課程的改革勢(shì)在必行，但以何種形式進(jìn)行需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)實(shí)踐去論證。在沒(méi)有相同或相近的教學(xué)目標(biāo)設(shè)置課程的前提下，不能過(guò)于武斷地直接去除這門專業(yè)基礎(chǔ)課程。因此，此次課程教學(xué)實(shí)踐以Rhino+Grasshopper為依托，利用軟件平臺(tái)的操作，構(gòu)建從創(chuàng)意到表現(xiàn)的橋梁，在提高構(gòu)成訓(xùn)練效率的同時(shí)，訓(xùn)練學(xué)生對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程的把握能力，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)三維空間的感受與認(rèn)知，逐步適應(yīng)信息化產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造方式，最終增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于設(shè)計(jì)專業(yè)的認(rèn)同感，從而在更高的層面上培養(yǎng)學(xué)生從事設(shè)計(jì)創(chuàng)新工作所必需的技術(shù)思維與設(shè)計(jì)素養(yǎng)[6]。

3 結(jié)合Grasshopper為教學(xué)操作平臺(tái)的“立體構(gòu)成”課程實(shí)踐

此次教學(xué)實(shí)踐研究從課程教學(xué)目標(biāo)改革、課程環(huán)節(jié)設(shè)置改革、課程內(nèi)容改革三個(gè)層面入手，以工業(yè)設(shè)計(jì)20級(jí)“線的構(gòu)成”授課實(shí)踐為案例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將其與18級(jí)同一章節(jié)授課成效進(jìn)行對(duì)比，得到相關(guān)研究結(jié)論。在教學(xué)實(shí)踐之前確定明確的教學(xué)目標(biāo)、預(yù)期成效，之后配備相應(yīng)的實(shí)施方案，最后進(jìn)行教學(xué)成效總結(jié)。

3.1 課程教學(xué)目標(biāo)改革

改革后的“立體構(gòu)成”課程的教學(xué)目標(biāo)主要包括：研究在三維空間中構(gòu)成抽象立體形態(tài)的基本要素、構(gòu)成抽象立體形態(tài)的基本方法、構(gòu)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(guān)系，理解將色彩、質(zhì)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(yīng)用于后續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐之中；理解Grasshopper構(gòu)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(gòu)建方法。

課程內(nèi)容由傳統(tǒng)手工制作轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)材料體驗(yàn)為輔與軟件制作為主。教學(xué)內(nèi)容靈活，綜合線上線下多種資源為教學(xué)參考資料，課程作業(yè)由手工制作轉(zhuǎn)變?yōu)?D打印和手工制作結(jié)合輸出大作業(yè)成品。

3.2 整體教學(xué)環(huán)節(jié)改革

在研究的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，課程組教師本著以學(xué)生為中心的教學(xué)指導(dǎo)思路，將整體教學(xué)過(guò)程劃分為課前、課中與課后三個(gè)部分。其中，課前以教師引導(dǎo)為主。教師公布“立體構(gòu)成”課程大綱、課程目標(biāo)和基本授課內(nèi)容，發(fā)放Grasshopper線上學(xué)習(xí)資源和“立體構(gòu)成”相關(guān)課程基礎(chǔ)知識(shí)，指導(dǎo)學(xué)生安裝Rhino軟件，準(zhǔn)備課程所需的實(shí)踐材料，如便于折疊的卡紙、細(xì)竹棒和KT板等材料。學(xué)生預(yù)習(xí)教材，進(jìn)入學(xué)習(xí)通平臺(tái)預(yù)習(xí)課程相關(guān)資源，做好課前相關(guān)準(zhǔn)備工作，在課前自行組隊(duì)分組。這部分的重點(diǎn)在于使學(xué)生了解課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和基本學(xué)習(xí)方法。利用線上豐富的教學(xué)資源，擴(kuò)充已有的教學(xué)資料，擴(kuò)大學(xué)生的視野，拉近學(xué)生與陌生知識(shí)和課堂的距離，從而激發(fā)學(xué)生的探究興趣，為中期獲得較好的學(xué)習(xí)成效奠定基礎(chǔ)。

課中環(huán)節(jié)，教學(xué)活動(dòng)的重點(diǎn)主體為學(xué)生，所有環(huán)節(jié)的設(shè)置圍繞如何有效提升教學(xué)過(guò)程中的自主性及靈活性。教師根據(jù)學(xué)情和課程計(jì)劃制定知識(shí)模塊，前期引導(dǎo)學(xué)生掌握立體構(gòu)成的基本原理、Grasshopper的基礎(chǔ)操作技巧，并通過(guò)親手示范的形式教授相關(guān)技巧。其后根據(jù)每一個(gè)模塊的知識(shí)點(diǎn)和教學(xué)重點(diǎn)設(shè)置每一個(gè)構(gòu)成任務(wù)，學(xué)生以學(xué)習(xí)小組為單位進(jìn)行任務(wù)認(rèn)領(lǐng)，開(kāi)始自主學(xué)習(xí)的過(guò)程。任務(wù)以構(gòu)建某種形式的立體形態(tài)為主，學(xué)生在組內(nèi)通過(guò)合作、討論，得出完善的模型構(gòu)建思路，在同學(xué)和教師的幫助下完成立體模型的構(gòu)建，并通過(guò)組內(nèi)其他成員的互相評(píng)價(jià)，即時(shí)調(diào)整作品形式，使其達(dá)到最完善的狀態(tài)。任務(wù)完成之后，通過(guò)課堂匯報(bào)的形式與教師和其他小組同學(xué)進(jìn)行分享、交流，完成自評(píng)、他評(píng)的過(guò)程。最終，教師綜合總體實(shí)踐過(guò)程，給學(xué)生提供學(xué)習(xí)指導(dǎo)與意見(jiàn)，引導(dǎo)他們?cè)僖淮螌?duì)任務(wù)作品的效果、形式和方法進(jìn)行改善與調(diào)整，通過(guò)調(diào)整參數(shù)，進(jìn)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(xué)生的作品層次，提升作品效果。

課后，學(xué)生首先需要將立體構(gòu)成3D模型通過(guò)3D打印的形式制作成實(shí)物，將打印后的模型作品與課程初期的手工構(gòu)成作品進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)學(xué)習(xí)報(bào)告將創(chuàng)作思路、制作原理、工藝流程和作品賞析評(píng)價(jià)一一記錄，并進(jìn)行分析總結(jié)。最終，通過(guò)課程作業(yè)匯報(bào)展覽將這個(gè)完整的學(xué)習(xí)過(guò)程收尾。在最后的展示環(huán)節(jié)，教師對(duì)每一個(gè)作品和學(xué)習(xí)報(bào)告一起進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)，并最后形成教學(xué)總結(jié)。綜上所述，整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的靈活性和復(fù)雜性大大增加，對(duì)于教師的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)能力提出更高要求。整體教學(xué)環(huán)節(jié)見(jiàn)圖1。

3.3 課程改革實(shí)踐案例與成效

以“線的構(gòu)成”章節(jié)作為此次研究的教學(xué)案例分享。在課堂上，授課教師以提問(wèn)的形式提出線的構(gòu)成形式法則，引導(dǎo)學(xué)習(xí)小組搜集線的構(gòu)成相關(guān)案例，并分析討論案例的形態(tài)構(gòu)成方法。并引入Grasshopper知識(shí)模塊，引導(dǎo)學(xué)生掌握相關(guān)建模邏輯和操作。教師運(yùn)用X Y Plane、Circle、Unit Z命令完成基礎(chǔ)構(gòu)架的搭建，運(yùn)用Linear Array、Scale、Partition List、Loft建立模型，最后運(yùn)用Graph Mapper對(duì)模型形態(tài)進(jìn)行調(diào)整，并最終得到圖2左上側(cè)的模型效果。學(xué)生按照教師示范建模邏輯和命令進(jìn)行建模實(shí)操練習(xí)，并在小組中進(jìn)行發(fā)散，對(duì)應(yīng)線的構(gòu)成法則進(jìn)行模型評(píng)論，并即時(shí)調(diào)整和修改模型構(gòu)成形態(tài)。圖2為學(xué)生在此基礎(chǔ)上實(shí)踐得到的習(xí)作。對(duì)照傳統(tǒng)“立體構(gòu)成”課程，授課內(nèi)容進(jìn)行大幅度的擴(kuò)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(píng)估課程改革效果，教學(xué)組進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)和調(diào)查問(wèn)卷分析。在試驗(yàn)組工業(yè)設(shè)計(jì)201班中，學(xué)生使用Grasshopper進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。在對(duì)照組工業(yè)設(shè)計(jì)181班中，學(xué)生只能使用手工模型進(jìn)行立體構(gòu)成。在兩組學(xué)生完成線的構(gòu)成課程練習(xí)后，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了分析和比較。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在使用Grasshopper進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的情況下，學(xué)生表現(xiàn)出更好的理解和表達(dá)能力，并且在實(shí)踐中大大提高了效率，作品的質(zhì)量也有很大提升。同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)，在使用Grasshopper進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生的創(chuàng)新性思維得到了更好地鍛煉。

為得到更加深入細(xì)致的研究結(jié)論，對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)201班、202班學(xué)生發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷46份，其中有效問(wèn)卷45份。81%的學(xué)生認(rèn)為“立體構(gòu)成”的學(xué)習(xí)提升了對(duì)抽象形態(tài)的感知和運(yùn)用能力，53%的學(xué)生認(rèn)為“立體構(gòu)成”的授課與工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)其他課程銜接很好，65%的學(xué)生認(rèn)為課程難度最大的部分為軟件建模技巧和邏輯。

通過(guò)對(duì)比工業(yè)設(shè)計(jì)20級(jí)與18級(jí)“立體構(gòu)成”課程作品可以發(fā)現(xiàn)，利用Grasshopper構(gòu)建后的作品更具有個(gè)性化，作品風(fēng)格的區(qū)別更加明顯，構(gòu)成元素的運(yùn)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(fù)雜，出現(xiàn)一些非線性的模型形式，具有創(chuàng)新性和未來(lái)感；作品數(shù)量大大提高，通過(guò)調(diào)整參數(shù)的數(shù)值，可以輕松實(shí)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(zhì)的飛躍；創(chuàng)新思維被大大激發(fā)，創(chuàng)作過(guò)程不受現(xiàn)實(shí)材料有限性的局限，隨著學(xué)生數(shù)字化建模能力的提升，作品的創(chuàng)新性有質(zhì)的飛躍。

4 結(jié)論與展望

基于Grasshopper的可視化編程屬性，使得學(xué)生可以更加直觀地看到他們所創(chuàng)造的模型，而無(wú)需深入編程，這對(duì)于不具備程序設(shè)計(jì)背景的初學(xué)者尤其有用，因?yàn)樗麄兛梢酝ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單的拖放操作來(lái)創(chuàng)建復(fù)雜的模型；其參數(shù)化設(shè)計(jì)屬性能夠?qū)缀涡螤罱M合在一起，并設(shè)置參數(shù)，學(xué)生可以非常容易地操縱設(shè)計(jì)，因此可以快速創(chuàng)建多個(gè)變體，以便在選擇最佳方案之前進(jìn)行比較，從而優(yōu)化構(gòu)成形態(tài)；借助先進(jìn)的教學(xué)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(xué)生可以更加專注于創(chuàng)作本身，通過(guò)修改設(shè)計(jì)參數(shù)從而得到不同的設(shè)計(jì)結(jié)果，豐富了形態(tài)變化的維度，降低時(shí)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(xué)難點(diǎn)與問(wèn)題，例如學(xué)生初次接觸軟件，對(duì)軟件的掌握非常生澀，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的模型效果，操作過(guò)程容易氣餒或產(chǎn)生惰性，或者對(duì)于形態(tài)的構(gòu)建容易鉆牛角尖，部分學(xué)生過(guò)分追求華而不實(shí)的視覺(jué)效果或者部分學(xué)生過(guò)分保守固執(zhí)局限于現(xiàn)實(shí)形態(tài)的框架，沒(méi)有足夠的勇氣和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(gòu)成訓(xùn)練的。在未來(lái)的立體設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，課程組會(huì)進(jìn)一步將Grasshopper技術(shù)的應(yīng)用貫穿整個(gè)課程，逐步解決上述教學(xué)問(wèn)題，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)，從而培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的工業(yè)設(shè)計(jì)人才。

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〔3〕戴欣偉.基于Grasshopper的參數(shù)化設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探索[J].設(shè)計(jì)，2016，29（11）：122-123.

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〔5〕朱彥.產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2022.

〔6〕何蘭，張旭.公共設(shè)施設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革實(shí)踐探討[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2016，18（04）：118-120.