設(shè)計(jì)模型虛擬仿真綜合研究

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摘要：新的時(shí)代背景下，線上教學(xué)的方式已經(jīng)常態(tài)化、普及化，虛擬仿真平臺(tái)教學(xué)改革不斷探索“線上虛擬+線下實(shí)踐”的教學(xué)方式，為高等教育設(shè)計(jì)類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)提供了發(fā)展契機(jī)。設(shè)計(jì)模型虛擬仿真綜合研究平臺(tái)的建設(shè)可以突破設(shè)計(jì)類(lèi)專(zhuān)業(yè)科研“不深、不廣、不精”的瓶頸，有助于教師通過(guò)數(shù)字化平臺(tái)虛擬實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)科研，同時(shí)在實(shí)踐中不斷完善專(zhuān)業(yè)知識(shí)，更好地為課堂教學(xué)服務(wù)。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)模型；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

近年來(lái)，在文化產(chǎn)業(yè)和設(shè)計(jì)創(chuàng)新領(lǐng)域，我國(guó)不斷加強(qiáng)數(shù)字化產(chǎn)業(yè)對(duì)文化的內(nèi)容支撐、創(chuàng)意和設(shè)計(jì)提升。部分高校對(duì)于設(shè)計(jì)研究不斷深入，對(duì)成果產(chǎn)出的要求不斷提高，但存在設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究條件不足的情況。設(shè)計(jì)模型是設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)，河南科技大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)學(xué)院）近8成的專(zhuān)業(yè)都需要設(shè)計(jì)模型的研究支撐。

一、設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)狀

學(xué)院現(xiàn)有工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)意坊、包裝工作室、數(shù)字媒體工作室、攝影室、模型制作室、用戶(hù)體驗(yàn)與認(rèn)知科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、定格動(dòng)畫(huà)實(shí)驗(yàn)室、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，其主要功能是幫助學(xué)院環(huán)境設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、包裝設(shè)計(jì)、動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)等本科專(zhuān)業(yè)的學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)任務(wù)，為研究生提供查詢(xún)文獻(xiàn)資料等的平臺(tái)。目前，各個(gè)專(zhuān)業(yè)線下設(shè)計(jì)模型研究存在占用空間大、實(shí)驗(yàn)效率低、耗材費(fèi)用高、效果不符合預(yù)期等問(wèn)題，這在一定程度上影響了設(shè)計(jì)科研的開(kāi)展和對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。設(shè)計(jì)類(lèi)專(zhuān)業(yè)模型中的實(shí)體模型存在制作周期長(zhǎng)、不夠精良、設(shè)計(jì)效果不佳等問(wèn)題，而設(shè)計(jì)模型中的軟件模型存在現(xiàn)實(shí)還原度不高、實(shí)際運(yùn)用功能不足等問(wèn)題。這些問(wèn)題已經(jīng)制約了學(xué)院設(shè)計(jì)模型創(chuàng)新相關(guān)研究的深化和完善，需要學(xué)院優(yōu)化研究條件（硬件和軟件）。如，實(shí)體制作的設(shè)計(jì)模型難以精準(zhǔn)還原室內(nèi)燈光的設(shè)計(jì)，由于燈光設(shè)計(jì)可變性較強(qiáng)，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(qiáng)弱、色溫變化、功能選擇、燈具選擇都難以進(jìn)行調(diào)節(jié)與制作。目前的裝飾材料研究方向只能通過(guò)軟件效果圖展現(xiàn)設(shè)計(jì)的材質(zhì)，動(dòng)態(tài)化的材質(zhì)對(duì)比和交互都難以從靜態(tài)圖紙中表現(xiàn)出來(lái)，而且效果圖只能呈現(xiàn)設(shè)計(jì)的最終效果，并不能作為研究型圖紙。以上是實(shí)體模型和圖紙3D模型在不同專(zhuān)業(yè)方向中出現(xiàn)的難點(diǎn)、痛點(diǎn)。

二、設(shè)計(jì)模型虛擬仿真綜合研究平臺(tái)建設(shè)思路

設(shè)計(jì)模型虛擬仿真綜合研究平臺(tái)的建設(shè)思路為“一體兩面，專(zhuān)業(yè)共享，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合”。“一體”是指打造智慧引領(lǐng)的虛擬仿真綜合科研平臺(tái)。“兩面”是指一方面建設(shè)包含理論知識(shí)構(gòu)架基礎(chǔ)、專(zhuān)業(yè)技能實(shí)踐并與企業(yè)平臺(tái)相結(jié)合的虛擬仿真基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)子平臺(tái)；另一方面建設(shè)具體的包含空間光環(huán)境推演模擬研究、人機(jī)交互設(shè)計(jì)研究、設(shè)計(jì)材料應(yīng)用研究等的設(shè)計(jì)模型創(chuàng)新研究平臺(tái)。“專(zhuān)業(yè)共享”是指在“一體兩面”的基礎(chǔ)上，學(xué)院環(huán)境設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、包裝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、視覺(jué)傳達(dá)5個(gè)專(zhuān)業(yè)的多個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域和研究方向。如，容器造型、陳設(shè)造型、雕塑造型、舞美設(shè)計(jì)、裝飾材料、人機(jī)交互、燈光設(shè)計(jì)等專(zhuān)業(yè)研究方向均可共享設(shè)計(jì)模型虛擬仿真綜合研究平臺(tái)。設(shè)計(jì)模型是設(shè)計(jì)研究的實(shí)踐根基，虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)在教學(xué)中可以應(yīng)用在不同專(zhuān)業(yè)、不同實(shí)驗(yàn)等方面，形成具有交互效能、多維化的線上信息環(huán)境。“產(chǎn)學(xué)研結(jié)合”整體建設(shè)以產(chǎn)學(xué)研結(jié)合理念為核心，一方面服務(wù)于教師的科學(xué)研究，教師可以借助平臺(tái)開(kāi)展設(shè)計(jì)創(chuàng)新應(yīng)用研究；另一方面是設(shè)計(jì)相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的平臺(tái)，學(xué)生可以借助平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的虛擬學(xué)習(xí)和實(shí)踐鍛煉。多元化開(kāi)放式管理平臺(tái)、VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）資源、交互式快速開(kāi)發(fā)平臺(tái)、硬件環(huán)境升級(jí)后，可以給學(xué)生帶來(lái)全新的沉浸式體驗(yàn)，為學(xué)生提供“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實(shí)”的綜合性實(shí)訓(xùn)一體的現(xiàn)代化、信息化的教學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所[1]。

三、設(shè)計(jì)模型虛擬仿真綜合研究平臺(tái)教學(xué)研究

1.建設(shè)教研相長(zhǎng)的綜合一體化平臺(tái)設(shè)計(jì)模型虛擬仿真綜合研究平臺(tái)是一個(gè)綜合性的設(shè)計(jì)平臺(tái)，針對(duì)學(xué)院環(huán)境設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、包裝設(shè)計(jì)等專(zhuān)業(yè)而開(kāi)展虛擬互動(dòng)教學(xué)科研與教學(xué)一體化設(shè)計(jì)。構(gòu)建設(shè)計(jì)模型研究、設(shè)計(jì)模型制作、設(shè)計(jì)模型創(chuàng)新、設(shè)計(jì)模型市場(chǎng)四大體系，特別是對(duì)實(shí)體模型和軟件模型難以做到的參數(shù)化光環(huán)境實(shí)驗(yàn)、材質(zhì)材料實(shí)驗(yàn)和五感模擬實(shí)驗(yàn)，師生可以通過(guò)紅外觸摸一體機(jī)、VR仿真場(chǎng)景還原，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行各個(gè)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)模型的交互式虛擬推演實(shí)驗(yàn)、實(shí)時(shí)可視化交互實(shí)驗(yàn)，提升設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力[2]。教學(xué)過(guò)程中，以設(shè)計(jì)模型虛擬仿真綜合研究平臺(tái)為依托，合理設(shè)置現(xiàn)代信息環(huán)境下設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)模塊化教學(xué)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)師資力量邊界模糊化、資源共享化、實(shí)驗(yàn)一體化。教師應(yīng)根據(jù)設(shè)備和技術(shù)的進(jìn)步做出相應(yīng)的調(diào)整，使設(shè)計(jì)模型虛擬仿真綜合研究平臺(tái)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)、開(kāi)放的形態(tài)。教師根據(jù)問(wèn)卷調(diào)查和平臺(tái)使用反饋不斷地調(diào)整與更新平臺(tái)，在使學(xué)生具備扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)與藝術(shù)素養(yǎng)的同時(shí)，在設(shè)計(jì)模型實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)提升學(xué)生的設(shè)計(jì)技能與創(chuàng)新能力。同時(shí)，學(xué)生可以自主選擇設(shè)計(jì)類(lèi)專(zhuān)業(yè)選修課以拓寬知識(shí)面，實(shí)現(xiàn)多元化發(fā)展。2.建立“一平臺(tái)、三模塊”的虛擬仿真綜合研究平臺(tái)依托學(xué)院現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)資源，建設(shè)“一平臺(tái)、三模塊”。“一平臺(tái)”即設(shè)計(jì)模型虛擬仿真綜合研究平臺(tái)；“三模塊”包括專(zhuān)業(yè)虛擬仿真推演模塊、實(shí)時(shí)可視化交互模塊、多方共建深度合作模塊。設(shè)計(jì)模型虛擬仿真綜合研究平臺(tái)體系如圖1所示。專(zhuān)業(yè)虛擬仿真推演模塊（以光環(huán)境內(nèi)容為例）：該模塊涵蓋工業(yè)設(shè)計(jì)模型光運(yùn)用、產(chǎn)品設(shè)計(jì)中燈具光實(shí)驗(yàn)、室外環(huán)境設(shè)計(jì)夜間光模擬、室內(nèi)空間人工光模擬、舞臺(tái)燈光模擬設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)紅外觸摸一體機(jī)構(gòu)建體驗(yàn)硬件環(huán)境，運(yùn)用MARS虛擬現(xiàn)實(shí)模擬引擎平臺(tái)，結(jié)合Unity3D等軟件，完成現(xiàn)實(shí)中難以完成的設(shè)計(jì)的推演[3]。同時(shí)，學(xué)生在掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)后，只需要具備三維軟件應(yīng)用基礎(chǔ)，就可直接在平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)踐操作。專(zhuān)業(yè)虛擬仿真推演模塊的營(yíng)建重心是設(shè)計(jì)過(guò)程中的推演與研究，更注重不同環(huán)節(jié)與選擇的對(duì)比設(shè)計(jì)。目前，環(huán)境空間燈光設(shè)計(jì)虛擬仿真平臺(tái)已初具規(guī)模，環(huán)境燈光設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)屬于專(zhuān)業(yè)虛擬仿真推演模塊，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生根據(jù)不同功能進(jìn)行變換的燈光環(huán)境交互，可根據(jù)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(huán)境空間燈光設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面如圖2所示。實(shí)時(shí)可視化交互模塊：實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，通過(guò)大屏幕投影顯示技術(shù)構(gòu)建仿真體驗(yàn)的硬件環(huán)境，以虛擬仿真技術(shù)和實(shí)景視頻技術(shù)為主導(dǎo)，把應(yīng)用場(chǎng)景直接搬進(jìn)課堂，如室內(nèi)設(shè)計(jì)中的室內(nèi)空間場(chǎng)景，使學(xué)生獲得身臨其境般的體驗(yàn)。這樣可以使學(xué)生真實(shí)感知到不同設(shè)計(jì)尺度直接的差異，在虛擬空間中，通過(guò)五感差異化體驗(yàn)，感知不同空間的大小、虛實(shí)、氛圍等，并通過(guò)A.R.T交互系統(tǒng)與場(chǎng)景進(jìn)行人機(jī)交互，完善可視化的教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。多方共建深度合作模塊：高校要開(kāi)展交互、連通的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際建設(shè)過(guò)程中，高校需要進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)頂層設(shè)計(jì)，校企聯(lián)合搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，企業(yè)提供成熟的虛擬仿真軟件平臺(tái)搭建技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。圖1如，設(shè)計(jì)模型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，企業(yè)提供成熟的“平臺(tái)（VRP等虛擬仿真引擎）+內(nèi)容（豐富素材資源庫(kù)）+終端（AR臺(tái)、全息臺(tái)、CAVE、頭盔等）+應(yīng)用（深入行業(yè)）”，學(xué)校通過(guò)平臺(tái)開(kāi)展研究，將在平臺(tái)應(yīng)用過(guò)程中的技術(shù)問(wèn)題和設(shè)計(jì)構(gòu)建不足之處反饋給企業(yè)[4]。雙方通力合作，以專(zhuān)業(yè)共建、師資培訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)室共建共管、專(zhuān)利技術(shù)開(kāi)發(fā)、高精尖技術(shù)合作研究等校企合作方式，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。

四、“突出優(yōu)勢(shì)+形成集群”的教學(xué)改革方向

1.強(qiáng)化設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)學(xué)科優(yōu)勢(shì)，逐步形成科研特色我國(guó)曾提出過(guò)教學(xué)信息化的方向，教育部還專(zhuān)門(mén)針對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的特性、環(huán)節(jié)、適用學(xué)科方向進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。雖然高等院校設(shè)計(jì)類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生雖然開(kāi)展了有關(guān)專(zhuān)業(yè)的理論學(xué)習(xí)和社會(huì)實(shí)踐，但部分學(xué)生對(duì)于設(shè)計(jì)研究不夠重視，認(rèn)為設(shè)計(jì)研究脫離市場(chǎng)，不夠與時(shí)俱進(jìn)。實(shí)際上，設(shè)計(jì)研究不僅可以拓展設(shè)計(jì)的廣度，而且可以拓展設(shè)計(jì)的深度。設(shè)計(jì)研究往往難以脫離設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)模型虛擬仿真綜合研究平臺(tái)是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打造的集專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐、教學(xué)研究、教學(xué)資源、科研、國(guó)際范圍內(nèi)設(shè)計(jì)類(lèi)競(jìng)賽于一體的多媒體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。設(shè)計(jì)行業(yè)朝著“精細(xì)+智能+底蘊(yùn)”的方向發(fā)展，設(shè)計(jì)品質(zhì)更為精細(xì)，以人為本，更加智能。文化底蘊(yùn)是設(shè)計(jì)的靈魂。高校設(shè)計(jì)類(lèi)專(zhuān)業(yè)要緊跟設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展，不斷強(qiáng)化自身作為研究類(lèi)學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，形成以設(shè)計(jì)模型帶動(dòng)設(shè)計(jì)研究的一體化平臺(tái)。2.打造設(shè)計(jì)相關(guān)專(zhuān)業(yè)共享平臺(tái)，形成優(yōu)勢(shì)專(zhuān)業(yè)集群設(shè)計(jì)模型虛擬仿真平臺(tái)項(xiàng)目可以支持學(xué)院現(xiàn)有的環(huán)境設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、包裝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)4個(gè)本科專(zhuān)業(yè)，容器造型、藝術(shù)雕塑造型、陳設(shè)藝術(shù)造型3個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，機(jī)械（工業(yè)設(shè)計(jì)工程）和藝術(shù)碩士2個(gè)專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位，使現(xiàn)有專(zhuān)業(yè)、學(xué)科向?qū)I(yè)集群化發(fā)展，針對(duì)每個(gè)專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)模型發(fā)展重心整合專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)和資源。環(huán)境設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)模型著重研究室內(nèi)與室外空間營(yíng)造，工業(yè)設(shè)計(jì)模型注重外觀和使用功能設(shè)計(jì)，陳設(shè)藝術(shù)模型則偏向造型和藝術(shù)化。近年來(lái)，學(xué)院注重研究平臺(tái)建設(shè)，平臺(tái)建設(shè)是落實(shí)學(xué)院科研發(fā)展思路的具體路徑，將通過(guò)智慧引領(lǐng)，推動(dòng)各專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)模式與課程體系變革，引領(lǐng)學(xué)院專(zhuān)業(yè)改革，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。設(shè)計(jì)模型虛擬仿真綜合研究平臺(tái)運(yùn)用如圖3所示。

結(jié)語(yǔ)

河南科技大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院以美育為己任，努力實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展。當(dāng)前，國(guó)家對(duì)設(shè)計(jì)人才的需要不斷加大，設(shè)計(jì)模型虛擬仿真綜合研究平臺(tái)建設(shè)貫徹落實(shí)相關(guān)部門(mén)的決策部署，實(shí)施文化產(chǎn)業(yè)數(shù)字化戰(zhàn)略，同時(shí)積極應(yīng)對(duì)近年來(lái)藝術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)字化傳播大量出現(xiàn)的情況[5]。此項(xiàng)目運(yùn)用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)思維進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)演和設(shè)計(jì)測(cè)評(píng)，有效結(jié)合基礎(chǔ)人工交互智能技術(shù)與藝術(shù)設(shè)計(jì)研究，將有效解決新時(shí)代背景下產(chǎn)生的物理聯(lián)絡(luò)障礙，利用數(shù)字平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)加強(qiáng)與高校、藝術(shù)機(jī)構(gòu)的合作，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)專(zhuān)業(yè)性人才的培養(yǎng)。基金項(xiàng)目：該文系2021年河南科技大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目A級(jí)校級(jí)立項(xiàng)（環(huán)境空間燈光設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)）；2021年度河南省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目立項(xiàng)，項(xiàng)目編號(hào)：2021BK185。

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作者：楊曉帆 廖亮 魏夢(mèng)瑤