交通工具設計課程新工科教學改革措施

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一、教學改革背景

（一）新工科專業交叉融合建設的推進

隨著“中國制造2025”的提出，我國產業結構和布局將深度調整，同時現實情境中的工程問題并不遵循當前學科的分類邏輯，因此需要高校工科專業培養模式進行相應的轉變，積極發展多學科交叉的新工科專業，探索新工科發展理念、新工科建設范式和新工科人才培養模式，是新時代國家戰略發展的新需求和高等教育發展的新要求。工業設計專業作為具有強交叉特點的專業，應在新工科建設過程中適時更新專業課程內容和課程體系，為培養國家新時期新工科人才做出積極貢獻。

（二）實踐型向研究型教學理念的遞進式轉變

當前因設計學科專業的特殊性，重實踐、重應用的實踐型教學理念是本科課程教學的主流。隨著我校構建高水平研究型大學戰略方針的提出，工業設計課程教學理念應逐步從實踐型向研究型教學遞進發展，在本科課程教學重實踐重應用的基礎上，逐步引入研究型教學理念，深化課程教學內容，提高課程研究水平的高度，拓展學生知識結構的廣度與深度。

（三）設計領域智能化方法的高速發展

智能化、自動化是當前汽車設計的主流趨勢與發展方向。隨著人工智能機器學習等計算機技術的不斷發展，尤其是圖像融合形變技術（ImageMorphing）作為一種造型效果的快速表現方法和形態推演分析方法，已經逐步應用于當前的汽車設計產業領域，奔馳、寶馬等國際汽車公司以及國內的上汽集團、廣汽集團均已開展基于計算機圖形學的造型設計方法的實踐。設計智能化方法的高速發展倒逼傳統設計教學內容與方法的更新，傳統的以手繪+計算機表現的汽車造型設計教學內容已經無法滿足時代發展的要求，因此亟需開展學科交叉融合的教學改革。

二、課程教學改革的現狀

（一）新工科教學改革現狀

當前新工科教學改革成為高校教學改革的重點方向，無論是工業設計專業還是車輛工程專業均致力于新工科教學改革的研究與實踐。陳香認為工業設計專業應緊隨人工智能的發展，推動工業設計專業與其他學科交叉融合，致力于創新型人才的培養；劉秀清、冀杰指出面向“互聯網+”與“中國制造2025”，車輛工程專業應將培養跨學科交叉的創新型汽車工程技術人才作為學科專業培養目標，實踐車輛工程專業新工科建設發展思路。上述研究均提出學科交叉是新工科教學改革發展的主流方向。

（二）交通工具設計課程教學現狀

近幾年以組織競賽、校企聯合、國際化workshop等為教學模式和產出的教學改革較多，諸如李洪海提出的工作坊實踐創新教學模式；陶寧提出以校企合作為導向的教學模式改革；李春陽提出以競賽為導向的教學改革模式。從教學內容角度，當前我國開設本科汽車設計課程的高等院校（以參加歷年CDN國際汽車設計大賽為統計源，共16所代表性院校）均以美院教學體系為藍本，以美術學院為代表的傳統汽車設計教學主要強調手繪和效果圖表現技術的重要性，形狀文法是汽車造型設計常用的形態推演方法，其過程往往是線條細微的變化，需要不斷地修改線條和光影效果，全部依賴人工完成，耗時而繁瑣，設計迭代冗余。由此我們可以看出，就交通工具設計課程而言，教學模式的改革較多，但因教師知識結構固化，教學內容的更新往往固化于設計學科本身，缺乏順應時代潮流、跨學科與前沿技術交叉融合的教學內容改革，因此，緊隨時代熱點，加強專業間交叉融合，將智能化設計分析方法引入到汽車造型設計教學內容中是當前亟需解決的教學改革問題，也符合新工科教學改革的發展方向。

三、教學改革的必要性與意義

在新工科跨界融合教育發展的時代背景下，貫徹落實大連理工大學研究型教學戰略方針，將跨專業知識內容導入工業設計專業傳統的交通工具設計課程中，實現汽車造型設計推演的智能化、自動化，切實提升研究型教學的深度與廣度，既順應了企業用人單位對高校人才培養的新要求，也符合教育發展的大方向，具有重要的教學現實意義和同類課程的推廣價值。目前，尚未有國內工業設計專業學校在“交通工具設計”課程中開展基于ImageMorphing圖像融合形變技術的跨界交叉教學探索，該技術的應用，改變了汽車造型設計借助形狀文法為基礎的人工形態推演方法，有效提升了設計效率，推動了汽車造型設計課程教學內容的革新與發展。本文通過構建基于圖像融合形變技術的汽車造型設計的智能化和自動化教學模塊、課程聯席導師制以及課程作業三方評價機制三方面的改革措施，實現交通工具課程教學從實踐型向研究型教學的轉變，拓展學生知識結構的廣度與深度，激發學生學習興趣和潛能，踐行我校研究型教學戰略和新工科交叉融合創新思想，切實提高課程教學質量。

四、教學改革內容與措施

秉承新工科交叉融合創新思想，在課程內容改革方面，在傳統的交通工具設計（汽車造型設計）教學中融入計算機圖形學專業技術內容，實現基于圖像形變技術的汽車造型設計的智能化和自動化，有效提高造型設計快速表現和形態推演的效率，拓展學生知識結構的廣度與深度，激發學生學習興趣和潛能；在課程授課教師方面，建立課程聯席導師制，選用跨專業副導師指導具體設計環節，消除因本專業教師知識背景局限所造成的講解不透、視角單一問題；在課程成果評價方面，建立授課教師、課程聯席導師、學生互評三方評價機制，體現課程評價的公平、客觀、公開，切實提高教學質量。（圖1）

（一）構建圖像形變汽車設計課程教學智能化知識模塊

交通工具設計課程是三年級工業設計專業的核心課程，其中分析與提取各汽車品牌家族化造型特征是造型形態推演與優化訓練階段的重點內容。在傳統的設計教學中，主要依托形狀文法理論與方法進行家族化造型的分析與提取。這一過程中，學生需要采用手動的方式分析大量的圖片來找尋品牌家族化設計規律，可視化程度低且分析方式繁冗。將圖像融合形變技術智能化模塊引入該教學環節，所自動生成的造型變化圖像序列，能夠讓學生直觀地觀察到品牌家族化造型各個時期的整體演變過程，更加直觀準確地把握家族化造型特征。

（二）建立課程設計聯席導師制

課程聯席導師制是在各專業均有跨學科交叉融合教學需求的情況下產生的，與聘任的校外導師不同，課程聯席導師只是作為一種跨學科合作交流教學的形式產生的，不產生相關的教學經費，是各專業教師間的一種互惠溝通方式，既滿足了教學活動的需求，也加強了學科間的交流與溝通，為后續的合作奠定了基礎。

（三）建立課程教學作業三方評價機制

在當前以課程指導教師作為課程作業評判主體人的基礎上，將課程聯席導師意見和學生互評的結果納入最終成績當中，切實弱化單一任課教師的個人主觀評價問題，建立更加公平、公開、學生自身參與度高的新三方評價機制。同時需根據專業課程具體情況合理設置三方評價的權重，使評價機制更加合理準確。

五、課程教學實踐案例分析

圖像形變是計算機圖像形變技術，圖像形變技術最早由紐約理工學院的TomBrigham提出，是采用圖形交叉溶解變形原理，通過將圖像不斷地設置為不同的透明度，在對特征點進行標記的基礎上，把一幅數字圖像以特定的規則變換成另一幅數字圖像，在源圖像A向目標圖像B不斷的融合過程中會自動生成一系列的新圖像，實現圖像與圖像之間關鍵幀的變換，是一種達到特殊視覺效果的有效方法。以課程作業馬自達品牌家族化造型特征分析提取為例，首先選取最有代表性的汽車前臉造型作為研究對象，對目標汽車品牌前臉造型進行時間序列的排序，其次對圖像進行對齊預處理，并對汽車前臉造型特征區域進行分類及目標區域檢測，對外造型、車燈、進氣格柵等進行特征點標定，利用AbrosoftFantaMorph軟件選取關鍵特征點為驅動元素生成形變控制網格（圖2），最后自動生成造型形變演化動畫。由此我們可以看出，馬自達進氣格柵一直保持著扁平的盾牌造型，前大燈呈現更加修長的趨勢，整體造型變得棱角分明。通過這一智能化自動化教學手段，學生能夠更加快速直觀地觀察造型演變過程，準確獲取家族化造型特征，為后續的形態設計提供參考。在最終的作業評判階段，建立課程指導教師、聯席導師、學生互評三方評價機制，通過作業公開答辯的方式使其結果更加公平、公開且學生自身參與度高（圖3）。這一公開的三方評價機制，不但提高了學生對作業的重視程度，也很好地避免了學生對評判結果的質疑，增進了師生情感互信。

六、教學改革的總結與反思

本文所描述的課程教學改革內容及措施，已成功在我專業三年級交通工具設計課程上應用兩年，新的教學內容開拓了學生的設計視野，完善了跨學科知識結構，調動了學生自主學習的積極性。近兩年學生汽車設計課程作業多次獲得國內外設計大獎，教學成果充分驗證了教學改革措施的有效性，能夠為國內工業設計專業汽車設計課程教學內容的跨界融合起到示范性作用，也為工業設計專業新工科建設在具體的課程革新方面提供切實可靠的建設方法。上述教學改革實踐活動，同時也引起教學組對“交通工具設計”課程改革的教學反思，其表現在：1.圖像形變所自動生成的迭代圖像序列，雖然能夠提高設計效率，但其效用更多的是對現有造型數據庫的分析與挖掘，而新造型的創新是本專業教學的核心，應讓學生在掌握新方法的同時始終明確創新才是設計課程的核心；2.以工業設計專業而言，圖像形變算法超出了本專業學生的知識范圍，學生在短期內學習有一定的困難，也成為后續教學內容深化的一個難點，若將其封裝為簡單的軟件則更能發揮效能；3.新工科教學改革雖然打破了學科專業的局限，為教學體系和教學方法帶來了新的思路，但目前只從實踐層面進行了初步的嘗試，從教學管理層面并沒有跨學院的教學考核和評價體系，以至于聯席導師制只能為教師私下行為，并不能納入教學考核范圍內。

作者：宋明亮 李寶軍 張路 劉建軍