虚拟现实技术在产品设计专业课程教学中的应用

 　　摘要：随着智慧教育理念的提出，智慧教学环境对传统的教学方式带来较大的影响，其中虚拟现实技术作为智慧型教学技术的手段之一，其应用也逐渐在高校产品设计专业课程上展现出优势。文章首先分析了当前产品设计专业课程传统教学的局限性，并结合虚拟现实技术的特点对该技术如何合理应用于产品设计专业教学提出了一套行之有效的方法，优化当前学习模式以达到精细化教学，从而提高教学质量。然后通过产品结构设计实验教学为案例来验证其可行性，通过对虚拟现实技术在产品设计中的教学设计，探索与完善智慧型教学在产品设计专业中的应用理论。以期为产品设计专业课程教学提供一定参考。

　　关键词：虚拟现实技术;产品设计专业;教学;应用

　　中图分类号：G64 文献标识码：A

　　文章编码：1672-7053(2021)11-0043-03

　　《现代信息科技》杂志，于2017年经国家新闻出版总署批准正式创刊，CN:44-1736/TN，本刊在国内外有广泛的覆盖面，题材新颖，信息量大、时效性强的特点，其中主要栏目有：计算机科学、信息安全、互联网等。

　　产品设计学科是一门实践性较强的应用型学科，其设计理论能指导设计实践，在设计教学活动中设计实践能直接反映学生对设计理论的掌握程度，在教学活动中运用虚拟现实技术能丰富教学手段，也能让学生充分地发挥创作灵感，提升课堂教学质量。因此，在产品设计专业中应用虚拟现实技术进行教学是一个发展趋势。

　　1虚拟现实技术概述

　　虚拟现实技术(VirtualReality)简称为VR，是20世纪发展起来的包合计算机、仿真技术、电子技术为基础的实用技术。虚拟现实技术主要是使用计算机对现实场景进行建模渲染来模拟虚拟人工环境(例如户外运动场、室内实验室等)，通过头戴式显示器以及手柄或手套在虚拟环境中对虚拟对象进行交互操作，操作过程中虚拟环境中的感官体验通过传感器再反馈给用户，进而模拟用户在真实场景中的感受。该技术具有关键的四个特征。

　　1.1虚拟现实技术的特征

　　沉浸体验(Immersive experience)。沉浸体验是虚拟现实技术一个重要的技术特征，用户通过頭戴式显示器环绕虚拟环境产生身临其境的体验。

　　交互体验(Interactive experience)。交互体验是虚拟现实技术一个关键的技术特征，当用户处于虚拟环境中，除了视觉感知以外还有一个重要感知就是触觉感知，虚拟环境能够模拟现实世界对虚拟环境进行自然交互，通过触感手套或者手柄反馈用户触觉感知，让用户达到更佳的体验。

　　多感知体验(Multi perception experience)。多感知体验是为了加强虚拟现实世界的真实模拟状态，通过软件与硬件结合让用户在虚拟世界感受除了视觉以外的其他五感。

　　想象体验(Imaginative experience)。虚拟环境中用户可以通过VR软件进行任何形式的创作，创造出世界不存在的各种元素发散思维，激发用户的想象力与创造力。

　　1.2虚拟现实技术的分类

　　目前的虚拟现实也主要分为四类：第一类是桌面应用型，用户通过电脑屏幕来观察计算机模拟真实场景进行操作;第二类是沉浸式类型，用户通过头戴显示器360度环绕观察虚拟环境并操作虚拟对象;第三类是增强现实型，通过虚拟对象与现实世界的无缝结合让用户体验变得更加真实;第四类是分布式虚拟现实型，结合互联网、5G人工智能技术，能够实现多人远程在同一虚拟空间中进行操作，提升协同工作的效率。

　　2产品设计专业课程教学的存在问题分析

　　2.1教学设施陈旧导致案例教学互动差

　　产品设计专业是一个实践性较强的学科，在包豪斯教学初期采用的是双轨制教学，这种艺术技术结合的教学思路一直沿用至今。目前大部分高校设计理论授课方式主要还是通过多媒体加视频的方式进行。教学设施的陈旧导致在互动方面传统的方式很难调动学生的积极性。在案例教学设计上，也局限于传统案例。未能利用虚拟现实技术的3D实体模型进行教学演示和实际操作分析，为此很难有较大的突破，而实践教学也受环境场地的影响，对学生创意激发形成限制。

　　2.2教学演示受限导致知识点的吸收差

　　产品实验教学是实践教学中的一部分，主要是考核学生对于产品模型制作能力、产品材料与加工工艺知识的应用能力，其中产品材料与加工实验教学主要是通过教学视频与ppt让学生了解其过程，未能用虚拟现实技术的模型制作和演示进行360°全方位动画演示。在实验过程中也少有让学生进行操作，通常在有实验员的监护下谨慎进行，主要原因在于实验设备操作难度系数较大，机器价格与维护成本高昂。因此，教学演示受限，导致学生对相应知识点的吸收较差。

　　2.3专题课程不能做到教学及时反馈

　　在设计课程中专题课程往往会采取企业与学校协同教学，通过校企协同的方式让学生真题实做，但教学环节没有进行渗透虚拟现实的一些匹配性技术，未能对相关虚拟现实软件进行教学设置，而最后对于设计的指导工作需要企业派出技术员进行指导，让学生们更好地完成设计作品，但校企协同中企业往往受限于地点远近问题而不能及时进行指导。

　　2.4方案评审形式以效果图居多

　　在高校设计实践过程中大多是对设计理念的一种应用探索，因此设计方案停留在效果图展示阶段居多，而实物制作评审较少。主要原因在于实物制作费用高、耗时长，需要有更加接近实际体验的评审形式来接近最终的实物效果，导致教学实践设计上未能达成与虚拟现实技术的虚拟方案与实物成果的展示。

　　3虚拟现实技术在产品设计专业课程教学中的应用原则

　　随着智慧教育概念的提出，各高校围绕智慧校园建设方面在教育软件硬件方面不断投入，部分高校都已经开始建设与自身学科相关的虚拟仿真实验室。然而，对于产品设计专业虚拟仿真实验室从建立到完善用于教学还需要很长一段路要走，目前产品虚拟仿真实验室多数用于对于研究生阶段的科研实验，将虚拟现实技术用于本科教学还存在一定难度，究其原因主要体现在两个方面：其一，课程内容设计陈旧不能很好的与现有技术进行匹配;其二，由于技术本身仅提供用户的体验条件，而本身的资源则需要设计者自身开发用于满足课堂内容的需求，目前虚拟现实相关的课程资源匮乏，不能很好地满足需求。针对目前存在问题可以通过虚拟现实技术在课程中的应用原则、虚拟现实技术在课程设计中的应用方向，以及课程开发思路展开应用研究。

　　3.1匹配性原则

　　课程教学内容与技术特点需相匹配，产品设计专业定位于培养适应市场经济发展需求，具有创新意识、团队意识、设计思维、工匠精神的复合型人才。将虚拟现实技术应用于教学对于专业培养有着正向积极的作用，由于专业课程培养目标不同，其对应的课程设计也有所不同。因此，设计教学中应用虚拟现实技术需要考虑其技术特性与课程需求的匹配度问题，在合适的阶段应用虚拟现实技术手段进行教学才达到最佳的使用效果。

　　以设计专业基础课三大构成为例，课程教学目标是通过课程学习提高学生的空间想象力与创造力，为以后的设计专题课程打下基础，其中能力培养主要是通过课程训练让学生掌握构成的基本理论，传统的训练方式在创作上存在一定的局限性，学生的创意想法需要通过手绘等各种技能才能转化表达，具有一定延迟性。而虚拟现实技术能让学生们更加自由的进行创作，创作的形式不拘泥于现实材料的选择、场地的限制。例如，国外藝术家Rachel Rossin通过作品《Lossy》展示古老油画技术与虚拟现实技术的融合，来说明现实和虚幻两者彼此融合的新形式(如图1)。再比如《产品形态设计》课程主要是培养学生形态创新能力，通过对自然形态的提炼重新创造出新的形态，提升学生形态设计的创新能力。

　　3.2交互性原则

　　虚拟现实其核心在于沉浸式体验，除了目前已有的三维软件与VR配合进行设计创作外，还需要自行设计与开发相关的教学资源，这类教学资源在设计上需要在虚拟空间中与用户形成良好的交互，比如用户的头部追踪必须保证用户在虚拟空间中避免眩晕且“以用户为中心”进行操作;虚拟环境中音效的设计、声源的位置以及声源的触发机制合理：环境中的视觉美感塑造，其中GUI(Graphical User Interface)人机交互图形化界面就显得非常关键，当用户对虚拟对象进行操作时生成的各种动态化指引，往往更能引人注目。如图2的汽车虚拟装配展示，虚拟环境真实感强，用户通过手柄对汽车零件进行超现实状态的爆炸展开，带来了极佳的视觉体验。

　　3.3引导性原则

　　教学中通过课程设计适时引导学生专注课堂启发思维有着重要作用，而通过虚拟现实技术在虚拟环境中进行教学指导能适时引导，虚拟环境不同于传统的课件讲授，学生在虚拟空间中其自主性更强，很容易偏离教学目标而沉浸在自己的世界中。因此，在虚拟环境中可以添加一些虚拟交互机制提升学生在课程中的专注度。

　　如图3《鞋子形态设计》整个鞋子的形态通过虚拟设备在三维软件中进行形态设计，确定好各种形态方案后，通过3D打印技术制作实物进行对比。这些VR软件设置各种创造空间曲线形体等工具满足用户的创作需求，虽然在建模原理上与传统无异，但通过虚拟显示设备与软件结合，可以引导用户进行下一步的工作，如同在真实世界中随意操作虚拟对象塑造各种形态，相比较传统的手绘到建模，实物雕塑则更加方便。

　　4虚拟现实技术在产品设计专业课程教学中的应用实践

　　通过虚拟仿真实验室的建立，利用现有的Vive虚拟现实设备以及虚拟仿真软件，通过Unity3d引擎建立虚拟教学课程资源，通过课程实践对技术应用可行性进行验证，同时根据教与学的评价对课程优化提出改进建议。

　　4.1结构与加工工艺虚拟教学

　　结构设计需要对常见结构形式有一定的了解，同时需要对不同的材料加工工艺较为熟悉，通过掌握结构的基本类型判断结构的合理性，这也是进行结构设计的依据。在虚拟环境中，操作手柄通过虚拟头戴显示器在环境中对常见结构进行展开，并分析其应用条件。如图4的铰链结构，其通过对常见铰链结构类型的360°全方位展示，观察这一类结构产品的各种形式以及应用场景。在结构设计中常用配件可以直接在虚拟环境中打开其信息界面跳入到配件购买的商城平台。如图5的商城铰链信息，这种信息展示以及结构设计衔接顺畅，从教与学以及设计过程实现系统化管理，让整个过程变得更为高效。而产品的加工工艺需要对生产设备有一定的了解，在使用虚拟现实设备对现实加工工艺进行模拟时，可以进行提前演练，避免后期实验产生误操作。比如玻璃吹制工艺，吹制技术利用玻璃高温具有可塑性，通过吹起对其形态进行改变，原理虽然简单但是实操难度却不小，而在实验教学中，可以通过虚拟仿真技术让学生对吹制技术实行虚拟操作来了解整个过程，同时也可以通过图文信息窗口展示工艺特性。

　　4.2结构设计与装配验证

　　结构设计有外壳壳体结构与内部结构两部分内容，其中壳体结构根据内部功能基本布局对壳体结构进行设计。因此，壳体结构在保证外观造型美观的情况下，还需要符合内部构造的需要，在虚拟现实环境中，可以将内部布局完成形成一个组件，在外部进行壳体包裹并设计多种壳体形态，如图6的VR造型设计，通过Alias的VR曲面设计部分可以更迅速地完成壳体形态推敲，满足外观与内部需求的情况下制作产品壳体结构。装配验证的目的是让产品功能合理且实现量产，在结构设计中通常需要验证部件之间的运动情况以及干涉情况。因此，在虚拟环境中检查干涉情况与内部空间布局优势更为明显(如图7)。

　　4.3课程评价与优化方案

　　在教学环节中通过VR软件配合手柄展示产品结构，能与学生进行互动。在虚拟环境中不同操作者可以针对同一个对象进行观察，同时对于一些需要动态展示的环节可以通过环境的放大缩小观察任意位置，能容易理解部分复杂产品的结构原理。同时对于工艺加工材料属性等方面的讲解，更加贴合实际且有虚拟操作环节，让学生更易理解记忆并灵活运用。在结构设计环节，部分软件已经集成了VR设计模块，学生利用此模块在结构设计方面相比传统的方式更加灵活自由，结构设计也不在局限于技能学习，操作也更加人性化。在软件中完成设计与装配并最终制作实物验证，3D打印装配结构模型，如图8所示。

　　根据结构课程的应用评价如表1课程评价表可以看出VR虚拟现实与课程结合受欢迎程度较高，这种新形势不仅能激发学生的学习兴趣，在学习方式上也具有较强的扩展性。

　　5结语

　　随着智慧教育理念的提出，虚拟现实技术在高校设计教学中的应用是智慧型教学发展的必然趋势，通过虚拟现实技术能更好的将“以教师为中心”的教学模式改变成为“以学习者为中心”的学习模式。在技术支持下优化学习工具，创造沉浸式学习环境，提供更加灵活的学习方法，这对培养符合时代要求的创新型与技能型复合人才发挥着重要作用。

《虚拟现实技术在产品设计专业课程教学中的应用》

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