设计模型虚拟仿真综合研究

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摘要：新的时代背景下，线上教学的方式已经常态化、普及化，虚拟仿真平台教学改革不断探索“线上虚拟+线下实践”的教学方式，为高等教育设计类专业教学提供了发展契机。设计模型虚拟仿真综合研究平台的建设可以突破设计类专业科研“不深、不广、不精”的瓶颈，有助于教师通过数字化平台虚拟实现现实科研，同时在实践中不断完善专业知识，更好地为课堂教学服务。

关键词：设计模型；虚拟仿真；实验创新

近年来，在文化产业和设计创新领域，我国不断加强数字化产业对文化的内容支撑、创意和设计提升。部分高校对于设计研究不断深入，对成果产出的要求不断提高，但存在设计创新研究条件不足的情况。设计模型是设计研究的基础，河南科技大学艺术与设计学院（以下简称学院）近8成的专业都需要设计模型的研究支撑。

一、设计专业实验平台现状

学院现有工业设计创意坊、包装工作室、数字媒体工作室、摄影室、模型制作室、用户体验与认知科学实验室、定格动画实验室、计算机辅助设计实验室，其主要功能是帮助学院环境设计、工业设计、包装设计、动画设计等本科专业的学生完成实验、实训任务，为研究生提供查询文献资料等的平台。目前，各个专业线下设计模型研究存在占用空间大、实验效率低、耗材费用高、效果不符合预期等问题，这在一定程度上影响了设计科研的开展和对学生创新能力的培养。设计类专业模型中的实体模型存在制作周期长、不够精良、设计效果不佳等问题，而设计模型中的软件模型存在现实还原度不高、实际运用功能不足等问题。这些问题已经制约了学院设计模型创新相关研究的深化和完善，需要学院优化研究条件（硬件和软件）。如，实体制作的设计模型难以精准还原室内灯光的设计，由于灯光设计可变性较强，在建筑模型制作中仅仅能模拟出亮灯效果，但空间中光的强弱、色温变化、功能选择、灯具选择都难以进行调节与制作。目前的装饰材料研究方向只能通过软件效果图展现设计的材质，动态化的材质对比和交互都难以从静态图纸中表现出来，而且效果图只能呈现设计的最终效果，并不能作为研究型图纸。以上是实体模型和图纸3D模型在不同专业方向中出现的难点、痛点。

二、设计模型虚拟仿真综合研究平台建设思路

设计模型虚拟仿真综合研究平台的建设思路为“一体两面，专业共享，产学研结合”。“一体”是指打造智慧引领的虚拟仿真综合科研平台。“两面”是指一方面建设包含理论知识构架基础、专业技能实践并与企业平台相结合的虚拟仿真基础实训子平台；另一方面建设具体的包含空间光环境推演模拟研究、人机交互设计研究、设计材料应用研究等的设计模型创新研究平台。“专业共享”是指在“一体两面”的基础上，学院环境设计、工业设计、包装设计、产品设计、视觉传达5个专业的多个设计领域和研究方向。如，容器造型、陈设造型、雕塑造型、舞美设计、装饰材料、人机交互、灯光设计等专业研究方向均可共享设计模型虚拟仿真综合研究平台。设计模型是设计研究的实践根基，虚拟仿真实践平台在教学中可以应用在不同专业、不同实验等方面，形成具有交互效能、多维化的线上信息环境。“产学研结合”整体建设以产学研结合理念为核心，一方面服务于教师的科学研究，教师可以借助平台开展设计创新应用研究；另一方面是设计相关专业学生学习的平台，学生可以借助平台进行相关专业知识的虚拟学习和实践锻炼。多元化开放式管理平台、VR（虚拟现实）资源、交互式快速开发平台、硬件环境升级后，可以给学生带来全新的沉浸式体验，为学生提供“线上+线下”“虚拟+现实”的综合性实训一体的现代化、信息化的教学实验场所[1]。

三、设计模型虚拟仿真综合研究平台教学研究

1.建设教研相长的综合一体化平台设计模型虚拟仿真综合研究平台是一个综合性的设计平台，针对学院环境设计、工业设计、产品设计、包装设计等专业而开展虚拟互动教学科研与教学一体化设计。构建设计模型研究、设计模型制作、设计模型创新、设计模型市场四大体系，特别是对实体模型和软件模型难以做到的参数化光环境实验、材质材料实验和五感模拟实验，师生可以通过红外触摸一体机、VR仿真场景还原，在实验室进行各个专业设计模型的交互式虚拟推演实验、实时可视化交互实验，提升设计创新能力[2]。教学过程中，以设计模型虚拟仿真综合研究平台为依托，合理设置现代信息环境下设计专业模块化教学结构，促进师资力量边界模糊化、资源共享化、实验一体化。教师应根据设备和技术的进步做出相应的调整，使设计模型虚拟仿真综合研究平台呈现动态、开放的形态。教师根据问卷调查和平台使用反馈不断地调整与更新平台，在使学生具备扎实的专业理论知识与艺术素养的同时，在设计模型实验环节提升学生的设计技能与创新能力。同时，学生可以自主选择设计类专业选修课以拓宽知识面，实现多元化发展。2.建立“一平台、三模块”的虚拟仿真综合研究平台依托学院现有实验资源，建设“一平台、三模块”。“一平台”即设计模型虚拟仿真综合研究平台；“三模块”包括专业虚拟仿真推演模块、实时可视化交互模块、多方共建深度合作模块。设计模型虚拟仿真综合研究平台体系如图1所示。专业虚拟仿真推演模块（以光环境内容为例）：该模块涵盖工业设计模型光运用、产品设计中灯具光实验、室外环境设计夜间光模拟、室内空间人工光模拟、舞台灯光模拟设计。实验中，通过红外触摸一体机构建体验硬件环境，运用MARS虚拟现实模拟引擎平台，结合Unity3D等软件，完成现实中难以完成的设计的推演[3]。同时，学生在掌握基础理论知识后，只需要具备三维软件应用基础，就可直接在平台上进行实践操作。专业虚拟仿真推演模块的营建重心是设计过程中的推演与研究，更注重不同环节与选择的对比设计。目前，环境空间灯光设计虚拟仿真平台已初具规模，环境灯光设计虚拟仿真实验属于专业虚拟仿真推演模块，在这个实验中，学生根据不同功能进行变换的灯光环境交互，可根据自己的直观感受选择灯光的色温与亮度。这些交互操作均属于推演研究阶段。环境空间灯光设计虚拟仿真实验平台界面如图2所示。实时可视化交互模块：实验室内，通过大屏幕投影显示技术构建仿真体验的硬件环境，以虚拟仿真技术和实景视频技术为主导，把应用场景直接搬进课堂，如室内设计中的室内空间场景，使学生获得身临其境般的体验。这样可以使学生真实感知到不同设计尺度直接的差异，在虚拟空间中，通过五感差异化体验，感知不同空间的大小、虚实、氛围等，并通过A.R.T交互系统与场景进行人机交互，完善可视化的教学实验研究。多方共建深度合作模块：高校要开展交互、连通的虚拟仿真实验。在实际建设过程中，高校需要进行虚拟仿真实验顶层设计，校企联合搭建实验平台，企业提供成熟的虚拟仿真软件平台搭建技术和实践经验。图1如，设计模型虚拟仿真实验中，企业提供成熟的“平台（VRP等虚拟仿真引擎）+内容（丰富素材资源库）+终端（AR台、全息台、CAVE、头盔等）+应用（深入行业）”，学校通过平台开展研究，将在平台应用过程中的技术问题和设计构建不足之处反馈给企业[4]。双方通力合作，以专业共建、师资培训、实验室共建共管、专利技术开发、高精尖技术合作研究等校企合作方式，建设虚拟仿真实验室。

四、“突出优势+形成集群”的教学改革方向

1.强化设计专业学科优势，逐步形成科研特色我国曾提出过教学信息化的方向，教育部还专门针对虚拟仿真实验室的特性、环节、适用学科方向进行了深入细致的研究。虽然高等院校设计类专业学生虽然开展了有关专业的理论学习和社会实践，但部分学生对于设计研究不够重视，认为设计研究脱离市场，不够与时俱进。实际上，设计研究不仅可以拓展设计的广度，而且可以拓展设计的深度。设计研究往往难以脱离设计实验，设计模型虚拟仿真综合研究平台是利用虚拟现实技术打造的集专业课程实验实践、教学研究、教学资源、科研、国际范围内设计类竞赛于一体的多媒体实验平台。设计行业朝着“精细+智能+底蕴”的方向发展，设计品质更为精细，以人为本，更加智能。文化底蕴是设计的灵魂。高校设计类专业要紧跟设计行业的发展，不断强化自身作为研究类学科的优势，形成以设计模型带动设计研究的一体化平台。2.打造设计相关专业共享平台，形成优势专业集群设计模型虚拟仿真平台项目可以支持学院现有的环境设计、工业设计、包装设计、产品设计4个本科专业，容器造型、艺术雕塑造型、陈设艺术造型3个专业领域，机械（工业设计工程）和艺术硕士2个专业硕士学位，使现有专业、学科向专业集群化发展，针对每个专业的设计模型发展重心整合专业优势和资源。环境设计专业模型着重研究室内与室外空间营造，工业设计模型注重外观和使用功能设计，陈设艺术模型则偏向造型和艺术化。近年来，学院注重研究平台建设，平台建设是落实学院科研发展思路的具体路径，将通过智慧引领，推动各专业人才培养模式与课程体系变革，引领学院专业改革，提高人才培养质量。设计模型虚拟仿真综合研究平台运用如图3所示。

结语

河南科技大学艺术与设计学院以美育为己任，努力实现创新发展。当前，国家对设计人才的需要不断加大，设计模型虚拟仿真综合研究平台建设贯彻落实相关部门的决策部署，实施文化产业数字化战略，同时积极应对近年来艺术设计的数字化传播大量出现的情况[5]。此项目运用数据驱动思维进行实时预演和设计测评，有效结合基础人工交互智能技术与艺术设计研究，将有效解决新时代背景下产生的物理联络障碍，利用数字平台的优势，通过加强与高校、艺术机构的合作，进一步实现对专业性人才的培养。基金项目：该文系2021年河南科技大学虚拟仿真实验项目A级校级立项（环境空间灯光设计虚拟仿真实验）；2021年度河南省高等教育教学改革研究与实践项目立项，项目编号：2021BK185。

参考文献：

[1]冯建平，王军.基于增强现实的交互式视觉环境学习场景设计研究[J].无线互联科技，2018，15（8）：74-75.

[2]廖美华.基于虚拟现实技术的环境艺术设计发展[J].美术教育研究，2017（17）：84.

[3]彭鑫.基于虚拟现实技术在景观设计中的应用[J].美与时代（城市版），2017（8）：66-67.

[4]岑伟富，杨吟野.基于虚拟现实技术的创新创业教学探究[J].课程教育研究，2016（29）：13.

[5]陈罡.基于虚拟现实技术的室内设计创新及应用[J].科学技术与工程，2019，19（17）：229-233.

作者：杨晓帆 廖亮 魏梦瑶