基于虚拟仿真实验平台的《宝石琢型设计与加工工艺学》课程的新型教学模式探讨

谢 媛，金若雨，郝 亮，尹作为，薛 玫，陈瑞虎

(中国地质大学珠宝学院，湖北 武汉 430074)

宝石作为首饰的主要材料和设计要素，其琢型设计与加工是首饰制造产业的一个重要分支。《宝石琢型设计及加工工艺学》作为新兴学科“宝石材料及工艺学”和“珠宝首饰设计”专业的主干课程，目前国内具有相关专业的大专院校已陆续开设了该门课程，大多以周汉利教授主编的《宝石琢型设计及加工工艺学》(2007年)以及杨莉、耿玉坤、孔元元的《珠宝专业职业院校教材——宝石琢型设计与加工技术》(2013年)等专业教材作为本课程的理论支撑。将天然宝石材料应用于学生课堂实验教学存在体量大、成本高、不可逆等难题，造成理论支撑与实操实验相互脱节，因此传统的课程教学均以替代材料实操训练为主，以考核学生是否掌握宝石切磨工艺技术为课程目标。基于该背景，建设宝石琢型设计与加工虚拟仿真平台，借助立体式、沉浸性、互动式的虚拟三维宝石琢型加工实操教学场景，解决了诸多传统教学难点，完善了课程内容体系，拓展了实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平，更遵循了中国高等教育虚拟仿真创新教育模式的推进方向。

1 传统《宝石琢型设计及加工工艺学》课程的教学现状

传统《宝石琢型设计及加工工艺学》课程主要面向对宝石学、首饰设计、首饰工艺、珠宝镶嵌有初步认识的学生群体。以中国地质大学(武汉)《宝石切磨工艺》实验课程为例，该学科课程共64学时，其中理论讲授8课时，实践加工操作56课时。理论教学以中国地质大学出版社2007年出版的周汉利教授所著的《宝石琢型设计及加工工艺学》为基础，主要介绍天然宝石的光学特性、琢型设计及琢型加工的理论知识。实践部分主要以琢型加工操作为主，用玻璃和人造立方氧化锆模拟天然宝石进行琢型加工训练。学生通过课程的学习可以掌握相关天然宝石琢型设计的理论知识以及部分琢型加工的实操技能。因课程属于工艺技术门类，需要长时间的反复练习，使用价格昂贵的高档宝石作为教学耗材存在较多成本因素，而使用玻璃和人造立方氧化锆这种价格低廉的实验耗材，学生可以不断进行切磨训练，直至熟练掌握的宝石琢磨操作技巧。

因宝石切磨专业的特殊性，不同种类宝石的宝石学特性、光学效果不同，琢型的设计、加工方式各异，学生需要通过规避天然包裹体、杂质和裂隙、正确定向定位、选择琢型、确定切磨角度及加工工具等一系列操作让宝石最大限度地展现它的美与价值。传统课程使用的廉价替代材料都是较为完美且结构相对均匀结构特征，无法真实模拟天然宝石的光学效果及各种宝石特性，仅能考核学生对切磨工艺的掌握。其次在切磨工艺上，宝石琢磨加工拥有不可逆的专业属性，琢磨刻面环环相扣，刻面之间密切影响，如因操作不当，打磨过度或宝石崩碎、断裂，则非常难以修复，如没有进行多次的实验验证，在短期的教学过程中，学生很难完成相对满意的宝石琢型设计及加工作品。最后，从实验安全的角度，传统实际切磨教学过程中存在一定的安全隐患：例如下料时极其锋利的切割机、高速运转的磨盘、融化火漆所用的酒精灯等。此外，大量切磨机器同时工作时所产生的噪声，以及打磨时所产生的粉末和污水，都会对生态环境及学生的身体健康产生一定的不利影响，需要反复提醒安全事项。

2 虚拟仿真宝石切磨实验平台的建设

“虚拟仿真教学”是虚拟仿真技术在计算机软硬件技术的发展下，逐渐应用在教育领域中所形成一种新的教学模式，即利用实物或计算机创设相应的虚拟环境或工具，并模拟真实事例进行操作、验证、设计、运行等实践的教学方式。《宝石琢型设计及加工工艺》课程需建立虚拟仿真实验室，进行教学模式改革，其主要目的是将基本理论知识教学、虚拟仿真平台实验教学、实验室实操训练教学三者相结合，构建逼真的实验环境、实验对象和实验内容，梳理高校传统的教学模式及实体实验教学内容和存在的问题，优化包含专业基本原理、基本方法与基本技能的综合设计性实验项目，弥补传统实践教学中材料和时间成本的缺失，更好地服务于宝石及材料工艺学和首饰设计两个专业。在虚拟仿真技术的支持下，模拟真实的加工设计链，让学生在虚拟环境中进行自主实验探索，其操作性及适用性更好的补充了传统手工操作的理论教学，对生涩难以讲授的知识进行了直观讲解，改变了传统教学模式下以老师为中心、学生被动学习知识的形式，提高了学生主动观察、研究和解决问题的能力，同时对预期成品的效果可以做一个仿真模式，更有目标性，从而使教学效果显著提升，实现实验教学体系与教学内容的重构与创新。

3 基于虚拟仿真实验平台的新型教学模式改革及应用

3.1 虚拟仿真平台主体结构

《宝石琢型设计及加工工艺》虚拟仿真实验平台以http://www.ilab-x.com为统一站点，网页界面操作方式，软件首页支持学生、课程教师、系统管理员使用不同的身份登录软件(图1)；同时能够和学校目前已经采购的校级开放式虚拟仿真实验教学管理平台进行无缝集成，保证用户能够随时随地的通过浏览器访问该项目，并通过平台提供的面向用户的智能指导、自动批改服务功能，尽可能帮助用户实现自主的实验，加强实验项目的开放服务能力，提升开放服务效果。

平台系统包含三大模块(图2)：理论学习(宝石琢型设计原理)、实验操作(宝石琢型设计与切磨实验)、宝石展示(宝石镶嵌与首饰设计)。以宝石及宝石材料工艺学基础知识作为理论支撑，提供专业GemCad琢型设计软件，配备互动式、仿真式、沉浸式的实验操作，建立三大标本数据库：宝石原石标本库，琢型设计数据库，宝石设计资料库，结合学科课程需求、功能、技术的基础上实现了虚拟实验教学的可行性，总体框架见图3。

图1 虚拟平台登录首页界面Fig.1 The login homepage interface of the virtual platform

图2 虚拟平台主界面Fig.2 The main interface of the virtual platform

图3 平台总体内容框架Fig.3 The overall content framework of the platform

3.2 虚拟仿真实验主体内容

3.2.1 琢型设计软件的引入

GemCad是一种精确、高效的刻面宝石琢型设计的计算机辅助设计软件，具有强大的琢型造型功能和优质的光学效果分析功能，能够直接输出琢型数据与Rhino、Matrix、3Desigh等软件相结合并创建宝石琢型3D模型，展示设计模型效果，减少材料损耗，提高效率。因此为弥补传统实验课程中琢型设计模块的缺失，实现琢型设计至加工一体化的教学效果，平台将GemCad软件应用于虚拟实验的操作中，学生可以通过GemCad软件设计进行原有琢型的数据验证，也可以进行琢型创新设计，增加宝石琢型款式的多样性和创新性，有效满足市场对新刻面琢型和异形琢型款式日渐增多的需求。

3.2.2 平台数据库的建设

本实验虚拟平台在三大学习模块的基础上建立了宝石原石标本库、琢型设计数据库、宝石设计资料库，更全面综合了宝石与宝石学基础加工及设计的知识面，完善了课程知识体系，实现信息资源共享。

针对传统以人造材料替代宝石进行加工实践中存在的材料差异导致的后期效果把握不足，仿真模拟平台需要建设宝石原始标本库。学生在进行宝石琢型设计前需掌握宝石晶体的基本特性，并结合宝石的多色性、包裹体定向排列、解理、色带等因素，选择最合适的琢型形态，突出火彩，保证折光率，将原石的利用率、价值及美观性最大化。为模拟并还原真实的实验环境，通过三维扫描及三维建模的方式创建市场上常见的彩色宝石品种以及代表晶形的天然原石标本模型库，模拟真实的光学效果及切割环境，以此展开虚拟实验(图4和图5)。模型库为可持续开放系统，可不断补充模型资料，帮助学生更有效、直观的了解原石特性，从而进行琢型设计理论分析。

图4 选择原石标本界面Fig.4 Interface of selecting original stone specimen

图5 下料设计界面Fig.5 Blanking design interface

琢型设计数据库是根据八角手、机械手两种不同宝石加工方法而创建的针对常见彩色宝石(电气石、红宝石、蓝宝石、海蓝宝、祖母绿、石榴石、水晶、托帕石)的六种不同琢型(圆形明亮型、椭圆型、心型、马眼型、祖母绿琢型、水滴型)的切磨数据库。此数据库的建立是根据GemCad琢型设计软件、实操实验、商业市场三方面共同验证整合积累统计而得，目前平台已经建有96套完整的切磨数据库,可以通过不断的实验研究，扩大体量，充实琢型数据样本，为宝石切磨行业发展提供坚实的理论基础。

宝石设计资料库以陈列的形式展示了宝石各种琢型的不同镶嵌方式和丰富的首饰形式，旨在帮助学生开拓艺术眼界，丰富设计思维，让学生理解宝石琢型设计及加工的价值和意义。宝石原石刚开采出来，灰暗如碎石，毫无光泽，在经过琢型设计、分割切磨、琢磨雕刻等复杂工序后，就会绽放出应有的光泽，而让宝石体现出应有的价值则需要经过专业化、艺术化的设计，赋予首饰内涵及灵魂，从而更有效地与商业市场对接(图6)。

图6 宝石设计资料库图示Fig.6 Gemstone design database diagram

图7 实验操作场景Fig.7 Experimental operation scenario

3.2.3 虚拟宝石切磨实操过程

《宝石琢型设计与工艺基础》仿真实验方案设计模拟真实的宝石产业加工设计链。实验场景、实验设备、实验环境均以真实的教学场景和行业内应用场景为参考，在结构和细节上完全还原真实效果(图7)。学生在进入虚拟仿真平台实验模块后依次完成原石设计下料、琢型设计及加工、宝石镶嵌设计三大实验模块，每个模块根据专业知识点进行细分。例如在琢型设计及加工模块中打磨其中一个琢型刻面需要操作的动画步骤从输入角度及孔位、安装打磨盘、调整高度、打磨动作到观察宝石打磨效果动画后，才可进入下一刻面打磨操作(如图8)。整个实验过程环环相扣，知识点细分后面面俱到，互动效果生动有趣，为实操课程打好坚实的理论基础。

图8 单一刻面打磨过程图示Fig.8 Diagram of single facet polishing process

3.3 虚拟仿真实验教学效果

3.3.1 引入项目教学法

项目教学法源于德国职业技术教育模式，是以学生为主体，教师为指导，以项目研究为中心，以培养学生职业综合能力为目标的教学活动。教学内容注重理论联系实践、强调教学与企业生产接轨，变知识的储备为知识的实际应用，让学生在完成项目的同时，完成课程内容的教学。《宝石琢型设计和加工工艺》课程中虚拟仿真实验采用项目教学法，以原石经由定向设计、粗坯打磨、刻面琢磨、琢型成型、镶嵌、提交实验报告为一套完整的实验项目组，每位学生需要完整至少2套原石的切磨项目流程实操练习。与传统宝石加工教学相比，这种基于项目的虚拟仿真实验教学是以学生自主学习为中心的教学模式，学生在参与虚拟实验的过程中锻炼了“提出问题、分析问题、解决问题”的全套项目设计能力。并且，虚拟仿真实验对进入线下实验室开展实操训练的有利支撑和必要补充。通过完成个性化的虚拟实验项目，学生掌握了宝石琢型设计的原理和方法，熟悉了宝石加工流程和实验安全规则，学生更容易掌握和理解线下替代材料的宝石切磨实验。

3.3.2 课程考核方式改革

整个学习过程具有很强的开放性，琢型设计的教学重视启发和思考方法的训练，培养学生针对不同宝石进行琢型设计和主动解决问题并完成自己设定的切磨方案的能力。此过程中有很多变项会对成果产生影响，所以针对琢型设计及加工工艺的教学评价应是个复杂的系统。教学评价不应只成为教学结束后评判学生是否达到教学目标的工具，它应该是协助学生培养自我修正能力的途径。因此需要在课程的考核中创新虚拟实验的评价体系，改变单一的教学评价，结合多种因素和实验过程进行多元化的教学评估，从而提高虚拟实验教学的评价效力和真实性。

宝石切磨虚拟仿真平台采用定性和定量、客观和主观柔性结合的评价方式：(1)需要学生严格按照规范实施的实验步骤(如下料的定向操作、宝石刻面加工的角度输入等)按照“对错”方式计分；(2)系统对学生的错误操作发出反馈，提示错误原因，引导学生反思，做出修正；(3)系统给予“优劣”程度评价的实验操作(如原石下料利用率和保重情况)以百分比描述设计情况(表1)，并分 A、B、C 三个等级，得分以等级折算；(4)项目最后的首饰设计作品为定性评价，教师根据学生提交的效果图，给出文字评价和等级，得分以等级折算，最后生成完整的实验报告。

表1 考核评价标准

这种综合评价体系能够真实、全面反应学生的实验绩效，变传统的“结果性评价”为“过程性评价”，变“单一的专业技能评价”为“综合的个性化素质评价”。在多元化评价方式的杠杆作用下,激发学生的创造力和探索精神，让学生逐步形成自主学习的能力，从而达到包括专业技能在内的综合能力的培养和提升。

3.3.3 线上线下混合式实验教学

虚拟仿真平台的建设，优化了传统实验教学模式，目前本课程的教授模式由线下实训操作和线上虚拟仿真实验两种方式组合而成。虚拟仿真实验教学可以作为线下实操训练的基石，可以巩固和强化技能训练中对所学操作和理论知识，补充实验因成本限制和安全隐患等问题造成的局限性。线上教学符合当代教育发展趋势，线上的虚拟仿真实验学习高效、便利，线下实操训练真实、生动，两者相辅相成。在实际专业课程教学中实现了理论教学、虚拟实验、实体实验的一体化教学，共同优化了宝石琢型加工工艺学的实验教学内容和体系。

4 结语

目前虚拟仿真技术已经在很多学科领域有着广泛的应用，作为虚拟仿真的教学形式也已大量应用于我国的高校教育教学中，但针对宝石切磨领域、乃至珠宝首饰领域的实践技能教学的相关研究和应用较少。本项目的实施为各高校开展宝石琢型设计切磨课程提供了改革途径和技术开发支持，有一定借鉴和推广意义。随着虚拟现实、人工智能、大数据、计算机互联网的发展，虚拟仿真教学模式也将在宝石加工工艺学教学中发挥越来越重要的作用。