面向产品设计专业的结构设计课程改革探索*

袁雷池 姜 欣 赵军静

（武汉工程大学,湖北武汉 430000）

一、引言

产品设计专业培养要求是通过学习产品设计的基础理论与专业知识，培养具有应用设计原理和方法解决各种设计问题，合理协调产品设计与社会生态、用户、市场、功能、色彩、结构、材料、工艺等的相互关系，并将这些关系综合地表现在产品及服务设计上的基本能力的学生。从培养要求可以看到结构在产品设计教学中的重要性，所以产品设计专业开设了结构设计课程，然而产品设计专业的学生在做设计时，仍因忽略产品的内部结构与生产工艺，造成设计的产品过于概念化，脱离生产实际，可行性低。为了让学生掌握结构设计知识，培养其主动性与创造性，课程组对结构设计课程的教学内容、教学方法和教学手段等方面进行了改革探索。

二、结构设计课程教学中存在的主要问题

（一）产品设计专业的结构设计课程开设时间短，课程设置参考了机械设计专业，课程内容过于工科化，这对于艺术类出身的产品设计专业学生来说难度很大。因其数理知识较弱，逻辑思维能力较差，所以结构设计课堂中常常出现听不懂、跟不上等理解困难的现象。

（二）哈佛大学的马祖尔教授意识到了以教为主的弊端,提出了同伴教学的概念。国内外很多学者在教学方法方面做了很多研究,提出了很多以学为主的学习模式,比如翻转课堂模式、探究式学习模式、研究为导向的学习模式等。而结构设计课程仍处于传统的“知识讲授主导课堂”的教学模式下，教学模式单一，学生被动地学习，缺乏积极性与主动性。有些知识点即使在课堂上多次强调,学生仍然难以理解，掌握的程度达不到教学目标。

（三）当今高校新工科和OBE教学改革的一个重要方面是要改变传统课堂教学中的填鸭式教学模式，提高学生实践动手能力。而结构设计课程教学重理论轻实践，实践教学内容严重不足，急需增加。

三、教学改革探索与实践

为解决在满足结构设计理论教学的同时提高学生实践能力这一教改难题，结构设计课程组调整了课程结构与内容，扩展了计算机辅助结构设计、VR结构设计产品拆装与3D打印模型制作等实验，大幅度增加了课程的实践动手的时间，让学生通过大量实践验证相关理论知识。为提高课堂教学效率，课程组探索了新的课程教学方式，把部分课程内容移至线上授课，线上开放课件、教学视频、实验流程等资源，采用了线上线下混合式的教学模式。具体实施如下。

（一）结构设计课程内容介绍

本课程是产品设计专业的必须课，课程主要包含两大部分：结构设计理论知识与产品结构设计案例实验教学。理论知识主要讲述产品结构设计概述、产品结构设计的材料、金属铸造与冲压工艺、注塑工艺与塑料件结构设计等。实验部分教学主要是通过计算机辅助结构设计、VR虚拟拆装研究、3D打印结构设计实现等实验完成一款简单生活用品，使学生认识从产品设计到结构设计、再到VR虚拟拆装结构设计产品、最后到实物模型验证结构设计的完整过程，加深其对结构设计知识理解。

从时间安排上分为三个部分：a课程前，课程组开放结构设计线上课程的课件，让学生提前了解课程结构，预习课程内容与实验流程。b课程中，采用线上理论授课与线下实验授课混合的方式。c课程后，持续开放课程已有的课件和视频案例教学，学生可以在线上自由加深学习。课程组会持续的改进课程内容，丰富课程线上资源库，学生也可以进一步扩展学习。

（二）课程实施过程

1.改变传统理论知识教学为线上理论知识教学和线下作业研究

把结构设计理论知识部分的教学转变为线上教学，将原来的纸质的教材和课程作业转变为线上课程教学系统，再辅以线上多媒体课件、教学视频、课程直播等使教学手段更加丰富多样化。通过提前开放课程课件，学生可提前了解课程结构，预习相关课程内容。多媒体的运用让结构设计的课堂摆脱了传统的枯燥课程形式，课程组把最新课程相关的教学视频与图片等资源融入课件中，让知识的传递方式更加多样化，让学生学习的过程更加愉悦，更能吸引大家注意力，调动其积极性。线上直播课内容回放功能，学生可以在课堂之外可以自由选择时间加深学习，更有利于课程理解不透彻的学生重复观看以加深学习。

为提高艺术类学生对结构设计的兴趣，加强他们的动手能力，针对每一次理论课程内容，设置了对应的线下研究作业。研究作业以小组形式完成，每组人数2～4人，团队协作动手研究目标，讨论分析结果，线上提交研究活动照片与研究结果图片视频等。例如，线下研究作业1：小组拆解一款产品，研究其结构连接与固定方式，图注说明。让大家分小组进行动手实践，通过拆解不同的产品，更直观的学习到结构设计的连接、限位与固定等知识。小组研究作业让学生把理论知识运用到了实际动手活动中，改变了传统枯燥乏味的课堂教学，提高了艺术类学生的学习兴趣，调动了学生学习的积极性，并培养了他们团队协作能力。

2.计算机辅助结构设计案例教学

计算机辅助结构设计部分的教学方式可以自由调节，可以采用线上直播授课或者线下课堂授课。线下课堂学习氛围优于线上直播课堂，线上课堂对学生的管控不够全面，但是线上直播课堂更方便学生课后加深学习。也可以采用线上线下结合的方式进行，线下课堂授课，线上更新课堂视频内容供学生自由的加深学习。线上答疑优于线下答疑，借助现在方便快捷的互动工具，线上答疑时间更加灵活，答疑形式更加方便，如可以通过QQ、微信等进行语音与视频交流，也可以进行远程控制学生电脑进行轻松指导等。

计算机辅助结构设计主要是指导学生使用CREO完成一款简单生活产品的设计，包括产品造型设计与产品结构设计两个部分。例如，指导学生设计一款简单遥控器，首先完成遥控器的整体造型设计，设计上下壳分型面，电池仓分型面，按键分型面等，理解分型面的概念，掌握分型面于产品的作用。其次完成产品上壳与下壳的连接与固定、电池仓结构设计、电池仓盖与下壳的连接与装配、硅胶按键结构设计、按键与上壳体的固定与装配、线路板的限位与装配等。最后进行零件装配的干涉分析，检测结构设计的合理性，对零件冲突的地方进行修改。通过计算机辅助结构设计实验，让学生认识到产品结构对产品造型的影响，认识到产品设计与结构设计的密切关系，认识到产品设计不考虑结构的不良后果，进而使学生在以后做设计时，能充分考虑产品结构，提高其设计的合理性与可行性。

3.VR虚拟现实技术融入结构设计课程——VR虚拟拆装结构设计产品

为了进一步提高学生对课程的兴趣，提高其实践动手能力，提高学生对VR虚拟现实技术的认知，基于学院的VR虚拟实验教学平台，开发了产品拆装与造型设计辅助系统，把VR虚拟现技术实融入结构设计课程中，设置了VR虚拟产品拆装实验。实验课程前，线上开放VR虚拟产品拆装实验流程、方法与注意事项等，学生可以预习实验流程，提前做好实验准备工作。课程中辅导学生把CREO完成的结构设计产品模型导入进渲染软件中，为自己的遥控器设置好环境、材质、贴图与光效等，最后导入到VR虚拟拆装系统中，设置各部件的拆装顺序，通过VR眼镜观测产品的三维立体虚拟仿真效果，也可以通过操纵手柄对产品进行拆卸与组装。通过VR虚拟产品拆装实验，学生可以更直观地观察自己设计的遥控器的造型与结构，加深对产品内部空间的认识，还可以找出结构设计中的缺点与不足。学生对这种把VR虚拟现实融入结构设计课程的新型教学方式充满了热情，积极性很高。

4.3D打印技术融入结构设计课程——3D打印零件组装结构设计产品

为进一步优化结构设计课程理论教学与实践教学的比重，加深学生对产品结构设计的理解，课程组把3D打印技术也融入结构设计课程中，设置了3D打印实验。学院3D打印实验室设有4台3D打印机，学生可以使用3D打印机制作实物模型。实验课程前，线上开放3D打印软件的基础教学、3D打印实验流程与注意事项等，学生可以预习相关知识，提前做好实验准备工作。课程中，教师辅导学生把CREO完成的结构设计产品模型导入进3D打印软件中，设置打印精度、切片厚度、填充率等相关3D打印参数，打印出结构设计产品的各个零件，并手工把零件组装产品模型。学生通过观察与触摸实物模型，可以更直观地分析产品结构设计的合理性与可行性，在实际动手操作中学习结构设计知识，真正地做到理论联系实际。这个实验环节不仅增强了学生对结构设计知识点的理解，提高了学生课程教学活动参与度和动手能力，有效地提高了教学效果，还让学生掌握了基础的3D打印知识。

四、结语

通过调整结构设计课程结构，大幅度增加了实践动手课程内容，让学生在实践中验证理论，加深学生对结构设计知识点的掌握程度，课程教学方式转变为理论与实践并重型；通过采用线上线下混合式的教学模式，摆脱了传统的枯燥课堂，使课程的教学方法更加丰富，让知识的传递方式更加多样化。结构设计课程改革，有效调动起艺术类学生的学习兴趣，提高了其主动性与积极性，提高了教学效果，使课程更适配产品设计专业，更符合OBE教学改革的要求，对产品设计专业的课程体系构建与人才培养具有重要意义。