产品设计专业虚拟仿真实验选题依据研究*

霍春晓

南京艺术学院工业设计学院 南京 210013

0 引言

虚拟仿真实验教学是依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库、网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象[1]。虚拟仿真实验在教学过程中具有跨时空、跨场景的形式优势，在教育部一流本科课程建设的背景下，虚拟仿真实验日益受到各个专业的重视，大量的相关实验课程付诸立项。但在实际的开发和运行过程中，也暴露出了很多问题，特别是在产品设计专业的实验建设过程中，存在着盲目立项、实验设计不合理、实验内容与专业需求脱节等现象。本文将就产品设计专业虚拟仿真实验的选题问题展开探讨。

1 虚拟仿真实验在产品设计专业课程建设中的可行性及必要性

虚拟仿真实验较早广泛地应用于工程及医学研究等领域[2]，其建立的初衷主要是针对一些传统实验存在的运行成本高、危险性大等问题。虚拟仿真实验是借助计算机及其相应的软件而运行，因此，能够在安全的基础上，以较低的成本进行反复的实验操作，直至实验者掌握相关知识点、完成正确的操作流程，并通过实验平台获取相应的评分。

产品设计属于实践性较强的专业，其范畴主要包括为物品、过程、服务以及它们在整个生命周期中构成的系统建立起多方面的品质。在学生培养阶段，产品设计专业在教授基本设计理论、方法和程序的基础上，强调对问题的分析能力、动手能力以及创意能力的养成，因此通常设有专业技能课、专业实践课等教学内容，如设计手绘、模型制作、材料学、设计调研、产品开发设计等。在传统的设计教育中，一般强调发散性思维的培养，因此在教学过程中非常强调对个性化想象力的启发，较为忽视逻辑性流程的重要性。虚拟仿真实验在形式上较为强调标准化和程序性，似乎与设计所强调的独特性相矛盾。然而值得注意的是，产品设计的过程是一个逻辑思维与发散性思维交互作用的过程，不是无目的、无方法的“遐想”，设计灵感也并非无源之水，只依靠“天才”而获得。在“观察、分析和归纳的过程”中，理应建立起线性的逻辑思路，为“灵感”编织一个有因果关系的理性抽象逻辑[3]。可以看到，在目前的产品设计专业教学中，有越来越多的课程强调设计诸要素间具有明确的因果关系，学生必须依据一定的流程、方法进行合理操作，才能得到正确的结果。因此，虚拟仿真实验符合产品设计专业教学的一般逻辑及教学规律，具有建设的可行性。

产品设计专业教学中，有相当数量的内容和课题要求学生进行技能和方法的演练、操作，然而由于受到实验成本、安全性及实验对象的稀缺性等因素的限制，导致学生难以进行实际的操作训练。比如，在中国传统造物智慧相关内容的教学中，需要对经典的古代器物进行实地的拆解和组装，来了解材料与结构的关系，理解、掌握中国传统器物的设计理念、规律和方法。而实际上，许多重要的传统器物都是珍贵的文物（如长信宫灯、青铜冰鉴等），保存在各级博物馆，其稀缺性导致学生不可能做到人手一件反复操作，因此就需要依靠虚拟仿真实验这一途径来实现相应的教学目的。中国传统造物智慧设计研究虚拟仿真实验中模拟拆解传统器物如图1 所示。

图1 中国传统造物智慧设计研究虚拟仿真实验中模拟拆解传统器物

建设虚拟仿真实验课程是新文科建设背景下产品设计专业发展的重要手段。自2021 年3 月，《教育部办公厅关于推荐新文科研究与改革实践项目的通知》颁布以来，国内高校的设计专业开始积极响应，通过调整人才培养方向、重构教学框架、更新课程内容进行探索、创新。新文科特别强调和计算机学科、理工类学科有更多的结合[4]，因此将广泛应用于这些领域的虚拟仿真实验引入产品设计教学，将实验方法与创意能力相结合，对于设计专业新文科建设有着非常积极的作用。

另外，线上教学的普遍开展也使得虚拟仿真实验成为产品设计专业教学的必然选择。随着以慕课（MOOC）为代表的开放式网络课程的快速发展，越来越多的教学资源开始通过网络平台进行共享，产品设计专业的虚拟仿真实验能够摆脱实验条件的时空限制，使学生可以根据自己的实际情况自主地安排学习时间，并进行充分的练习，大大加深了教学的纵深度，提升了学习的体验感。

2 虚拟仿真实验选题研究的重要性

基于对产品设计专业虚拟仿真实验课程建设必要性的认识，目前全国已经有众多高校参与虚拟仿真实验课程的建设及遴选。以江苏省为例，2021年全省高校共建设省级虚拟仿真实验课248 项，其中艺术学类实验17 项，6 项进入国评阶段，竞争十分激烈。在实验课程建立之初，对选题目的、选题范围、选题原则、预期效果等要素的论证非常重要，决定了实验的可行性、实用性和实验内容的先进性，直接影响到遴选阶段的评价结果。

传统的实验课程主要依靠实验室的现有条件，根据教学目的安排实验内容，并按照操作规程严格进行操作，在某些情况下，可根据实际情况对实验方法或程序进行一定的调整。虚拟仿真实验课程不同于传统的实验课，其课程内容载体是软件平台，牵扯到较为复杂的实验脚本撰写、模块搭建、代码编写、实验要素建模、评分系统搭建、平台测试等因素，实验软件平台完成后，操作者必须根据预定的操作步骤才能完成实验，在一定时期内无法更改实验的目的和内容，此时如果发现实验的选题方向有误、实验目标与操作方法不吻合等问题，则意味着整个实验设计失败，造成很大的教学资源浪费，因此，虚拟仿真实验课程的选题研究有着非常重要的意义。

3 国家虚拟仿真实验教学课程平台立项及认定结果分析

在对国家虚拟仿真实验教学课程共享平台（网址：http://www.ilab-x.com）进行检索统计后，得出以下数据：目前，该平台共有3 250 个虚拟仿真实验项目，其中艺术学类项目为169 项，包括影视、舞蹈、设计、音乐等多个专业的内容，产品设计专业项目20 项（平台页面显示实验数量为24 项，但其中有4 项实验各自又提交了一项迭代升级版本，其内容名称与前作相同，因此本文将两个版本认定为1 项），其中有5 项被认定为国家虚拟仿真实验教学项目。由于目前上传国家虚拟仿真实验平台的产品设计专业实验数量较少，难以构成有效的统计数据样本，因此，本文对现在的20 项实验做大致的归类比较分析。

以实验面向的产品领域为分类依据，如表1 所示，可将现有的20 项实验分为：交通工具类（4 项，其中获认定3 项）、家具家居类（3 项，其中获认定1 项）、陶瓷产品类（2 项）、智能产品类（2 项）、文创产品类（2 项）、工艺品类（2 项，其中获认定1 项）、灯具类（1 项），另有4 项实验不针对具体的产品方向，偏重于设计方法和技能教学。以实验的教学目标进行分类，如表2 所示，可以分为：设计方法及流程训练（8 项，其中获认定1 项）、加工工艺训练（5 项，其中获认定1 项）、产品结构及布局训练（4 项，其中获认定2 项）、交互界面设计训练（1 项）、用户体验设计训练（1 项，其中获认定1 项）、人机测量训练（1 项）。

表1 国家虚拟仿真实验平台产品设计专业实验项目（以产品领域分类）

表2 国家虚拟仿真实验平台产品设计专业实验项目——以教学目标分类

从以上的分类表比较可以看出，按照产品领域的实验分类，实验分布得较为平均，但获得国家虚拟仿真实验认定的实验则比较集中在交通工具领域，而实际上车船飞机等产品具有很强的机械工程属性，在设计过程中强调参数与性能间的因果关系，这一特点与虚拟仿真实验的特征较为吻合，可以在一定程度上认为此类型选题较为符合国家虚拟仿真实验教学课程的遴选标准。

在按照教学目标进行的实验分类中，目前的实验选题较多集中在设计方法及流程训练方面，这个选题本身属于产品设计专业较为核心的教学内容，但其中被认定的实验数目并没有明显的数量优势，其原因可能在于设计流程虽然有一定的规范性，但与设计的最终结果之间并没有必然的联系性。加工工艺训练属于操作性较强的教学内容，通常有严格的操作流程及规范，与理工科的实验形式相近，因此也有较多的项目。在产品结构及布局训练方面，也有较多的实验项目，且被认定的实验有2 项，这与此类教学训练的特点有关。产品结构及布局具有较高的实践要求，且操作要素与最终的输出结果通常有直接的关联性（产品内部结构的合理性直接影响到产品的性能及外观），因此这类教学训练较为符合虚拟仿真实验的设计要求。

另外，通过对目前被认定的5 项产品设计专业虚拟仿真实验项目名称的关键词在中国知网进行搜索，也可以发现一些规律。例如，以“美丽乡村”为关键词，近五年（2017—2021）来相关学术论文数量为15 888 篇；以“无人驾驶”为关键词，近五年来相关学术论文数量为4 805篇；以“人工智能”为关键词，近五年来相关学术论文数量为11.07 万篇；以“大飞机”为关键词，近五年来相关学术论文数量为1 130 篇。这些关键词不但是学术研究的热点，而且是政府重点关注的重大项目，并具有广泛的社会影响。

从实验的体量及规模方面看，目前被认定的5项产品设计专业虚拟仿真实验项目中有4 项属于大型、系统性设计领域，仅有1 项属于操作性较为单一的手工艺领域。通过对国家虚拟仿真实验教学课程共享平台中产品设计专业虚拟仿真实验项目的检索，并对项目名称与其对应的教学内容、产品领域进行比对，可以初步发现目前的实验立项多集中在具有一定热点性、实验内容偏重于具有操作规范性要求的大型设计项目领域。

4 产品设计专业虚拟仿真实验的选题原则

产品设计专业强调对日常生活问题的敏感性、对未来体验的创见性，要求设计师能够运用有效的方法发掘用户需求、定义场景、提出设计概念、推敲造型语言、推动方案落地。因此，在教学中需要非常重视对学生设计思维、设计程序与方法的传授以及实践操作能力的培养。设计过程需要实验手段的支持，技术运用可以引导学生进行原型搭建与测试，也可以让设计专业的学生与不同专业背景的学生进行合作[5]。通过虚拟仿真实验的训练，有助于在诸多方面提升产品设计专业学生的综合能力。但是，由于产品设计专业在创意方法、操作工具以及最终输出结果等方面具有非常明显的主观性和发散性，与虚拟仿真实验所要求的标准化操作流程和客观的实验结果评价标准等重要评价指标有相当大的差异，因此，不能简单套用现有理工科虚拟仿真实验的选题原则，必须结合专业自身特点进行梳理和总结。

4.1 创新性原则

产品设计的重要特征之一就是创新性，任何一个设计都是为了特定的目的而致力于从新的概念、功能、形式、结构、材料等角度提出不同于以往的解决方案，可以说创新是设计的生命源泉。虚拟仿真实验教学应用于产品设计教学，必须能够体现出对学生创新能力的培养，而非使学生单纯掌握某种技能，才能体现出其在教学中的价值。因此，在选题过程中，首先要在实验的目标导向上具有创新性。要避免单纯的技能训练或操作流程练习，需要明确是否能够通过技能或操作方法的训练产生新的结果，这一点在目前的国家虚拟仿真实验被认定项目中有着明显的体现，如在“民航大飞机客舱用户体验设计虚拟仿真实验”这一实验中，其训练目的并不是简单的对用户体验设计流程的重复模拟，而是基于现实产品体验要素多、设计路径广的特点，让学生根据一定的设计流程和规范创造性地提出新的设计方案。其次要在实验方式上需要具有创新性。在当代，产品的设计已脱离单纯的物象或形象设计，整合创新设计模式已成为当今设计模式的主流[6]。基于这一发展现状，产品设计专业的虚拟仿真实验不能仅停留在真实还原传统实验操作方法和流程的层面，而需要综合考虑诸多设计方法、流程、工具的整合应用，才能够赋予实验本身新目标、新效果。

4.2 前沿性原则

产品设计专业的虚拟仿真实验课程应当聚焦当今学科发展的前沿性课题，将实验操作训练与专业发展趋势相结合。当今产品设计的专业边界不断拓展，设计理论与方法更新速度不断加快，设计资讯伴随网络发展爆炸式增长，专业的发展与科技进步密切相关，陈旧的教学方式、方法和内容已经不能适应产业发展和人才培养的需求。将国家行业产业发展的最新成果转换成虚拟仿真实验教学项目，不但可以确保实验内容精彩，还可以缩短投入教学的时间，以适应经济社会快速发展对人才培养的新要求[7]，也符合教育部关于国家“金课”的“两性一度”（高阶性、创新性、挑战度）标准要求。

4.3 系统性原则

在虚拟仿真实验课程的选题过程中，必须充分考虑系统性原则，选定的实验目标、方向和内容要能够与本专业的课程体系形成一致，并且具备辅助、完善教学内容的功能，根据不同学科的特点决定虚拟仿真实验的采用力度[8]，避免出现“为实验而实验”的情况，真正实现虚拟仿真实验的教学功能。产品设计的过程要求从业人员具有多方面的专业能力（如市场调研、用户分析、概念输出、原型搭建等），因此，在课程体系建设方面就要求系统性和全面性。同时，产品设计的方法与技能动态地运用于产品开发全流程，相互之间存在一定的关联性和互动性。在教学过程中需要考虑到虚拟仿真实验在不同的课程中具有一定的通用性，将仿真平台和各种教学资源融为一体，实现教学内容立体化、教学过程和管理现代化[9]，使不同的教学内容相互嵌套、环环相扣，形成具有符合产品设计专业要求的课程结构。

4.4 交叉性原则

产品设计专业的虚拟仿真实验课程在选题之初就应当注重以学科、方法的交叉来促进实验结果的创新性和实践性。产品设计专业本身具有明显的学科交叉特性，其方法、工具、技术在诸多层面都与材料学、人机学、结构力学、统计学、心理学，乃至文化、历史存在交集，产品设计最终的输出成果也是多学科交叉的结果。在目前被认定的国家级虚拟仿真实验课程中，可以很清晰地发现，绝大多数都不是某项单一专业技能的训练，而是将产品设计专业的多种方法与其他专业的技术相结合而进行的综合能力训练，例如，“无人驾驶车人工智能与创新设计的虚拟仿真实践教学”实验将人机工学、交互设计与人工智能技术相结合；“美丽乡村家具设计虚拟仿真实验教学项目”实验将民族文化、家居设计、灯光设计等多种设计要素相结合，这种交叉使得实验选题具有了很强的拓展性，在后续实验设计的深度和广度上具有了更多的发挥空间。

4.5 虚实结合原则

虚拟仿真实验采用计算机模拟的方式，其运作过程应当依据真实的物理反馈、化学反应等客观规律，在“能实不虚、虚实结合”原则下开展实验教学的基本单元[10]。“能实不虚”指的是虚拟仿真实验应当针对解决传统实验中高危险性、高成本、难以重复实验等问题，是实验建设的前置要求。虚实结合则是对教学内容建设的强调。在产品设计专业的虚拟仿真实验教学中，“实”的部分应当是能够让学生进行具体的操作，并获得明确感官反馈的内容等，如高度仿真的设备操作、实时准确的调节反馈、效果生动的设计效果等；“虚”的部分应当是存在于各实验步骤间的操作规律、各设计要素之间的内在联系等，比如，不同的操作顺序可能带来的结果差异及其内在关联、实验过程中的理论知识点等。实验中忽略“虚”的内容，会导致课程成为单纯的模拟现实，失去对理论内容及知识点的升华；忽略“实”的表现，则会使知识点缺少有力的支撑，教学过程会变得枯燥乏味。基于这一原则，在虚拟仿真实验进行选题选择时，就要根据教学目标厘清教学内容、知识点和设计方法的虚实关系，合理地进行选择，才能保证最终的实验既达到“能实不虚”的前置要求，又满足虚实结合的内容建设要求。

4.6 主客观统一原则

虚拟仿真实验的评分方式以系统平台客观评分为主，这是由虚拟仿真实验基于网络面向大量学生进行教学的现实要求所决定的，而产品设计专业的很多创新要素具有很强的主观性，如美学、情感、文化性等，这些要素目前很难通过计算机进行量化评价，需要依靠人工进行评分。因此在选题阶段，实验设计者需要充分考虑主客观统一原则，将实验内容尽可能控制在可以通过计算机系统及算法进行评判的范围内，使实验具备客观评价的条件，同时又符合产品设计专业实验结果多样化、个性化的要求。例如，以产品CMF 为实验选题时，应当以实现材料的功能性为主要的实验目的，并制定客观评分标准，比如导热性、反光性、摩擦性等可以进行量化的指标，采用系统评分的形式，占较大的分值（80%～90%）；将产品表面处理所产生的美感、情绪、文化意味等方面要素作为主观评价对象，采用教师打分或学生互评等评分方式，占较小的分值（10%～20%），实现主观评价与客观评价的统一。

5 结束语

虚拟仿真实验教学项目的建设对提升本科教学质量具有重要的推进作用，为新文科建设背景下的设计专业教学发展提供了新的支点。依据对现有国家级虚拟仿真实验课程的统计、分析，参照虚拟仿真实验项目的建设原则，结合产品设计专业教学特点，对虚拟仿真实验教学项目的选题依据展开研究，有助于促进精准把握课程建设方向、提高课程建设质量、拓展教学方式、深化教学内容改革。同时，针对产品设计专业虚拟仿真实验教学项目选题依据的研究，也将对艺术类相关专业的虚拟仿真实验课程建设产生积极的参考和借鉴作用。