工程圖學(xué)課程中創(chuàng)造性構(gòu)形設(shè)計教學(xué)的研究與實踐

王楓紅， 陳熾坤， 陳錦昌

（華南理工大學(xué)設(shè)計學(xué)院，廣東 廣州 510640）

培養(yǎng)創(chuàng)新性人才是高等教育的首要目標(biāo),工程圖學(xué)教育在培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維及空間想象力方面具有重要的作用?，F(xiàn)代工程圖學(xué)應(yīng)將包含空間想象力和創(chuàng)新能力的工程素質(zhì)的培養(yǎng)作為其任務(wù)。通過培養(yǎng)學(xué)生的構(gòu)形設(shè)計能力，進而達到開發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維的目的。

工程制圖教學(xué)指導(dǎo)委員會制訂的“普通高等學(xué)校工程圖學(xué)課程教學(xué)基本要求”中，將“培養(yǎng)創(chuàng)造性構(gòu)形設(shè)計能力”列為課程的任務(wù)，并將“掌握二維和三維形狀構(gòu)思和設(shè)計的方法”作為課程教學(xué)的基本要求[1]。廣大圖學(xué)教育工作者針對構(gòu)形設(shè)計，在教學(xué)研究、教材編寫、課堂教學(xué)等方面都作了大量的工作,對構(gòu)形設(shè)計的教學(xué)和訓(xùn)練方法的研究也在不斷的改進和深入。

傳統(tǒng)的圖學(xué)教育側(cè)重于二維工程圖的畫圖和讀圖能力的培養(yǎng)，著眼于知識和技能的傳授。而創(chuàng)造性形體構(gòu)形設(shè)計的教學(xué)出發(fā)點是在此基礎(chǔ)上，試圖通過構(gòu)形設(shè)計的方式初步培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)造能力。其應(yīng)該具有目的性、趣味性、可操作性、方式多樣性、高效性和自主性[2]。所謂目的性，總體而言應(yīng)有利于基本理論、基本概念的掌握，有利于工程能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；具體而言，所構(gòu)建的幾何形體應(yīng)達到給定的設(shè)計要求并使學(xué)生得到一定的思維訓(xùn)練，不能單純?yōu)闃?gòu)形而構(gòu)形?？刹僮餍允侵附虒W(xué)應(yīng)考慮低年級學(xué)生缺乏工程知識的特點，在學(xué)生尚未學(xué)習(xí)零件設(shè)計及機械加工知識的前提下進行構(gòu)形設(shè)計。同時，為使學(xué)生具備快速構(gòu)形的能力，應(yīng)綜合考慮繪圖軟件的教學(xué)安排。在構(gòu)形方法的教學(xué)上，應(yīng)結(jié)合設(shè)計方法、創(chuàng)新方法進行，使學(xué)生能初步掌握創(chuàng)新思維的不同方式。

1 構(gòu)形設(shè)計的教學(xué)目標(biāo)與設(shè)計評價

任何設(shè)計都是一種創(chuàng)造性的活動，工程圖學(xué)課程的構(gòu)形設(shè)計也毫不例外。設(shè)計是一種創(chuàng)造行為，構(gòu)形設(shè)計教學(xué)必然是一種關(guān)于創(chuàng)造的教育，應(yīng)把創(chuàng)造力的培養(yǎng)作為構(gòu)形設(shè)計教學(xué)的核心內(nèi)容[3]。

工程圖學(xué)中的構(gòu)形設(shè)計可表述為：根據(jù)給定的幾何條件對二維、三維形體進行構(gòu)思、分析并將其轉(zhuǎn)化為具體描述的過程，所設(shè)計的形體應(yīng)具有一定的美觀性和制造可行性。

構(gòu)形設(shè)計可借鑒機械設(shè)計、構(gòu)成設(shè)計、設(shè)計方法學(xué)課程中的有關(guān)內(nèi)容。但應(yīng)有別于其它課程中的設(shè)計教學(xué)，其主要特點如下：

1）構(gòu)形設(shè)計教學(xué)的目標(biāo)之一是提高學(xué)生學(xué)習(xí)工程圖學(xué)課程的興趣，鞏固其知識點的掌握。例如，我校教師在教學(xué)實踐中，在講授平面圖形的畫法時，改變了教學(xué)中單純對已知圖形進行分析的傳統(tǒng)教學(xué)法，要求學(xué)生設(shè)計出帶有已知線段、中間線段和連接線段的平面圖形。并對機械類班級56名學(xué)生參與該教學(xué)實踐的情況進行統(tǒng)計，完整地完成構(gòu)形設(shè)計的方案有41個，占方案總數(shù)的72%。在工程圖學(xué)課程的很多教學(xué)環(huán)節(jié)中，都可引入類似的構(gòu)形訓(xùn)練，如在講授直線投影時，要求學(xué)生設(shè)計包含各種直線的形體，我校教師曾對機械類兩屆175名學(xué)生參與該教學(xué)實踐的情況進行統(tǒng)計，學(xué)生完整地給出包含7種類型直線的構(gòu)形方案168個，約占總設(shè)計方案數(shù)的75%；包含3～ 6種類型直線的構(gòu)形方案57個，占總設(shè)計方案數(shù)的25%[4]。這一類的構(gòu)形設(shè)計無需增加額外的教學(xué)課時，而對教學(xué)有很大幫助。學(xué)生要想完成構(gòu)形設(shè)計，必然要先掌握好有關(guān)的理論和概念，否側(cè)無法進行設(shè)計。通過構(gòu)形設(shè)計可間接促進其對概念的掌握、提高自主學(xué)習(xí)的興趣和積極性。因此，構(gòu)形設(shè)計教學(xué)可貫穿于傳統(tǒng)制圖教學(xué)的諸多環(huán)節(jié)，與傳統(tǒng)教學(xué)互為補充。

2）構(gòu)形設(shè)計教學(xué)的另一教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的審美情趣，使其日后設(shè)計的產(chǎn)品更具市場競爭力?，F(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計是工程技術(shù)與現(xiàn)代美學(xué)、材料學(xué)、計算機應(yīng)用乃至社會心理學(xué)等多學(xué)科方法相結(jié)合的一種現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計的應(yīng)用學(xué)科[5]。人類在長期的社會實踐中對事物復(fù)雜的形態(tài)進行分析研究，總結(jié)出形式美的基本法則，諸如對立與統(tǒng)一、比例與尺寸、對比與協(xié)調(diào)、對稱與均衡、穩(wěn)定與輕巧、過度與呼應(yīng)、節(jié)奏與韻律等。工程圖學(xué)是否應(yīng)加入設(shè)計美學(xué)的內(nèi)容，目前廣有爭議，有教師認為這是工業(yè)設(shè)計專業(yè)所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，機械工程師無需掌握。其實現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計不單要考慮實現(xiàn)功能要求，還應(yīng)考慮美觀性，才能使產(chǎn)品更具市場競爭力。設(shè)計美學(xué)應(yīng)從精英教育的殿堂回到大眾教育的行列中，使所有的工程技術(shù)人員都能夠掌握一定的設(shè)計美學(xué)基礎(chǔ)。目前國內(nèi)理工類專業(yè)大多不開設(shè)設(shè)計美學(xué)課程，工程圖學(xué)課程中結(jié)合構(gòu)形設(shè)計教學(xué)介紹產(chǎn)品的形式美學(xué)，對培養(yǎng)工程技術(shù)人員的綜合素質(zhì)很有必要。

3）構(gòu)形設(shè)計教學(xué)的主要目標(biāo)為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力和工程創(chuàng)造力。目前很多課程都強調(diào)對創(chuàng)造力的培養(yǎng)，不少學(xué)校還開設(shè)了諸如“創(chuàng)造學(xué)”方面的課程。創(chuàng)造學(xué)中創(chuàng)造工程研究學(xué)科有效的創(chuàng)造發(fā)明方法，促進創(chuàng)造發(fā)明效率的提高。工程圖學(xué)課程教學(xué)將“培養(yǎng)創(chuàng)造性構(gòu)形設(shè)計能力”列為本課程的任務(wù)。因此，研究構(gòu)形設(shè)計能力的培養(yǎng)方法和手段是教學(xué)研究的重要內(nèi)容。

教學(xué)實踐中我們借鑒了其它學(xué)科的一些方法，如現(xiàn)代機械設(shè)計中的變異設(shè)計，通過幾何變異設(shè)計培養(yǎng)其變異設(shè)計的意識，以便后續(xù)課程中材料、結(jié)構(gòu)變異設(shè)計的學(xué)習(xí)。構(gòu)型設(shè)計作為產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)訓(xùn)練，應(yīng)和現(xiàn)代設(shè)計方法和創(chuàng)新理論及手段密切結(jié)合，和工程實際相結(jié)合，使學(xué)生在基礎(chǔ)課程階段就能夠?qū)ΜF(xiàn)代設(shè)計理念有所了解。

從創(chuàng)造性構(gòu)形設(shè)計的本質(zhì)而言，應(yīng)鼓勵學(xué)生自由發(fā)揮而不應(yīng)該設(shè)置過多條條框框。但實際的產(chǎn)品設(shè)計總是從給定的設(shè)計目標(biāo)出發(fā)，然后設(shè)定一些限定條件（如材料的選用、經(jīng)濟性、安全性等），即所謂約束性設(shè)計。構(gòu)形設(shè)計訓(xùn)練是構(gòu)形設(shè)計教學(xué)中的一個重要環(huán)節(jié)，教學(xué)中應(yīng)精心制定構(gòu)形設(shè)計的目標(biāo)并有目的性地設(shè)置一定的約束條件。

幾何構(gòu)形設(shè)計有別于零件設(shè)計、機械設(shè)計等其它功能設(shè)計，不能把實現(xiàn)某一特定功能作為其評價的主要指標(biāo)，而應(yīng)把創(chuàng)造性思維訓(xùn)練作為其主要目標(biāo)。如何評價構(gòu)形設(shè)計作品的優(yōu)劣，是教學(xué)中應(yīng)注意的問題，應(yīng)鼓勵學(xué)生將構(gòu)形設(shè)計與生產(chǎn)和生活實際、大自然密切結(jié)合起來。被稱為“現(xiàn)代藝術(shù)之父”的保羅·塞尚曾舉出大量的例子引證大自然中的一切事物都能夠歸納為圓柱體、球體和正方體等。塞尚的這些歸納最后導(dǎo)致成為構(gòu)成主義以及設(shè)計學(xué)科中的造形設(shè)計的基本元素。將這些基本元素構(gòu)成抽象、概括性的“符號”，并依據(jù)設(shè)計的準(zhǔn)則、人的因素而進行組合，使之成為具有某種功效的產(chǎn)品或標(biāo)志[8]。

對構(gòu)形設(shè)計作業(yè)的評價是構(gòu)形設(shè)計教學(xué)活動的重要內(nèi)容，很多設(shè)計作品的評價不能單純以對或錯作為評價指標(biāo)，應(yīng)綜合考慮以下因素：

（1）是否滿足給定的幾何條件或設(shè)計條件:例如要求學(xué)生設(shè)計帶有各種類型平面的七面體，設(shè)計出的立體應(yīng)完全滿足給定的要求[3]，如圖1所示。

圖1 滿足給定的幾何條件圖

（2）是否美觀：美觀的標(biāo)準(zhǔn)各有不同，很難做出統(tǒng)一、客觀的定量評價。在教學(xué)實踐中我們安排一定的時間讓學(xué)生在課堂上展示、做出說明，然后展開討論。通過這種活動，一方面可加深學(xué)生對設(shè)計美學(xué)、設(shè)計方法的理解，以取長補短、共同提高；另一方面培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計表達、溝通能力。

（3）是否具備制造可行性：對缺少工程實際知識的大學(xué)低年級學(xué)生，設(shè)計的構(gòu)形不一定能滿足制造要求。但幾何形體應(yīng)具有零件或產(chǎn)品的雛形，應(yīng)掌握兩基本形體不能以線或點接觸的初步要求及某些工藝要求。

（4）數(shù)量的多寡：在一定約束條件下，設(shè)計出的幾何形體數(shù)量越多，說明思維越開闊。在工業(yè)設(shè)計相關(guān)課程訓(xùn)練中，概念設(shè)計階段往往設(shè)計出幾十個甚至上百個設(shè)計方案，這點也可以給我們一定的啟示。其典型的例子為多解的“二求三”練習(xí)，如圖2所示，給定主視圖和俯視圖，以左視圖的數(shù)量為評價指標(biāo)[3]。

圖2 構(gòu)形設(shè)計的數(shù)量

2 創(chuàng)造性構(gòu)形設(shè)計的基本教學(xué)方法及教學(xué)安排

1）在不占用額外學(xué)時的前提下，安排各種構(gòu)形訓(xùn)練。構(gòu)造不同形式的二維圖形（如圓弧連接、平面圖形、點、線、面等）和三維圖形。

2）采用獨立的章節(jié)介紹產(chǎn)品設(shè)計中形式美的法則，使學(xué)生對構(gòu)形設(shè)計的形式美有全面的認識。所謂形式美法則，主要是研究產(chǎn)品形式美感與人的審美之間的關(guān)系，以美學(xué)的基本法則為工具來揭示產(chǎn)品造型形式美的發(fā)展規(guī)律，滿足人們對產(chǎn)品審美的需求[8]。產(chǎn)品設(shè)計中形式美的法則，應(yīng)成為工科學(xué)生的必備知識，以適應(yīng)現(xiàn)代競爭性市場對產(chǎn)品設(shè)計的要求。

設(shè)計類專業(yè)通過“平面構(gòu)成”、“立體構(gòu)成”和“色彩構(gòu)成”等課程使學(xué)生得到全面的美學(xué)訓(xùn)練，工程圖學(xué)課程由于學(xué)時數(shù)所限，應(yīng)以2～4學(xué)時做出介紹為宜。因此，可直接以經(jīng)典的設(shè)計作品為例進行教學(xué)。在掌握產(chǎn)品造型形式美的基礎(chǔ)上，借鑒他人的成功設(shè)計經(jīng)驗，多看多想，所謂“操千曲而后曉聲，觀千劍而后識器《文心雕龍》”，唯有如此，才能不斷提高造型創(chuàng)造力。

例如，在介紹形式美法則的尺度時，我們作出如下的介紹：

尺度：尺度是指產(chǎn)品的整體或局部與人體之間的比例關(guān)系。不同區(qū)域、不同種族和不同年齡段的人體尺寸具有一定的差異，設(shè)計時可查閱人因工程方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。一般說來，標(biāo)準(zhǔn)化尺度不一定適用于所有人，故有“量體裁衣”之說，這也是個性化制造要考慮的一項內(nèi)容。產(chǎn)品的服務(wù)對象是人，所以，對產(chǎn)品的衡量往往以產(chǎn)品是否滿足產(chǎn)品使用人群的使用要求和使用習(xí)慣為標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計應(yīng)提高產(chǎn)品的宜人性，適應(yīng)人的操作。如圖3(a)、圖3(b)中的茶杯和剪刀；工具類產(chǎn)品是人體器官的延伸，應(yīng)按人體參數(shù)設(shè)計產(chǎn)品形態(tài)，使其操作舒適、安全、方便。如圖3(c)所示的木工線斗，外形設(shè)計方便人手握持、按鍵位置適于操作?？紤]到安全性，卷線盤加上阻尼油來減慢收線速度。

圖3 尺度

3）結(jié)合組合體的教學(xué)，以典型的設(shè)計產(chǎn)品為例，介紹各種構(gòu)形設(shè)計的基本方法。學(xué)生通過學(xué)習(xí)，可開闊其設(shè)計思路，達到舉一反三的目的。重點介紹以下5種構(gòu)形方法：基于基本形體變形的構(gòu)形；仿生構(gòu)形；變異構(gòu)形；“同形”構(gòu)形；反轉(zhuǎn)構(gòu)形。

（1）基于基本形體變形的構(gòu)形設(shè)計

對基本形體進行分割、挖切、積聚、合并、漸變、拉伸、擠壓、彎曲等變換，可設(shè)計出各具特色的產(chǎn)品。這類構(gòu)形變化很多，限于篇幅，僅舉兩例：

分割：在某一基本形體（母型）中分割中一個或多個子形體，其分割原則為：必須有基本形體（母型）；母型和子型必須同時存在；母型和子型必須各自具有相應(yīng)的功能；可以只進行一次分割，也可以進行多次分割；分割時，可以從多個方位進行；分割應(yīng)按比例，常用黃金比進行分割。圖4為應(yīng)用實例，圖5為分割物形設(shè)計實例，為教師制作的例子，將棱柱體沿曲線切開并疊加，即可設(shè)計出一張長椅。

集聚: 相同或相似的基本形體，在大小、位置、數(shù)量、方向上產(chǎn)生變化的一種構(gòu)形方法?？刹捎脻u變式排列、發(fā)射式排列和特異式排列等形式或綜合運用這3種變化。圖6(a)所示的衣架，采用8根高1.5米的不規(guī)則四邊形木棍，，能夠合攏和抓在雙手中，打開時，因為有一個不在重心位置的鋼球窩節(jié)，憑一種魔術(shù)般的平衡站立。圖6(b)所示的組合座位，可拆開套起以方便運輸。圖6(c)所示的竹椅，采用不同直徑的竹子集聚在一起，形成美觀的形態(tài)。

圖4 “分割”的應(yīng)用實例

圖5 “分割”構(gòu)形設(shè)計

圖6 “集聚”的應(yīng)用實例

圖7 “集聚”構(gòu)形設(shè)計

圖7 為教師示范的集聚構(gòu)形，其中圖7(a)所示為長度按規(guī)律變化、沿螺旋線排列的方管集聚成的構(gòu)形；圖7(b)所示為直徑按規(guī)律變化、沿螺旋線排列的圓柱集聚成的構(gòu)形；圖7(c)為交叉于軸線的矩形管繞軸線旋轉(zhuǎn)集聚成的構(gòu)形（該曲面為單葉雙曲回轉(zhuǎn)面）。

（2）仿生構(gòu)形設(shè)計

仿生構(gòu)形是指模仿自然界各種動植物的形狀結(jié)構(gòu)并進行抽象簡化的形態(tài)仿真。形態(tài)仿真有具象仿真和抽象之分，具象仿真一般宜用于兒童用品的設(shè)計。普通工業(yè)產(chǎn)品構(gòu)形宜采用抽象的形態(tài)仿生，其具有以下特征：形態(tài)高度的簡化性和概括性；形態(tài)豐富的聯(lián)想性和想象性；同一具象形態(tài)的抽象形態(tài)的多樣性。仿生構(gòu)形的要點：①必須深入生活，了解各種動植物的形態(tài)特點；②在表現(xiàn)手法上，既概括表現(xiàn)其大的形象特征，舍棄其繁瑣細節(jié)，夸張其造型的韻律，使幾何造形富有裝飾性，又可在更高層次進行組合變形，按其自然形象特征高度概括成抽象的幾何形體，造成一種更大的美學(xué)效果。圖8(a)所示的海螺型監(jiān)控攝像頭，在提取螺殼的自然形象特征，概括成抽象的幾何形體后，再將螺殼的頂部進行抽象變化，做成可活動的球體，以便從不同角度進行監(jiān)控攝像。圖8(b)、圖8(c)為抽象仿生構(gòu)形的實例。圖9為學(xué)生制作的構(gòu)形設(shè)計。

圖8 “仿生”的應(yīng)用實例

圖9 “仿生”構(gòu)形設(shè)計

（3）變異構(gòu)形設(shè)計

變異設(shè)計是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計的重要手段之一，變異設(shè)計在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，按市場需求進行結(jié)構(gòu)重組，它的實現(xiàn)過程可以最大限度地重用企業(yè)已有的成熟產(chǎn)品資源，具有很強的靈活性和適應(yīng)性。幾何構(gòu)形設(shè)計中常用數(shù)量變元、形狀變元、位置變元、聯(lián)接變元、尺寸變元等方式。圖10為汽車輪胎幅板的變異構(gòu)形設(shè)計。圖11為學(xué)生所作的變異構(gòu)形設(shè)計。

（4）“同形”構(gòu)形設(shè)計

采用相同的結(jié)構(gòu)，通過不同的排列、組合方式擺放在一起的構(gòu)形方式，構(gòu)形靈活多變，方便加工生產(chǎn)，如圖12、圖13所示。

圖10 “變異”的應(yīng)用實例

圖11 肋板的變異構(gòu)形設(shè)計

圖12 “同形”的應(yīng)用實例

圖13 “同形”構(gòu)形設(shè)計

（5）反轉(zhuǎn)構(gòu)形設(shè)計

反轉(zhuǎn)構(gòu)形也稱為正負構(gòu)形，構(gòu)形特點為虛實互補，互生互存。圖14為產(chǎn)品局部反轉(zhuǎn)構(gòu)形的應(yīng)用實例，通過在不同位置的嵌合，可調(diào)整文件夾的長度。圖15為外形為圓柱的反轉(zhuǎn)構(gòu)形，正負形嵌合在一起為一個完整的圓柱體。

圖14 反轉(zhuǎn)構(gòu)形應(yīng)用實例

圖15 反轉(zhuǎn)構(gòu)形設(shè)計

4）結(jié)合學(xué)生課外科研活動，進一步鞏固學(xué)習(xí)效果并提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

工程圖學(xué)課程由于受課時所限，難于進行更深一步的構(gòu)形設(shè)計訓(xùn)練，對學(xué)有余力的學(xué)生，我們可結(jié)合學(xué)生課外科研活動，進一步鞏固學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。例如圖16(a)所示的汽車兒童安全座椅，生產(chǎn)企業(yè)需要花重金在歐洲的專業(yè)實驗室進行碰撞安全測試。在保留原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用變異設(shè)計的方法，可大大減低產(chǎn)品開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期。在教學(xué)實踐中，我們指導(dǎo)學(xué)生采用變異設(shè)計的方法，對汽車兒童安全座椅的原型進行形狀變異設(shè)計，獲得了7項專利并應(yīng)用于企業(yè)的實際生產(chǎn)中。

圖16 變異構(gòu)形

3 結(jié) 論

創(chuàng)新性構(gòu)形設(shè)計在工程圖學(xué)教學(xué)中是一個全新的課題，主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性和工程意識。在工程圖學(xué)教學(xué)中引入創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計教學(xué)，可以有效地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和構(gòu)型設(shè)計能力。近年來，我校設(shè)計學(xué)院學(xué)生共獲得各類大賽獎項100余項，我校學(xué)生連續(xù)3年參與“高教杯”全國大學(xué)生先進成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽，均獲得團體一等獎，并獲得三連冠特別獎，說明我們的圖學(xué)教改工作是卓有成效的。如前文所述，引入構(gòu)形設(shè)計訓(xùn)練還可以及時發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的薄弱環(huán)節(jié)，鞏固學(xué)生對知識點的掌握，對提高工程圖學(xué)課程的教學(xué)效果有很大的幫助。

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