摘要：該文通過分析 CMF 發(fā)展歷程及實踐平臺的現(xiàn)狀，提出 CMF 創(chuàng)新設(shè)計體驗平臺建設(shè)總體框架。在此基礎(chǔ)上，詳細闡述了 CMF 展示實訓(xùn)室搭建的方法及效果，論述了 CMF 虛擬體驗館建設(shè)的內(nèi)容，包括實景式教學(xué)資源庫、交互式虛擬體驗場以及沉浸式設(shè)計平臺等，并以工業(yè)產(chǎn)品綜合設(shè)計實驗為例介紹了該平臺在工業(yè)設(shè)計 CMF 實踐教學(xué)中的應(yīng)用。該平臺通過故事性的敘事方式展示了 CMF 背景及文化底蘊，發(fā)揮了虛實結(jié)合、藝工交融、實景展示、實時交互等優(yōu)勢，為工業(yè)設(shè)計一流專業(yè)、一流課程建設(shè)提供了新的支撐手段。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新設(shè)計平臺；CMF；虛實結(jié)合；虛擬體驗館

“中國制造 2025”發(fā)展規(guī)劃將工業(yè)設(shè)計作為產(chǎn)品創(chuàng)新、提升產(chǎn)品質(zhì)量的重要方面。CMF（color，material，finish）指色彩、材料及表面處理工藝，是承載產(chǎn)品功能及情感屬性的重要要素，是工業(yè)設(shè)計的核心內(nèi)容之一。近年來，工業(yè)產(chǎn)品 CMF 設(shè)計成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點[1]，研究內(nèi)容從設(shè)計實踐向設(shè)計方法研究過渡，現(xiàn)今已包括用戶研究、感性工學(xué)、產(chǎn)品功能、行為生理、人機關(guān)系等；涉及工業(yè)設(shè)計、包裝設(shè)計、環(huán)境設(shè)計、建筑設(shè)計等領(lǐng)域，體現(xiàn)在家用電器、廚房電器、生活用品、手持工具、汽車內(nèi)飾、智能產(chǎn)品、機器人等產(chǎn)品上。隨著 CMF 研究的展開，CMF 相關(guān)課程建設(shè)也受到高校及培訓(xùn)機構(gòu)的重點關(guān)注。就教師而言，CMF 教學(xué)內(nèi)容繁雜，概念講述枯燥、抽象，實踐材料匱乏，缺少形象化感知，知識更新明顯不足；就學(xué)生而言，知識的獲取呈現(xiàn)碎片化的特點，材料及表面工藝效果實踐資源緊缺、理解困難。因此，CMF 相關(guān)實踐教學(xué)已成為亟待解決的新問題。隨著虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）、增強現(xiàn)實（augmented reality, AR）技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用[2-3]，筆者提出建設(shè)虛實結(jié)合的 CMF 創(chuàng)新設(shè)計體驗平臺，以藝工交融、虛實結(jié)合為特色，以創(chuàng)新設(shè)計為目標，形成虛實跨界借用、產(chǎn)教協(xié)同、資源共享的立體化、體驗式實踐教學(xué)平臺。

1 CMF 實踐平臺現(xiàn)狀產(chǎn)品材料、表面處理工藝是機械類學(xué)生重要的必修課程，而 CMF 的實踐教學(xué)是理解和應(yīng)用材料的重要設(shè)計環(huán)節(jié)。

1.1 CMF 發(fā)展歷程對于材料研究的教學(xué)課程早在包豪斯設(shè)計學(xué)院建立之初就已設(shè)置[4]，其教學(xué)主要特點是：

①關(guān)注材料本身的藝術(shù)審美表達，包括對材料的感覺特性，如視覺、觸覺、味覺等；

②材料均衡構(gòu)成，藝術(shù)性更強；③從設(shè)計角度，挖掘材料的潛在美感及合理運用。但由于加工設(shè)備匱乏，以及加工工藝的實踐欠缺，表面處理工藝缺少關(guān)注度，實用性不強。伴隨著設(shè)計學(xué)科的發(fā)展，國內(nèi)設(shè)計材料教學(xué)已有近 40 年的歷史，早期材料與工藝課程的主要代表教材為 1991 年程能林主編的《產(chǎn)品造型材料與工藝》。

這一時期的教學(xué)特點主要是從工程視角出發(fā)介紹材料性能和加工方法，然而從設(shè)計視角進行材料工藝教學(xué)則主要是 2003 年以后才開始的。在 CMF 研究方面，有關(guān)色彩、材料、表面工藝綜合表現(xiàn)效果以及體現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)及使用體驗等研究成果頗豐。如日本千葉大學(xué)工業(yè)設(shè)計學(xué)者從設(shè)計視角對CMF 感性工學(xué)進行研究；左恒峰在英國南安普頓大學(xué)對材料美學(xué)和材料感知覺開展了研究；歐洲的一些大學(xué)，包括英國劍橋大學(xué)、皇家藝術(shù)學(xué)院、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)、意大利米蘭理工大學(xué)等名校，都有學(xué)者對色彩、材料與設(shè)計相結(jié)合進行了研究[5]。在國內(nèi)，最早使用CMF一詞可追溯到2009年仇媛的手機設(shè)計[6]。

此外，企業(yè)需求有力地推動了 CMF 的快速發(fā)展。1996 年，美國家具和室內(nèi)設(shè)計公司設(shè)立了 CMF 展廳；2005 年，在德國柏林塑料設(shè)計藝術(shù)國際會議上，有學(xué)者發(fā)表了 CMF 專題研究論文；

2006 年，摩托羅拉公司成立了 CMF 工作團隊，德國西門子公司設(shè)計總部的材料與色彩實驗室向相關(guān)行業(yè)展示了材料及表面處理的新工藝，以及全球頂尖的設(shè)計咨詢公司 IDEO 首創(chuàng)了零件與材料工具箱——Tech Box 等。CMF 的研究在國內(nèi)外得到了快速發(fā)展，各種CMF 平臺、咨詢公司相繼涌現(xiàn)，許多國外有設(shè)計學(xué)科的院校也成立了 CMF 實驗室、材料圖書館等，如美國創(chuàng)意學(xué)院、休斯頓大學(xué)、弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)等[7]。1.2 我國 CMF 實訓(xùn)室建設(shè)現(xiàn)狀2016 年，尋材問料創(chuàng)新材料館在深圳對外開放，館內(nèi)分設(shè) 6 個展區(qū)，至今已有 2 000 余家企業(yè)，3 000多種創(chuàng)新材料入駐，涵蓋 400 多個品種、20 多萬件產(chǎn)品，還建立了手機端的移動材料館。2018 年，創(chuàng)新材料館落戶上海。迄今為止，國內(nèi)已建和在建材料館有 10 個[8]。創(chuàng)新材料館的建成在企業(yè)與設(shè)計師之間架起了有效的連接橋梁，但存在收費較高，眾多材料令學(xué)生目不暇接、無所適從等問題。創(chuàng)新材料館作為學(xué)生畢業(yè)前的實習(xí)與體驗場所能夠起到一定的積極作用，但對于知識學(xué)習(xí)并不適合。另外，創(chuàng)新材料館受地域影響、空間物理距離等原因使參觀材料館成為一種奢望。在國內(nèi)高校材料館建設(shè)方面，西交利物浦大學(xué)工業(yè)設(shè)計系與建筑系聯(lián)合，通過收集整理，建設(shè)了材料圖書館。這種自行建設(shè)材料館的模式節(jié)約了資金，針對性強，但收集材料尤其是新材料比較困難。廣州美術(shù)學(xué)院建設(shè)了 3M 材料創(chuàng)新設(shè)計實驗室，是一種校企合作模式，其優(yōu)點是專業(yè)領(lǐng)域材料完備，但存在跨行業(yè)材料獲取受局限的問題。制造企業(yè)發(fā)展離不開材料選擇，企業(yè)材料館是研發(fā)部門的實驗室，大都不對外開放。此外，一些專門領(lǐng)域的材料館，如布料圖書館、中國傳統(tǒng)手工材料圖書館等也不對外開放[9]。隨著“雙一流”高校建設(shè)的開展，對設(shè)計專業(yè)實驗室建設(shè)提出了新的要求。近兩年，眾多院校如清華大學(xué)、同濟大學(xué)、華南理工大學(xué)、西安理工大學(xué)、東華大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)等，先后建設(shè)了 CMF 實驗室。同時 CMF 設(shè)計材料教學(xué)以及 CMF 實訓(xùn)在很多高校也得到較快的發(fā)展。1.3 虛擬體驗館建設(shè)現(xiàn)狀材料世界紛繁復(fù)雜，新材料層出不窮、更新?lián)Q代快，僅靠實體材料館建設(shè)遠遠不能滿足這一領(lǐng)域的教學(xué)需求。為此，材料研究及 CMF 信息資源展示也在迅速發(fā)展，如英國劍橋的 Cambridge EngineeringSelector、美國紐約的 Material ConneXion、荷蘭的Material Explorer 等，還有我國的“新材料在線”“尋材問料”及清華 CMF 數(shù)據(jù)庫等[4,10]。CMF 的線上資源及服務(wù)平臺使等材料知識得以系統(tǒng)化，并不斷補充新的材料素材，保障了材料數(shù)據(jù)的實時性。但是，線上數(shù)據(jù)庫更像一本書，給讀者更多的是文字介紹和視覺感知，在觸覺、味覺、嗅覺、聽覺方面還不能滿足 CMF 設(shè)計的要求。因此，基于 CMF 的5 感體驗[11-12]并以 CMF 素材多維度立體化構(gòu)建材料認知新體系就顯得尤為重要了。隨著 VR、AR、MR（mix reality，混合現(xiàn)實）技術(shù)的興起，三維虛擬展館建設(shè)得到廣泛關(guān)注[13]。

此外，虛實結(jié)合實踐教學(xué)模式、虛擬仿真實驗以及移動VR[14-15]等，給 CMF 實踐教學(xué)帶來了新思路。因此，在分析和研究的基礎(chǔ)上，提出了虛實結(jié)合的 CMF 創(chuàng)新設(shè)計體驗平臺建設(shè)。

2 CMF 創(chuàng)新設(shè)計體驗平臺建設(shè)方案2.1 總體框架CMF 是通過設(shè)計糅合，使產(chǎn)品在多感官（視覺、觸覺、聽覺、嗅覺、味覺等）方面得到綜合體現(xiàn)，并通過功能和人機交互方式產(chǎn)生生理和心理感應(yīng)，CMF創(chuàng)新設(shè)計體驗平臺總體框架如圖 1 所示。該平臺包含 CMF 展示實訓(xùn)室和 CMF 虛擬體驗館兩部分，其實訓(xùn)室有助于知識的認知及實踐，體驗館與實訓(xùn)室相結(jié)合，真實體驗與沉浸性解讀 CMF 背后的信息，激發(fā)設(shè)計創(chuàng)意靈感，進而應(yīng)用到實際的產(chǎn)品設(shè)計中。

                          圖 1 CMF 創(chuàng)新設(shè)計體驗平臺總體框架

2.2 CMF 展示實訓(xùn)室搭建CMF 展示實訓(xùn)室是提高設(shè)計師應(yīng)用能力的有效手段，其目的在于從觸覺等多感官進行提升，提供真實樣品，補充高等院校以往對色彩、材料、工藝教學(xué)上的不足。針對高等院校的 CMF 實踐教學(xué)，實訓(xùn)室采用“CMF 樣件+熱門 CMF 樣件+新材料樣件”方式，其中新材料樣件是一個動態(tài)樣件庫，不斷補充。對于各類材料又分為基礎(chǔ)材料樣件、各種基材、表面工藝樣件，以及新材料樣件，如表 1 所示。

2.3 CMF 虛擬體驗館建設(shè)CMF 虛擬體驗館將教學(xué)內(nèi)容具體化、形象化、圖形化，豐富了教學(xué)資源，增強了新材料學(xué)習(xí)的即時性。（1）工業(yè)設(shè)計 CMF 素材庫建設(shè)。根據(jù)制造業(yè)對產(chǎn)品設(shè)計的需求，將 5 大工程材料及各行業(yè)不斷涌現(xiàn)的新材料作為素材，設(shè)定高分子材料類、金屬材料類、其他類（陶瓷/玻璃/木材）和新材料類 4 個子庫（見圖 2），根據(jù)材料的基本特性、感覺特性和應(yīng)用領(lǐng)域

                                                             圖 2 CMF 素材庫建設(shè)內(nèi)容

進行描述，達到對材料特性的認識。以文字、圖片、視頻多種方式呈現(xiàn)材料加工工藝和表面處理工藝，達到對材料設(shè)計效果的表達，以及對材料應(yīng)用的理解。（2）CMF 虛擬體驗館建設(shè)。CMF 虛擬體驗館基于靈境技術(shù)，以傳統(tǒng)材料展館為基礎(chǔ)，將虛擬展館劃分為 6 個空間，包括游覽導(dǎo)引區(qū)、CMF 的 4 個核心展區(qū)及 DIY 工業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新體驗區(qū)。結(jié)合 Unity 3D 技術(shù)，完成工業(yè)設(shè)計 CMF 素材庫資源的虛擬展館展示。通過人機交互手段，完成對虛擬體驗展館進行交互式游覽設(shè)置（見圖 3）

                                                          圖 3 交互式虛擬體驗展館

（3）基于 CMF 創(chuàng)新的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)用研究。虛擬體驗館中 DIY 工業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新體驗區(qū)，是 CMF 在工業(yè)產(chǎn)品中創(chuàng)新應(yīng)用，是工業(yè)產(chǎn)品交互式虛擬裝配、虛擬 CMF 設(shè)計的體驗。通過構(gòu)建產(chǎn)品三維實體模型，并導(dǎo)入 CMF 虛擬體驗館，進而對產(chǎn)品各零部件進行多方案 CMF 創(chuàng)新設(shè)計及交互式裝配；利用眼動、腦電等設(shè)備，對多個 CMF 設(shè)計方案進行評估。CMF 創(chuàng)新設(shè)計體驗平臺的樣品庫收集需要體現(xiàn)所收集樣品的多樣性、高端性、新穎性和信息性。材料樣品庫包括真實樣品和虛擬樣品，真實樣品可以使人通過不同的感覺通道看、摸、捏、拿、握、嗅等，獲得全面的體驗；虛擬樣品則直接被引用到設(shè)計圖的表達中，兩者是相輔相成的。學(xué)生觸摸認識材料，結(jié)合 CMF 虛擬體驗館，認知材料，理解加工工藝，直觀地感知 CMF 的設(shè)計效果，并通過人機交互對虛擬場景中的虛擬產(chǎn)品模擬裝配拆卸及質(zhì)感設(shè)計，實現(xiàn)CMF 實訓(xùn)教學(xué)模式與虛擬體驗館的實景教學(xué)模式相交融。

3 應(yīng)用案例——工業(yè)產(chǎn)品綜合設(shè)計實驗CMF 創(chuàng)新設(shè)計體驗平臺，通過實驗教學(xué)改革，更新傳統(tǒng)實驗項目和創(chuàng)新實驗方式，開設(shè)集設(shè)計構(gòu)思、三維建模、材料選擇、產(chǎn)品虛擬評價、模型樣機制作一體的綜合實驗項目。學(xué)生根據(jù)選定的產(chǎn)品，完成設(shè)計構(gòu)思、三維建模、材料選擇、產(chǎn)品虛擬評價、模型樣機制作。小組以海報形式進行成果匯報，個人提交總結(jié)報告。工業(yè)產(chǎn)品綜合設(shè)計實驗方案如圖 4 所示。首先，將學(xué)生分成 4~5 人一組，根據(jù)要求選定設(shè)計產(chǎn)品，進行用戶研究，對用戶需求進行調(diào)查，確定設(shè)計目標及定位。然后，每名學(xué)生自行提出設(shè)計方案，小組討論并對所有的方案進行評價。最后，小組成員

                                                         圖 4 工業(yè)產(chǎn)品綜合設(shè)計實驗方案

合作，綜合評估 4 個產(chǎn)品設(shè)計方案，從中選擇一個方案完成模型制作及用戶體驗研究。該平臺在設(shè)計專業(yè)多門課程以及課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計的材料選擇和應(yīng)用方面起到了積極的支撐作用，對于培養(yǎng)準設(shè)計師的設(shè)計習(xí)慣和拓寬其視野均具有比較好的應(yīng)用價值。

4 結(jié)語實踐教學(xué)是一流本科專業(yè)建設(shè)的一個重要方面，是一流本科課程的重要組成部分，也是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途徑。通過搭建 CMF 實訓(xùn)室和虛擬材料體驗館，能夠為高校實驗教學(xué)提供實物樣品，形成設(shè)計、材料與工藝專業(yè)的特色實踐課程，并提高了學(xué)生的整體設(shè)計能力。虛實結(jié)合的 CMF 創(chuàng)新設(shè)計體驗平臺的建設(shè)對于完善校內(nèi)實踐教學(xué)基地、開設(shè)實景式綜合實踐項目、營造創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)環(huán)境、培養(yǎng)更多適合企業(yè)需求的專業(yè)人才以及高級研究人才等方面具有很好的實際意義。

文章來源：

周 巖 1，劉曉勝 2，王 勇 1，丁文嬌 1（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

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