交通工具设计课程新工科教学改革措施

一、教学改革背景

（一）新工科专业交叉融合建设的推进

随着“中国制造2025”的提出，我国产业结构和布局将深度调整，同时现实情境中的工程问题并不遵循当前学科的分类逻辑，因此需要高校工科专业培养模式进行相应的转变，积极发展多学科交叉的新工科专业，探索新工科发展理念、新工科建设范式和新工科人才培养模式，是新时代国家战略发展的新需求和高等教育发展的新要求。工业设计专业作为具有强交叉特点的专业，应在新工科建设过程中适时更新专业课程内容和课程体系，为培养国家新时期新工科人才做出积极贡献。

（二）实践型向研究型教学理念的递进式转变

当前因设计学科专业的特殊性，重实践、重应用的实践型教学理念是本科课程教学的主流。随着我校构建高水平研究型大学战略方针的提出，工业设计课程教学理念应逐步从实践型向研究型教学递进发展，在本科课程教学重实践重应用的基础上，逐步引入研究型教学理念，深化课程教学内容，提高课程研究水平的高度，拓展学生知识结构的广度与深度。

（三）设计领域智能化方法的高速发展

智能化、自动化是当前汽车设计的主流趋势与发展方向。随着人工智能机器学习等计算机技术的不断发展，尤其是图像融合形变技术（ImageMorphing）作为一种造型效果的快速表现方法和形态推演分析方法，已经逐步应用于当前的汽车设计产业领域，奔驰、宝马等国际汽车公司以及国内的上汽集团、广汽集团均已开展基于计算机图形学的造型设计方法的实践。设计智能化方法的高速发展倒逼传统设计教学内容与方法的更新，传统的以手绘+计算机表现的汽车造型设计教学内容已经无法满足时展的要求，因此亟需开展学科交叉融合的教学改革。

二、课程教学改革的现状

（一）新工科教学改革现状

当前新工科教学改革成为高校教学改革的重点方向，无论是工业设计专业还是车辆工程专业均致力于新工科教学改革的研究与实践。陈香认为工业设计专业应紧随人工智能的发展，推动工业设计专业与其他学科交叉融合，致力于创新型人才的培养；刘秀清、冀杰指出面向“互联网+”与“中国制造2025”，车辆工程专业应将培养跨学科交叉的创新型汽车工程技术人才作为学科专业培养目标，实践车辆工程专业新工科建设发展思路。上述研究均提出学科交叉是新工科教学改革发展的主流方向。

（二）交通工具设计课程教学现状

近几年以组织竞赛、校企联合、国际化workshop等为教学模式和产出的教学改革较多，诸如李洪海提出的工作坊实践创新教学模式；陶宁提出以校企合作为导向的教学模式改革；李春阳提出以竞赛为导向的教学改革模式。从教学内容角度，当前我国开设本科汽车设计课程的高等院校（以参加历年CDN国际汽车设计大赛为统计源，共16所代表性院校）均以美院教学体系为蓝本，以美术学院为代表的传统汽车设计教学主要强调手绘和效果图表现技术的重要性，形状文法是汽车造型设计常用的形态推演方法，其过程往往是线条细微的变化，需要不断地修改线条和光影效果，全部依赖人工完成，耗时而繁琐，设计迭代冗余。由此我们可以看出，就交通工具设计课程而言，教学模式的改革较多，但因教师知识结构固化，教学内容的更新往往固化于设计学科本身，缺乏顺应时代潮流、跨学科与前沿技术交叉融合的教学内容改革，因此，紧随时代热点，加强专业间交叉融合，将智能化设计分析方法引入到汽车造型设计教学内容中是当前亟需解决的教学改革问题，也符合新工科教学改革的发展方向。

三、教学改革的必要性与意义

在新工科跨界融合教育发展的时代背景下，贯彻落实大连理工大学研究型教学战略方针，将跨专业知识内容导入工业设计专业传统的交通工具设计课程中，实现汽车造型设计推演的智能化、自动化，切实提升研究型教学的深度与广度，既顺应了企业用人单位对高校人才培养的新要求，也符合教育发展的大方向，具有重要的教学现实意义和同类课程的推广价值。目前，尚未有国内工业设计专业学校在“交通工具设计”课程中开展基于ImageMorphing图像融合形变技术的跨界交叉教学探索，该技术的应用，改变了汽车造型设计借助形状文法为基础的人工形态推演方法，有效提升了设计效率，推动了汽车造型设计课程教学内容的革新与发展。本文通过构建基于图像融合形变技术的汽车造型设计的智能化和自动化教学模块、课程联席导师制以及课程作业三方评价机制三方面的改革措施，实现交通工具课程教学从实践型向研究型教学的转变，拓展学生知识结构的广度与深度，激发学生学习兴趣和潜能，践行我校研究型教学战略和新工科交叉融合创新思想，切实提高课程教学质量。

四、教学改革内容与措施

秉承新工科交叉融合创新思想，在课程内容改革方面，在传统的交通工具设计（汽车造型设计）教学中融入计算机图形学专业技术内容，实现基于图像形变技术的汽车造型设计的智能化和自动化，有效提高造型设计快速表现和形态推演的效率，拓展学生知识结构的广度与深度，激发学生学习兴趣和潜能；在课程授课教师方面，建立课程联席导师制，选用跨专业副导师指导具体设计环节，消除因本专业教师知识背景局限所造成的讲解不透、视角单一问题；在课程成果评价方面，建立授课教师、课程联席导师、学生互评三方评价机制，体现课程评价的公平、客观、公开，切实提高教学质量。（图1）

（一）构建图像形变汽车设计课程教学智能化知识模块

交通工具设计课程是三年级工业设计专业的核心课程，其中分析与提取各汽车品牌家族化造型特征是造型形态推演与优化训练阶段的重点内容。在传统的设计教学中，主要依托形状文法理论与方法进行家族化造型的分析与提取。这一过程中，学生需要采用手动的方式分析大量的图片来找寻品牌家族化设计规律，可视化程度低且分析方式繁冗。将图像融合形变技术智能化模块引入该教学环节，所自动生成的造型变化图像序列，能够让学生直观地观察到品牌家族化造型各个时期的整体演变过程，更加直观准确地把握家族化造型特征。

（二）建立课程设计联席导师制

课程联席导师制是在各专业均有跨学科交叉融合教学需求的情况下产生的，与聘任的校外导师不同，课程联席导师只是作为一种跨学科合作交流教学的形式产生的，不产生相关的教学经费，是各专业教师间的一种互惠沟通方式，既满足了教学活动的需求，也加强了学科间的交流与沟通，为后续的合作奠定了基础。

（三）建立课程教学作业三方评价机制

在当前以课程指导教师作为课程作业评判主体人的基础上，将课程联席导师意见和学生互评的结果纳入最终成绩当中，切实弱化单一任课教师的个人主观评价问题，建立更加公平、公开、学生自身参与度高的新三方评价机制。同时需根据专业课程具体情况合理设置三方评价的权重，使评价机制更加合理准确。

五、课程教学实践案例分析

图像形变是计算机图像形变技术，图像形变技术最早由纽约理工学院的TomBrigham提出，是采用图形交叉溶解变形原理，通过将图像不断地设置为不同的透明度，在对特征点进行标记的基础上，把一幅数字图像以特定的规则变换成另一幅数字图像，在源图像A向目标图像B不断的融合过程中会自动生成一系列的新图像，实现图像与图像之间关键帧的变换，是一种达到特殊视觉效果的有效方法。以课程作业马自达品牌家族化造型特征分析提取为例，首先选取最有代表性的汽车前脸造型作为研究对象，对目标汽车品牌前脸造型进行时间序列的排序，其次对图像进行对齐预处理，并对汽车前脸造型特征区域进行分类及目标区域检测，对外造型、车灯、进气格栅等进行特征点标定，利用AbrosoftFantaMorph软件选取关键特征点为驱动元素生成形变控制网格（图2），最后自动生成造型形变演化动画。由此我们可以看出，马自达进气格栅一直保持着扁平的盾牌造型，前大灯呈现更加修长的趋势，整体造型变得棱角分明。通过这一智能化自动化教学手段，学生能够更加快速直观地观察造型演变过程，准确获取家族化造型特征，为后续的形态设计提供参考。在最终的作业评判阶段，建立课程指导教师、联席导师、学生互评三方评价机制，通过作业公开答辩的方式使其结果更加公平、公开且学生自身参与度高（图3）。这一公开的三方评价机制，不但提高了学生对作业的重视程度，也很好地避免了学生对评判结果的质疑，增进了师生情感互信。

六、教学改革的总结与反思

本文所描述的课程教学改革内容及措施，已成功在我专业三年级交通工具设计课程上应用两年，新的教学内容开拓了学生的设计视野，完善了跨学科知识结构，调动了学生自主学习的积极性。近两年学生汽车设计课程作业多次获得国内外设计大奖，教学成果充分验证了教学改革措施的有效性，能够为国内工业设计专业汽车设计课程教学内容的跨界融合起到示范性作用，也为工业设计专业新工科建设在具体的课程革新方面提供切实可靠的建设方法。上述教学改革实践活动，同时也引起教学组对“交通工具设计”课程改革的教学反思，其表现在：1.图像形变所自动生成的迭代图像序列，虽然能够提高设计效率，但其效用更多的是对现有造型数据库的分析与挖掘，而新造型的创新是本专业教学的核心，应让学生在掌握新方法的同时始终明确创新才是设计课程的核心；2.以工业设计专业而言，图像形变算法超出了本专业学生的知识范围，学生在短期内学习有一定的困难，也成为后续教学内容深化的一个难点，若将其封装为简单的软件则更能发挥效能；3.新工科教学改革虽然打破了学科专业的局限，为教学体系和教学方法带来了新的思路，但目前只从实践层面进行了初步的尝试，从教学管理层面并没有跨学院的教学考核和评价体系，以至于联席导师制只能为教师私下行为，并不能纳入教学考核范围内。

作者：宋明亮 李宝军 张路 刘建军