虚实结合的 CMF 创新设计体验平台建设

摘要：该文通过分析 CMF 发展历程及实践平台的现状，提出 CMF 创新设计体验平台建设总体框架。在此基础上，详细阐述了 CMF 展示实训室搭建的方法及效果，论述了 CMF 虚拟体验馆建设的内容，包括实景式教学资源库、交互式虚拟体验场以及沉浸式设计平台等，并以工业产品综合设计实验为例介绍了该平台在工业设计 CMF 实践教学中的应用。该平台通过故事性的叙事方式展示了 CMF 背景及文化底蕴，发挥了虚实结合、艺工交融、实景展示、实时交互等优势，为工业设计一流专业、一流课程建设提供了新的支撑手段。

关键词：创新设计平台；CMF；虚实结合；虚拟体验馆

“中国制造 2025”发展规划将工业设计作为产品创新、提升产品质量的重要方面。CMF（color，material，finish）指色彩、材料及表面处理工艺，是承载产品功能及情感属性的重要要素，是工业设计的核心内容之一。近年来，工业产品 CMF 设计成为国内外学者的研究热点[1]，研究内容从设计实践向设计方法研究过渡，现今已包括用户研究、感性工学、产品功能、行为生理、人机关系等；涉及工业设计、包装设计、环境设计、建筑设计等领域，体现在家用电器、厨房电器、生活用品、手持工具、汽车内饰、智能产品、机器人等产品上。随着 CMF 研究的展开，CMF 相关课程建设也受到高校及培训机构的重点关注。就教师而言，CMF 教学内容繁杂，概念讲述枯燥、抽象，实践材料匮乏，缺少形象化感知，知识更新明显不足；就学生而言，知识的获取呈现碎片化的特点，材料及表面工艺效果实践资源紧缺、理解困难。因此，CMF 相关实践教学已成为亟待解决的新问题。随着虚拟现实（virtual reality，VR）、增强现实（augmented reality, AR）技术在实践教学中的应用[2-3]，笔者提出建设虚实结合的 CMF 创新设计体验平台，以艺工交融、虚实结合为特色，以创新设计为目标，形成虚实跨界借用、产教协同、资源共享的立体化、体验式实践教学平台。

1 CMF 实践平台现状产品材料、表面处理工艺是机械类学生重要的必修课程，而 CMF 的实践教学是理解和应用材料的重要设计环节。

1.1 CMF 发展历程对于材料研究的教学课程早在包豪斯设计学院建立之初就已设置[4]，其教学主要特点是：

①关注材料本身的艺术审美表达，包括对材料的感觉特性，如视觉、触觉、味觉等；

②材料均衡构成，艺术性更强；③从设计角度，挖掘材料的潜在美感及合理运用。但由于加工设备匮乏，以及加工工艺的实践欠缺，表面处理工艺缺少关注度，实用性不强。伴随着设计学科的发展，国内设计材料教学已有近 40 年的历史，早期材料与工艺课程的主要代表教材为 1991 年程能林主编的《产品造型材料与工艺》。

这一时期的教学特点主要是从工程视角出发介绍材料性能和加工方法，然而从设计视角进行材料工艺教学则主要是 2003 年以后才开始的。在 CMF 研究方面，有关色彩、材料、表面工艺综合表现效果以及体现产品品质及使用体验等研究成果颇丰。如日本千叶大学工业设计学者从设计视角对CMF 感性工学进行研究；左恒峰在英国南安普顿大学对材料美学和材料感知觉开展了研究；欧洲的一些大学，包括英国剑桥大学、皇家艺术学院、荷兰代尔夫特理工大学、意大利米兰理工大学等名校，都有学者对色彩、材料与设计相结合进行了研究[5]。在国内，最早使用CMF一词可追溯到2009年仇媛的手机设计[6]。

此外，企业需求有力地推动了 CMF 的快速发展。1996 年，美国家具和室内设计公司设立了 CMF 展厅；2005 年，在德国柏林塑料设计艺术国际会议上，有学者发表了 CMF 专题研究论文；

2006 年，摩托罗拉公司成立了 CMF 工作团队，德国西门子公司设计总部的材料与色彩实验室向相关行业展示了材料及表面处理的新工艺，以及全球顶尖的设计咨询公司 IDEO 首创了零件与材料工具箱——Tech Box 等。CMF 的研究在国内外得到了快速发展，各种CMF 平台、咨询公司相继涌现，许多国外有设计学科的院校也成立了 CMF 实验室、材料图书馆等，如美国创意学院、休斯顿大学、弗吉尼亚联邦大学等[7]。1.2 我国 CMF 实训室建设现状2016 年，寻材问料创新材料馆在深圳对外开放，馆内分设 6 个展区，至今已有 2 000 余家企业，3 000多种创新材料入驻，涵盖 400 多个品种、20 多万件产品，还建立了手机端的移动材料馆。2018 年，创新材料馆落户上海。迄今为止，国内已建和在建材料馆有 10 个[8]。创新材料馆的建成在企业与设计师之间架起了有效的连接桥梁，但存在收费较高，众多材料令学生目不暇接、无所适从等问题。创新材料馆作为学生毕业前的实习与体验场所能够起到一定的积极作用，但对于知识学习并不适合。另外，创新材料馆受地域影响、空间物理距离等原因使参观材料馆成为一种奢望。在国内高校材料馆建设方面，西交利物浦大学工业设计系与建筑系联合，通过收集整理，建设了材料图书馆。这种自行建设材料馆的模式节约了资金，针对性强，但收集材料尤其是新材料比较困难。广州美术学院建设了 3M 材料创新设计实验室，是一种校企合作模式，其优点是专业领域材料完备，但存在跨行业材料获取受局限的问题。制造企业发展离不开材料选择，企业材料馆是研发部门的实验室，大都不对外开放。此外，一些专门领域的材料馆，如布料图书馆、中国传统手工材料图书馆等也不对外开放[9]。随着“双一流”高校建设的开展，对设计专业实验室建设提出了新的要求。近两年，众多院校如清华大学、同济大学、华南理工大学、西安理工大学、东华大学、广东工业大学等，先后建设了 CMF 实验室。同时 CMF 设计材料教学以及 CMF 实训在很多高校也得到较快的发展。1.3 虚拟体验馆建设现状材料世界纷繁复杂，新材料层出不穷、更新换代快，仅靠实体材料馆建设远远不能满足这一领域的教学需求。为此，材料研究及 CMF 信息资源展示也在迅速发展，如英国剑桥的 Cambridge EngineeringSelector、美国纽约的 Material ConneXion、荷兰的Material Explorer 等，还有我国的“新材料在线”“寻材问料”及清华 CMF 数据库等[4,10]。CMF 的线上资源及服务平台使等材料知识得以系统化，并不断补充新的材料素材，保障了材料数据的实时性。但是，线上数据库更像一本书，给读者更多的是文字介绍和视觉感知，在触觉、味觉、嗅觉、听觉方面还不能满足 CMF 设计的要求。因此，基于 CMF 的5 感体验[11-12]并以 CMF 素材多维度立体化构建材料认知新体系就显得尤为重要了。随着 VR、AR、MR（mix reality，混合现实）技术的兴起，三维虚拟展馆建设得到广泛关注[13]。

此外，虚实结合实践教学模式、虚拟仿真实验以及移动VR[14-15]等，给 CMF 实践教学带来了新思路。因此，在分析和研究的基础上，提出了虚实结合的 CMF 创新设计体验平台建设。

2 CMF 创新设计体验平台建设方案2.1 总体框架CMF 是通过设计糅合，使产品在多感官（视觉、触觉、听觉、嗅觉、味觉等）方面得到综合体现，并通过功能和人机交互方式产生生理和心理感应，CMF创新设计体验平台总体框架如图 1 所示。该平台包含 CMF 展示实训室和 CMF 虚拟体验馆两部分，其实训室有助于知识的认知及实践，体验馆与实训室相结合，真实体验与沉浸性解读 CMF 背后的信息，激发设计创意灵感，进而应用到实际的产品设计中。

                          图 1 CMF 创新设计体验平台总体框架

2.2 CMF 展示实训室搭建CMF 展示实训室是提高设计师应用能力的有效手段，其目的在于从触觉等多感官进行提升，提供真实样品，补充高等院校以往对色彩、材料、工艺教学上的不足。针对高等院校的 CMF 实践教学，实训室采用“CMF 样件+热门 CMF 样件+新材料样件”方式，其中新材料样件是一个动态样件库，不断补充。对于各类材料又分为基础材料样件、各种基材、表面工艺样件，以及新材料样件，如表 1 所示。

2.3 CMF 虚拟体验馆建设CMF 虚拟体验馆将教学内容具体化、形象化、图形化，丰富了教学资源，增强了新材料学习的即时性。（1）工业设计 CMF 素材库建设。根据制造业对产品设计的需求，将 5 大工程材料及各行业不断涌现的新材料作为素材，设定高分子材料类、金属材料类、其他类（陶瓷/玻璃/木材）和新材料类 4 个子库（见图 2），根据材料的基本特性、感觉特性和应用领域

                                                             图 2 CMF 素材库建设内容

进行描述，达到对材料特性的认识。以文字、图片、视频多种方式呈现材料加工工艺和表面处理工艺，达到对材料设计效果的表达，以及对材料应用的理解。（2）CMF 虚拟体验馆建设。CMF 虚拟体验馆基于灵境技术，以传统材料展馆为基础，将虚拟展馆划分为 6 个空间，包括游览导引区、CMF 的 4 个核心展区及 DIY 工业产品创新体验区。结合 Unity 3D 技术，完成工业设计 CMF 素材库资源的虚拟展馆展示。通过人机交互手段，完成对虚拟体验展馆进行交互式游览设置（见图 3）

                                                          图 3 交互式虚拟体验展馆

（3）基于 CMF 创新的工业产品设计应用研究。虚拟体验馆中 DIY 工业产品创新体验区，是 CMF 在工业产品中创新应用，是工业产品交互式虚拟装配、虚拟 CMF 设计的体验。通过构建产品三维实体模型，并导入 CMF 虚拟体验馆，进而对产品各零部件进行多方案 CMF 创新设计及交互式装配；利用眼动、脑电等设备，对多个 CMF 设计方案进行评估。CMF 创新设计体验平台的样品库收集需要体现所收集样品的多样性、高端性、新颖性和信息性。材料样品库包括真实样品和虚拟样品，真实样品可以使人通过不同的感觉通道看、摸、捏、拿、握、嗅等，获得全面的体验；虚拟样品则直接被引用到设计图的表达中，两者是相辅相成的。学生触摸认识材料，结合 CMF 虚拟体验馆，认知材料，理解加工工艺，直观地感知 CMF 的设计效果，并通过人机交互对虚拟场景中的虚拟产品模拟装配拆卸及质感设计，实现CMF 实训教学模式与虚拟体验馆的实景教学模式相交融。

3 应用案例——工业产品综合设计实验CMF 创新设计体验平台，通过实验教学改革，更新传统实验项目和创新实验方式，开设集设计构思、三维建模、材料选择、产品虚拟评价、模型样机制作一体的综合实验项目。学生根据选定的产品，完成设计构思、三维建模、材料选择、产品虚拟评价、模型样机制作。小组以海报形式进行成果汇报，个人提交总结报告。工业产品综合设计实验方案如图 4 所示。首先，将学生分成 4~5 人一组，根据要求选定设计产品，进行用户研究，对用户需求进行调查，确定设计目标及定位。然后，每名学生自行提出设计方案，小组讨论并对所有的方案进行评价。最后，小组成员

                                                         图 4 工业产品综合设计实验方案

合作，综合评估 4 个产品设计方案，从中选择一个方案完成模型制作及用户体验研究。该平台在设计专业多门课程以及课程设计、毕业设计的材料选择和应用方面起到了积极的支撑作用，对于培养准设计师的设计习惯和拓宽其视野均具有比较好的应用价值。

4 结语实践教学是一流本科专业建设的一个重要方面，是一流本科课程的重要组成部分，也是培养创新型人才的重要途径。通过搭建 CMF 实训室和虚拟材料体验馆，能够为高校实验教学提供实物样品，形成设计、材料与工艺专业的特色实践课程，并提高了学生的整体设计能力。虚实结合的 CMF 创新设计体验平台的建设对于完善校内实践教学基地、开设实景式综合实践项目、营造创新创业教学环境、培养更多适合企业需求的专业人才以及高级研究人才等方面具有很好的实际意义。

文章来源：

周 岩 1，刘晓胜 2，王 勇 1，丁文娇 1（1. 哈尔滨工业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2. 哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

参考文献：

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