學校開設有20余間實驗室,包括國際領先的理化生實驗室、大氣環境檢...
沈建+胡惠君+吳屹+何亞平
摘 要：隨著藝術教育的不斷深入，高校將藝術與科技的結合越來越緊密，大量課程對實體模型制作的要求也相應提高，如何利用先進的生產技術和設備儀器對學生的創意進行實物落地，是數字化模型輸出實驗室建設的初衷。本文以中國美術學院為例，結合作者多年實驗室一線教學的經驗，對數字化輸出實驗室的建設進行分析研究，具體從硬件和軟件兩方面進行剖析，旨在為其他高校提供切實可行的范本，希望起到拋磚引玉的效果。
關鍵詞：數字化；模型輸出；實驗室建設
1 數字化模型輸出實驗室建設的現實意義
現今，大力發展文化創意產業已經成為社會各界的共識。浙江省文化產業發展“十三五”規劃指出：把發展文化創意和設計服務作為助推高端制造業發展的重要突破口，增強文化創意與設計服務對相關產業的滲透提升和帶動能力，推動實現從“浙江制造”向“浙江創造”轉變。藝術類高校作為復合型、創意型人才輸出的重要基地，改進教學培養模式，進一步提高學生的綜合素質勢在必行。實驗室作為學生的第二課堂，在融合理論與實踐方面有著不可取代的重要作用。如何建設真正滿足學生需求、解決理論教學痛點的實驗室是迫在眉睫的議題，本文以中國美術學院這些年對數字化模型輸出實驗室的建設實踐為基礎，結合作者多年實驗教學的經驗，從多個方面對實驗室建設進行研究分析。
2 數字化模型輸出實驗室的硬件建設
由于藝術類高校學生創作實現材料的多樣性，決定了數字化模型輸出實驗室建設過程中設備選型的豐富性，不能以一種加工工藝或者一類加工設備來建立實驗室。結合多年的實驗室一線教學的具體實踐經驗，我們認為建立實驗室群更能適合學生的實驗需求和創作落地。根據學生培養目標的要求，我們持續構建了工作站實驗室、精雕實驗室、激光實驗室、三維打印實驗室、三維掃描實驗室、綜合實驗室等六大實驗室有機組合的數字化模型輸出實驗室群，以群的形式破解藝術類高校師生的海量創意落地難的痛點、以群的強大現代科技支撐服務好藝術類學生的實驗教學。
各個實驗室單獨來看，設備型號有所區別，加工能力各有側重。但是在整體上是有機結合、相互補充的實驗室群，這個群應該有這樣的共性：采用矢量化的建模軟件進行數字化建模，然后對模型進行分析解構，對應不同材料、不同的結合方式采用不同的數字化加工手段進行加工制作，根據加工過程中出現的不同狀況，在專業實驗老師的指導下，及時調整制作材料和工藝，最后達到創意變成實物的過程。
硬件建設分為兩部分：場地的選擇及規劃、設備的選型及搭配。
2.1 場地的規劃和選擇
場地的規劃要考慮加工材料的類別特性及水、電、氣的配套和分布，特別需要注意的是供電要考慮負荷，要請專業的電氣工程師結合使用的設備型號幫助計算負荷，如不滿足，要及時改造供電線路，不能等設備入場后才開始動工[1]。整體的規劃要有前瞻性，兼顧考慮設備的增減及更新換代。每個實驗室在空間整體上規劃出設備置放區、設備操作區、公共通道區、獨立工作區等幾部分來規范學生的使用。不同加工設備的實驗室還要有所側重：如激光切割實驗室要注意廢氣的無毒害處理及排放、精雕實驗室要注意各種材料粉塵的收集及處理、三維打印實驗室要特別注意保持空間溫度和濕度的恒定。
2.2 設備的選型及搭配
設備的選型要根據學生的實際需求，要充分考慮加工材料多樣性，材料可總體歸類為這五大類：木質材料、塑料材料、金屬材料、有機材料和無機材料。木質材料包括：實木板材、人造板等；塑料材料包括：PVC、有機玻璃、ABS等；金屬材料包括：銅、鋁、不銹鋼等；有機材料包括：紙、布、皮、革等；無機材料包括：石膏、玻璃等。如何對這五大類材料進行數字化加工，顯然不是一類設備所能夠勝任的，經過廣泛的市場調研和考察，我們選擇了以下設備：精雕機（數控機床）、激光切割機、等離子切割機、三維掃描儀、三維打印機、uv打印機等數字化的現代加工設備。不同設備的加工能力有所側重，精雕機（數控機床）通過小刀具高度旋切和精密進給，可以對木質材料、塑料材料、金屬材料以及石膏等無機材料實現雕刻和銑削的高精度加工；激光切割機利用高功率密度的激光束，作用于材料表面，使其吸收激光能量而發生熔化、氣化，達到切斷材料的目的，根據激光管的類型和功率大小，可以切割紙、布、皮、革、有機玻璃、不銹鋼板材等材料；等離子切割是利用高溫等離子電弧產生的熱量使工件切口處局部瞬間熔化或蒸發，并借助高速等離子的動量排除熔融金屬以形成切口的一種加工方法，可以加工銅板、鋁板和不銹鋼板。三維打印是一種增材制造技術，對數字模型進行空間分層，最后以不同的平面加工技術，對所有數據切片逐層“打印”繼而壘積實現整體造型，[2]所用材料必須與設備相匹配，有ABS、PLA、光敏樹脂和粉末等。UV打印利用免制版全彩色數碼印刷技術，可以在木質材料、塑料材料、金屬材料等表面進行彩色照片級印刷。以上這些現代數字化設備有機組合、相互補位、取長補短，形成具有強大加工能力的數字化模型輸出實驗室，滿足大部分學生的實驗需求。
在數字化模型輸出實驗室群塊中，各個實驗室的設備配備如下，工作站實驗室：配備高性能的電腦、投影設備；精雕實驗室：配備三軸為主，五軸為輔的精雕設備，在設備加工尺寸上，大中小的型號配備比例為1∶2∶4；激光實驗室：配備金屬激光切割機、非金屬激光切割機和激光打標機；三維打印實驗室：配備全彩粉末三維打印機、光敏樹脂三維打印機、PLA及ABS桌面機；三維掃描實驗室：配備固定式三維掃描儀和手持式三維掃描儀。綜合實驗室：除了配備以上實驗室的單件設備外，加上等離子切割機和uv打印機。
實踐證明，這樣的實驗室布局及設備配備，有利于學生根據加工材料的特性迅速找到相應的實驗室進行創作。
3 數字化模型輸出實驗室的軟件建設
實驗室的硬件建設完成后，軟件建設就尤為重要。實驗室軟件建設分為：規章制度的確立、實驗指導老師隊伍的建設、實驗教學課程建設、構建學研產一體的開放式教學平臺。
3.1 規章制度的確立
實驗室軟件建設的第一要務就是規章制度的制定并執行。古人云：沒有規矩，不成方圓。結合數字化模型輸出實驗室的實際情況，制定相匹配的規章制度。具體來說，首先是安全制度，保障師生的安全是最重要的，學生進入實驗室前，必須進行安全制度的培訓，培訓完成后，進行相應的測試，測試合格后，才有資格進入實驗室。進入實驗室后，有專業的實驗室老師對學生進行每一種設備的安全培訓，讓學生了解每種設備的危險點：比如精雕機工作狀態時，刀具每秒15000轉的速度，具有強大的切削能力，禁止觸碰；激光切割機、等離子切割機在切割材料時產生極高亮度的光束，禁止直視。其次是實驗設備使用制度：所有設備使用前，一定要進行使用培訓，并不是所有設備都能讓學生操作，一些設備規定只有實驗室老師才能操作使用。其他如實驗室使用預約制度、實驗室設備維護保養制度等要相應配套。一系列制度的確立并嚴格執行，是為了保障學生的安全，為實驗的順利進行保駕護航。
3.2 實驗室指導老師隊伍的建設
設備是基礎，實驗室老師是關鍵。實驗室指導老師的水平直接影響設備的使用效率和最終成品的效果，結合學校招聘規則，構建以老帶新，以新為中堅力量的實驗室師資隊伍模式。在我們實驗室既有碩士文憑的實驗師，也有社會上招聘的具有多年設備實操經驗的技工，還有專業的實驗室管理人員。實驗師學歷高，課本理論知識扎實，實際操作經驗較少。技工普遍學歷不高，但是實踐經驗豐富，操作能力強。在實際的實驗教學過程中，以老帶新，技工向年輕老師傳授實踐經驗，年輕老師將經驗歸納總結，形成系統知識，方便傳授學生。
在崗位晉升發展方面，完善實驗室一線教師的評聘體系，打開上升通道，鼓勵其不斷發展，確保實驗室師資隊伍的良性發展和穩定性。
3.3 實驗教學課程建設
為了讓學生盡快掌握數字化模型輸出實驗室的使用方法，我們編寫了相應的課程，課程名稱為《材料特性和數字化加工工藝》，通過理論學習、軟件學習、實際操作練習這三部分的訓練來完成這個課程的學習。理論學習內容方面：了解不同材料的裝飾特性和加工特性；軟件學習內容方面：平面軟件如ai、cad、CorelDRAW，三維軟件如3dmax、犀牛、Pro/Engineer等，熟練掌握一到兩款軟件；實際操作內容包括：各種設備的啟動，控制及加工的性能。
在理論學習教學方法上：開設全校范圍的專業選修課和專業必修課，采用大課堂ppt演示教學；對于軟件的教學：由于按照各個軟件操作順序和合理使用對應命令是學習的關鍵點，因此我們采用課堂實例講解加屏幕視頻錄制方法進行授課，課堂上保證學生的聽課效率，隨堂練習并解答，課后學生可隨時上網瀏覽課堂講解內容，定點復習及時消除知識盲點；在實際操作教學方面：采用現代多媒體手段輔助教學，在不同設備的操作演示過程中，多機位錄制現場視頻，經過剪輯后每個視屏時間控制在3 ～ 4分鐘，在這個時間段里包含一到兩個操作要點和注意事項，制作好后放在網上及群中，可供學生利用碎片化時間進行預習和復習、進一步加深理解。
3.4 構建學研產一體的開放式教學平臺
在實際的教學過程中，建設學校、研究所、產業合作互補的模式。近幾年數字化模型制作技術發展迅速，設備功能越來越完善，在市場前沿的研究所及產業力量的加入，能進一步完善和提高高校實驗室的綜合實力，給予學生更好的學習體驗。通過定期邀請行業專家及一線高級工程師進校開展工作坊形式的短期課程的教學，進行頭腦風暴，激發學生的創造力，進一步提高其實踐能力。
4 結語
在20世紀初，包豪斯在“技術與美學統一”教學理念指引下對“實驗教學”進行了深入的研究，我們認為這不僅是停留在歷史觀的層面而是面向現在與未來的，如今已經有越來越多的藝術類高校認識到藝術設計教育中“藝術與技術的統一”、“理論教學與實驗教學的統一”這兩大規律的重要性[3]。因此，根據各個藝術類高校的實際情況，建設適合自身發展需求的數字化模型輸出實驗室，通過一系列實驗室規章制度的設置、深化實驗實踐中總結的配套課程、組建兼具理論知識與實際操作能力的教學隊伍、構建學研產一體的開放式教學平臺，讓現代的數字化設備為學生創意服務，努力把學生培養成為“心手合一”的創意人才，是藝術類高校的職責所在，也是這個時代的大勢所趨。
參考文獻：
[1] 李娟.高校設計藝術實驗室建設與管理研究[J].實驗科學與技術，2014，12（6）：208.
[2] 徐鋒.三維打印技術研究[J].機械制造與自動化，2015，44（1）：98-101.
[3] 吳屹.中國當代藝術設計學科實驗教學體系研究[D].杭州：中國美術學院，2011.
