学校开设有20余间实验室,包括国际领先的理化生实验室、大气环境检...
沈建+胡惠君+吴屹+何亚平
摘 要：随着艺术教育的不断深入，高校将艺术与科技的结合越来越紧密，大量课程对实体模型制作的要求也相应提高，如何利用先进的生产技术和设备仪器对学生的创意进行实物落地，是数字化模型输出实验室建设的初衷。本文以中国美术学院为例，结合作者多年实验室一线教学的经验，对数字化输出实验室的建设进行分析研究，具体从硬件和软件两方面进行剖析，旨在为其他高校提供切实可行的范本，希望起到抛砖引玉的效果。
关键词：数字化；模型输出；实验室建设
1 数字化模型输出实验室建设的现实意义
现今，大力发展文化创意产业已经成为社会各界的共识。浙江省文化产业发展“十三五”规划指出：把发展文化创意和设计服务作为助推高端制造业发展的重要突破口，增强文化创意与设计服务对相关产业的渗透提升和带动能力，推动实现从“浙江制造”向“浙江创造”转变。艺术类高校作为复合型、创意型人才输出的重要基地，改进教学培养模式，进一步提高学生的综合素质势在必行。实验室作为学生的第二课堂，在融合理论与实践方面有着不可取代的重要作用。如何建设真正满足学生需求、解决理论教学痛点的实验室是迫在眉睫的议题，本文以中国美术学院这些年对数字化模型输出实验室的建设实践为基础，结合作者多年实验教学的经验，从多个方面对实验室建设进行研究分析。
2 数字化模型输出实验室的硬件建设
由于艺术类高校学生创作实现材料的多样性，决定了数字化模型输出实验室建设过程中设备选型的丰富性，不能以一种加工工艺或者一类加工设备来建立实验室。结合多年的实验室一线教学的具体实践经验，我们认为建立实验室群更能适合学生的实验需求和创作落地。根据学生培养目标的要求，我们持续构建了工作站实验室、精雕实验室、激光实验室、三维打印实验室、三维扫描实验室、综合实验室等六大实验室有机组合的数字化模型输出实验室群，以群的形式破解艺术类高校师生的海量创意落地难的痛点、以群的强大现代科技支撑服务好艺术类学生的实验教学。
各个实验室单独来看，设备型号有所区别，加工能力各有侧重。但是在整体上是有机结合、相互补充的实验室群，这个群应该有这样的共性：采用矢量化的建模软件进行数字化建模，然后对模型进行分析解构，对应不同材料、不同的结合方式采用不同的数字化加工手段进行加工制作，根据加工过程中出现的不同状况，在专业实验老师的指导下，及时调整制作材料和工艺，最后达到创意变成实物的过程。
硬件建设分为两部分：场地的选择及规划、设备的选型及搭配。
2.1 場地的规划和选择
场地的规划要考虑加工材料的类别特性及水、电、气的配套和分布，特别需要注意的是供电要考虑负荷，要请专业的电气工程师结合使用的设备型号帮助计算负荷，如不满足，要及时改造供电线路，不能等设备入场后才开始动工[1]。整体的规划要有前瞻性，兼顾考虑设备的增减及更新换代。每个实验室在空间整体上规划出设备置放区、设备操作区、公共通道区、独立工作区等几部分来规范学生的使用。不同加工设备的实验室还要有所侧重：如激光切割实验室要注意废气的无毒害处理及排放、精雕实验室要注意各种材料粉尘的收集及处理、三维打印实验室要特别注意保持空间温度和湿度的恒定。
2.2 设备的选型及搭配
设备的选型要根据学生的实际需求，要充分考虑加工材料多样性，材料可总体归类为这五大类：木质材料、塑料材料、金属材料、有机材料和无机材料。木质材料包括：实木板材、人造板等；塑料材料包括：PVC、有机玻璃、ABS等；金属材料包括：铜、铝、不锈钢等；有机材料包括：纸、布、皮、革等；无机材料包括：石膏、玻璃等。如何对这五大类材料进行数字化加工，显然不是一类设备所能够胜任的，经过广泛的市场调研和考察，我们选择了以下设备：精雕机（数控机床）、激光切割机、等离子切割机、三维扫描仪、三维打印机、uv打印机等数字化的现代加工设备。不同设备的加工能力有所侧重，精雕机（数控机床）通过小刀具高度旋切和精密进给，可以对木质材料、塑料材料、金属材料以及石膏等无机材料实现雕刻和铣削的高精度加工；激光切割机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发生熔化、气化，达到切断材料的目的，根据激光管的类型和功率大小，可以切割纸、布、皮、革、有机玻璃、不锈钢板材等材料；等离子切割是利用高温等离子电弧产生的热量使工件切口处局部瞬间熔化或蒸发，并借助高速等离子的动量排除熔融金属以形成切口的一种加工方法，可以加工铜板、铝板和不锈钢板。三维打印是一种增材制造技术，对数字模型进行空间分层，最后以不同的平面加工技术，对所有数据切片逐层“打印”继而垒积实现整体造型，[2]所用材料必须与设备相匹配，有ABS、PLA、光敏树脂和粉末等。UV打印利用免制版全彩色数码印刷技术，可以在木质材料、塑料材料、金属材料等表面进行彩色照片级印刷。以上这些现代数字化设备有机组合、相互补位、取长补短，形成具有强大加工能力的数字化模型输出实验室，满足大部分学生的实验需求。
在数字化模型输出实验室群块中，各个实验室的设备配备如下，工作站实验室：配备高性能的电脑、投影设备；精雕实验室：配备三轴为主，五轴为辅的精雕设备，在设备加工尺寸上，大中小的型号配备比例为1∶2∶4；激光实验室：配备金属激光切割机、非金属激光切割机和激光打标机；三维打印实验室：配备全彩粉末三维打印机、光敏树脂三维打印机、PLA及ABS桌面机；三维扫描实验室：配备固定式三维扫描仪和手持式三维扫描仪。综合实验室：除了配备以上实验室的单件设备外，加上等离子切割机和uv打印机。
实践证明，这样的实验室布局及设备配备，有利于学生根据加工材料的特性迅速找到相应的实验室进行创作。
3 数字化模型输出实验室的软件建设
实验室的硬件建设完成后，软件建设就尤为重要。实验室软件建设分为：规章制度的确立、实验指导老师队伍的建设、实验教学课程建设、构建学研产一体的开放式教学平台。
3.1 规章制度的确立
实验室软件建设的第一要务就是规章制度的制定并执行。古人云：没有规矩，不成方圆。结合数字化模型输出实验室的实际情况，制定相匹配的规章制度。具体来说，首先是安全制度，保障师生的安全是最重要的，学生进入实验室前，必须进行安全制度的培训，培训完成后，进行相应的测试，测试合格后，才有资格进入实验室。进入实验室后，有专业的实验室老师对学生进行每一种设备的安全培训，让学生了解每种设备的危险点：比如精雕机工作状态时，刀具每秒15000转的速度，具有强大的切削能力，禁止触碰；激光切割机、等离子切割机在切割材料时产生极高亮度的光束，禁止直视。其次是实验设备使用制度：所有设备使用前，一定要进行使用培训，并不是所有设备都能让学生操作，一些设备规定只有实验室老师才能操作使用。其他如实验室使用预约制度、实验室设备维护保养制度等要相应配套。一系列制度的确立并严格执行，是为了保障学生的安全，为实验的顺利进行保驾护航。
3.2 实验室指导老师队伍的建设
设备是基础，实验室老师是关键。实验室指导老师的水平直接影响设备的使用效率和最终成品的效果，结合学校招聘规则，构建以老带新，以新为中坚力量的实验室师资队伍模式。在我们实验室既有硕士文凭的实验师，也有社会上招聘的具有多年设备实操经验的技工，还有专业的实验室管理人员。实验师学历高，课本理论知识扎实，实际操作经验较少。技工普遍学历不高，但是实践经验丰富，操作能力强。在实际的实验教学过程中，以老带新，技工向年轻老师传授实践经验，年轻老师将经验归纳总结，形成系统知识，方便传授学生。
在岗位晋升发展方面，完善实验室一线教师的评聘体系，打开上升通道，鼓励其不断发展，确保实验室师资队伍的良性发展和稳定性。
3.3 实验教学课程建设
为了让学生尽快掌握数字化模型输出实验室的使用方法，我们编写了相应的课程，课程名称为《材料特性和数字化加工工艺》，通过理论学习、软件学习、实际操作练习这三部分的训练来完成这个课程的学习。理论学习内容方面：了解不同材料的装饰特性和加工特性；软件学习内容方面：平面软件如ai、cad、CorelDRAW，三维软件如3dmax、犀牛、Pro/Engineer等，熟练掌握一到两款软件；实际操作内容包括：各种设备的启动，控制及加工的性能。
在理论学习教学方法上：开设全校范围的专业选修课和专业必修课，采用大课堂ppt演示教学；对于软件的教学：由于按照各个软件操作顺序和合理使用对应命令是学习的关键点，因此我们采用课堂实例讲解加屏幕视频录制方法进行授课，课堂上保证学生的听课效率，随堂练习并解答，课后学生可随时上网浏览课堂讲解内容，定点复习及时消除知识盲点；在实际操作教学方面：采用现代多媒体手段辅助教学，在不同设备的操作演示过程中，多机位录制现场视频，经过剪辑后每个视屏时间控制在3 ～ 4分钟，在这个时间段里包含一到两个操作要点和注意事项，制作好后放在网上及群中，可供学生利用碎片化时间进行预习和复习、进一步加深理解。
3.4 构建学研产一体的开放式教学平台
在实际的教学过程中，建设学校、研究所、产业合作互补的模式。近几年数字化模型制作技术发展迅速，设备功能越来越完善，在市场前沿的研究所及产业力量的加入，能进一步完善和提高高校实验室的综合实力，给予学生更好的学习体验。通过定期邀请行业专家及一线高级工程师进校开展工作坊形式的短期课程的教学，进行头脑风暴，激发学生的创造力，进一步提高其实践能力。
4 结语
在20世纪初，包豪斯在“技术与美学统一”教学理念指引下对“实验教学”进行了深入的研究，我们认为這不仅是停留在历史观的层面而是面向现在与未来的，如今已经有越来越多的艺术类高校认识到艺术设计教育中“艺术与技术的统一”、“理论教学与实验教学的统一”这两大规律的重要性[3]。因此，根据各个艺术类高校的实际情况，建设适合自身发展需求的数字化模型输出实验室，通过一系列实验室规章制度的设置、深化实验实践中总结的配套课程、组建兼具理论知识与实际操作能力的教学队伍、构建学研产一体的开放式教学平台，让现代的数字化设备为学生创意服务，努力把学生培养成为“心手合一”的创意人才，是艺术类高校的职责所在，也是这个时代的大势所趋。
参考文献：
[1] 李娟.高校设计艺术实验室建设与管理研究[J].实验科学与技术，2014，12（6）：208.
[2] 徐锋.三维打印技术研究[J].机械制造与自动化，2015，44（1）：98-101.
[3] 吴屹.中国当代艺术设计学科实验教学体系研究[D].杭州：中国美术学院，2011.
