工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)智能硬件應(yīng)用課程教學(xué)改革與實(shí)踐

張超 黃鈞宇

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè);智能硬件應(yīng)用課程;教學(xué)改革;實(shí)踐

智能時(shí)代，工業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)涵和外延發(fā)生了重大變化，其研究范圍從一般的日用產(chǎn)品、 機(jī)電產(chǎn)品、數(shù)碼產(chǎn)品等向智能產(chǎn)品擴(kuò)大的趨勢(shì)明顯[1-2]，同時(shí)為工業(yè)設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇[3]。加快智能硬件應(yīng)用基礎(chǔ)課程改革建設(shè)，對(duì)培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展要求的工業(yè)設(shè)計(jì)人才具有重要意義。

1 工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)智能硬件應(yīng)用課程概述

工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)智能硬件應(yīng)用課程旨在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)新技術(shù)的興趣，切身理解軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)技術(shù)原理。課程通過(guò)學(xué)習(xí)Arduino 開(kāi)發(fā)環(huán)境，掌握典型軟硬件交互原型開(kāi)發(fā)技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯性編程思維能力和動(dòng)手能力。通過(guò)貫穿在具體開(kāi)源硬件技能學(xué)習(xí)背后的傳感技術(shù)、信號(hào)處理、電工學(xué)、面向?qū)ο蟮木幊痰热舾芍R(shí)點(diǎn)的科普式講述，讓學(xué)生初步了解交互性產(chǎn)品的“功能黑箱”，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，并對(duì)開(kāi)源硬件、創(chuàng)客及眾籌等當(dāng)今社會(huì)創(chuàng)新趨勢(shì)加深了解，端正學(xué)習(xí)態(tài)度，明確學(xué)習(xí)方向。

近年來(lái)，許多公司投入大量資本和人力物力研發(fā)智能硬件產(chǎn)品，給工業(yè)設(shè)計(jì)帶來(lái)新的發(fā)展契機(jī)，大批優(yōu)秀的工業(yè)設(shè)計(jì)師參與了智能硬件的研發(fā)。在社會(huì)需求的驅(qū)動(dòng)下，同濟(jì)大學(xué)、浙江大學(xué)、北京理工大學(xué)和華南理工大學(xué)等高校在工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)智能硬件相關(guān)課程，并取得一定的研究成果[4-7]。智能硬件設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)紛紛與一眾高校工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)合作開(kāi)展智能硬件相關(guān)課程研究或智能硬件工作坊，創(chuàng)作出一系列智能硬件相關(guān)作品。由于智能硬件應(yīng)用課程在工業(yè)設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)體系屬于新興課程，正處于探索發(fā)展階段，如何針對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)和人才培養(yǎng)目標(biāo)開(kāi)展更高水平的教學(xué)，是課程教學(xué)研究和改革的重要問(wèn)題。

2 工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)智能硬件應(yīng)用課程教學(xué)的現(xiàn)存問(wèn)題

目前，各高校的智能硬件課程尚存在一些共性問(wèn)題，比如學(xué)生的智能硬件技術(shù)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，現(xiàn)有教學(xué)偏重于現(xiàn)有智能硬件、傳感器技術(shù)的普及與應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)人機(jī)交互技術(shù)及某些基本功能的實(shí)現(xiàn)[8]。教學(xué)實(shí)踐成果多為類(lèi)似“招財(cái)貓”“投籃機(jī)”“足球機(jī)器人”和“遙控避障小車(chē)” 等實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單交互的游戲裝置設(shè)計(jì)。

工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)智能硬件應(yīng)用課程從智能技術(shù)出發(fā)，雖然有利于學(xué)生對(duì)智能硬件基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能的掌握，但從教學(xué)內(nèi)容和成果來(lái)看，工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)本科生的特長(zhǎng)和優(yōu)勢(shì)并未展現(xiàn)出來(lái)，有創(chuàng)新性的、與市場(chǎng)需求接近的、體現(xiàn)工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)特色的智能硬件教學(xué)成果并不多，與企業(yè)對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)人才的能力要求還有一定的差距。

3 工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)智能硬件應(yīng)用課程教學(xué)改革方法

針對(duì)以上分析，工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的智能硬件課程教學(xué)改革，需改變以往從開(kāi)源硬件和傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)理論到學(xué)習(xí)運(yùn)用為主線(xiàn)的教學(xué)模式。在課程實(shí)施中，遵循工業(yè)設(shè)計(jì)流程，先從用戶(hù)需求出發(fā)，結(jié)合智能技術(shù)的發(fā)展過(guò)程、基本理論知識(shí)、案例分析和未來(lái)趨勢(shì)講解，幫助學(xué)生理解產(chǎn)品的前世今生、設(shè)計(jì)原則、宗旨和設(shè)計(jì)流程，講解當(dāng)前社會(huì)的用戶(hù)需求與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)情況，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)運(yùn)用設(shè)計(jì)研究方法，如觀察法、訪(fǎng)談法、SET 因子分析、需求分析等獲得智能硬件產(chǎn)品創(chuàng)新的突破口，建立產(chǎn)品原型，再運(yùn)用開(kāi)源硬件技術(shù)進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)，包括平臺(tái)搭建、核心部件選擇、程序設(shè)計(jì)以及最終功能樣機(jī)的制作等。改革有利于發(fā)揮工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)，滿(mǎn)足市場(chǎng)需求和用戶(hù)喜好，同時(shí)有利于智能硬件產(chǎn)品成果的轉(zhuǎn)化和推廣。

4 工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)智能硬件應(yīng)用課程教學(xué)實(shí)踐

以下將以自平衡智能快艇設(shè)計(jì)實(shí)踐為例，從設(shè)計(jì)需求分析、造型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)測(cè)試、模型制作等方面闡述工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)智能硬件應(yīng)用課程教學(xué)的方法。

4.1 設(shè)計(jì)需求分析

船舶的穩(wěn)定性是海洋航行和作業(yè)安全的一個(gè)極為重要的指標(biāo)。通過(guò)對(duì)快艇行業(yè)的調(diào)研和分析發(fā)現(xiàn)，相對(duì)其他船舶而言，快艇尺寸較小，且往往需要在沖擊海浪、對(duì)抗海風(fēng)和超高速行駛條件下進(jìn)行，平衡問(wèn)題極為重要。傳統(tǒng)快艇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單難以應(yīng)對(duì)海上各種不穩(wěn)定因素，最常見(jiàn)的是海浪敲打和多變的海風(fēng)讓漁船行駛不穩(wěn)，保持快艇的平衡可以降低海上游玩的風(fēng)險(xiǎn)。

在技術(shù)上，利用ADXL345 數(shù)字傳感器、3D打印等，設(shè)計(jì)一款自平衡、自動(dòng)控制行駛方向的多體智能快艇，能解決快艇在行駛過(guò)程中受到海浪沖擊造成的船體不平衡等問(wèn)題。四個(gè)隨海浪起伏擺動(dòng)的超大浮臺(tái)，可以使快艇主體平衡。折疊水翼的設(shè)計(jì)使快艇高速行駛過(guò)程中船體升離水面，減少海浪對(duì)船體的沖擊和阻力。

4.2 產(chǎn)品造型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款小型、自平衡、抗風(fēng)浪的智能多體快艇。設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于水黽造型，具有超大的橫跨面積，當(dāng)身體離開(kāi)水面時(shí)，四個(gè)浮臺(tái)獨(dú)立控制，能隨著海浪上下擺動(dòng)，保持快艇主體的平衡。折疊式水翼設(shè)計(jì)，在快速行駛時(shí)船體部分離開(kāi)水面，四個(gè)浮臺(tái)隨著海浪上下擺動(dòng)，從而保持快艇主體的平衡。經(jīng)過(guò)方案改進(jìn)和細(xì)節(jié)推敲，確定最終方案（見(jiàn)圖1）。

經(jīng)過(guò)對(duì)水上飛機(jī)、船舶、快艇的結(jié)構(gòu)分析，浮臺(tái)的設(shè)計(jì)，超大的橫跨面積，增大了穿快艇的穩(wěn)定性。水翼部分利用流體力學(xué)的原理，采用可收放式設(shè)計(jì)，使快艇在行駛時(shí)船體離開(kāi)水面。浮臺(tái)分別設(shè)有可折疊式履帶，快艇可在陸地上短途行駛。

4.3 產(chǎn)品智能硬件技術(shù)測(cè)試

在智能硬件技術(shù)應(yīng)用上，利用ADXL345 數(shù)字加速器模塊，編寫(xiě)程序，獲取X、Y、Z 軸數(shù)據(jù)，制作出原理模型進(jìn)行測(cè)試。數(shù)字加速器模塊，可感知船體是否處于平衡狀態(tài)，相應(yīng)調(diào)整四個(gè)浮臺(tái)的高低，保持快艇主體平衡。利用Solidworks 三維軟件進(jìn)行原理建模，再利用3D 打印機(jī)制作實(shí)物模型，并進(jìn)行原理測(cè)試（見(jiàn)圖2）。

4.4 3D 打印模型制作

實(shí)物模型利用3D 打印制作主體零件，利用PLA 塑料模具開(kāi)模制作硅膠履帶，利用硅膠模具制作透明透明樹(shù)脂燈罩。經(jīng)過(guò)熔接零件、打磨、涂裝原子灰、手工噴漆工藝、零件組裝將模型制作完成。

硅膠履帶部分采用注塑方法，首先用SolidWorks 軟件設(shè)計(jì)好履帶模具，然后用3D 打印機(jī)將模具打印出來(lái)，最后將硅膠注入模具當(dāng)中，固化成型。透明燈罩部分，材質(zhì)選擇透明樹(shù)脂，將硅膠調(diào)配好倒入燈罩的模具中，等硅膠固化后取出燈罩硅膠模具，最后噴上高透明UV 膠制作完成。實(shí)物模型的展示架，采用透明PC 棒支撐模型，設(shè)計(jì)出法蘭底座，并將其固定在組裝好的展臺(tái)上，最終實(shí)物效果如圖3 所示。

5 結(jié)語(yǔ)

在智能硬件課程的教學(xué)設(shè)計(jì)中，應(yīng)以探索具有創(chuàng)新性與實(shí)用性的智能硬件產(chǎn)品為目的，深層挖掘用戶(hù)需求，將用戶(hù)需求通過(guò)開(kāi)源硬件等相關(guān)技術(shù)，有效地轉(zhuǎn)化為智能產(chǎn)品原型，才符合工業(yè)設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)的目標(biāo)。以往智能硬件課程過(guò)于強(qiáng)調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，難以在工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐中運(yùn)用。因此，在教學(xué)中應(yīng)以工業(yè)設(shè)計(jì)方法為引導(dǎo)，以用戶(hù)研究與開(kāi)源硬件創(chuàng)新應(yīng)用為基礎(chǔ)進(jìn)行交叉融合。并以構(gòu)建全新用戶(hù)體驗(yàn)的智能化生活場(chǎng)景為設(shè)計(jì)研究目標(biāo)，形成從需求分析、用戶(hù)研究到智能硬件產(chǎn)品設(shè)計(jì)與原型制作全過(guò)程的能力訓(xùn)練，對(duì)于培養(yǎng)新時(shí)代工業(yè)設(shè)計(jì)人才具有重要意義。