基于Arduino開源平臺的地方高校“產(chǎn)品設(shè)計實踐”課程體系構(gòu)建與改革

陶 俊 姚善良

（武漢工程大學(xué) 藝術(shù)設(shè)計學(xué)院,湖北武漢 430000）

行業(yè)的發(fā)展催生學(xué)科的轉(zhuǎn)型，與傳統(tǒng)設(shè)計相比，現(xiàn)代設(shè)計正從產(chǎn)品設(shè)計轉(zhuǎn)向人工智能、機器人、品牌戰(zhàn)略、商業(yè)模式、信息交互、產(chǎn)業(yè)整合等要點的一體化服務(wù)[1]。產(chǎn)業(yè)智能化是制造業(yè)轉(zhuǎn)型的主要方向。設(shè)計學(xué)科具備跨學(xué)科屬性，產(chǎn)品設(shè)計實踐課程作為產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)實踐教學(xué)的核心課程，要求綜合運用設(shè)計美學(xué)、材料、人機工程、系統(tǒng)設(shè)計等課程知識的原理，系統(tǒng)性的完成設(shè)計任務(wù)。該實踐課程注重與機械學(xué)科的結(jié)合，依托各種工程實踐中心，已經(jīng)能夠?qū)Ξa(chǎn)品的外形和結(jié)構(gòu)的合理性進行驗證，但缺乏與電子信息專業(yè)的深入結(jié)合，對產(chǎn)品電子功能的驗證較少，導(dǎo)致專業(yè)培養(yǎng)無法滿足當(dāng)前產(chǎn)業(yè)智能化轉(zhuǎn)型對人才的要求。本文利用開源單片機平臺Arduinо對產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計實踐課程進行改革與創(chuàng)新，主要從課程目標(biāo)、教學(xué)過程和結(jié)果評價三個方面來展開。

一、地方高校產(chǎn)品設(shè)計實踐課程教學(xué)現(xiàn)狀

（一）課程教學(xué)模式單一

受限于設(shè)備、技術(shù)及經(jīng)費，地方高校的產(chǎn)品設(shè)計實踐教學(xué)過程，往往采用理論講解+學(xué)生完成設(shè)計任務(wù)的模式[2]，課程作業(yè)以設(shè)計表現(xiàn)為主，缺乏實現(xiàn)途徑，使得該課程設(shè)計作品與產(chǎn)品之間的關(guān)鍵銜接作用很難發(fā)揮，無法真正地將所學(xué)知識應(yīng)用到實際情境中，作品往往具備藝術(shù)性，而缺乏可實現(xiàn)性。

（二）跨學(xué)科結(jié)合不充分

當(dāng)前該課程教學(xué)存在跨學(xué)科不足的現(xiàn)象，學(xué)生缺乏工程技術(shù)知識和實踐，導(dǎo)致缺乏對產(chǎn)品使用功能的開發(fā)研究[3]，普遍依托工程實踐中心進行實踐，局限在機械加工、快速成型等領(lǐng)域，能夠完成對外觀的驗證，缺乏對產(chǎn)品功能的驗證，需要和工程學(xué)更進一步結(jié)合。電子信息技術(shù)作為當(dāng)前產(chǎn)業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的重要基礎(chǔ)，該部分的缺失會阻礙學(xué)科的發(fā)展。

（三）課程評價不全面

課程評價涉及多個方面，包括創(chuàng)意、設(shè)計思維、技術(shù)應(yīng)用、設(shè)計表達、團隊合作等，現(xiàn)有的評價指標(biāo)過于片面，無法全面評估學(xué)生這些方面的能力和表現(xiàn)。通常采用的大作業(yè)互評、答辯的方式偏重于理論知識和設(shè)計表現(xiàn)，忽視了解決實際問題的能力。課程評價要和課程目標(biāo)完全契合，要隨著課程目標(biāo)的優(yōu)化而調(diào)整。

二、以產(chǎn)品為導(dǎo)向的產(chǎn)品設(shè)計實踐課程內(nèi)容創(chuàng)新

（一）課程目標(biāo)創(chuàng)新

當(dāng)前的課程目標(biāo)能夠指導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成良好的藝術(shù)素養(yǎng)，較強的設(shè)計表達能力，但不能匹配當(dāng)前行業(yè)發(fā)展變革對人才培養(yǎng)的知識要求。應(yīng)該明確課程創(chuàng)新的方向：作品導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品導(dǎo)向，關(guān)注行業(yè)發(fā)展趨勢，與企業(yè)合作或邀請專業(yè)人士指導(dǎo)，確保課程目標(biāo)和行業(yè)需求相匹配且時效性強，同時應(yīng)該明確知識、技能各模塊的占比。

（二）課程平臺創(chuàng)新

教學(xué)過程需要創(chuàng)新，以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和實踐能力，體現(xiàn)在教學(xué)方法、學(xué)習(xí)資源、實踐平臺等多個方面。開設(shè)跨學(xué)科的課程模塊或合作項目，可以讓學(xué)生從不同領(lǐng)域的知識和方法中汲取靈感和啟發(fā)，結(jié)合新興技術(shù)，有針對性地應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計實踐中，提供更豐富的設(shè)計工具和實現(xiàn)手段。

智能硬件伴隨著計算機和傳感器技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生[4]。智能硬件原型的設(shè)計與制作需要計算機、電子、機械、設(shè)計等專業(yè)的協(xié)作。本課程改革與電子技術(shù)深入融合，基于開源單片機平臺Arduinо，進行智能硬件原型的設(shè)計與制作，彌補了當(dāng)前設(shè)計實踐課程中電子技術(shù)的缺失。

Arduinо是基于開放源代碼的單片機平臺，使用類似Jаvа、CC++語言的開發(fā)環(huán)境，可以和FlаshPrосеssingMSP等軟件通過串口進行交互。該平臺簡化了單片機的工作流程，使用者掌握基礎(chǔ)的電路知識和編程原理之后，通過簡單的練習(xí)，了解引腳連接的規(guī)律、函數(shù)的作用，便可以進行設(shè)計與產(chǎn)品開發(fā)原型制作[5]。Arduinо通過端口連接的傳感器輸入環(huán)境數(shù)據(jù)，通過程序運算，控制LED、電機、藍牙、顯示屏等輸出設(shè)備，從而對輸入數(shù)據(jù)進行反饋，并影響環(huán)境。

課程教學(xué)引入該平臺讓學(xué)生掌握智能硬件的知識，通過電子元器件性能、單片機平臺、軟件編程的學(xué)習(xí)，基于工程思維開展設(shè)計實踐活動，從而完成智能產(chǎn)品設(shè)計制作的過程，還能培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題和團隊協(xié)作的能力，豐富學(xué)生工程技術(shù)知識體系。

（三）課程評價創(chuàng)新

設(shè)計專業(yè)實踐課程的評價，除了本專業(yè)的知識，還需要就學(xué)生跨學(xué)科的知識學(xué)習(xí)和應(yīng)用進行評價[6]。本課程的評價體系可以引入多個評估指標(biāo)，包括創(chuàng)新性、功能性、可靠性、可制造性等方面，全面的評估學(xué)生的實際能力和綜合素質(zhì)。產(chǎn)品設(shè)計實踐課程評價體系的創(chuàng)新和改革是必要的，可以更全面地評估學(xué)生的能力和發(fā)展，激發(fā)學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，與行業(yè)需求相匹配。

三、產(chǎn)品設(shè)計實踐課程改革實施過程

（一）模塊化目標(biāo)制定

本課程分為基礎(chǔ)（12學(xué)時）、技能實訓(xùn)（28學(xué)時）、設(shè)計實踐（2周）三大模塊，循序漸進的開展教學(xué)活動。

基礎(chǔ)模塊教學(xué)目標(biāo)：使學(xué)生熟練掌握智能硬件相關(guān)的編程和電路知識。掌握基本的電路知識才能將傳感器和配件正確地進行連接，基礎(chǔ)的硬件和軟件知識不僅是本課程的要求，也是產(chǎn)業(yè)智能化的發(fā)展需要。

技能實訓(xùn)模塊的目標(biāo)：掌握各輸入、輸出設(shè)備的技術(shù)原理和使用方法。使學(xué)生具備選擇器件完成設(shè)計的能力。養(yǎng)成設(shè)計需求到器件選擇的正向研發(fā)邏輯思維，提升設(shè)計的可行性。

設(shè)計實踐模塊的目標(biāo)：運用兩個以上傳感器模塊完成智能產(chǎn)品設(shè)計項目。引入智能硬件原型設(shè)計的原理來進行設(shè)計實踐，產(chǎn)品設(shè)計融合電子信息的技術(shù)要求，實現(xiàn)產(chǎn)品交互功能。

（二）過程-電子信息+產(chǎn)品設(shè)計跨學(xué)科能力提升方案

1.基礎(chǔ)模塊

基礎(chǔ)模塊采用理論講授為主的教學(xué)方法，采取課堂講授和課下鞏固練習(xí)相結(jié)合的模式?？紤]到產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)學(xué)生理工科基礎(chǔ)較薄弱的特點，需要優(yōu)化教學(xué)手段。運用電路圖設(shè)計軟件Fritzing進行電路圖繪制，軟件器件庫中包含大量的常規(guī)電器器件的實物模型和Arduinо器件庫。對于缺乏電子學(xué)專業(yè)知識的設(shè)計專業(yè)學(xué)生，比傳統(tǒng)的電路原理圖更容易識別不同的元器件，理解電路的原理。此模塊要求學(xué)生掌握Arduinо平臺的各功能區(qū)域的主要作用，與此同時，強化電子技術(shù)的實操能力，掌握基本的排除故障和電路糾錯的能力。

針對產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)工科基礎(chǔ)薄弱的特點，基礎(chǔ)模塊強調(diào)軟件和編程知識的實用性而非原理性。

軟件方面，選用Arduinо IDE作為燒錄工具。程序語法的學(xué)習(xí)主要包括數(shù)據(jù)類型、程序函數(shù)以及程序結(jié)構(gòu)三部分。針對產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域，主要知識框架如表1所示：

表1 程序設(shè)計知識框架圖

通過以上課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠達到讀懂軟件程序結(jié)構(gòu)，并能編寫簡單的邏輯程序并匹配正確的電路連接，軟件編程和電路連接也作為課程考核的內(nèi)容之一。

2.技能實訓(xùn)模塊

技能實訓(xùn)模塊包含26個基礎(chǔ)實驗，將數(shù)據(jù)顯示、環(huán)境感知、無線遙控等傳感器模塊按照電學(xué)性能分為數(shù)字輸入、模擬輸入、輸出設(shè)備三類。Arduinо對輸入數(shù)據(jù)進行運算處理，控制輸出引腳的數(shù)字信號、模擬信號來控制燈光、蜂鳴器、電機、藍牙等輸出設(shè)備。

通過以上設(shè)備的基礎(chǔ)原理實驗，掌握器件的尺寸、電子、結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用Arduinо軟硬件平臺進行控制，特別是傳感器現(xiàn)象觸發(fā)的條件以及結(jié)構(gòu)固定的方式。選用的器件決定了產(chǎn)品的功能，這也是企業(yè)端技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵步驟，著重培養(yǎng)學(xué)生的完成實際項目的能力，訓(xùn)練工程思維。此模塊要多利用頭腦風(fēng)暴進行創(chuàng)意嘗試，基于傳感器硬件進行產(chǎn)品功能的創(chuàng)意設(shè)計和整合，對于后續(xù)設(shè)計實踐活動中完成產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要。功能的創(chuàng)新必須依托器件的現(xiàn)狀來進行，讓工程技術(shù)支撐創(chuàng)新創(chuàng)意，提高產(chǎn)品的可實現(xiàn)性。

3.以產(chǎn)品為導(dǎo)向的設(shè)計實踐模塊

設(shè)計實踐環(huán)節(jié)采用以產(chǎn)品為導(dǎo)向的項目制教學(xué)模式，以智能硬件設(shè)計與制作的要求進行實踐活動。區(qū)別傳統(tǒng)模型制作課程側(cè)重在外形和結(jié)構(gòu)的層面，采用由里及外的模式，以產(chǎn)品硬件交互功能為核心向外擴展設(shè)計外形和結(jié)構(gòu)，不僅鍛煉了學(xué)生的工程思維，還提高了設(shè)計的可行性。

模擬制造型企業(yè)研發(fā)崗位的職責(zé)分工，工業(yè)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路設(shè)計為三大主要模塊。設(shè)計實踐開展的流程如下：首先，基于Arduinо平臺和配套傳感器進行功能設(shè)計；再根據(jù)功能要求進行交互原型制作；最后進行產(chǎn)品外觀和結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作。模擬企業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)流程，由內(nèi)及外，基于技術(shù)原理完成設(shè)計實踐。

交互原型制作的環(huán)節(jié)，關(guān)鍵在于器件的選擇、Arduinо硬件的調(diào)試及功能的優(yōu)化。功能設(shè)計合理性的評估原則是基于硬件和軟件的統(tǒng)一，硬件賦予產(chǎn)品智能化的同時限制著設(shè)計的自由度。主要體現(xiàn)在器件的空間尺寸以及固定方式，越早的評價反饋閉環(huán)機制的形成越有利于提高效率。

產(chǎn)品設(shè)計從宏觀方向的把握轉(zhuǎn)變到微觀設(shè)計細(xì)節(jié)的控制，Arduinо平臺作為跨學(xué)科實踐的橋梁，能夠快速地讓設(shè)計師了解工程思維，從而達到提升設(shè)計質(zhì)量的目的。

作品要求具備一定創(chuàng)新性，同時要實現(xiàn)智能交互功能，可采取積木搭建、手工制作、3D打印等方式實現(xiàn)。種類可以包含趣味玩具、智能擺件、智能燈具等。以產(chǎn)品實物展示效果為主要評價指標(biāo)，并通過材料構(gòu)成清單（BOM表）的編寫樹立對產(chǎn)品開發(fā)的成本意識。

（三）電路實操+編程+智能硬件原型制作相結(jié)合的系統(tǒng)評價

跨學(xué)科的課程由于課程內(nèi)容的復(fù)雜性需要升級優(yōu)化評價系統(tǒng)。

首先，需要引入工科思維對實踐活動進行評價。為了保證這種跨學(xué)科教學(xué)活動的客觀性，評價形式需要具備多元性。傳統(tǒng)教學(xué)多采用的小組進展匯總、學(xué)習(xí)日志等展示形式并不能完整展示學(xué)生對此類實踐活動的教學(xué)成果。本課程模擬電子信息專業(yè)的軟硬件搭建考核，有利于考核學(xué)生對于硬件平臺的掌握和控制程度，采用閉卷的方式進行程序編譯和電路搭建，學(xué)生通過程序的運行和電路搭建并最終展示出實驗現(xiàn)象，考核范圍包括Arduinо平臺的經(jīng)典程序案例：①LED流水燈程序；②PWM調(diào)光程序；③LED貼片呼吸燈程序；④電位器調(diào)節(jié)舵機旋轉(zhuǎn)程序；⑤按鍵計數(shù)程序；⑥紅外熱釋電報警等。這幾種程序和電路原理通用性較強，能較客觀反映出學(xué)生對知識的掌握程度。

其次，評價主體需要具備多元性，不局限在課堂上老師和學(xué)生雙方來完成效果的評價。盡管教師角度所進行的實踐活動評價更具宏觀性，但受限于專業(yè)壁壘以及自身研究方向的局限性，課程內(nèi)容的更新往往滯后于行業(yè)的前沿發(fā)展。一線教師在完成課堂教學(xué)的同時需要深入行業(yè)一線深造，實踐項目需要與時俱進，教學(xué)設(shè)計與橫向科研高度契合，課程的評價過程邀請企業(yè)工程師，資深設(shè)計師，避免出現(xiàn)“閉門造車”的現(xiàn)象。

最后，課程最終形成了一套以智能硬件交互原型（實物）為展示核心，個人軟件編程和電路搭建為輔的評價體系。與此同時，傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計項目實踐中對于功能的創(chuàng)新、外形的美感且符合設(shè)計心理學(xué)、人機工程學(xué)等的要求，仍然作為本課程實踐成果評價的重要指標(biāo)。各模塊評價占比如表2所示：

表2 評價系統(tǒng)占比

總結(jié)

本課程模式經(jīng)過兩年的教學(xué)實踐，已經(jīng)形成了一套完善的教學(xué)體系，很好地銜接了設(shè)計理論課程和專業(yè)實習(xí)實踐，豐富了設(shè)計實踐課程的跨學(xué)科知識，并取得了不錯的教學(xué)成果。以產(chǎn)品為導(dǎo)向的設(shè)計實踐模式更接近于技術(shù)導(dǎo)向的實際研發(fā)過程，由硬件原理延伸到設(shè)計實踐的流程旨在訓(xùn)練學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ趟季S和實踐能力，而非對傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計流程的顛覆。在筆者所在院校，學(xué)生通常能完成靜態(tài)的硬件交互產(chǎn)品，機械動態(tài)方案完成度較低。另一方面，任課教師需要具備扎實設(shè)計學(xué)、工學(xué)的理論和實踐經(jīng)驗，而且需要不斷更新知識，深入企業(yè)一線為課堂不斷帶來與時俱進的實際項目。