工業設計專業智能硬件應用課程教學改革與實踐

張超 黃鈞宇

關鍵詞：工業設計專業;智能硬件應用課程;教學改革;實踐

智能時代，工業設計的內涵和外延發生了重大變化，其研究范圍從一般的日用產品、 機電產品、數碼產品等向智能產品擴大的趨勢明顯[1-2]，同時為工業設計人才培養帶來了新的挑戰和機遇[3]。加快智能硬件應用基礎課程改革建設，對培養適應時代發展要求的工業設計人才具有重要意義。

1 工業設計專業智能硬件應用課程概述

工業設計專業智能硬件應用課程旨在培養學生對新技術的興趣，切身理解軟硬件結合的設計技術原理。課程通過學習Arduino 開發環境，掌握典型軟硬件交互原型開發技術，培養學生的邏輯性編程思維能力和動手能力。通過貫穿在具體開源硬件技能學習背后的傳感技術、信號處理、電工學、面向對象的編程等若干知識點的科普式講述，讓學生初步了解交互性產品的“功能黑箱”，鍛煉學生的動手實踐能力，并對開源硬件、創客及眾籌等當今社會創新趨勢加深了解，端正學習態度，明確學習方向。

近年來，許多公司投入大量資本和人力物力研發智能硬件產品，給工業設計帶來新的發展契機，大批優秀的工業設計師參與了智能硬件的研發。在社會需求的驅動下，同濟大學、浙江大學、北京理工大學和華南理工大學等高校在工業設計專業開設智能硬件相關課程，并取得一定的研究成果[4-7]。智能硬件設備生產企業紛紛與一眾高校工業設計專業合作開展智能硬件相關課程研究或智能硬件工作坊，創作出一系列智能硬件相關作品。由于智能硬件應用課程在工業設計人才培養體系屬于新興課程，正處于探索發展階段，如何針對工業設計專業的特點和人才培養目標開展更高水平的教學，是課程教學研究和改革的重要問題。

2 工業設計專業智能硬件應用課程教學的現存問題

目前，各高校的智能硬件課程尚存在一些共性問題，比如學生的智能硬件技術基礎相對薄弱，現有教學偏重于現有智能硬件、傳感器技術的普及與應用，強調人機交互技術及某些基本功能的實現[8]。教學實踐成果多為類似“招財貓”“投籃機”“足球機器人”和“遙控避障小車” 等實現簡單交互的游戲裝置設計。

工業設計專業智能硬件應用課程從智能技術出發，雖然有利于學生對智能硬件基礎知識和實驗技能的掌握，但從教學內容和成果來看，工業設計專業本科生的特長和優勢并未展現出來，有創新性的、與市場需求接近的、體現工業設計專業特色的智能硬件教學成果并不多，與企業對工業設計人才的能力要求還有一定的差距。

3 工業設計專業智能硬件應用課程教學改革方法

針對以上分析，工業設計專業的智能硬件課程教學改革，需改變以往從開源硬件和傳感器技術的基礎知識理論到學習運用為主線的教學模式。在課程實施中，遵循工業設計流程，先從用戶需求出發，結合智能技術的發展過程、基本理論知識、案例分析和未來趨勢講解，幫助學生理解產品的前世今生、設計原則、宗旨和設計流程，講解當前社會的用戶需求與市場競爭情況，引導學生通過運用設計研究方法，如觀察法、訪談法、SET 因子分析、需求分析等獲得智能硬件產品創新的突破口，建立產品原型，再運用開源硬件技術進行功能實現，包括平臺搭建、核心部件選擇、程序設計以及最終功能樣機的制作等。改革有利于發揮工業設計專業的創新優勢，滿足市場需求和用戶喜好，同時有利于智能硬件產品成果的轉化和推廣。

4 工業設計專業智能硬件應用課程教學實踐

以下將以自平衡智能快艇設計實踐為例，從設計需求分析、造型及結構設計、技術測試、模型制作等方面闡述工業設計專業智能硬件應用課程教學的方法。

4.1 設計需求分析

船舶的穩定性是海洋航行和作業安全的一個極為重要的指標。通過對快艇行業的調研和分析發現，相對其他船舶而言，快艇尺寸較小，且往往需要在沖擊海浪、對抗海風和超高速行駛條件下進行，平衡問題極為重要。傳統快艇結構簡單難以應對海上各種不穩定因素，最常見的是海浪敲打和多變的海風讓漁船行駛不穩，保持快艇的平衡可以降低海上游玩的風險。

在技術上，利用ADXL345 數字傳感器、3D打印等，設計一款自平衡、自動控制行駛方向的多體智能快艇，能解決快艇在行駛過程中受到海浪沖擊造成的船體不平衡等問題。四個隨海浪起伏擺動的超大浮臺，可以使快艇主體平衡。折疊水翼的設計使快艇高速行駛過程中船體升離水面，減少海浪對船體的沖擊和阻力。

4.2 產品造型及結構設計

設計目標是設計一款小型、自平衡、抗風浪的智能多體快艇。設計靈感來源于水黽造型，具有超大的橫跨面積，當身體離開水面時，四個浮臺獨立控制，能隨著海浪上下擺動，保持快艇主體的平衡。折疊式水翼設計，在快速行駛時船體部分離開水面，四個浮臺隨著海浪上下擺動，從而保持快艇主體的平衡。經過方案改進和細節推敲，確定最終方案（見圖1）。

經過對水上飛機、船舶、快艇的結構分析，浮臺的設計，超大的橫跨面積，增大了穿快艇的穩定性。水翼部分利用流體力學的原理，采用可收放式設計，使快艇在行駛時船體離開水面。浮臺分別設有可折疊式履帶，快艇可在陸地上短途行駛。

4.3 產品智能硬件技術測試

在智能硬件技術應用上，利用ADXL345 數字加速器模塊，編寫程序，獲取X、Y、Z 軸數據，制作出原理模型進行測試。數字加速器模塊，可感知船體是否處于平衡狀態，相應調整四個浮臺的高低，保持快艇主體平衡。利用Solidworks 三維軟件進行原理建模，再利用3D 打印機制作實物模型，并進行原理測試（見圖2）。

4.4 3D 打印模型制作

實物模型利用3D 打印制作主體零件，利用PLA 塑料模具開模制作硅膠履帶，利用硅膠模具制作透明透明樹脂燈罩。經過熔接零件、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 軟件設計好履帶模具，然后用3D 打印機將模具打印出來，最后將硅膠注入模具當中，固化成型。透明燈罩部分，材質選擇透明樹脂，將硅膠調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。實物模型的展示架，采用透明PC 棒支撐模型，設計出法蘭底座，并將其固定在組裝好的展臺上，最終實物效果如圖3 所示。

5 結語

在智能硬件課程的教學設計中，應以探索具有創新性與實用性的智能硬件產品為目的，深層挖掘用戶需求，將用戶需求通過開源硬件等相關技術，有效地轉化為智能產品原型，才符合工業設計人才培養的目標。以往智能硬件課程過于強調技術實現，難以在工業設計實踐中運用。因此，在教學中應以工業設計方法為引導，以用戶研究與開源硬件創新應用為基礎進行交叉融合。并以構建全新用戶體驗的智能化生活場景為設計研究目標，形成從需求分析、用戶研究到智能硬件產品設計與原型制作全過程的能力訓練，對于培養新時代工業設計人才具有重要意義。