基于Arduino開源平臺的地方高校“產品設計實踐”課程體系構建與改革

陶 俊 姚善良

（武漢工程大學 藝術設計學院,湖北武漢 430000）

行業的發展催生學科的轉型，與傳統設計相比，現代設計正從產品設計轉向人工智能、機器人、品牌戰略、商業模式、信息交互、產業整合等要點的一體化服務[1]。產業智能化是制造業轉型的主要方向。設計學科具備跨學科屬性，產品設計實踐課程作為產品設計專業實踐教學的核心課程，要求綜合運用設計美學、材料、人機工程、系統設計等課程知識的原理，系統性的完成設計任務。該實踐課程注重與機械學科的結合，依托各種工程實踐中心，已經能夠對產品的外形和結構的合理性進行驗證，但缺乏與電子信息專業的深入結合，對產品電子功能的驗證較少，導致專業培養無法滿足當前產業智能化轉型對人才的要求。本文利用開源單片機平臺Arduinо對產品設計專業的產品設計實踐課程進行改革與創新，主要從課程目標、教學過程和結果評價三個方面來展開。

一、地方高校產品設計實踐課程教學現狀

（一）課程教學模式單一

受限于設備、技術及經費，地方高校的產品設計實踐教學過程，往往采用理論講解+學生完成設計任務的模式[2]，課程作業以設計表現為主，缺乏實現途徑，使得該課程設計作品與產品之間的關鍵銜接作用很難發揮，無法真正地將所學知識應用到實際情境中，作品往往具備藝術性，而缺乏可實現性。

（二）跨學科結合不充分

當前該課程教學存在跨學科不足的現象，學生缺乏工程技術知識和實踐，導致缺乏對產品使用功能的開發研究[3]，普遍依托工程實踐中心進行實踐，局限在機械加工、快速成型等領域，能夠完成對外觀的驗證，缺乏對產品功能的驗證，需要和工程學更進一步結合。電子信息技術作為當前產業智能化轉型的重要基礎，該部分的缺失會阻礙學科的發展。

（三）課程評價不全面

課程評價涉及多個方面，包括創意、設計思維、技術應用、設計表達、團隊合作等，現有的評價指標過于片面，無法全面評估學生這些方面的能力和表現。通常采用的大作業互評、答辯的方式偏重于理論知識和設計表現，忽視了解決實際問題的能力。課程評價要和課程目標完全契合，要隨著課程目標的優化而調整。

二、以產品為導向的產品設計實踐課程內容創新

（一）課程目標創新

當前的課程目標能夠指導學生養成良好的藝術素養，較強的設計表達能力，但不能匹配當前行業發展變革對人才培養的知識要求。應該明確課程創新的方向：作品導向轉變為產品導向，關注行業發展趨勢，與企業合作或邀請專業人士指導，確保課程目標和行業需求相匹配且時效性強，同時應該明確知識、技能各模塊的占比。

（二）課程平臺創新

教學過程需要創新，以提升學生的學習效果和實踐能力，體現在教學方法、學習資源、實踐平臺等多個方面。開設跨學科的課程模塊或合作項目，可以讓學生從不同領域的知識和方法中汲取靈感和啟發，結合新興技術，有針對性地應用于產品設計實踐中，提供更豐富的設計工具和實現手段。

智能硬件伴隨著計算機和傳感器技術的發展而產生[4]。智能硬件原型的設計與制作需要計算機、電子、機械、設計等專業的協作。本課程改革與電子技術深入融合，基于開源單片機平臺Arduinо，進行智能硬件原型的設計與制作，彌補了當前設計實踐課程中電子技術的缺失。

Arduinо是基于開放源代碼的單片機平臺，使用類似Jаvа、CC++語言的開發環境，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，使用者掌握基礎的電路知識和編程原理之后，通過簡單的練習，了解引腳連接的規律、函數的作用，便可以進行設計與產品開發原型制作[5]。Arduinо通過端口連接的傳感器輸入環境數據，通過程序運算，控制LED、電機、藍牙、顯示屏等輸出設備，從而對輸入數據進行反饋，并影響環境。

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

（三）課程評價創新

設計專業實踐課程的評價，除了本專業的知識，還需要就學生跨學科的知識學習和應用進行評價[6]。本課程的評價體系可以引入多個評估指標，包括創新性、功能性、可靠性、可制造性等方面，全面的評估學生的實際能力和綜合素質。產品設計實踐課程評價體系的創新和改革是必要的，可以更全面地評估學生的能力和發展，激發學生的主動性和創造性，與行業需求相匹配。

三、產品設計實踐課程改革實施過程

（一）模塊化目標制定

本課程分為基礎（12學時）、技能實訓（28學時）、設計實踐（2周）三大模塊，循序漸進的開展教學活動。

基礎模塊教學目標：使學生熟練掌握智能硬件相關的編程和電路知識。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，基礎的硬件和軟件知識不僅是本課程的要求，也是產業智能化的發展需要。

技能實訓模塊的目標：掌握各輸入、輸出設備的技術原理和使用方法。使學生具備選擇器件完成設計的能力。養成設計需求到器件選擇的正向研發邏輯思維，提升設計的可行性。

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

（二）過程-電子信息+產品設計跨學科能力提升方案

1.基礎模塊

基礎模塊采用理論講授為主的教學方法，采取課堂講授和課下鞏固練習相結合的模式。考慮到產品設計專業學生理工科基礎較薄弱的特點，需要優化教學手段。運用電路圖設計軟件Fritzing進行電路圖繪制，軟件器件庫中包含大量的常規電器器件的實物模型和Arduinо器件庫。對于缺乏電子學專業知識的設計專業學生，比傳統的電路原理圖更容易識別不同的元器件，理解電路的原理。此模塊要求學生掌握Arduinо平臺的各功能區域的主要作用，與此同時，強化電子技術的實操能力，掌握基本的排除故障和電路糾錯的能力。

針對產品設計專業工科基礎薄弱的特點，基礎模塊強調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。程序語法的學習主要包括數據類型、程序函數以及程序結構三部分。針對產品設計領域，主要知識框架如表1所示：

表1 程序設計知識框架圖

通過以上課程內容的學習，學生能夠達到讀懂軟件程序結構，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容之一。

2.技能實訓模塊

技能實訓模塊包含26個基礎實驗，將數據顯示、環境感知、無線遙控等傳感器模塊按照電學性能分為數字輸入、模擬輸入、輸出設備三類。Arduinо對輸入數據進行運算處理，控制輸出引腳的數字信號、模擬信號來控制燈光、蜂鳴器、電機、藍牙等輸出設備。

通過以上設備的基礎原理實驗，掌握器件的尺寸、電子、結構參數，使用Arduinо軟硬件平臺進行控制，特別是傳感器現象觸發的條件以及結構固定的方式。選用的器件決定了產品的功能，這也是企業端技術研發的關鍵步驟，著重培養學生的完成實際項目的能力，訓練工程思維。此模塊要多利用頭腦風暴進行創意嘗試，基于傳感器硬件進行產品功能的創意設計和整合，對于后續設計實踐活動中完成產品系統設計至關重要。功能的創新必須依托器件的現狀來進行，讓工程技術支撐創新創意，提高產品的可實現性。

3.以產品為導向的設計實踐模塊

設計實踐環節采用以產品為導向的項目制教學模式，以智能硬件設計與制作的要求進行實踐活動。區別傳統模型制作課程側重在外形和結構的層面，采用由里及外的模式，以產品硬件交互功能為核心向外擴展設計外形和結構，不僅鍛煉了學生的工程思維，還提高了設計的可行性。

模擬制造型企業研發崗位的職責分工，工業設計、結構設計、電路設計為三大主要模塊。設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計；再根據功能要求進行交互原型制作；最后進行產品外觀和結構的設計與制作。模擬企業產品的研發流程，由內及外，基于技術原理完成設計實踐。

交互原型制作的環節，關鍵在于器件的選擇、Arduinо硬件的調試及功能的優化。功能設計合理性的評估原則是基于硬件和軟件的統一，硬件賦予產品智能化的同時限制著設計的自由度。主要體現在器件的空間尺寸以及固定方式，越早的評價反饋閉環機制的形成越有利于提高效率。

產品設計從宏觀方向的把握轉變到微觀設計細節的控制，Arduinо平臺作為跨學科實踐的橋梁，能夠快速地讓設計師了解工程思維，從而達到提升設計質量的目的。

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

（三）電路實操+編程+智能硬件原型制作相結合的系統評價

跨學科的課程由于課程內容的復雜性需要升級優化評價系統。

首先，需要引入工科思維對實踐活動進行評價。為了保證這種跨學科教學活動的客觀性，評價形式需要具備多元性。傳統教學多采用的小組進展匯總、學習日志等展示形式并不能完整展示學生對此類實踐活動的教學成果。本課程模擬電子信息專業的軟硬件搭建考核，有利于考核學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，學生通過程序的運行和電路搭建并最終展示出實驗現象，考核范圍包括Arduinо平臺的經典程序案例：①LED流水燈程序；②PWM調光程序；③LED貼片呼吸燈程序；④電位器調節舵機旋轉程序；⑤按鍵計數程序；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，但受限于專業壁壘以及自身研究方向的局限性，課程內容的更新往往滯后于行業的前沿發展。一線教師在完成課堂教學的同時需要深入行業一線深造，實踐項目需要與時俱進，教學設計與橫向科研高度契合，課程的評價過程邀請企業工程師，資深設計師，避免出現“閉門造車”的現象。

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，傳統產品設計項目實踐中對于功能的創新、外形的美感且符合設計心理學、人機工程學等的要求，仍然作為本課程實踐成果評價的重要指標。各模塊評價占比如表2所示：

表2 評價系統占比

總結

本課程模式經過兩年的教學實踐，已經形成了一套完善的教學體系，很好地銜接了設計理論課程和專業實習實踐，豐富了設計實踐課程的跨學科知識，并取得了不錯的教學成果。以產品為導向的設計實踐模式更接近于技術導向的實際研發過程，由硬件原理延伸到設計實踐的流程旨在訓練學生形成嚴謹的工程思維和實踐能力，而非對傳統產品設計流程的顛覆。在筆者所在院校，學生通常能完成靜態的硬件交互產品，機械動態方案完成度較低。另一方面，任課教師需要具備扎實設計學、工學的理論和實踐經驗，而且需要不斷更新知識，深入企業一線為課堂不斷帶來與時俱進的實際項目。