ARDUINO驅動AUTOMATA與工業設計“新工科”專業核心知識能力培養

關鍵詞：工業設計；新工科；項目實踐；Automata；Arduino

引言

高等教育“新工科”建設，培養能夠運用新技術，了解新產業，服務新經濟，具備跨領域協作能力復合工程人才的改革目標下，對傳統專業知識能力有新的要求。當前智能制造背景下產品開發，工業設計協作多領域技術進程的專業職能，對機械、自動化、計算機等方面知識需有更多認識，相應能力也有更高要求。結合專業培養目標，探討圍繞上述知識能力應用的綜合實踐項目，成為工業設計“新工科”改革持續深化重要途徑。

一、工業設計“新工科”改革培養目標

工業設計協調社會文化與市場需求，服務技術在產品創新上應用的交叉性特點，相應“新工科”改革以培養能在技術情境中融合創新的復合型工程人才為目標[1]。教學內容突破專業既有知識能力體系，與智能制造、人工智能、大數據、移動互聯等新的技術、趨勢以及產業場景緊密聯系[2]，引導學生理解并掌握當前引領變革的各項技術中[3，4]，關注解決工程問題的實踐能力培養[5]。各種材料的增材制造技術已貫穿常規設計實踐各個階段[6]；結合開源硬件的原型制作培養學生在智能化方案構思的問題解決能力[7]；圍繞用戶體驗空間的智能交互、體驗決策和信息視覺化的技術知識變成專業協調人文與科技的教學和研究范疇[8]。

寧波工程學院機器人學院工業設計專業過去5 年跨學科“新工科”改造，結合行業職能，探討能適應當前技術趨勢的學生核心知識能力體系，作為人才培養內容[9]。如圖1 所示，除產品設計、設計思維、人機工程、造型能力、交互設計、社會理解、審美認知等專業常規范疇知識能力外，“掌握基于算法的造型生成和評估工具”是對當前AIGC 技術熱潮的回應，“原型制作”體現了設計綜合開源硬件編程、機構設計、加工設備操作等跨學科技術能力的“新工科”內容。

二、工業設計“做中學”的項目制培養

工業設計作為應用型專業，塑造學生能夠勝任行業產業需要的實踐能力，是人才培養主要目標。學生在項目實踐中發展能夠獨立從事行業實務的工作能力，提出面向實際的問題解決方案。工業設計專業教學不少課程，都以評估項目方案成效，作為實踐能力培養達成度的檢驗方式[10]。學生在項目實踐中將理論與實踐相結合，在教師評價和檢驗項目各階段作品成效中，建構專業知識能力體系[11]。實踐教學作為融合手工藝傳統的技術學習方式，在當前不斷變革的技術背景凸顯更大價值[12]。此外，工業設計專業教育教學研究關注學生創新能力培養，也以項目成效體現[13]。

工業設計專業培養方案課程中的項目可分為3 類：（1）側重技能培養的各種實踐，如圍繞表達技巧、模型制作、計算機輔助設計、開源硬件應用、AIGC 技術等技能習得的項目；（2）側重理論知識理解應用的實踐，如圍繞人機工程、文化語義、材料工藝等課程知識內容所組織的項目；（3）服務學生專業綜合能力養成的項目實踐，面向設計競賽或產業實際，如產品整合設計、社會實踐、畢業設計等教學環節[13，14]。

工業設計“新工科”建設背景下，當前很多學校都注重編程、開源硬件應用、機構設計、智能交互等技術內容教學[4，15]，可上述技術內容在直接影響學生技能養成的項目實踐卻應用不多。有關智能技術的知識能力跟社會文化理解一樣，在傳統項目實踐中，僅作為創新產品方案構思的技術資料，以圖表出現在效果圖版面，與專業改造期望相距甚遠。

三、Arduino驅動Automata實踐項目

（一）項目概況

Automata 以凸輪、齒輪、連桿、滑輪、軸承等各種機械機構，套用情景主題的裝置藝術，是機械、設計和展示的結合。Automata通過手搖曲柄或電機帶動組件運動，完成情景主題場景轉換和角色動作。Automata 因其互動性、趣味性、故事性等特征，吸引不少手工藝人、藝術家、設計師、工程師參與創作[16，17]，國內外線上平臺，都有活躍的作品和資料分享交流社群。Automata Magazine 是美國創建，始于2019 年的行業電子雜志，介紹全世界范圍Automata 創作的各種信息。清華大學基礎工業訓練中心近年將Automata 設計與制作，作為工科學生掌握加工設備操作、認識機械結構的學習內容。

開源電子原型平臺Arduino，通過程序控制傳感器與執行器，完成硬件和環境的互動，支持Java、C、Python、Scratch 等多種編程語言。因其便捷靈活、方便上手的特點，國內外很多高校工業設計專業，將Arduino 應用在《原型制作》《交互設計技術》《設計思維》等課程或專業實踐環節[18，19]。學生在編程與元器件串接中，掌握智能產品開發技術原理，拓展產品創新構思技術方向[20]。

圍繞“新工科”改造的技術學習人才培養目標，結合工業設計項目制教學模式，寧波工程學院機器人學院開設融合自動機械裝置Automata 與開源硬件Arduino 的工業設計綜合實踐項目。

（二）項目實踐過程

Arduino 驅動Automata 實踐項目融合情景構思、結構設計、編程控制、造型設計、設備加工操作等跨領域技術學習，服務作品創作進度，分四個階段展開。（1）構思階段，引導學生從生活情境、傳統文化、影視作品、藝術小品中尋找創作主題，圍繞所確定主題，查閱Automata 和機械原理的運動視頻，結合機構與Arduino 元器件，思考作品表現效果與交互形式。（2）創作階段，學生綜合造型、機構、交互形式等內容的資料檢索成效，選擇機構，設計方案，在工程軟件繪制方案造型與運動執行機構的三維模型，并完成機構運動仿真。（3）打樣測試階段，學生操作3D 打印機和激光切割機，運用模型制作的工具和材料，加工制作結構、外形和運動組件，選擇合適規格電機、舵機，接入Arduino 控制電路，編寫代碼，測試主要機構運動效果。（4）裝配調試階段，圍繞交互形式，指導學生裝配方案外觀與各執行組件，將紅外、超聲波、開關、藍牙模塊、遙控器、攝像頭、麥克風等元器件接入控制電路，結合計時器、聲音、燈光優化方案呈現效果，調試代碼，進行完善。如圖2 所示，項目實踐過程各階段，為完善作品不斷反復協調。

（三）項目實踐成果

過去5 年，寧波工程學院機器人學院工業設計學生，在Arduino驅動Automata 實踐項目中，圍繞主題構思與造型設計、Automata機械設計與運動仿真、加工制作與機構測試、Arduino 元器件串接與控制代碼編寫等技術學習內容，完成各種作品。如圖3 所示，項目成果有可控制人偶動作快慢的桌面樂隊，有反映小孩對獨居空間恐慌的想象小屋，有體現地域文化的占撲裝置，有能操控各種交通設施的虛擬城市，有還原撲翼動作的仿生機械鳥……

這些作品里圍繞特定情境的機構設計，先后獲得30 余項實用新型專利授權。上述綜合多領域技術應用的實踐成果，近些年在大學生機械設計競賽、中國高校智能機器人創意大賽、挑戰杯、機器人及人工智能大賽等學科競賽，獲得多個國家級和省級獎項。針對不同主題所完成的Arduino 驅動Automata 實踐項目作品，為機械設計、自動控制、人工智能等技術內容找到豐富而生動的應用場景，獲得各個領域專家認可，實現工業設計“新工科”人才培養的技術學習目標。

四、工業設計“新工科”核心知識能力培養成效研究

圖1 所示，工業設計“新工科”核心知識能力除技術學習外，還有產品設計執行能力，以及關聯人文素養的社會文化共情能力等內容。工業設計“新工科”改革以塑造學生工程能力與方案構思的技術整合能力為目標，普遍以產品智能化改造作為專業實務課程、課程設計、學科競賽等人才培養環節內容[21，22]，在結合技術驗證的方案構思中塑造學生能力。

Arduino 驅動Automata 實踐項目中，如圖3 各種作品所示，學生為表達所構思情景主題，探討Automata 機械裝置的展示及互動方式、結構布局、機構原型以及Arduino 元器件，完成結構設計、程序編寫、造型設計、加工制作、硬件串接等實踐內容。上述實踐內容是工業設計“新工科”技術學習的應用與檢驗，也體現設計思維、方案構思、造型設計、文化理解等工業設計常規知識能力的訓練。為此，探討Arduino 驅動Automata 實踐項目在工業設計學生“新工科”各個核心知識能力培養的具體成效，可作為反思與優化項目教學內容與組織方式的重要依據。

圍繞圖1 工業設計“新工科”核心知識能力，“產品設計”“設計思維”“原型制作”“人機工程”“造型能力”“美學語義心理”“交互設計”“社會責任”“基于算法的造型生成與評估”，設計判定能力培養成效由低到高的李克特7 點尺度問卷，評估產品智能化改造和Arduino 驅動Automata 兩個實踐項目在工業設計“新工科”核心知識能力培養的成效。表1 是工業設計“新工科”9 項核心知識能力文字描述，問卷獲得學生對兩類項目在各個知識能力培養成效狀況的調查數據，1 代表“毫無成效”、2 代表“成效較少”、3 代表“成效一般”、4 代表“有所成效”、5 代表“成效明顯”、6 代表“成效很明顯”、7 代表“成效非常突出”。 問卷面向寧波工程學院機器人學院工業設計專業五個年級55 名學生發放，2018-2020 三個年級學生已畢業，2021-2022 兩個年級為本專業大三和大四學生，以上學生都參與過問卷中兩個實踐項目。

五、分析討論

（一）數據分析

研究共回收問卷50 份，在SPSS 軟件中，導入問卷數據集，可靠性分析檢驗信度，因子分析檢驗效度，比較均值探討項目成效。表2 所示，Cronbach's Alpha 系數為.957gt;.7，問卷具有較好信度；表3 所示，KMO 值.809gt;.7，問卷效度較好。

表4 是50 份問卷數據均值，圖3 基于數據獲得兩類項目在知識能力培養成效上的雷達圖。圖4 雷達圖中兩個多邊形覆蓋面積相當，形狀接近。問卷數據顯示Arduino 驅動Automata 實踐項目在“社會責任”培養成效均值為4.84，余下8 個知識能力培養成效評價均值都gt;5，產品智能化改造在所有知識能力的成效評價均值都gt;5，可見兩類項目對工業設計“新工科”各個核心知識能力培養都有成效，且對多數知識能力塑造成效明顯。“產品設計”“造型能力”“美學語義心理”“交互設計”“基于算法的造型生成與評估”5 個知識能力，兩個項目培養成效接近，均值差lt;.1；“設計思維”和“原型制作”方面，Arduino 驅動Automata 實踐項目培養成效好于產品智能化改造；“人機工程”和“社會責任”2 個知識能力上，產品智能化改造的培養成效好于Arduino 驅動Automata 實踐項目。

（二）Arduino 驅動Automata 實踐項目培養工程技術能力

由表4 可知，學生自我評價認為，Arduino 驅動Automata 實踐項目對“產品設計”“設計思維”“原型制作”“造型能力”4 個知識能力的培養效果的評價都gt;5.5，成效明顯，除產品設計的效果略低于外，其他3 項培養成效都高于產品智能化改造項目。圖1“新工科”知識能力網絡關系可知，以上4 項都是重要性排名在前5 位的工業設計“新工科”知識能力。項目構思和創作階段，學生圍繞創作主題，在大量既有案例和技術資料的檢索中，完成造型、運動機構以及整體結構的設計，學生產品設計、設計思維和造型能力得到訓練。項目打樣階段，學生操作加工設備運用模型制作工具，串接開源硬件，完成各組件打樣，并在代碼編寫和測試中優化造型細節，使其原型制作和造型能力得到訓練。項目裝配階段，學生針對方案最終呈現目標，圍繞交互體驗形式與效果，協調組件運行流暢性，裝配合理性，造型整體性，結合資料檢索和技術學習，補充開源硬件元器件，優化機構、元器件規格、材料、造型、代碼等細節，訓練產品設計、設計思維、原型制作等方面能力，如表5 所示。

（三）Arduino 驅動Automata 實踐項目回應設計專業廣泛知識能力要求

表4 可知兩個項目對“美學語義心理”“社會責任”的培養成效評價在所有9 個知識能力中最低，這兩項能力關聯涉及跨越社會文化、材料工藝、市場成本、消費心理、環境可持續等廣泛知識領域的實踐經驗，需要真實項目的經驗積累才能掌握，學校環境現有實踐項目，很難使學生有較高獲得感。“人機工程”和“交互設計”，是工業設計結合技術趨勢，優化用戶體驗的工作內容與價值取向?！盎谒惴ǖ脑煨蜕膳c評估”，關聯今天不斷突破的AIGC 技術，也是學生基于數據的秩序化造型能力探索。問卷數據顯示，學生對兩個項目在交互設計和基于算法的造型生成與評估兩個能力培養成效差別不大；人機工程方面，產品智能化改造項目以產品尺度構思用戶體驗，培養成效更好。

對照產品智能化改造項目的問卷數據可知，除技術學習外，Arduino 驅動Automata 實踐項目還有效回應工業設計“新工科”其它核心知識能力培養，除“社會責任”和“人機工程”外，都與廣泛實施的產品智能化改造項目效果無異。從兩個項目評價看，審美、工藝、成本、材料特性等有賴在行業實踐中養成的知識能力，在教學組織中，還需通過產業實際項目培養，基于企業及工程技術人員對方案有關“生產—消費—使用”的評判，學生才能建構系統的思考與評價機制，獲得相應能力。

結語

工業設計作為協調技術、文化、用戶體驗的交叉性專業，當前產業趨勢對學生面向智能制造的技術能力有更多要求，Arduino 驅動Automata 實踐項目在建構學生關聯產品設計與開發的專業實務能力與技術執行能力方面（產品設計、設計思維、原型制作、造型能力），成效明顯，對人機工程、交互設計，以及當前的AIGC 趨勢也能有所回應。Arduino 驅動Automata 實踐項目服務工業設計“新工科”建設，培養學生設計實踐能力，實現工程技術學習的教學改革目標。