融合設計思維與開源硬件技術的工業設計創新能力訓練策略

一、工業設計人才培養概述

作為產品價值鏈的開端，工業設計是現代企業創新體系的重要組成部分，工業設計人才的培養質量關系到了企業的競爭力[1]。隨著智能技術的廣泛應用，各種智能化的新產品、新品類和新物種層出不窮，成為了工業設計的熱門領域，也對工業設計人才的能力和知識結構提出了新要求[2-3]。如何適應智能時代的工業設計人才需求，探索更先進的教學思路與方法，高效率培養高質量的工業設計人才，是一個需要研究的教學問題[4]。

近年來，國內外高科技企業普遍將設計思維和硬件產品技術趨勢預判能力作為工業設計核心崗位的勝任力指標[5]。可見，采取有效的教學改革措施，探索設計思維與智能技術應用能力融合創新的策略，對于工業設計學生培養產品原型創新能力至關重要，并關系到人才培養目標與產業需求的匹配度。本文針對以上問題開展研究與實踐探索。

二、培養設計思維的重要性

設計思維是一種以人為本的解決復雜問題的創新方法，是工業設計師的核心職業素養[6-7]，主要體現為3 個維度的價值：首先，有效促進設計創意的突破。基于用戶反饋的定量分析及用戶行為觀察的定性研究，設計師可以判斷出用戶潛在需求，為設計方案的迭代提供實證依據[8]。其次，顯著提升用戶體驗品質。設計思維要求設計者遵循以“用戶為中心”的原則，關注用戶體驗并轉化為可量化的設計參數，確保產品或服務系統的設計符合用戶心理預期，實現用戶體驗指標與品牌美譽度的雙重提升[9]。第三，指導產品設計優化。設計思維可以引導設計者從用戶的角度判別產品設計的缺陷，再通過原型測試與迭代，優化產品性能。例如，小米公司研發第一代手機時，邀請了一批早期用戶參與工程樣機的使用測試，收集用戶反饋的使用問題，不僅修正了若干現存問題，還創造了若干創新性的功能，使得產品在上市后獲得用戶的高度認可[10]。

可見，設計思維的培養具有關鍵性作用，在高度競爭的市場環境下，具備設計思維的設計人員能夠更敏銳地識別潛在創新機遇[11]。

三、培養開源硬件應用能力的重要性

開源硬件是開源文化在智能硬件領域的重要體現，對智能硬件產業的快速發展具有重要的促進作用。Arduino 是開源硬件的典型代表，電路原理圖、材料清單和設計圖等均遵循開源許可協議，其友好的技術架構解決了用戶因單片機開發與編程技術基礎薄弱而面臨的技術瓶頸問題[12]。基于Arduino 的開發創新是典型的組合式創新范式，為產品設計人員提供了模塊化、可擴展且低門檻的原型開發平臺。

智能硬件創新是基于開源的底層軟硬件平臺，集成智能傳感器、人機交互、新型顯示及大數據處理等新一代信息技術，開發形成的新型智能終端產品及服務系統[13]。智能硬件的應用場景已經涵蓋智能家居、智能車載、智能醫療和智能娛樂等多個領域，為工業設計提供了廣闊的發揮空間。隨著新的生活場景出現，工業設計要解決更多新問題，需要探索更多新思路、新方法和新經驗。在教學中，系統化開展開源硬件應用能力訓練，能有效引導學生認知智能技術的多元化應用場景和實施路徑，深入理解技術原理和工程化方法，可強化產品概念設計能力，提升原型制作效率與驗證的準確度。

四、設計思維與開源硬件技術融合的工業設計創新能力訓練方法

由前述內容可知，以用戶為中心的設計思維能夠為開源硬件技術實施確立明確的研發導向與價值基準，提升技術方案與用戶需求場景的適配準確度；而開源硬件技術則為設計師解決用戶痛點提供了創新性的技術路徑，促進產品迭代和拓展新品類。因此，在工業設計人才創新能力訓練教學中，整合開源硬件容易掌握、適用面廣及成本低等技術優勢和設計思維的創新導向，構建雙向賦能的協同創新機制，是具有重要價值的研究。

在教學中，本研究以萬物智能為背景，以設計思維、開源硬件及交互技術為基礎，以構建全新用戶體驗的智能化生活場景為目標，強調基于智能技術應用的產品原型設計創新，形成從用戶需求分析、問題定義到智能硬件產品設計與原型制作全過程的能力訓練，建立“設計思維與開源硬件技術融合的創新能力訓練思路”模型（如圖1），目的是培養具有出色的設計思維、工程思維和數字化思維，具有優秀的創新創業意識、智能創新能力、跨學科交叉融合能力和動手操作能力，適應智能時代需求的工業設計人才。在具體實施中，以課程設計或畢業設計等長周期的實踐類課程為載體，以探索智能技術應用新場景為目標，以開源硬件為基本工具去解決問題，得到智能產品的原型，通過反復測試、驗證和迭代，輸出最佳設計成果，達到將設計思維與開源硬件技術融合運用的目的。

五、案例：視障者智能家居控制中樞設計

智能家居是設計思維與智能技術融合應用的常見領域，主要面向一般人群的生活需求，但對于殘障人士等弱勢群體的需求缺少考慮。以視障人群為例，中國的視障群體約有1820 萬人并呈逐年增長趨勢[14]。智能家居系統設計應突破傳統用戶群體的局限，構建面向特殊需求的智能生活輔助技術體系。對于視障者來說，智能技術可承擔起代償性感官功能的角色，提升該群體的生活自主性和幸福度。

（一）需求分析、問題定義及思維發散

1. 需求分析及問題定義

古語云“民以食為天”，膳食制備作為基礎性生存需求，其可及性與安全性是衡量視障群體生活質量的關鍵指標。本研究基于設計思維與開源硬件技術融合的工業設計創新能力訓練思路模型，以本科畢業設計為教學實踐平臺，指導學生通過構建廚房智能控制中樞的典型應用場景，系統化訓練面向特殊人群需求的設計響應能力。

首先通過文獻綜述掌握視障人群的界定分類、生理特征及感官認知等理論知識；然后制訂標準化調研方案，在桌面研究的基礎上實施問卷調查，獲取視障群體對智能家居產品使用體驗的主觀評價及對未來生活場景的期望；繼而采用目的性抽樣開展深度訪談和實施生活行為觀察，再運用缺點列舉法[15] 對烹飪作業中的操作障礙進行統計，通過聚類處理得到視障者在廚房場景中的主要需求矩陣（見表1）。

基于上述視障人士的現有需求分析，得出視障人士在廚房場景中物品識別痛點尤其突出，嚴重影響用戶開展各種操作，急需改善以達到提高用戶在廚房烹飪的的效率和全流程的體驗度。

2. 思維發散

針對用戶在作業流程中的識別物品困難這一核心問題，秉持以用戶為中心的設計原則，融合NFC 近場通訊、智能語音交互等技術，設計一款智能家居控制中樞應用于廚房場景。結合產品的手持使用方式、功能和環境因素，進行解決方案的思維發散及推演（如圖2 所示）。如為了解決用戶常碰倒物品的問題，借鑒不倒翁原理，設計了底部寬大且圓潤的初代產品形態，使該產品具有低重心、自復位和不易傾倒的特點。

（二）智能硬件選型及原型設計

1. 智能硬件選型

視障人士通常依賴于觸覺和聽覺來感知和交互，基于現有智能家居控制中樞產品及視障人群標簽產品的系統分析，從交互方式、信息反饋機制與感知模態3 個維度構建指導性的設計標準，選擇NFC 近場通訊技術[16] 及智能語音交互為主要技術，設計一款新型視障人士智能家居控制中樞應用于廚房場景。NFC 近場通訊技術可以存儲包括文本、網址、圖像、視頻等數據，可短距離通信，且支持多種安全機制，如加密、認證等，可以有效地避免數據泄露等安全問題。同時，可以支持雙向通信，既可以讀取標簽上的信息，也可以將信息寫入標簽中，可以實現數據的雙向傳輸。如今NFC 技術已經成熟的運用在各種應用場景，例如門禁卡、電子錢包、智能家居等。設計基于聽覺感知的標簽，通過技術手段將語音存儲至標簽中，通過語音提示來幫助視障人士識別物品。具體設計思路如下：（1）裝置可錄入語音至標簽，掃描標簽讀取相對應的信息，語音識別以及可控制其他智能家居產品等功能；（2）簡化用戶識別物品的過程，縮短操作時間，提高用戶做飯的意愿和頻率；（3）簡單的人機交互方式，手持式設備用戶能夠快速的認知學習操作，體現無障礙設計原則；（4）簡約的造型，結合材料的觸覺特性引導視障者操作。

2. 原型設計

將前期研究發現的視障者隱性需求轉化為機會點，確定產品的功能架構如圖3 所示。在讀取與記錄功能上，通過NFC 標簽實現物品信息存取，用戶可粘貼于調味品蓋等常用物品的接觸面，用戶通過產品即可實現快速讀寫信息操作，讀取與記錄邏輯如圖4 所示。在智能中樞設計上，作為廚房物聯網控制中心，支持廚房場景跨設備聯動，如可同步調節智能電磁爐功率和抽油煙機開關，同時觸發烤箱和開啟智能水龍頭預熱等組合操作；產品配備無線充電底座，消除視障人士對傳統插口充電障礙，實現放置即充；產品具備聯網功能，物聯服務依托Wi-Fi/ 藍牙雙模組網，提供精準烹飪定時提醒，以免菜品被燒糊，同時，集成音頻流媒體服務，可播放音樂和資訊，優化烹飪過程愉悅體驗。

基于視障者廚房作業習慣及臺面環境復雜性，對初期產品方案進行改進，迭代產品抓握形態為圓柱形設計，解決了底部設計過于厚重使得產品笨重不適合視障人士手持。產品頂部功能模塊，方便用戶抓握和識別標簽，為其提供了實體交互按鈕，按鈕表面采用盲文設計，以便用戶能夠根據提示快速識別功能按鈕，草模人機驗證測試如圖5 所示。

將產品固定位置由臺面改為掛置于墻面無線充電底座，使得充電更加方便快捷。產品頭部可拆卸接觸部件與產品末端形成的三點結構設計，能夠將產品很好地穩定在桌面上，用戶可以隨時拿放產品，減輕操作負擔。接觸部件可以拆卸清洗，以保證產品自身的清潔度。使用場景效果如圖6 所示。

為了進一步深化智能控制中樞的設計方案，本文使用Rhino 軟件建模，完善設計方案中智能控制中樞功能按鍵以及內部結構等關鍵細節要素。結構設計如圖7 所示，智能控制中樞的各零件爆炸圖，分為易拆洗部件、主體外殼、內部結構、儲存標簽倉、推拉結構按鈕、實體按鈕和硅膠把手等零部件組成。通過光固化3D 打印技術，采用高強度且塑性強的樹脂材料制作了視障人士控制中樞的實體模型，結構件3D 打印及噴漆處理模型如圖8 所示。產品采用接觸部件所形成的三點結構設計能夠很好地穩定在桌面上，最終原型方案如圖9 所示。壁掛式設計不僅能夠保持產品潔凈，減少視障人士的清洗工作，同時也增強了產品的易用性和便捷性。

（三）智能硬件模塊開發與驗證

1. 智能硬件模塊開發

本研究通過功能硬件設計與測試，構建了集成標簽記錄/ 讀取模塊與智能家居控制系統的簡化原理驗證原型。為驗證系統功能的簡潔性、控制可靠性和響應靈敏度，主要功能測試方案由Arduino Nano 開發板、傳感器、LED 燈、振動模塊、天問MCU 和Arduino IDE 環境6 個部分組成（見圖10），具體交互邏輯關系如圖11 所示，其中Arduino Nano開發板[17] 為核心控制模塊，通過整合NFC 識別與智能語音識別技術實現人機交互，同時開發配套音頻標簽系統以優化物品識別的效率，從而提升烹飪過程智能化水平，構建高效廚房操作環境，硬件清單、連接方式、硬件布局及安裝如圖12 ～ 14 所示。

2. 原型測試與成果交付

本研究通過3D 打印技術制備產品外殼原型，結合開源硬件集成與結構裝配構建實體功能樣機，并模擬視障用戶的烹飪流程以驗證產品設計的合理性。模擬過程如圖15 所示，分為3 個階段：在備餐階段，系統需實現食材存儲信息的動態更新與交互，視障者的親屬可通過應用程序界面實時同步智能家居數據，視障用戶可依據個體需求設定快捷啟動模式或智能廚電聯動方案，構建個性化烹飪場景；在烹飪階段，重點驗證調味品智能識別系統與烹飪時序輔助功能的可靠性；在清洗階段，針對廚房環境復雜性特征，產品采用壁掛式磁吸充電方案以規避臺面污染，其接觸面組件設計為可拆卸模塊化結構，支持快速清潔維護。測試結果證明，本研究提出的設計方案通過優化人機交互邏輯與使用流程，顯著提升了用戶體驗。

結語

培養學生的設計思維和開源硬件技術融合創新能力是智能時代的必然要求。本文以視障者智能家居控制中樞設計為教學實踐案例，洞察到視障人群的烹飪需求痛點，定義問題，利用發散思維，尋求合適的開源硬件技術，采用NFC 近場通訊技術、語音交互與物聯網控制等智能技術，通過智能交互原型測試，驗證方案的可行性，最終有效解決了視障人士的下廚難題，研究成果對于改善視障人士的生活品質具有重要意義。本案例驗證了以設計思維為導向、以開源硬件為技術支撐的創新能力訓練方法的有效性，充分展示了設計思維與開源硬件技術融合創新的價值。該方法能夠引導學生將理論轉化為實踐，培養設計思維與工程思維雙重素養。

隨著智能技術的發展和用戶需求的多元化，工業設計教育應進一步深化跨學科合作，探索更高效的創新能力訓練體系，同時應關注特殊群體的需求，推動包容性設計理念的普及，使技術創新真正服務于社會福祉。本研究為工業設計人才培養提供了有益參考，但如何量化訓練效果、優化課程體系仍需后續探索。