工业设计专业智能硬件应用课程教学改革与实践

张超 黄钧宇

关键词：工业设计专业;智能硬件应用课程;教学改革;实践

智能时代，工业设计的内涵和外延发生了重大变化，其研究范围从一般的日用产品、 机电产品、数码产品等向智能产品扩大的趋势明显[1-2]，同时为工业设计人才培养带来了新的挑战和机遇[3]。加快智能硬件应用基础课程改革建设，对培养适应时代发展要求的工业设计人才具有重要意义。

1 工业设计专业智能硬件应用课程概述

工业设计专业智能硬件应用课程旨在培养学生对新技术的兴趣，切身理解软硬件结合的设计技术原理。课程通过学习Arduino 开发环境，掌握典型软硬件交互原型开发技术，培养学生的逻辑性编程思维能力和动手能力。通过贯穿在具体开源硬件技能學习背后的传感技术、信号处理、电工学、面向对象的编程等若干知识点的科普式讲述，让学生初步了解交互性产品的“功能黑箱”，锻炼学生的动手实践能力，并对开源硬件、创客及众筹等当今社会创新趋势加深了解，端正学习态度，明确学习方向。

近年来，许多公司投入大量资本和人力物力研发智能硬件产品，给工业设计带来新的发展契机，大批优秀的工业设计师参与了智能硬件的研发。在社会需求的驱动下，同济大学、浙江大学、北京理工大学和华南理工大学等高校在工业设计专业开设智能硬件相关课程，并取得一定的研究成果[4-7]。智能硬件设备生产企业纷纷与一众高校工业设计专业合作开展智能硬件相关课程研究或智能硬件工作坊，创作出一系列智能硬件相关作品。由于智能硬件应用课程在工业设计人才培养体系属于新兴课程，正处于探索发展阶段，如何针对工业设计专业的特点和人才培养目标开展更高水平的教学，是课程教学研究和改革的重要问题。

2 工业设计专业智能硬件应用课程教学的现存问题

目前，各高校的智能硬件课程尚存在一些共性问题，比如学生的智能硬件技术基础相对薄弱，现有教学偏重于现有智能硬件、传感器技术的普及与应用，强调人机交互技术及某些基本功能的实现[8]。教学实践成果多为类似“招财猫”“投篮机”“足球机器人”和“遥控避障小车” 等实现简单交互的游戏装置设计。

工业设计专业智能硬件应用课程从智能技术出发，虽然有利于学生对智能硬件基础知识和实验技能的掌握，但从教学内容和成果来看，工业设计专业本科生的特长和优势并未展现出来，有创新性的、与市场需求接近的、体现工业设计专业特色的智能硬件教学成果并不多，与企业对工业设计人才的能力要求还有一定的差距。

3 工业设计专业智能硬件应用课程教学改革方法

针对以上分析，工业设计专业的智能硬件课程教学改革，需改变以往从开源硬件和传感器技术的基础知识理论到学习运用为主线的教学模式。在课程实施中，遵循工业设计流程，先从用户需求出发，结合智能技术的发展过程、基本理论知识、案例分析和未来趋势讲解，帮助学生理解产品的前世今生、设计原则、宗旨和设计流程，讲解当前社会的用户需求与市场竞争情况，引导学生通过运用设计研究方法，如观察法、访谈法、SET 因子分析、需求分析等获得智能硬件产品创新的突破口，建立产品原型，再运用开源硬件技术进行功能实现，包括平台搭建、核心部件选择、程序设计以及最终功能样机的制作等。改革有利于发挥工业设计专业的创新优势，满足市场需求和用户喜好，同时有利于智能硬件产品成果的转化和推广。

4 工业设计专业智能硬件应用课程教学实践

以下将以自平衡智能快艇设计实践为例，从设计需求分析、造型及结构设计、技术测试、模型制作等方面阐述工业设计专业智能硬件应用课程教学的方法。

4.1 设计需求分析

船舶的稳定性是海洋航行和作业安全的一个极为重要的指标。通过对快艇行业的调研和分析发现，相对其他船舶而言，快艇尺寸较小，且往往需要在冲击海浪、对抗海风和超高速行驶条件下进行，平衡问题极为重要。传统快艇结构简单难以应对海上各种不稳定因素，最常见的是海浪敲打和多变的海风让渔船行驶不稳，保持快艇的平衡可以降低海上游玩的风险。

在技术上，利用ADXL345 数字传感器、3D打印等，设计一款自平衡、自动控制行驶方向的多体智能快艇，能解决快艇在行驶过程中受到海浪冲击造成的船体不平衡等问题。四个随海浪起伏摆动的超大浮台，可以使快艇主体平衡。折叠水翼的设计使快艇高速行驶过程中船体升离水面，减少海浪对船体的冲击和阻力。

4.2 产品造型及结构设计

设计目标是设计一款小型、自平衡、抗风浪的智能多体快艇。设计灵感来源于水黾造型，具有超大的横跨面积，当身体离开水面时，四个浮台独立控制，能随着海浪上下摆动，保持快艇主体的平衡。折叠式水翼设计，在快速行驶时船体部分离开水面，四个浮台随着海浪上下摆动，从而保持快艇主体的平衡。经过方案改进和细节推敲，确定最终方案（见图1）。

经过对水上飞机、船舶、快艇的结构分析，浮台的设计，超大的横跨面积，增大了穿快艇的稳定性。水翼部分利用流体力学的原理，采用可收放式设计，使快艇在行驶时船体离开水面。浮台分别设有可折叠式履带，快艇可在陆地上短途行驶。

4.3 产品智能硬件技术测试

在智能硬件技术应用上，利用ADXL345 数字加速器模块，编写程序，获取X、Y、Z 轴数据，制作出原理模型进行测试。数字加速器模块，可感知船体是否处于平衡状态，相应调整四个浮台的高低，保持快艇主体平衡。利用Solidworks 三维软件进行原理建模，再利用3D 打印机制作实物模型，并进行原理测试（见图2）。

4.4 3D 打印模型制作

实物模型利用3D 打印制作主体零件，利用PLA 塑料模具开模制作硅胶履带，利用硅胶模具制作透明透明树脂灯罩。经过熔接零件、打磨、涂装原子灰、手工喷漆工艺、零件组装将模型制作完成。

硅胶履带部分采用注塑方法，首先用SolidWorks 软件设计好履带模具，然后用3D 打印机将模具打印出来，最后将硅胶注入模具当中，固化成型。透明灯罩部分，材质选择透明树脂，将硅胶调配好倒入灯罩的模具中，等硅胶固化后取出灯罩硅胶模具，最后喷上高透明UV 胶制作完成。实物模型的展示架，采用透明PC 棒支撑模型，设计出法兰底座，并将其固定在组装好的展台上，最终实物效果如图3 所示。

5 结语

在智能硬件课程的教学设计中，应以探索具有创新性与实用性的智能硬件产品为目的，深层挖掘用户需求，将用户需求通过开源硬件等相关技术，有效地转化为智能产品原型，才符合工业设计人才培养的目标。以往智能硬件课程过于强调技术实现，难以在工业设计实践中运用。因此，在教学中应以工业设计方法为引导，以用户研究与开源硬件创新应用为基础进行交叉融合。并以构建全新用户体验的智能化生活场景为设计研究目标，形成从需求分析、用户研究到智能硬件产品设计与原型制作全过程的能力训练，对于培养新时代工业设计人才具有重要意义。