Arduino开源硬件在产品设计类课程中的实践应用_文杰.pdf

1842023 年第 3 期湖南包装文杰：Arduino 开源硬件在产品设计类课程中的实践应用Arduino 开源硬件在产品设计类课程中的实践应用Practical Application of Arduino Open Source Hardware in Product Design Courses文杰WEN Jie（洛阳理工学院，河南 洛阳471000）(Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang,Henan,471000)摘要：针对产品设计专业人才培养中存在的一些问题，为提升人才培养质量，将 Arduino 开源硬件引入产品设计类课程。通过“体现河南非遗元素的智能灯具设计”“体现河洛文化元素的智能交互产品设计”“创新性解决生活中的实际问题”3 个主题的实践探索，发现 Arduino 开源硬件的引入，锻炼了同学们的动手创作能力，增强了理论联系实践的能力，人才培养质量有了一定的提升，为培养适应新时代要求的创新创业型人才提供了新路径。关键词：Arduino；开源硬件；产品设计；人才培养Abstract:In view of some problems in the training of product design professionals,in order to improve the quality of talent training,Arduino open source hardware is introduced into product design courses.Through the practical exploration of the three themes of intelligent lighting design embodying Henan intangible cultural heritage elements,intelligent interactive product design embodying Heluo cultural elements and creatively solving practical problems in life,it was discovered that the introduction of Arduino open source hardware has exercised The hands-on creative ability of the students has enhanced the ability to link theory with practice,and the quality of talent training has been improved to a certain extent,providing a new path for cultivating innovative and entrepreneurial talents that meet the requirements of the new era.Keywords:Arduino;Open Source Hardware;Product Design;Personnel Training2020 年 11 月，教育部新文科建设工作会议中指出，传统文科应与工科交叉融合，构建“大文科”视野，培养具有交叉学科知识的复合型人才。产品设计专业属于传统文科，打破专业壁垒，拓展 Arduino 开源硬件与编程知识，创新课堂教学模式，将设计与技术相统一，这是提高产品设计专业人才培养质量的创新探索。1 产品设计专业人才培养现状随着产品设计专业内涵的延伸，目前涵盖了平面设计、展示设计、服装设计、形象设计、环境设计等较多设计领域，但由于涵盖内容较多，不少院校存在课程体系设置不太科学、人才培养目标不太清晰等问题。1.1 人才培养与企业需求存在差异企业需求的毕业生要兼具理论水平、实践动手能力与产品创新能力，传统的产品设计教学多以理论知识讲授为主，实践环节安排学时较少1。所授的理论知识学生不能完全理解和吸收，不能很好地应用到实践中。目前大部分学校对于产品设计专业实践活动欠重视，形成了理论知识与实践能力的高低对比。由于实习和实践环节的学时欠缺，这种传统的人才培养模式不利于学生实践能力的培养，与企业对人才的需求有一定的距离。当然部分学校条件有限，学生缺乏一定的实践机会，导致理论无法真正与实践结合，是出现“高智低能”学生的原因之一。1.2 学生创新能力不够产品设计专业是集文化、艺术、技术于一体的设计专业，学生要具备绘画能力、逻辑思维能力和设计创新能力，才能适应现代社会发展及地方经济发展的需要，成为产品设计方面的高素质人才。目前大部分院校对于产品设计专业的人才培养方式过于单一，教学方式和方法创新不够，学生的积极性和主动性不高。部分院校在教学过程中忽视学生个性发展，经常以考试作为评价学生的重要途径之一，统一的试题和答案限制了学生的创新性。1.3 专业课程中思政教育融入较少目前专业课程中多以讲授专业知识为主，引导学生形成正确的“三观”的思政教育融入不够，学生仅靠少量的思政理论课程学习，不能深入践行思政育人，不利于信仰坚定与价值观引导，专业课程与思政教育需要深度结合2。2 Arduino 开源硬件在产品设计专业中的意义Arduino 是一个所有的编程源代码以及线路图均对外开放的微控制器，硬件和软件都开源，它界面友好，能实现电脑与手机的双重交互3。Arduino 开源硬件除了与 Arduino IDE 兼容，也可以与其他软件兼容，产品设计专业常用的是Mind+图形化编程软件。2.1 有助于提升学生的学科交叉融合能力产品设计专业多招收艺术类考生，其理工科知识较薄弱，特别是对于硬件和编程了解甚少，而现在企业需求最多的是具有多学科知识基础的复合型人才。Arduino 开源硬件简单易学，一块主控板结合常见的开源硬件，如声音传感器、电机、开关、舵机、LED灯等，再加上简单易用的图形化编程软件 mind+，即使是计算机编程零基础，在教师的指导下，了解简单的逻辑关系，就能拖动鼠标像累积木一样，用一周左右的时间完成智能交互产品的模型制作4。产品草图绘制、效果图绘制、智能硬件选取、模块化编程操基金项目：河南省教育科学规划一般课题（2020YB0267）；河南省软科学研究项目（222400410154）。作者简介：文杰（1982），女，洛阳理工学院副教授，硕士。E-mail：收稿日期：2022-12-15DOI:10.19686/ki.issn1671-4997.2023.03.047185文杰：Arduino 开源硬件在产品设计类课程中的实践应用湖南包装第 38 卷2023 年 6 月作、交互短视频制作等多个环节综合进行，让同学们“玩中学”，并且掌握计算机编程、机械操作等理工科基础知识，实现学科交叉融合能力的提升。2.2 有助于提升学生的创新创业能力Arduino 开源硬件使智能交互产品兼具文化内涵与科技感，使产品具交互性、智能化与趣味性，赋予其更高的市场价值5。在学习过程中，同学们思维开阔，采用多种交互性形式，如声音交互、光线交互、手势交互与温度交互等，与产品的造型功能结合，创新设计形式，并结合课程作业参加创新创业大赛，为自己提供创业机会，这种教学实践形式有助于提升学生的创新创业 能力。2.3 有助于提升学生的思想政治素养实践环节采用校企结合的模式，学生深入企业第一线，看到企业自动化系统的发展历程，感受到不同的文化氛围，有助于培养学生的工匠精神与家国情怀，这是育人与育才的统一。学生的设计作品参赛，以赛验教，无论得奖与否，在参赛过程中得到磨练与提升，培养同学们的规则意识和抗挫折能力，为以后进入社会进行了抗压预演。3 Arduino 开源硬件在产品设计类课程中的应用模式3.1 理论课程讲授硬件认知与编程知识结合产品设计专业核心课程，讲授 Arduino 开源硬件与 Mind+软件编程的理论知识。具体内容包括：开源文化与开源硬件简介、计算思维与逻辑、可视化编程简介、数字与模拟电路、传感器数据采集、认识 Arduino 主控板与主控板读取输入模块，解析 Arduino硬件套装的实践项目等。3.2 实践环节进行产品模型制作结合专题设计、综合材料模型制作等实践环节进行产品模型制作和商业路演汇报。通过学习 Arduino 硬件套装的项目实践、数字设计与数字制造，让学生完成产品模型的制作，具体内容包括：单输入输出项目、多输入输出项目、常见动力输出模块编程、舵机控制与应用、2D、3D 设计、激光切割与 3D 打印等。学生完成此环节的学习流程，如图 1 所示。3.3 设计作品参赛检验应用成果设计作品参赛是检验设计成果的一条有效途径，产品设计专业普通的教学成果一般以设计方案的电脑效果图或简单的制作模型形式呈现，引入 Arduino 开源硬件，让产品模型制作的水准更上一个台阶。智能的人机交互模式让参赛作品更具竞争力，鼓励学生组建团队，通过参加高水平的设计竞赛，如“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、中国“互联网+”大学生创新创业大赛、中国大学生计算机设计大赛等，既为产品增加了展示机会，又为其转化提供了更多可能性6。4 Arduino 开源硬件在产品设计类课程中的实践应用4.1 “智能产品设计”理论课程教学实践智能产品设计课程将数字化设计与制造、工科技术（如Arduino 开源硬件，传感器和交互编程）、创新创业理念、创新创业项目实践等有机融入课程。以 Arduino 开源硬件为切入点，让学生了解最新的智能产品设计前沿知识，接触到企业实际项目，培养其实践能力、创新能力与团队合作能力7，能够独立完成智能产品造型设计各个阶段的工作，承担设计任务。融入以人为本的设计理念，增强学生的责任担当意识，融入工程与管理学科知识，提升学生的工程安全意识。教学实践以“体现河南非遗元素的智能灯具设计”为主题，以“河南非遗”文化资源为切入点，通过造型与色彩的提取、材质与工艺的结合、意境与情境的表达，提炼“河南非遗”视觉文化元素，运用借鉴、解构、视觉化等方法，结合 30 多种 Arduino 开源硬件，设计创新型灯具，共形成了 19 套设计方案。4.2 “专题设计”实践环节教学实践专题设计要求学生在短时间内合理安排设计程序，运用综合思维方法，合理调动头脑的知识储蓄，进行快速的构思与设计表达。在课程讲解环节，依据进度安排及学生对新知识的掌握情况，循序渐进，把知识点讲解透彻，通过教师现场示范、优秀案例点评、翻转课堂等形式调动大家的学习积极性8，让同学们对Arduino 开源硬件、可视化编程及交互传感器有深刻理解，产品文化与交互的融入更易于实现。实践环节以“体现河洛文化元素的智能交互产品设计”为主题进行产品的智能化设计与制作。提出融创新概念，即：融设计+融科技+融文化+融商业化=创新。设计基于产品的外观与功能创新；科技基于 Arduino 开源硬件、可视化编程、传感器原理、数字化设计与制造（3D/2D 设计、3D 打印、激光切割）；文化基于洛阳六大城市文化 IP：牡丹、龙门石窟、武则天、隋唐大运河、唐三彩、隋唐洛阳城；商业化基于创新创业“三品”转化，“三品”即作品产品商品。为期两周的课程围绕文化的交互化、体验的趣味化、情感的丰富化、产品的商业化进行。最后完成设计方案 22 套。4.3 “综合材料模型制作”实践环节教学实践综合材料模型制作培养学生的综合动手能力，通过模型制作过程，让同学们掌握模型制作的方法，综合利用工具去制作完成具有一定复杂程度的三维实体，为学生以后的毕业设计和工作实践打好基础9。实践环节秉承跨界融合的专业发展思想，寻找社会热点与痛点，以“创新性解决生活中的实际问题”为主题，不限制作品形式，培养发散思维，利用 Arduino 开源硬件做智能交互产品。具体教学内容包括：主题介绍，Arduino 开源硬件基础知识和工程实例讲解；可视化编程以及交互传感器原理介绍；