關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計；新工科；項目實踐；Automata；Arduino

引言

高等教育“新工科”建設(shè)，培養(yǎng)能夠運用新技術(shù)，了解新產(chǎn)業(yè)，服務(wù)新經(jīng)濟，具備跨領(lǐng)域協(xié)作能力復(fù)合工程人才的改革目標下，對傳統(tǒng)專業(yè)知識能力有新的要求。當前智能制造背景下產(chǎn)品開發(fā)，工業(yè)設(shè)計協(xié)作多領(lǐng)域技術(shù)進程的專業(yè)職能，對機械、自動化、計算機等方面知識需有更多認識，相應(yīng)能力也有更高要求。結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標，探討圍繞上述知識能力應(yīng)用的綜合實踐項目，成為工業(yè)設(shè)計“新工科”改革持續(xù)深化重要途徑。

一、工業(yè)設(shè)計“新工科”改革培養(yǎng)目標

工業(yè)設(shè)計協(xié)調(diào)社會文化與市場需求，服務(wù)技術(shù)在產(chǎn)品創(chuàng)新上應(yīng)用的交叉性特點，相應(yīng)“新工科”改革以培養(yǎng)能在技術(shù)情境中融合創(chuàng)新的復(fù)合型工程人才為目標[1]。教學內(nèi)容突破專業(yè)既有知識能力體系，與智能制造、人工智能、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等新的技術(shù)、趨勢以及產(chǎn)業(yè)場景緊密聯(lián)系[2]，引導學生理解并掌握當前引領(lǐng)變革的各項技術(shù)中[3，4]，關(guān)注解決工程問題的實踐能力培養(yǎng)[5]。各種材料的增材制造技術(shù)已貫穿常規(guī)設(shè)計實踐各個階段[6]；結(jié)合開源硬件的原型制作培養(yǎng)學生在智能化方案構(gòu)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(shù)知識變成專業(yè)協(xié)調(diào)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(yè)設(shè)計專業(yè)過去5 年跨學科“新工科”改造，結(jié)合行業(yè)職能，探討能適應(yīng)當前技術(shù)趨勢的學生核心知識能力體系，作為人才培養(yǎng)內(nèi)容[9]。如圖1 所示，除產(chǎn)品設(shè)計、設(shè)計思維、人機工程、造型能力、交互設(shè)計、社會理解、審美認知等專業(yè)常規(guī)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(shù)熱潮的回應(yīng)，“原型制作”體現(xiàn)了設(shè)計綜合開源硬件編程、機構(gòu)設(shè)計、加工設(shè)備操作等跨學科技術(shù)能力的“新工科”內(nèi)容。

二、工業(yè)設(shè)計“做中學”的項目制培養(yǎng)

工業(yè)設(shè)計作為應(yīng)用型專業(yè)，塑造學生能夠勝任行業(yè)產(chǎn)業(yè)需要的實踐能力，是人才培養(yǎng)主要目標。學生在項目實踐中發(fā)展能夠獨立從事行業(yè)實務(wù)的工作能力，提出面向?qū)嶋H的問題解決方案。工業(yè)設(shè)計專業(yè)教學不少課程，都以評估項目方案成效，作為實踐能力培養(yǎng)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(jié)合，在教師評價和檢驗項目各階段作品成效中，建構(gòu)專業(yè)知識能力體系[11]。實踐教學作為融合手工藝傳統(tǒng)的技術(shù)學習方式，在當前不斷變革的技術(shù)背景凸顯更大價值[12]。此外，工業(yè)設(shè)計專業(yè)教育教學研究關(guān)注學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，也以項目成效體現(xiàn)[13]。

工業(yè)設(shè)計專業(yè)培養(yǎng)方案課程中的項目可分為3 類：（1）側(cè)重技能培養(yǎng)的各種實踐，如圍繞表達技巧、模型制作、計算機輔助設(shè)計、開源硬件應(yīng)用、AIGC 技術(shù)等技能習得的項目；（2）側(cè)重理論知識理解應(yīng)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(nèi)容所組織的項目；（3）服務(wù)學生專業(yè)綜合能力養(yǎng)成的項目實踐，面向設(shè)計競賽或產(chǎn)業(yè)實際，如產(chǎn)品整合設(shè)計、社會實踐、畢業(yè)設(shè)計等教學環(huán)節(jié)[13，14]。

工業(yè)設(shè)計“新工科”建設(shè)背景下，當前很多學校都注重編程、開源硬件應(yīng)用、機構(gòu)設(shè)計、智能交互等技術(shù)內(nèi)容教學[4，15]，可上述技術(shù)內(nèi)容在直接影響學生技能養(yǎng)成的項目實踐卻應(yīng)用不多。有關(guān)智能技術(shù)的知識能力跟社會文化理解一樣，在傳統(tǒng)項目實踐中，僅作為創(chuàng)新產(chǎn)品方案構(gòu)思的技術(shù)資料，以圖表出現(xiàn)在效果圖版面，與專業(yè)改造期望相距甚遠。

三、Arduino驅(qū)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(gòu)，套用情景主題的裝置藝術(shù)，是機械、設(shè)計和展示的結(jié)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(zhuǎn)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(shù)家、設(shè)計師、工程師參與創(chuàng)作[16，17]，國內(nèi)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(chuàng)建，始于2019 年的行業(yè)電子雜志，介紹全世界范圍Automata 創(chuàng)作的各種信息。清華大學基礎(chǔ)工業(yè)訓練中心近年將Automata 設(shè)計與制作，作為工科學生掌握加工設(shè)備操作、認識機械結(jié)構(gòu)的學習內(nèi)容。

開源電子原型平臺Arduino，通過程序控制傳感器與執(zhí)行器，完成硬件和環(huán)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(nèi)外很多高校工業(yè)設(shè)計專業(yè)，將Arduino 應(yīng)用在《原型制作》《交互設(shè)計技術(shù)》《設(shè)計思維》等課程或?qū)I(yè)實踐環(huán)節(jié)[18，19]。學生在編程與元器件串接中，掌握智能產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)原理，拓展產(chǎn)品創(chuàng)新構(gòu)思技術(shù)方向[20]。

圍繞“新工科”改造的技術(shù)學習人才培養(yǎng)目標，結(jié)合工業(yè)設(shè)計項目制教學模式，寧波工程學院機器人學院開設(shè)融合自動機械裝置Automata 與開源硬件Arduino 的工業(yè)設(shè)計綜合實踐項目。

（二）項目實踐過程

Arduino 驅(qū)動Automata 實踐項目融合情景構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計、編程控制、造型設(shè)計、設(shè)備加工操作等跨領(lǐng)域技術(shù)學習，服務(wù)作品創(chuàng)作進度，分四個階段展開。（1）構(gòu)思階段，引導學生從生活情境、傳統(tǒng)文化、影視作品、藝術(shù)小品中尋找創(chuàng)作主題，圍繞所確定主題，查閱Automata 和機械原理的運動視頻，結(jié)合機構(gòu)與Arduino 元器件，思考作品表現(xiàn)效果與交互形式。（2）創(chuàng)作階段，學生綜合造型、機構(gòu)、交互形式等內(nèi)容的資料檢索成效，選擇機構(gòu)，設(shè)計方案，在工程軟件繪制方案造型與運動執(zhí)行機構(gòu)的三維模型，并完成機構(gòu)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(jié)構(gòu)、外形和運動組件，選擇合適規(guī)格電機、舵機，接入Arduino 控制電路，編寫代碼，測試主要機構(gòu)運動效果。（4）裝配調(diào)試階段，圍繞交互形式，指導學生裝配方案外觀與各執(zhí)行組件，將紅外、超聲波、開關(guān)、藍牙模塊、遙控器、攝像頭、麥克風等元器件接入控制電路，結(jié)合計時器、聲音、燈光優(yōu)化方案呈現(xiàn)效果，調(diào)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(fù)協(xié)調(diào)。

（三）項目實踐成果

過去5 年，寧波工程學院機器人學院工業(yè)設(shè)計學生，在Arduino驅(qū)動Automata 實踐項目中，圍繞主題構(gòu)思與造型設(shè)計、Automata機械設(shè)計與運動仿真、加工制作與機構(gòu)測試、Arduino 元器件串接與控制代碼編寫等技術(shù)學習內(nèi)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(xiàn)地域文化的占撲裝置，有能操控各種交通設(shè)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(gòu)設(shè)計，先后獲得30 余項實用新型專利授權(quán)。上述綜合多領(lǐng)域技術(shù)應(yīng)用的實踐成果，近些年在大學生機械設(shè)計競賽、中國高校智能機器人創(chuàng)意大賽、挑戰(zhàn)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(qū)動Automata 實踐項目作品，為機械設(shè)計、自動控制、人工智能等技術(shù)內(nèi)容找到豐富而生動的應(yīng)用場景，獲得各個領(lǐng)域?qū)＜艺J可，實現(xiàn)工業(yè)設(shè)計“新工科”人才培養(yǎng)的技術(shù)學習目標。

四、工業(yè)設(shè)計“新工科”核心知識能力培養(yǎng)成效研究

圖1 所示，工業(yè)設(shè)計“新工科”核心知識能力除技術(shù)學習外，還有產(chǎn)品設(shè)計執(zhí)行能力，以及關(guān)聯(lián)人文素養(yǎng)的社會文化共情能力等內(nèi)容。工業(yè)設(shè)計“新工科”改革以塑造學生工程能力與方案構(gòu)思的技術(shù)整合能力為目標，普遍以產(chǎn)品智能化改造作為專業(yè)實務(wù)課程、課程設(shè)計、學科競賽等人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)內(nèi)容[21，22]，在結(jié)合技術(shù)驗證的方案構(gòu)思中塑造學生能力。

Arduino 驅(qū)動Automata 實踐項目中，如圖3 各種作品所示，學生為表達所構(gòu)思情景主題，探討Automata 機械裝置的展示及互動方式、結(jié)構(gòu)布局、機構(gòu)原型以及Arduino 元器件，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計、程序編寫、造型設(shè)計、加工制作、硬件串接等實踐內(nèi)容。上述實踐內(nèi)容是工業(yè)設(shè)計“新工科”技術(shù)學習的應(yīng)用與檢驗，也體現(xiàn)設(shè)計思維、方案構(gòu)思、造型設(shè)計、文化理解等工業(yè)設(shè)計常規(guī)知識能力的訓練。為此，探討Arduino 驅(qū)動Automata 實踐項目在工業(yè)設(shè)計學生“新工科”各個核心知識能力培養(yǎng)的具體成效，可作為反思與優(yōu)化項目教學內(nèi)容與組織方式的重要依據(jù)。

圍繞圖1 工業(yè)設(shè)計“新工科”核心知識能力，“產(chǎn)品設(shè)計”“設(shè)計思維”“原型制作”“人機工程”“造型能力”“美學語義心理”“交互設(shè)計”“社會責任”“基于算法的造型生成與評估”，設(shè)計判定能力培養(yǎng)成效由低到高的李克特7 點尺度問卷，評估產(chǎn)品智能化改造和Arduino 驅(qū)動Automata 兩個實踐項目在工業(yè)設(shè)計“新工科”核心知識能力培養(yǎng)的成效。表1 是工業(yè)設(shè)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(yǎng)成效狀況的調(diào)查數(shù)據(jù)，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?qū)幉üこ虒W院機器人學院工業(yè)設(shè)計專業(yè)五個年級55 名學生發(fā)放，2018-2020 三個年級學生已畢業(yè)，2021-2022 兩個年級為本專業(yè)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(shù)據(jù)分析

研究共回收問卷50 份，在SPSS 軟件中，導入問卷數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)均值，圖3 基于數(shù)據(jù)獲得兩類項目在知識能力培養(yǎng)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(shù)據(jù)顯示Arduino 驅(qū)動Automata 實踐項目在“社會責任”培養(yǎng)成效均值為4.84，余下8 個知識能力培養(yǎng)成效評價均值都gt;5，產(chǎn)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(yè)設(shè)計“新工科”各個核心知識能力培養(yǎng)都有成效，且對多數(shù)知識能力塑造成效明顯。“產(chǎn)品設(shè)計”“造型能力”“美學語義心理”“交互設(shè)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(yǎng)成效接近，均值差lt;.1；“設(shè)計思維”和“原型制作”方面，Arduino 驅(qū)動Automata 實踐項目培養(yǎng)成效好于產(chǎn)品智能化改造；“人機工程”和“社會責任”2 個知識能力上，產(chǎn)品智能化改造的培養(yǎng)成效好于Arduino 驅(qū)動Automata 實踐項目。

（二）Arduino 驅(qū)動Automata 實踐項目培養(yǎng)工程技術(shù)能力

由表4 可知，學生自我評價認為，Arduino 驅(qū)動Automata 實踐項目對“產(chǎn)品設(shè)計”“設(shè)計思維”“原型制作”“造型能力”4 個知識能力的培養(yǎng)效果的評價都gt;5.5，成效明顯，除產(chǎn)品設(shè)計的效果略低于外，其他3 項培養(yǎng)成效都高于產(chǎn)品智能化改造項目。圖1“新工科”知識能力網(wǎng)絡(luò)關(guān)系可知，以上4 項都是重要性排名在前5 位的工業(yè)設(shè)計“新工科”知識能力。項目構(gòu)思和創(chuàng)作階段，學生圍繞創(chuàng)作主題，在大量既有案例和技術(shù)資料的檢索中，完成造型、運動機構(gòu)以及整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，學生產(chǎn)品設(shè)計、設(shè)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(shè)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(yōu)化造型細節(jié)，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(xiàn)目標，圍繞交互體驗形式與效果，協(xié)調(diào)組件運行流暢性，裝配合理性，造型整體性，結(jié)合資料檢索和技術(shù)學習，補充開源硬件元器件，優(yōu)化機構(gòu)、元器件規(guī)格、材料、造型、代碼等細節(jié)，訓練產(chǎn)品設(shè)計、設(shè)計思維、原型制作等方面能力，如表5 所示。

（三）Arduino 驅(qū)動Automata 實踐項目回應(yīng)設(shè)計專業(yè)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(yǎng)成效評價在所有9 個知識能力中最低，這兩項能力關(guān)聯(lián)涉及跨越社會文化、材料工藝、市場成本、消費心理、環(huán)境可持續(xù)等廣泛知識領(lǐng)域的實踐經(jīng)驗，需要真實項目的經(jīng)驗積累才能掌握，學校環(huán)境現(xiàn)有實踐項目，很難使學生有較高獲得感?！叭藱C工程”和“交互設(shè)計”，是工業(yè)設(shè)計結(jié)合技術(shù)趨勢，優(yōu)化用戶體驗的工作內(nèi)容與價值取向?！盎谒惴ǖ脑煨蜕膳c評估”，關(guān)聯(lián)今天不斷突破的AIGC 技術(shù)，也是學生基于數(shù)據(jù)的秩序化造型能力探索。問卷數(shù)據(jù)顯示，學生對兩個項目在交互設(shè)計和基于算法的造型生成與評估兩個能力培養(yǎng)成效差別不大；人機工程方面，產(chǎn)品智能化改造項目以產(chǎn)品尺度構(gòu)思用戶體驗，培養(yǎng)成效更好。

對照產(chǎn)品智能化改造項目的問卷數(shù)據(jù)可知，除技術(shù)學習外，Arduino 驅(qū)動Automata 實踐項目還有效回應(yīng)工業(yè)設(shè)計“新工科”其它核心知識能力培養(yǎng)，除“社會責任”和“人機工程”外，都與廣泛實施的產(chǎn)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(yè)實踐中養(yǎng)成的知識能力，在教學組織中，還需通過產(chǎn)業(yè)實際項目培養(yǎng)，基于企業(yè)及工程技術(shù)人員對方案有關(guān)“生產(chǎn)—消費—使用”的評判，學生才能建構(gòu)系統(tǒng)的思考與評價機制，獲得相應(yīng)能力。

結(jié)語

工業(yè)設(shè)計作為協(xié)調(diào)技術(shù)、文化、用戶體驗的交叉性專業(yè)，當前產(chǎn)業(yè)趨勢對學生面向智能制造的技術(shù)能力有更多要求，Arduino 驅(qū)動Automata 實踐項目在建構(gòu)學生關(guān)聯(lián)產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)的專業(yè)實務(wù)能力與技術(shù)執(zhí)行能力方面（產(chǎn)品設(shè)計、設(shè)計思維、原型制作、造型能力），成效明顯，對人機工程、交互設(shè)計，以及當前的AIGC 趨勢也能有所回應(yīng)。Arduino 驅(qū)動Automata 實踐項目服務(wù)工業(yè)設(shè)計“新工科”建設(shè)，培養(yǎng)學生設(shè)計實踐能力，實現(xiàn)工程技術(shù)學習的教學改革目標。