一、工業(yè)設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)概述

作為產(chǎn)品價(jià)值鏈的開端，工業(yè)設(shè)計(jì)是現(xiàn)代企業(yè)創(chuàng)新體系的重要組成部分，工業(yè)設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)質(zhì)量關(guān)系到了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力[1]。隨著智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用，各種智能化的新產(chǎn)品、新品類和新物種層出不窮，成為了工業(yè)設(shè)計(jì)的熱門領(lǐng)域，也對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)人才的能力和知識(shí)結(jié)構(gòu)提出了新要求[2-3]。如何適應(yīng)智能時(shí)代的工業(yè)設(shè)計(jì)人才需求，探索更先進(jìn)的教學(xué)思路與方法，高效率培養(yǎng)高質(zhì)量的工業(yè)設(shè)計(jì)人才，是一個(gè)需要研究的教學(xué)問題[4]。

近年來，國(guó)內(nèi)外高科技企業(yè)普遍將設(shè)計(jì)思維和硬件產(chǎn)品技術(shù)趨勢(shì)預(yù)判能力作為工業(yè)設(shè)計(jì)核心崗位的勝任力指標(biāo)[5]?？梢?，采取有效的教學(xué)改革措施，探索設(shè)計(jì)思維與智能技術(shù)應(yīng)用能力融合創(chuàng)新的策略，對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生培養(yǎng)產(chǎn)品原型創(chuàng)新能力至關(guān)重要，并關(guān)系到人才培養(yǎng)目標(biāo)與產(chǎn)業(yè)需求的匹配度。本文針對(duì)以上問題開展研究與實(shí)踐探索。

二、培養(yǎng)設(shè)計(jì)思維的重要性

設(shè)計(jì)思維是一種以人為本的解決復(fù)雜問題的創(chuàng)新方法，是工業(yè)設(shè)計(jì)師的核心職業(yè)素養(yǎng)[6-7]，主要體現(xiàn)為3 個(gè)維度的價(jià)值：首先，有效促進(jìn)設(shè)計(jì)創(chuàng)意的突破?；谟脩舴答伒亩糠治黾坝脩粜袨橛^察的定性研究，設(shè)計(jì)師可以判斷出用戶潛在需求，為設(shè)計(jì)方案的迭代提供實(shí)證依據(jù)[8]。其次，顯著提升用戶體驗(yàn)品質(zhì)。設(shè)計(jì)思維要求設(shè)計(jì)者遵循以“用戶為中心”的原則，關(guān)注用戶體驗(yàn)并轉(zhuǎn)化為可量化的設(shè)計(jì)參數(shù)，確保產(chǎn)品或服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合用戶心理預(yù)期，實(shí)現(xiàn)用戶體驗(yàn)指標(biāo)與品牌美譽(yù)度的雙重提升[9]。第三，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化。設(shè)計(jì)思維可以引導(dǎo)設(shè)計(jì)者從用戶的角度判別產(chǎn)品設(shè)計(jì)的缺陷，再通過原型測(cè)試與迭代，優(yōu)化產(chǎn)品性能。例如，小米公司研發(fā)第一代手機(jī)時(shí)，邀請(qǐng)了一批早期用戶參與工程樣機(jī)的使用測(cè)試，收集用戶反饋的使用問題，不僅修正了若干現(xiàn)存問題，還創(chuàng)造了若干創(chuàng)新性的功能，使得產(chǎn)品在上市后獲得用戶的高度認(rèn)可[10]。

可見，設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)具有關(guān)鍵性作用，在高度競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)環(huán)境下，具備設(shè)計(jì)思維的設(shè)計(jì)人員能夠更敏銳地識(shí)別潛在創(chuàng)新機(jī)遇[11]。

三、培養(yǎng)開源硬件應(yīng)用能力的重要性

開源硬件是開源文化在智能硬件領(lǐng)域的重要體現(xiàn)，對(duì)智能硬件產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。Arduino 是開源硬件的典型代表，電路原理圖、材料清單和設(shè)計(jì)圖等均遵循開源許可協(xié)議，其友好的技術(shù)架構(gòu)解決了用戶因單片機(jī)開發(fā)與編程技術(shù)基礎(chǔ)薄弱而面臨的技術(shù)瓶頸問題[12]?；贏rduino 的開發(fā)創(chuàng)新是典型的組合式創(chuàng)新范式，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員提供了模塊化、可擴(kuò)展且低門檻的原型開發(fā)平臺(tái)。

智能硬件創(chuàng)新是基于開源的底層軟硬件平臺(tái)，集成智能傳感器、人機(jī)交互、新型顯示及大數(shù)據(jù)處理等新一代信息技術(shù)，開發(fā)形成的新型智能終端產(chǎn)品及服務(wù)系統(tǒng)[13]。智能硬件的應(yīng)用場(chǎng)景已經(jīng)涵蓋智能家居、智能車載、智能醫(yī)療和智能娛樂等多個(gè)領(lǐng)域，為工業(yè)設(shè)計(jì)提供了廣闊的發(fā)揮空間。隨著新的生活場(chǎng)景出現(xiàn)，工業(yè)設(shè)計(jì)要解決更多新問題，需要探索更多新思路、新方法和新經(jīng)驗(yàn)。在教學(xué)中，系統(tǒng)化開展開源硬件應(yīng)用能力訓(xùn)練，能有效引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)知智能技術(shù)的多元化應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)施路徑，深入理解技術(shù)原理和工程化方法，可強(qiáng)化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)能力，提升原型制作效率與驗(yàn)證的準(zhǔn)確度。

四、設(shè)計(jì)思維與開源硬件技術(shù)融合的工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力訓(xùn)練方法

由前述內(nèi)容可知，以用戶為中心的設(shè)計(jì)思維能夠?yàn)殚_源硬件技術(shù)實(shí)施確立明確的研發(fā)導(dǎo)向與價(jià)值基準(zhǔn)，提升技術(shù)方案與用戶需求場(chǎng)景的適配準(zhǔn)確度；而開源硬件技術(shù)則為設(shè)計(jì)師解決用戶痛點(diǎn)提供了創(chuàng)新性的技術(shù)路徑，促進(jìn)產(chǎn)品迭代和拓展新品類。因此，在工業(yè)設(shè)計(jì)人才創(chuàng)新能力訓(xùn)練教學(xué)中，整合開源硬件容易掌握、適用面廣及成本低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)和設(shè)計(jì)思維的創(chuàng)新導(dǎo)向，構(gòu)建雙向賦能的協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制，是具有重要價(jià)值的研究。

在教學(xué)中，本研究以萬物智能為背景，以設(shè)計(jì)思維、開源硬件及交互技術(shù)為基礎(chǔ)，以構(gòu)建全新用戶體驗(yàn)的智能化生活場(chǎng)景為目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)基于智能技術(shù)應(yīng)用的產(chǎn)品原型設(shè)計(jì)創(chuàng)新，形成從用戶需求分析、問題定義到智能硬件產(chǎn)品設(shè)計(jì)與原型制作全過程的能力訓(xùn)練，建立“設(shè)計(jì)思維與開源硬件技術(shù)融合的創(chuàng)新能力訓(xùn)練思路”模型（如圖1），目的是培養(yǎng)具有出色的設(shè)計(jì)思維、工程思維和數(shù)字化思維，具有優(yōu)秀的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)、智能創(chuàng)新能力、跨學(xué)科交叉融合能力和動(dòng)手操作能力，適應(yīng)智能時(shí)代需求的工業(yè)設(shè)計(jì)人才。在具體實(shí)施中，以課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)等長(zhǎng)周期的實(shí)踐類課程為載體，以探索智能技術(shù)應(yīng)用新場(chǎng)景為目標(biāo)，以開源硬件為基本工具去解決問題，得到智能產(chǎn)品的原型，通過反復(fù)測(cè)試、驗(yàn)證和迭代，輸出最佳設(shè)計(jì)成果，達(dá)到將設(shè)計(jì)思維與開源硬件技術(shù)融合運(yùn)用的目的。

五、案例：視障者智能家居控制中樞設(shè)計(jì)

智能家居是設(shè)計(jì)思維與智能技術(shù)融合應(yīng)用的常見領(lǐng)域，主要面向一般人群的生活需求，但對(duì)于殘障人士等弱勢(shì)群體的需求缺少考慮。以視障人群為例，中國(guó)的視障群體約有1820 萬人并呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)[14]。智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)突破傳統(tǒng)用戶群體的局限，構(gòu)建面向特殊需求的智能生活輔助技術(shù)體系。對(duì)于視障者來說，智能技術(shù)可承擔(dān)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(fā)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(chǔ)性生存需求，其可及性與安全性是衡量視障群體生活質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。本研究基于設(shè)計(jì)思維與開源硬件技術(shù)融合的工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力訓(xùn)練思路模型，以本科畢業(yè)設(shè)計(jì)為教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)，指導(dǎo)學(xué)生通過構(gòu)建廚房智能控制中樞的典型應(yīng)用場(chǎng)景，系統(tǒng)化訓(xùn)練面向特殊人群需求的設(shè)計(jì)響應(yīng)能力。

首先通過文獻(xiàn)綜述掌握視障人群的界定分類、生理特征及感官認(rèn)知等理論知識(shí)；然后制訂標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)研方案，在桌面研究的基礎(chǔ)上實(shí)施問卷調(diào)查，獲取視障群體對(duì)智能家居產(chǎn)品使用體驗(yàn)的主觀評(píng)價(jià)及對(duì)未來生活場(chǎng)景的期望；繼而采用目的性抽樣開展深度訪談和實(shí)施生活行為觀察，再運(yùn)用缺點(diǎn)列舉法[15] 對(duì)烹飪作業(yè)中的操作障礙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過聚類處理得到視障者在廚房場(chǎng)景中的主要需求矩陣（見表1）。

基于上述視障人士的現(xiàn)有需求分析，得出視障人士在廚房場(chǎng)景中物品識(shí)別痛點(diǎn)尤其突出，嚴(yán)重影響用戶開展各種操作，急需改善以達(dá)到提高用戶在廚房烹飪的的效率和全流程的體驗(yàn)度。

2. 思維發(fā)散

針對(duì)用戶在作業(yè)流程中的識(shí)別物品困難這一核心問題，秉持以用戶為中心的設(shè)計(jì)原則，融合NFC 近場(chǎng)通訊、智能語音交互等技術(shù)，設(shè)計(jì)一款智能家居控制中樞應(yīng)用于廚房場(chǎng)景。結(jié)合產(chǎn)品的手持使用方式、功能和環(huán)境因素，進(jìn)行解決方案的思維發(fā)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(shè)計(jì)了底部寬大且圓潤(rùn)的初代產(chǎn)品形態(tài)，使該產(chǎn)品具有低重心、自復(fù)位和不易傾倒的特點(diǎn)。

（二）智能硬件選型及原型設(shè)計(jì)

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(xiàn)有智能家居控制中樞產(chǎn)品及視障人群標(biāo)簽產(chǎn)品的系統(tǒng)分析，從交互方式、信息反饋機(jī)制與感知模態(tài)3 個(gè)維度構(gòu)建指導(dǎo)性的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選擇NFC 近場(chǎng)通訊技術(shù)[16] 及智能語音交互為主要技術(shù)，設(shè)計(jì)一款新型視障人士智能家居控制中樞應(yīng)用于廚房場(chǎng)景。NFC 近場(chǎng)通訊技術(shù)可以存儲(chǔ)包括文本、網(wǎng)址、圖像、視頻等數(shù)據(jù)，可短距離通信，且支持多種安全機(jī)制，如加密、認(rèn)證等，可以有效地避免數(shù)據(jù)泄露等安全問題。同時(shí)，可以支持雙向通信，既可以讀取標(biāo)簽上的信息，也可以將信息寫入標(biāo)簽中，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。如今NFC 技術(shù)已經(jīng)成熟的運(yùn)用在各種應(yīng)用場(chǎng)景，例如門禁卡、電子錢包、智能家居等。設(shè)計(jì)基于聽覺感知的標(biāo)簽，通過技術(shù)手段將語音存儲(chǔ)至標(biāo)簽中，通過語音提示來幫助視障人士識(shí)別物品。具體設(shè)計(jì)思路如下：（1）裝置可錄入語音至標(biāo)簽，掃描標(biāo)簽讀取相對(duì)應(yīng)的信息，語音識(shí)別以及可控制其他智能家居產(chǎn)品等功能；（2）簡(jiǎn)化用戶識(shí)別物品的過程，縮短操作時(shí)間，提高用戶做飯的意愿和頻率；（3）簡(jiǎn)單的人機(jī)交互方式，手持式設(shè)備用戶能夠快速的認(rèn)知學(xué)習(xí)操作，體現(xiàn)無障礙設(shè)計(jì)原則；（4）簡(jiǎn)約的造型，結(jié)合材料的觸覺特性引導(dǎo)視障者操作。

2. 原型設(shè)計(jì)

將前期研究發(fā)現(xiàn)的視障者隱性需求轉(zhuǎn)化為機(jī)會(huì)點(diǎn)，確定產(chǎn)品的功能架構(gòu)如圖3 所示。在讀取與記錄功能上，通過NFC 標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)物品信息存取，用戶可粘貼于調(diào)味品蓋等常用物品的接觸面，用戶通過產(chǎn)品即可實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)上，作為廚房物聯(lián)網(wǎng)控制中心，支持廚房場(chǎng)景跨設(shè)備聯(lián)動(dòng)，如可同步調(diào)節(jié)智能電磁爐功率和抽油煙機(jī)開關(guān)，同時(shí)觸發(fā)烤箱和開啟智能水龍頭預(yù)熱等組合操作；產(chǎn)品配備無線充電底座，消除視障人士對(duì)傳統(tǒng)插口充電障礙，實(shí)現(xiàn)放置即充；產(chǎn)品具備聯(lián)網(wǎng)功能，物聯(lián)服務(wù)依托Wi-Fi/ 藍(lán)牙雙模組網(wǎng)，提供精準(zhǔn)烹飪定時(shí)提醒，以免菜品被燒糊，同時(shí)，集成音頻流媒體服務(wù)，可播放音樂和資訊，優(yōu)化烹飪過程愉悅體驗(yàn)。

基于視障者廚房作業(yè)習(xí)慣及臺(tái)面環(huán)境復(fù)雜性，對(duì)初期產(chǎn)品方案進(jìn)行改進(jìn)，迭代產(chǎn)品抓握形態(tài)為圓柱形設(shè)計(jì)，解決了底部設(shè)計(jì)過于厚重使得產(chǎn)品笨重不適合視障人士手持。產(chǎn)品頂部功能模塊，方便用戶抓握和識(shí)別標(biāo)簽，為其提供了實(shí)體交互按鈕，按鈕表面采用盲文設(shè)計(jì)，以便用戶能夠根據(jù)提示快速識(shí)別功能按鈕，草模人機(jī)驗(yàn)證測(cè)試如圖5 所示。

將產(chǎn)品固定位置由臺(tái)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(chǎn)品頭部可拆卸接觸部件與產(chǎn)品末端形成的三點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠?qū)a(chǎn)品很好地穩(wěn)定在桌面上，用戶可以隨時(shí)拿放產(chǎn)品，減輕操作負(fù)擔(dān)。接觸部件可以拆卸清洗，以保證產(chǎn)品自身的清潔度。使用場(chǎng)景效果如圖6 所示。

為了進(jìn)一步深化智能控制中樞的設(shè)計(jì)方案，本文使用Rhino 軟件建模，完善設(shè)計(jì)方案中智能控制中樞功能按鍵以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵細(xì)節(jié)要素。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)存標(biāo)簽倉、推拉結(jié)構(gòu)按鈕、實(shí)體按鈕和硅膠把手等零部件組成。通過光固化3D 打印技術(shù)，采用高強(qiáng)度且塑性強(qiáng)的樹脂材料制作了視障人士控制中樞的實(shí)體模型，結(jié)構(gòu)件3D 打印及噴漆處理模型如圖8 所示。產(chǎn)品采用接觸部件所形成的三點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠很好地穩(wěn)定在桌面上，最終原型方案如圖9 所示。壁掛式設(shè)計(jì)不僅能夠保持產(chǎn)品潔凈，減少視障人士的清洗工作，同時(shí)也增強(qiáng)了產(chǎn)品的易用性和便捷性。

（三）智能硬件模塊開發(fā)與驗(yàn)證

1. 智能硬件模塊開發(fā)

本研究通過功能硬件設(shè)計(jì)與測(cè)試，構(gòu)建了集成標(biāo)簽記錄/ 讀取模塊與智能家居控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理驗(yàn)證原型。為驗(yàn)證系統(tǒng)功能的簡(jiǎn)潔性、控制可靠性和響應(yīng)靈敏度，主要功能測(cè)試方案由Arduino Nano 開發(fā)板、傳感器、LED 燈、振動(dòng)模塊、天問MCU 和Arduino IDE 環(huán)境6 個(gè)部分組成（見圖10），具體交互邏輯關(guān)系如圖11 所示，其中Arduino Nano開發(fā)板[17] 為核心控制模塊，通過整合NFC 識(shí)別與智能語音識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，同時(shí)開發(fā)配套音頻標(biāo)簽系統(tǒng)以優(yōu)化物品識(shí)別的效率，從而提升烹飪過程智能化水平，構(gòu)建高效廚房操作環(huán)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(cè)試與成果交付

本研究通過3D 打印技術(shù)制備產(chǎn)品外殼原型，結(jié)合開源硬件集成與結(jié)構(gòu)裝配構(gòu)建實(shí)體功能樣機(jī)，并模擬視障用戶的烹飪流程以驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性。模擬過程如圖15 所示，分為3 個(gè)階段：在備餐階段，系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)食材存儲(chǔ)信息的動(dòng)態(tài)更新與交互，視障者的親屬可通過應(yīng)用程序界面實(shí)時(shí)同步智能家居數(shù)據(jù)，視障用戶可依據(jù)個(gè)體需求設(shè)定快捷啟動(dòng)模式或智能廚電聯(lián)動(dòng)方案，構(gòu)建個(gè)性化烹飪場(chǎng)景；在烹飪階段，重點(diǎn)驗(yàn)證調(diào)味品智能識(shí)別系統(tǒng)與烹飪時(shí)序輔助功能的可靠性；在清洗階段，針對(duì)廚房環(huán)境復(fù)雜性特征，產(chǎn)品采用壁掛式磁吸充電方案以規(guī)避臺(tái)面污染，其接觸面組件設(shè)計(jì)為可拆卸模塊化結(jié)構(gòu)，支持快速清潔維護(hù)。測(cè)試結(jié)果證明，本研究提出的設(shè)計(jì)方案通過優(yōu)化人機(jī)交互邏輯與使用流程，顯著提升了用戶體驗(yàn)。

結(jié)語

培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維和開源硬件技術(shù)融合創(chuàng)新能力是智能時(shí)代的必然要求。本文以視障者智能家居控制中樞設(shè)計(jì)為教學(xué)實(shí)踐案例，洞察到視障人群的烹飪需求痛點(diǎn)，定義問題，利用發(fā)散思維，尋求合適的開源硬件技術(shù)，采用NFC 近場(chǎng)通訊技術(shù)、語音交互與物聯(lián)網(wǎng)控制等智能技術(shù)，通過智能交互原型測(cè)試，驗(yàn)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(duì)于改善視障人士的生活品質(zhì)具有重要意義。本案例驗(yàn)證了以設(shè)計(jì)思維為導(dǎo)向、以開源硬件為技術(shù)支撐的創(chuàng)新能力訓(xùn)練方法的有效性，充分展示了設(shè)計(jì)思維與開源硬件技術(shù)融合創(chuàng)新的價(jià)值。該方法能夠引導(dǎo)學(xué)生將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐，培養(yǎng)設(shè)計(jì)思維與工程思維雙重素養(yǎng)。

隨著智能技術(shù)的發(fā)展和用戶需求的多元化，工業(yè)設(shè)計(jì)教育應(yīng)進(jìn)一步深化跨學(xué)科合作，探索更高效的創(chuàng)新能力訓(xùn)練體系，同時(shí)應(yīng)關(guān)注特殊群體的需求，推動(dòng)包容性設(shè)計(jì)理念的普及，使技術(shù)創(chuàng)新真正服務(wù)于社會(huì)福祉。本研究為工業(yè)設(shè)計(jì)人才培養(yǎng)提供了有益參考，但如何量化訓(xùn)練效果、優(yōu)化課程體系仍需后續(xù)探索。