Arduino單片機(jī)在產(chǎn)品交互原型設(shè)計(jì)課程中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

劉彥+王倩+王可

摘 要：本文簡(jiǎn)述了在信息技術(shù)及移動(dòng)互聯(lián)發(fā)展的背景下，藝術(shù)院校產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)如何充分考慮藝術(shù)生的專業(yè)特點(diǎn)及專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)，在產(chǎn)品交互設(shè)計(jì)課程教學(xué)中引入Arduino開源電子原型平臺(tái)，開展課程設(shè)計(jì)、課題設(shè)計(jì)及教學(xué)方式的實(shí)踐嘗試。以使無(wú)編成、無(wú)電子技術(shù)知識(shí)基礎(chǔ)的藝術(shù)院校的學(xué)生輕松掌握基本的電子技術(shù)原理與軟件編程技巧；從而使其能根據(jù)自己的設(shè)計(jì)作品與概念，輕松使用智能硬件搭建起具有互動(dòng)性和、體驗(yàn)感和內(nèi)容設(shè)計(jì)互動(dòng)的作品原型。

關(guān)鍵詞：Arduino；傳感器；可視化編程VVVV；交互原型；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 概論

Arduino（圖1）是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型搭建平臺(tái)，包含硬件（各種型號(hào)的arduino電路主板、電子元件和軟件控制開發(fā)平臺(tái)（Arduino IDE）。簡(jiǎn)單地說(shuō)，其就是一塊電路板，具有可供存儲(chǔ)、編輯等處理的芯片和多個(gè)用于輸出、輸入信號(hào)的連接口——針腳（Pin）。Arduino的工作過(guò)程可以表述為：通過(guò)針腳連接不同的傳感器捕捉外界信號(hào)通過(guò)針腳輸入Arduino電路板；再通過(guò)之前上傳到Arduino電路板的函數(shù)進(jìn)行自動(dòng)編輯；之后通過(guò)連接在針腳上的輸出設(shè)備（有線或者無(wú)線的）把信號(hào)傳遞出去；從而控制如LED、麥克風(fēng)、電機(jī)等電器元件，如圖像信號(hào)、應(yīng)用軟件等數(shù)字信息。使用者可以在不需要了解過(guò)多電子技術(shù)知識(shí)與計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言知識(shí)的情況下，通過(guò)簡(jiǎn)單的練習(xí)，了解引腳連接的規(guī)律、函數(shù)的作用或可視化編程軟件VVVV，便可以進(jìn)行設(shè)計(jì)與產(chǎn)品開發(fā)原型制作。從某種程度來(lái)說(shuō)，其更適用于藝術(shù)家、設(shè)計(jì)師利用其創(chuàng)作和設(shè)計(jì)互動(dòng)類藝術(shù)作品、空間裝置、工業(yè)產(chǎn)品等。

如圖1所示，Arduino unn基礎(chǔ)開發(fā)PCB板正反面，正面提供各種接入、輸出和通訊端口。

Arduino于2005年誕生于意大利。作為教學(xué)實(shí)踐，國(guó)外高校設(shè)計(jì)專業(yè)在教學(xué)中很早就引入了Arduino平臺(tái)，作為學(xué)生設(shè)計(jì)作品呈現(xiàn)與評(píng)價(jià)的必要形式與方法。荷蘭代爾夫特大學(xué)、德國(guó)施瓦本格民得專業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院（圖2），早已在教學(xué)實(shí)踐中系統(tǒng)地引入了Arduino交互平臺(tái)，并將其用于交互設(shè)計(jì)教學(xué)中學(xué)生開展交互產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)作與最終作品表達(dá)的技術(shù)基礎(chǔ)與手段。

1 產(chǎn)品交互原型設(shè)計(jì)課程

交互設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)規(guī)則中，原型設(shè)計(jì)是《設(shè)計(jì)方法學(xué)》的核心內(nèi)容。該課程主要面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)和信息交互專業(yè)方向3年級(jí)以上的本科教學(xué)，并作為專業(yè)實(shí)踐課程而設(shè)置，共60～80課時(shí)；主要培養(yǎng)學(xué)生在產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程中使用Arduino開源電子平臺(tái)，真實(shí)模擬產(chǎn)品人機(jī)交互概念設(shè)計(jì)的能力；培養(yǎng)學(xué)生在智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，對(duì)于服務(wù)設(shè)計(jì)、用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)等的概念表現(xiàn)和產(chǎn)品功能與人機(jī)互動(dòng)行為等的形象化、表達(dá)和評(píng)估等能力。這是目前國(guó)際上交互設(shè)計(jì)領(lǐng)域主流的設(shè)計(jì)方法與評(píng)估設(shè)計(jì)手段；并且，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)未來(lái)產(chǎn)品的前瞻性設(shè)計(jì)方法的學(xué)習(xí)與掌握，是其核心的專業(yè)實(shí)踐課程。

南京藝術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和信息交互專業(yè)方向教學(xué)內(nèi)容的要求，以及目前國(guó)內(nèi)藝術(shù)院校設(shè)計(jì)學(xué)科的特點(diǎn)，重新規(guī)劃了課程的結(jié)構(gòu)和授課方式，以適應(yīng)藝術(shù)類學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握偏向電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的必要的專業(yè)技能和知識(shí)。

在翻閱了國(guó)內(nèi)外相關(guān)Arduino內(nèi)容的教材和資料后，筆者發(fā)現(xiàn)目前的教程及教材基本只針對(duì)Arduino的基礎(chǔ)技術(shù)內(nèi)容及開發(fā)方法進(jìn)行了詳細(xì)的講解及技術(shù)解決方案的案例分析，并未對(duì)其應(yīng)用及在藝術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域做有針對(duì)性的介紹。此外，大部分該類教材多為工科專業(yè)人員編寫，所針對(duì)用戶也大多是工科類電子工程、產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)等背景的專業(yè)人員和專業(yè)愛(ài)好者。而藝術(shù)設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)類專業(yè)是學(xué)生大多不具備掌握這類工科專業(yè)基礎(chǔ)資料的能力，很難理解其中的單片機(jī)、傳感器等電子元件以及計(jì)算機(jī)語(yǔ)言、軟件編寫與邏輯等，因此對(duì)其并不適用。可見(jiàn)，設(shè)計(jì)出一套適合設(shè)計(jì)類專業(yè)用戶的Arduino產(chǎn)品交互原型課程迫在眉睫。

南京藝術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院在充分考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)特點(diǎn)與藝術(shù)學(xué)科的基礎(chǔ)情況，在研究專業(yè)學(xué)習(xí)必要的電子技術(shù)原理內(nèi)容基礎(chǔ)的過(guò)程中，總結(jié)出如下幾個(gè)方面的課程內(nèi)容形式與教學(xué)方法：

首先，盡量避免使用晦澀的專業(yè)詞匯、公式、定義基本的電子部件和電子技術(shù)原理。教師授課時(shí)應(yīng)盡量把晦澀的技術(shù)過(guò)程形象化描述，從而更為形象、直觀地為學(xué)生呈現(xiàn)硬件的連接圖而不是電路圖（圖3）。

其次，硬件的模塊化分類方式，能夠使學(xué)生更為形象化地理解各個(gè)電子元件之間的連接關(guān)系及其在完整的系統(tǒng)里的作用與功能。例如，在一個(gè)用Arduino單片機(jī)完整搭建的電路中，教師應(yīng)明確哪些電器元件屬于輸入元件、哪些屬于存儲(chǔ)元件、哪些元件具有通訊功能、哪些屬于輸出元件；并在授課前充分考慮學(xué)生設(shè)計(jì)方案中可能會(huì)頻繁使用到的元件及元件組合，從而對(duì)其定義、分類。例如，在智能家居設(shè)計(jì)方案中，課題小組可能會(huì)用到的元件，如光耦傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等，可將其歸類為同一類型的輸入模塊，用于捕捉家庭環(huán)境中的環(huán)境數(shù)據(jù)；而對(duì)于某些用于使數(shù)據(jù)在不同設(shè)備中相互交換的元件，可以歸類為通訊或者接口類模塊，如藍(lán)牙模塊、WIFI模塊、RFID模塊、USB接口等。

計(jì)算機(jī)語(yǔ)言用于驅(qū)動(dòng)和編輯連接好的電子元件，是用于發(fā)出指令的數(shù)據(jù)。可以形象地描述：硬件相互連接產(chǎn)生了軀體，而計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫的程序則是賦予軀體的靈魂。在程序編寫部分，通常的課程和教材中會(huì)使用Arduino IDE（集成開發(fā)環(huán)境）完成，該環(huán)境需要具備C語(yǔ)言基礎(chǔ)、工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)；而藝術(shù)院校產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生基本不具備掌握這一計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的前置專業(yè)基礎(chǔ)。因此，在實(shí)踐的教學(xué)中，筆者尋求一種可視化編程語(yǔ)言的解決方案，可視化編程軟件VVVV可實(shí)現(xiàn)這一教學(xué)要求。該軟件是一款簡(jiǎn)單原型設(shè)計(jì)和開發(fā)的圖形化編程軟件，可以作為大型數(shù)字媒體與物理硬件接口、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像、音頻和視頻等數(shù)據(jù)信息；可以同時(shí)進(jìn)行與許多用戶交互環(huán)境的處理；是非常適合藝術(shù)家與設(shè)計(jì)師的可視化編程解決方案（圖4）。

2 教學(xué)方法