Arduino单片机在产品交互原型设计课程中的实验教学实践

刘彦+王倩+王可

摘 要：本文简述了在信息技术及移动互联发展的背景下，艺术院校产品设计专业如何充分考虑艺术生的专业特点及专业知识结构，在产品交互设计课程教学中引入Arduino开源电子原型平台，开展课程设计、课题设计及教学方式的实践尝试。以使无编成、无电子技术知识基础的艺术院校的学生轻松掌握基本的电子技术原理与软件编程技巧；从而使其能根据自己的设计作品与概念，轻松使用智能硬件搭建起具有互动性和、体验感和内容设计互动的作品原型。

关键词：Arduino；传感器；可视化编程VVVV；交互原型；实验教学

0 概论

Arduino（圖1）是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型搭建平台，包含硬件（各种型号的arduino电路主板、电子元件和软件控制开发平台（Arduino IDE）。简单地说，其就是一块电路板，具有可供存储、编辑等处理的芯片和多个用于输出、输入信号的连接口——针脚（Pin）。Arduino的工作过程可以表述为：通过针脚连接不同的传感器捕捉外界信号通过针脚输入Arduino电路板；再通过之前上传到Arduino电路板的函数进行自动编辑；之后通过连接在针脚上的输出设备（有线或者无线的）把信号传递出去；从而控制如LED、麦克风、电机等电器元件，如图像信号、应用软件等数字信息。使用者可以在不需要了解过多电子技术知识与计算机编程语言知识的情况下，通过简单的练习，了解引脚连接的规律、函数的作用或可视化编程软件VVVV，便可以进行设计与产品开发原型制作。从某种程度来说，其更适用于艺术家、设计师利用其创作和设计互动类艺术作品、空间装置、工业产品等。

如图1所示，Arduino unn基础开发PCB板正反面，正面提供各种接入、输出和通讯端口。

Arduino于2005年诞生于意大利。作为教学实践，国外高校设计专业在教学中很早就引入了Arduino平台，作为学生设计作品呈现与评价的必要形式与方法。荷兰代尔夫特大学、德国施瓦本格民得专业设计学院（图2），早已在教学实践中系统地引入了Arduino交互平台，并将其用于交互设计教学中学生开展交互产品设计创作与最终作品表达的技术基础与手段。

1 产品交互原型设计课程

交互设计的设计规则中，原型设计是《设计方法学》的核心内容。该课程主要面向产品设计专业和信息交互专业方向3年级以上的本科教学，并作为专业实践课程而设置，共60～80课时；主要培养学生在产品设计课程中使用Arduino开源电子平台，真实模拟产品人机交互概念设计的能力；培养学生在智能产品设计领域，对于服务设计、用户体验设计、交互设计等的概念表现和产品功能与人机互动行为等的形象化、表达和评估等能力。这是目前国际上交互设计领域主流的设计方法与评估设计手段；并且，培养学生对未来产品的前瞻性设计方法的学习与掌握，是其核心的专业实践课程。

南京艺术学院工业设计学院根据产品设计和信息交互专业方向教学内容的要求，以及目前国内艺术院校设计学科的特点，重新规划了课程的结构和授课方式，以适应艺术类学生学习和掌握偏向电子技术与计算机语言的必要的专业技能和知识。

在翻阅了国内外相关Arduino内容的教材和资料后，笔者发现目前的教程及教材基本只针对Arduino的基础技术内容及开发方法进行了详细的讲解及技术解决方案的案例分析，并未对其应用及在艺术设计应用领域做有针对性的介绍。此外，大部分该类教材多为工科专业人员编写，所针对用户也大多是工科类电子工程、产品技术开发等背景的专业人员和专业爱好者。而艺术设计、工业设计类专业是学生大多不具备掌握这类工科专业基础资料的能力，很难理解其中的单片机、传感器等电子元件以及计算机语言、软件编写与逻辑等，因此对其并不适用。可见，设计出一套适合设计类专业用户的Arduino产品交互原型课程迫在眉睫。

南京艺术学院工业设计学院在充分考虑产品设计专业特点与艺术学科的基础情况，在研究专业学习必要的电子技术原理内容基础的过程中，总结出如下几个方面的课程内容形式与教学方法：

首先，尽量避免使用晦涩的专业词汇、公式、定义基本的电子部件和电子技术原理。教师授课时应尽量把晦涩的技术过程形象化描述，从而更为形象、直观地为学生呈现硬件的连接图而不是电路图（图3）。

其次，硬件的模块化分类方式，能够使学生更为形象化地理解各个电子元件之间的连接关系及其在完整的系统里的作用与功能。例如，在一个用Arduino单片机完整搭建的电路中，教师应明确哪些电器元件属于输入元件、哪些属于存储元件、哪些元件具有通讯功能、哪些属于输出元件；并在授课前充分考虑学生设计方案中可能会频繁使用到的元件及元件组合，从而对其定义、分类。例如，在智能家居设计方案中，课题小组可能会用到的元件，如光耦传感器、温度传感器、湿度传感器等，可将其归类为同一类型的输入模块，用于捕捉家庭环境中的环境数据；而对于某些用于使数据在不同设备中相互交换的元件，可以归类为通讯或者接口类模块，如蓝牙模块、WIFI模块、RFID模块、USB接口等。

计算机语言用于驱动和编辑连接好的电子元件，是用于发出指令的数据。可以形象地描述：硬件相互连接产生了躯体，而计算机语言编写的程序则是赋予躯体的灵魂。在程序编写部分，通常的课程和教材中会使用Arduino IDE（集成开发环境）完成，该环境需要具备C语言基础、工业设计专业；而艺术院校产品设计专业的学生基本不具备掌握这一计算机语言的前置专业基础。因此，在实践的教学中，笔者寻求一种可视化编程语言的解决方案，可视化编程软件VVVV可实现这一教学要求。该软件是一款简单原型设计和开发的图形化编程软件，可以作为大型数字媒体与物理硬件接口、实时动态图像、音频和视频等数据信息；可以同时进行与许多用户交互环境的处理；是非常适合艺术家与设计师的可视化编程解决方案（图4）。

2 教学方法